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

О растворяющей способности сверхкритического углекислого газа

И.Ю.Попова - вед.н.сотр., к.б.н,
А.Р.Водяник - коммерческий директор,
Д.В.Беседин - науч. сотр., к.х.н.
ООО Научно-исследовательский Центр Экологических Ресурсов "ГОРО"


Для выделения биологически активного комплекса соединений применяются различные способы экстракции, в технологии которых часто используют органические химические соединения, такие как спирт, пропиленгликоль (ПГ), гексан или ацетон, а также нагрев для их дальнейшего устранения. Применение органических растворителей используется для получения из растительного сырья наиболее полных по своему химическому составу экстракты, что далеко не всегда достигает соей цели.

Свойства сверхкритического СО2 (СК- СО2) нашли свое применение для экстракции и фракционирования веществ. Более того, сверхкритический СО2 оказался селективным неполярным растворителем, позволяющим отделить желаемые составляющие, исключая возможность включения токсических остатков растворителей в экстрактах и без риска распада выделяемых продуктов в результате термического воздействия [1].

Обладая максимальной способностью растворять липофильные соединения, СК-СО2 способен производить экстракт, практически идентичный продукту, получаемому при использовании метилен хлорида - неполярного растворителя, известного своей способностью растворять все вещества, за исключением тяжелых полимеров. Опыт компании "Sitec", Швейцария, занимающейся исследованиями и промышленными разработками в области сверхкритической флюидной экстракции, свидетельствует, что СО2 при плотности газа 830 г/л экстрагирует немногим меньше веществ, чем метилен хлорид за счет испарения СО2, и который обеспечивает незначительную потерю летучих веществ [2].

Натуральные продукты, что особенно характерно для растительного сырья, обычно содержат большое количество разнообразных химических веществ, сильно различающихся по степени растворимости в конкретном растворителе. Экстракты одного и того же исходного растительного сырья, полученные в результате использования различных растворителей, таким образом, никогда не будут полностью идентичны.

Технология СК-СО2 экстракции позволяет получать концентрат биологически активных веществ (БАВ), практически, с сохранением полного природного соотношения и тончайших биохимических нюансов, присущих растению. При этом выход концентрата с такими нутрицевтическими характеристиками достаточно высок. Так, по данным зарубежных фирм, работающих давно и плодотворно в сфере производства СК-СО2 экстрактов, 1 кг экстракта календулы возможно получить из 22 исходного высушенного сырья с содержанием действующего вещества до 14%.

Исследовалась растворяющая способность СК-СО2 в сравнении с такими растворителями, как 1,2-пропиленгликоль, растительное масло и этанол на примере экстракции хорошо изученных по своему химическому составу календулы (Calendula officinalis L.) и ромашки (Chamomillae recutita L.). Традиционно, в качестве экстрагентов широко используются этанол, глицерин и растительные масла. В последние годы в целях повышения эффективности экстракции из растительного сырья используется 1,2-пропиленгликоль (ПГ) [3].

Целью нашего исследования было сравнение ПГ, водно-спиртового и масляного экстрактов, которые широко применяются в пищевой промышленности и косметологии, с концентратами, получаемыми при помощи СК-СО2 экстракции.

Как уже было сказано, что СК-СО2 является неполярным растворителем, что ставит его в ряд с другими жидкими неполярными растворителями, такими как масло и метилен хлорид. Значит, и правила, применимые к этого типа растворителям, распространяются и на СК-СО2:

  • Чем больше похожи по своим физическим и химическим свойствам растворитель и растворяемое вещество, тем выше растворимость вещества;

  • Для ряда веществ с соизмеримой полярностью летучесть понижается с повышением молекулярного веса, также понижается и растворимость в данном растворителе;

  • Любое увеличение способности растворять приводит не только к повышению растворимости вещества, но и к увеличению ряда веществ, растворимых в данном количестве растворителя. Другими словами, чем больше составляющих смеси сольювент растворяет, следовательно, более низкой селективностью он обладает. Низкая способность к растворению, таким образом, означает высокую селективность.

Сравнительное хроматографическое исследование растительных экстрактов, полученных различными способами экстракции (СК-СО2-экстракция, масляная, водно-спиртовая, ПГ), проводилось с помощью газо-жидкостной хроматографии на приборе хроматомасс-спектрометр "Perkin Elmer Q-Mass 910" с использованием эталонных масс-спектров Национального Американского института стандартов и технологий.

Сравнение проводилось на примере водно-спиртового, масляного, ПГ-го и СК-СО2 экстрактов календулы и ромашки (см. табл. 1, 2) для идентификации качественного и количественного состава экстрактов. В работе использовались СК-СО2 экстракты календулы и ромашки, полученные НИЦ ЭР "ГОРО", и по содержанию действующего вещества и другим характеристикам вполне соответствующие зарубежным аналогам (см. таблицу 1).

Таблица 1.

№/№ Название СК-СО2 экстракта Действующее вещество Производство НИЦ ЭР "ГОРО", %
1. Календула эфирная фракция 10-15%
2. Ромашка бисаболол оксид 14,7-29,5 (19,85)
-бисаболол оксид 10,2-24,3 (17,15)
хамазулен (матрицин) 0,67

Анализ хроматограмм экстрактов показал, что наиболее полное извлечение БАВ из растительного сырья происходит при СК-СО2-экстракции. На втором месте по эффективности экстрагирования находится водно-спиртовая экстракция и масляная, а на последнем месте - ПГ способ экстрагирования.

За сто процентов принималось общее количество химических соединений, обнаруженных в исследуемом образце.


Анализ экстрактов на примере календулы.

При хроматографическом исследовании химического состава экстрактов цветков каледулы было обнаружено, что в СК-СО2 экстракте присутствует более 77 соединений, а в масляном и водно-спиртовом экстрактах не более тридцати соединений. Содержание жиров в масляном экстракте, соответствующее качественной характеристике растительного масла, использованного в качестве растворителя, составило около 60 %. Следует отметить, что хроматограмма ПГ-ого и водно-спиртового экстракта показала наличие растворителя 99,93% и 89,87%, соответственно (см. таблицу 2).

При дальнейшем рассмотрении сравнительных характеристик экстрактов следует учесть, что содержание воды в экстрактах не учитывалось, а также имеются в виду соединения, определяемые масс-детектором и имеющие концентрацию выше порога детектирования масс-селективного детектоора.

Таблица 2. Содержание биологически активных веществ в экстрактах календулы.

№/№ Растворитель Количество БАВ Наличие растворителя, %
1. СК-СО2 Более 77 нет
2. Растительное масло Около 28 около 60
3. Пропиленгликоль (ПГ) Около 8 99,93
4. Этанол (водно-спиртовая экстракция) Около 26 (жиров нет) 89,87

СК-СО2 экстракция. В составе СК-СО2 экстракта календулы эфирная часть (моно-, ди- и тритерпены) составляет около 6% от всех идентифицированных соединений. Сюда входят пинен, туйон, кубинен, муурен, изомеры кадинена, кариофиллена, сесквитерпены, аромадендрен, веридифролол, -кадинол. Жировую часть составили пальмитиновая (до 6%), линолеиновая (до 30%) олеиновая (до 15%) и стеариновая кислоты (до 4%). Содержание токоферолов отмечено до 10%. Стероидную часть составляют кампестерол (1,9%), стигмастирол (до 2%), ситостерол, фукостерол (1,5%), амюрин (3,6%), ланостерол, моретренол (около 6,5%) и тараксакостерол (до 1%).

Воска представлены высокоатомными спиртами (11,31%): фитолом, трикозаном, экозайном, нонакозном, генейкозаном, докозаномом, гептакозаном, октакозаном. Низкоатомные спирты представлены кадинолом, мууролом и веридифлоролом.

В составе экстракта присутствуют докозановая и гексакозановая и другие высокоатомные кислоты, обладающие выраженными антиоксидантными свойствами.

В составе в СК-СО2 экстракта календулы нами было обнаружено более 900 мг% -каротина и более 100 мг % лютеина. По литературным данным в цветках календулы содержится до 0,03% каротиноидов [4]. Следует отметить высокое содержание витамина Е и фитостероидов.

Таким образом, в СК-СО2 экстракте календулы широко представлена группа соединений, обладающих выраженными антиоксидантными свойствами.

Масляная экстракция. В результате масляного экстрагирования календулы было выявлено около 20 биоактивных соединений. Обнаружена незначительная примесь диэтилфталата, что объясняется частичным растворением резиновых элементов упаковки.

Из всех соединений терпены были представлены только аромадендреном и кадиненом (0,85%). Других соединений класса терпеноидов обнаружено не было. Фракция жиров составила более 60%, причем большинство эфиров жирных кислот соответствовало структуре масел, входящих в состав растворителя.

Использование масла в качестве растворителя позволило экстрагировать из сырья до 1% восков, представленных нонакозаном, до 14% -токоферола и фитостеролы (34,4%), которые были представлены кампестеролом, ситостеролом и стигмастеролом.

Таким образом, состав масляного экстракта представлен, в основном, фракцией жирных кислот и их эфирами (свыше 60%), а также фитостеролами (около 34%). Моно- и дитерпены с экстракте, представлены незначительным количеством аромадендрена и кадинена (до 0,7%). По качественному составу экстракт значительно уступает СК-СО2 экстракту.

Водно-спиртовая экстракция. В экстракте удалось однозначно идентифицировать около 20 соединений. Причем доля спирта составила 89,8% от всего экстракта. В экстракте содержалась примесь альдегидов (около 4,7%) таких, как бутаналь, метилбутаналь и этилацетат.

Эфирная часть представлена аромадендреном и кадиненом. Содержание других соединений класса моно- и дитерпеноидов было незначительным как по количественному, так и по качественному составу (спирты муурол, кадинол и лолеид). Отмечено относительно высокое содержание тритерпена амирина (до 0,5%). Как и следовало ожидать, стероиды в экстракте не представлены, т.к. они не растворяются в воде и плохо растворяются в спиртах.

Таким образом, в водно-спиртовом экстракте основную долю составляет этанол с примесью низкомолекулярных альдегидов. Основными компонентами спиртового экстракта являются низко- и высокомолекулярные спирты терпеноидного ряда, причем их качественный состав менее разнообразен, чем при СК-СО2 экстракции.

Пропиленгликолевая экстракция. Наиболее бедным по количественному и качественному содержанию БАВ оказался ПГ экстракт. Было обнаружено небольшое их количество, среди них близко к следовому количеству содержание муурола (0,09%). Основная доля в экстракте принадлежит ПГ (99,93%).

Такой результат может свидетельствовать о том, что данный метод анализа (хроматограмма) не способен оценить качественный состав БАВ молекулярной массой выше 800 дальтон. Существует вероятность того, что подобранная система растворителей не позволила выявить ряд соединений, содержащихся в экстракте, что само по себе маловероятно.

Количество биологически активных соединений в масляном и водно-спиртовом экстрактах примерно равно. В водно-спиртовом экстракте, в сравнении с масляным, наблюдается сдвиг в качественном составе в сторону спирторастворимых соединений: спиртов, солей, эфиров. При экстрагировании маслом качественный состав полученного экстракта сдвигается в сторону жирорастворимых соединений, таких как ПНЖК, токоферолы, стеролы. В ПГ экстракте присутствуют мизерные количества терпеноидов, что может свидетельствовать о полярной природе растворителя.


Выводы:

1. СК-СО2 экстракция позволяет извлечь из исходного растительного сырья БАВ наиболее полно отвечающие природному составу растения. В состав концентратов входят эфирные масла, фенольные соединения терпеноидного ряда, вторичные монотерпеновые спирты, сесквитерпены, дитерпеновые спирты и их производные, а также высокомолекулярные спирты, стероиды. СК-СО2 экстракт календулы обогащен жирорастворимыми витаминами и их аналогами (токоферолы и моретенол), а также полиненасыщенными жирными кислотами. В СК-СО2 экстракте все группы соединений представлены в равной мере.

2. В СК-СО2 экстракте календулы отмечается относительно высокое содержание фенолсодержащих терпеноидов, витамина Е, каротиноидов, амирина и моретенола, фитостеринов, а также воскоподобных соединений, что свидетельствует о выраженных антиоксидантных свойствах.

3. В процессе СО2-экстракции и при дальнейшем хранении продукции не образуется органических примесей, что наблюдается при других видах экстракции, рассмотренных в данной серии экспериментов. Это свидетельствует об инертности и стабильности СК-СО2 экстрактов.

4. В масляном экстракте (неполярный растворитель) не обнаружено группы легких эфиров, воскоподобных соединений и очень скуден состав терпеноидов. Основную массовую долю составляют полиненасыщенные жирные кислоты и их эфиры (свыше 60%), а так же токоферолы (15,35%). Отмечено относительно высокое содержание стероидных соединений. Это свидетельствует о сравнительно невысокой, по сравнению с СК-СО2 технологией, растворяющей способности растительного масла.

5. В составе СК-СО2-экстракта содержится 100% биологически активных соединений (более 77 наименований). Тогда как в масляном экстракте обнаружено около 40% (более 28 наименований) биологически активных соединений (БАВ), в водно-спиртовом экстракте - 10,13% БАВ (более 26 наименований), а в ПГ экстракте - следовые количества БАВ (0,07%).

6. Количество биологически активных соединений в масляном и водно-спиртовом экстрактах примерно равно. В качественном же отношении в водно-спиртовом экстракте наблюдается сдвиг в сторону спирторастворимых соединений: спиртов, солей, эфиров. Основными компонентами при спиртовой экстракции являются высокомолекулярные спирты, и также спирты класса терпенов, причем их качественный состав значительно менее богат, чем при СО2-экстракции. В масляном экстракте наблюдается сдвиг в сторону жирорастворимых соединений.

7. В составе спиртового экстракта обнаруживаются примеси низкомолекулярных альдегидов и этилфталатов, что говорит о наличии нежелательных примесей в самом растворителе и о способности его частично растворять элементы упаковки.

8. Наиболее бедным по содержанию БАВ оказался ПГ экстракт. Основную долю экстракта составил ПГ (до 99,93%). В результате проведения хроматографического анализа ПГ экстракта было обнаружено лишь близко к следовому содержание муурола (0,09 %).


Хроматограмма:

 

см. продолжение -->

--> продолжение



Литература:

1. Stahl E.,Quirin K.W., Gerard D. Verdichtete Gase zur Extraktion und Raffination.// - Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo: Springer,1987, 260 p.

2. Heidi Brogle // CO2 as a solvent: its properties and applications.// "Chamistry and Industry" - 19 June, 1982

3. Хасирджиев А.// Пропиленгликоль как экстрагент для выделения косметических БАВ из природных источников.// - По материалам Internet (сайт: www.kamelia.ru).

4. Кузнецова М.А., Рыбачук И.З. Фармакогнозия: Учебник.// 2-е изд-е. - М.: Медицина, 1993. - 448 с.



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