English version
На Главную Карта сайта Форма запроса
Искать
 
Сверхкритическая флюидная экстракция

Выделение биологически активных веществ с помощью сверхкритического диоксида углерода

Лепешков А.Г., Водяник А.Р. НИЦ ЭР "ГОРО"
г. Ростов-на-Дону


Экстракционные технологии с целью выделения биологически активных соединений из растительного сырья применяются в различных областях промышленности достаточно давно. Сверхкритическая флюидная, как ее иногда называют, или экстракция биологически активных веществ (БАВ) с помощью диоксида углерода, находящегося в сверхкритическом состоянии, - это сравнительно новый вид извлечения БАВ из сырья растительного или животного происхождения.

Если кратко рассмотреть историю этого вида экстракции, то следует сказать, что первые наблюдения за возникновением сверхкритических состояний были произведены еще в начале Х1Х столетия, когда Коньяр де ля Тур обнаружил исчезновение фазовых границ между жидкостью и газом при достижении определенных условий. Тем не менее, прошло еще более сотни лет, прежде чем удалось подойти к реализации теоретических и экспериментальных разработок в промышленной практике. Столь длительный период в подготовке шага от теории к практике был обусловлен не только большими экспериментальными проблемами с исследованиями в области критических состояний, но еще и тем, что лишь к 20 - 30 годам прошлого века удалось найти технические решения для узлов экстракционных установок, обеспечивающих постоянный и контролируемый поток сверхкритического газа через экстракционный сосуд.

Последовавшее за этим достаточно бурное развитие данного вида экстракционной технологии привело к созданию целого ряда промышленных экстракционных установок различной степени мощности (с объемом рабочей камеры от 10 - 50 литров до нескольких кубометров), а последние 25 - 30 лет ознаменовались успешным внедрением сверхкритической экстракции в самые разнообразные области человеческой деятельности. К этому следует только добавить, что возможности применения сверхкритических газов еще далеко не исчерпаны.

С точки зрения извлечения из исходного сырья биологически активных компонентов применение сжатых газов обусловлено тем, что подобно жидким органическим растворителям они обладают способностью растворять органические соединения при сравнительно низкой температуре.

Я думаю, нет смысла далеко углубляться в термодинамику данного процесса, однако следует отметить, что сжатые газы обладают характеристикой более быстрого массового передвижения, и коэффициент диффузии сжатого газа более чем в 10 раз выше, чем у жидкости. Рассмотрение характеристик плотности и вязкости сверкритических газов показывает, что они могут принципиально лучше, чем классические растворители, проникать в экстрагируемый материал, поглощать и транспортировать растворяемые составляющие.

Кроме того, сверхкритические газы обладают сравнительно высокой селективностью в отношении органических соединений, а поскольку потребление энергии для регенерации вспомогательного вещества в случае применения сжатых газов гораздо меньше, чем при экстракции стандартными жидкими растворителями, то это делает возможным их полное и щадящее отделение от экстракта и материала-носителя.

Углекислый газ - или диоксид углерода - применяемый в сверхкритическом состоянии для экстракции натурального сырья (растительного или животного) обладает всеми преимуществами и возможностями сжатого газа. Более того, он обладает целым рядом привлекательных свойств, обеспечивающих дополнительные преимущества при использовании этого газа в качестве вспомогательного средства при экстракции.

  • CO2 - обладает универсальной растворяющей способностью по отношению к органическим соединениям;
  • CO2 - физиологически не вызывает опасений, т.к. является конечным продуктом метаболизма ряда живых организмов, в том числе и человека;
  • CO2 - является стерильным и бактериостатичным соединением;
  • CO2 - не горит и не является взрывчатым веществом, что немаловажно для производственных условий;
  • CO2 - безопасен для окружающей среды, что позволяет говорить о возможности создания экологически чистого вида производства;
  • CO2 - сравнительно легок в получении, а, значит, является достаточно дешевым видом растворителя.

Надо отметить, что экстракция БАВ с помощью углекислого газа имеет две разновидности - это так называемая докритическая и собственно сверхкритическая экстракция.

Смешивание этих двух разновидностей под одной вывеской - CO2-экстракция, которое наблюдается в настоящее время, по меньшей мере некорректно, так как их схожесть ограничивается использованием одного вида растворителя. Различий гораздо больше, что, в конечном итоге, и приводит к совершенно разным экстракционным возможностям докритической и сверхкритической экстракции.

Таблица отражает основные, но далеко не все, показатели экстракционных процессов и следует подчеркнуть, что именно постоянный проток свежего или регенерированного сверхкритического газа через экстракционную камеру является отличительной и важной чертой сверхкритической экстракции, поскольку это позволяет в значительной степени варьировать параметрами температуры и давления, что в конечном итоге может существенно изменить растворяющую мощность используемого растворителя и сократить длительность экстракционного цикла. Более того, с практической точки зрения изменение и усиление растворяющей способности диоксида углерода приводит к расширению спектра извлекаемых из растительного сырья БАВ, а также увеличить их концентрацию в конечном экстракте. Другими словами, сверхкритическая экстракция позволяет получить экстракты в таком виде и с таким составом, который недостижим при докритических параметрах. Это отнюдь не означает абсолютного преимущества сверхкритических экстрактов; каждый продукт хорош для своего времени и своего потребителя. Мне просто еще раз хотелось бы подчеркнуть, что докритическая и сверхкритическая экстракция диоксидом углерода - это разные вещи, а, следовательно, в результате получается и разная продукция.

Параметры Докритическая экстракция Сверхкритическая экстракция
Растворитель CO2 в сжиженном состоянии CO2 в сверхкритическом состоянии
Давление До 73,8 атм 100 - 400 атм и выше
Температура   35 - 80 °С
Поток растворителя Нет Есть
Растворяемые вещества Частично липиды, терпеноиды, жирорастворимые витамины Терпеноиды, липиды (в том числе и высокомолекулярные жирные кислоты в свободном состоянии), алкалоиды, фенолсодержащие соединения, пигменты, жирорастворимые витамины, фитостерины и стероидоподобные соединения
Возможностьфракционирования экстрактов Нет Есть

Выше уже отмечалось, что с помощью сверхкритического диоксида углерода можно извлекать из сырья достаточно широкий спектр биологически активных компонентов, хотя нельзя не отметить, что углекислый газ при данном способе экстракции выступает как типичный липофильный растворитель, что, впрочем, характерно практически для всех газов, применимых для щадящей экстракции натуральных веществ.

В плане применения сверхкритических экстрактов в косметических целях интересно отметить, что они в большей степени отвечают требованиям натуральности получаемого продукта, нежели любые другие экстракты, получаемые с помощью традиционных методов экстракции. Например, хамазулен, придающий синий цвет эфирным маслам ромашки, является, в принципе, продуктом распада его предшественников (в частности, матрицина). Было установлено, что природное сочетание матрицина, бисаболола и его оксидов, которое реально можно получить при сверхкритической экстракции, обеспечивает больший эффект воздействия, нежели какие-либо иные компоненты или каждый компонент в отдельности. Другими словами, мазь, содержащая 1% сверхкритического экстракта ромашки, дает эффект, сходный по воздействию с применением мази 25% гидрокортизона, а при изготовлении косметических препаратов нормой можно считать введение в конечный продукт 0.1 - 0.3% сверхкритического экстракта.

СК-экстракт ромашки СК-экстракт полыни горькой
a-фарнезен Туйон
ß-фарнезен Собрерол
ß-кубебен Дигидрокарвеол
Спатуленол Пеларгол
Бисаболол-оксид ß-терпинен
Бисаболон-оксид Кариофиллен
Лаурен Линаллилизовалерат
Матрицин Хамазулен
Гидроксиматрицин Изохамазулен
Хамазулен Дигидрохамазулен
7-метоксикумарин Бисаболол-оксид
С 16:0 Процерин
С 18:0 Томентозин
С 18:1 + С 18:2 Цембрен
Воски Сквален
Ретинол
Витамин Е
Стероиды
Воски

Такой комплексный химический состав получаемых экстрактов не должен пугать наших потенциальных потребителей. По мере проникновения в суть сложных взаимосвязей биологически активных компонентов растительных экстрактов в организме человека становится понятным, что далеко не всегда синтетические химически чистые соединения хороши в качестве составляющих в косметических средствах. Выделяя вещество в чистом виде, мы действительно освобождаемся от целого ряда веществ, которые, как нам кажется, являются балластными. Однако, если учесть, что о синергитических взаимодействиях веществ в организме мы знаем еще очень и очень мало, то утверждение о балластных веществах растительных экстрактов становится более, чем сомнительным. К примеру, долгое время считалось, что бета-каротин является одним из наиболее эффективных антиоксидантов, однако сравнительно недавно выяснилось, что это не совсем так, причем антиоксидантные свойства группы каротиноидов в целом значительно превышают эффект каждого вещества в отдельности. Природа экспериментировала достаточно долгое время, а естественный отбор весьма жесток в закреплении наиболее удачных вариантов.

Одним из наиболее привлекательных свойств растительных экстрактов, полученных с помощью сверхкритической технологии, является их уникальная микробиологическая чистота. Они не только легко вписываются в СанПиН, но и значительно превосходят эти показатели, удовлетворяя самые жесткие требования, предъявляемые к экстрактам растительного происхождения. Можно предположить, что подобное свойство сверхкритических экстрактов является следствием именно технологических нюансов применяемого способа экстракции, однако в качестве однозначного объяснения это утверждение оставить конечно нельзя.

Более того, исследование микробиологической активности экстрактов показало, что некоторые, казалось бы, давно известные растения, в виде сверхкритических экстрактов обретают новые свойства.

Экстракты Контроль Шалфей
Микроорганизмы Кол-во колоний Кол-во колоний
St. aureus Более 1000 1
Sal. typhimirium Более 1000 Более 1000
Kl. pneumonea Более 1000 До 500
Sh. sonnae Более 1000 До 500
E. coli Более 1000 Более 1000
Pr. Vulgaris Более 1000 До 400
Pr. Mirabilis Более 1000 До 400
C. albicans Более 200 6

Подсчет выросших колоний культур микроорганизмов, культивируемых на жидких питательных средах с добавлением сверхкритических экстрактов, и, в частности, экстракта шалфея показал, что данный экстракт обнаруживает явную антимикробную активность. В принципе, этого и следовало ожидать, поскольку для экстрактов шалфея, полученных классическими способами экстракции, подобный эффект описан давно и достаточно подробно. В этом случае представляет интерес и является несколько неожиданным другое: сверхкритический экстракт шалфея явно угнетает рост грибов рода Candida. Совершенно ясно, что лечение кандидомикозов не является целью косметики, даже лечебно-профилактической, однако в свете приведенного примера нельзя отрицать вероятности того, что сверхкритические экстракты могут придать новые свойства косметическим средствам, особенно в тех областях, которые связаны с лечебным или омолаживающим воздействием.

Так, проведенные Испытательном Центре Центральной клинической больницы АН РФ доклинические испытания горофитов показали, что горофиты хмеля и календулы имеют четко выраженное действие снижающее количество липидов в коже, и при этом такое же четкое свойство по удерживанию влаги кожи (гидратантное действие). Не говоря о том, что указанные горофиты обладают и бактерицидным эффектом. Немаловажным является то обстоятельство, что испытания проводились в сравнении с традиционными CO2-экстрактами производства фирмы "Явента", г.Краснодар, и если показатели бактерицидного действия CO2-экстрактов были практически одинаковыми, показатели гидратантного действие были немного меньше, то воздействия на липиды кожи не выявлено вообще. Таким образом, доказано, что горофиты обладают действием не свойственным CO2-экстрактам, что обусловлено иным, более полным составом экстрагируемых веществ.

В заключение хотелось бы отметить, что я глубоко уверен в том, что сверхкритическая экстракция натурального сырья растительного происхождения еще не сказала своего последнего слова и имеет широкие и долгосрочные перспективы.



Назад  Вверх Версия для печати
Copyright © 2001-2018 Группа компаний «ГОРО»
Сделано в студии «RU-WEB»