Математическое планирование эксперимента для оптимизации выделения экстрактивных веществ из древесной зелени Pinus Sylvestris

Представленная работа посвящена определению оптимальных условий выделения суммы экстрактивных веществ из древесной зелени сосны методом эмульсионной экстракции. Экологически безопасный эмульсионный метод экстракции растительного сырья в водно-щелочной среде не уступает традиционным методам извлечения низкомолекулярных компонентов и позволяет эффективно выделять как гидрофильные, так и гидрофобные соединения. Объектом данного исследования являются отходы лесозаготовок - древесная зелень сосны обыкновенной - источник природных биологически активных веществ, имеющих практическое применение. Определение оптимальных условий экстракции ДЗ сосны эмульсионным способом в данном исследовании было проведено методом поверхности отклика с использованием ротатабельного композиционного униформ-плана второго порядка, который включал 13 экспериментальных опытов со всеми возможными комбинациями уровней двух изучаемых факторов: концентрации водного раствора NaOH и гидромодуля - отношения объема щелочного раствора к массе сырья. Анализ результатов исследований показал, что в заданном интервале варьирования факторов наибольшее влияние на выход экстрактивных веществ оказывает гидромодуль, при увеличении которого до 10:1 выход увеличивается, далее устанавливается равновесная концентрация в системе «сырье – экстрагент». Установлены оптимальные условия эмульсионной экстракции древесной зелени сосны: концентрация водного раствора NaOH - 5%, гидромодуль - 10:1. В оптимальных условиях выход экстрактивных веществ составил 9,84% от массы сухого сырья, что сопоставимо с результатами, полученными традиционными методами экстракции сырья органическими растворителями.

1. Arrabal Carlos, Concepcion Garcia-Vallejo Maria, Cadahia Estrella, Manuel Cortijo. Seasonal variations of lipophilic compounds in needles of two chemotypes of Pinus pinaster // Plant Syst Evol. 2014. P. 359–367. URL: https://doi.org/10.1007/s00606-013-0888-5.

2. Chemat F., Vian M.A., & Cravotto G. Green extraction of natural products: Concept and principles. International Journal of Molecules Sciences, 13, 2012. P. 8615–8627. URL: https://doi.org/10.3390/ijms1 3078615

3. Hou K., Bao M., Wang L., Zhang H., Yang L., Zhao H., & Wang Z. Aqueous enzymatic pretreatment ionic liquid–lithium salt based microwave–assisted extraction of essential oil and procyanidins from pinecones of Pinus koraiensis // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 236. P. 1–13. URL: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.07.056.

4. Kilic A., Hafizoglu H., Dönmez I.E., Tümen I., Sivrikaya H., Reunanen M., Hemming J. HolzalsRoh- und Werkstoff. Extractives in the cones of Pinus species // Eur. J. Wood Prod. 2011. Vol. 69, no. 1. P. 37–40. URL: https://doi.org/10.1007/s00107-010-0421-2.

5. Metsamuuronen Sari., Heli Sire´n. Bioactive phenolic compounds, metabolism and properties: a review on valuable chemical compounds in Scots pine and Norway spruce // Phytochemistry Reviews. 2019. No. 18(3). P. 623–664. URL: https://doi.org/10.1007/s11101-019-09630-2.

6. Oliveira dos Santos A., Izumi E., Ueda-Nakamura T., Prado Dias-Filho B., Valdir Florencio da Veiga-Junior, Celso Vataru Nakamura. Antileishmanial activity of diterpene acids in copaiba oil // Mem Inst Oswaldo Cruz. 2013. Vol. 108. P. 59–64. URL: https://doi.org/10.1590/S0074-02762013000100010.

7. Rombaut N., Tixier A.-S., Bily A., Chemat F. Green extraction processes of natural products as tools for biorefinery. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2014. No. 8, P. 530–544. URL: https://doi.org/10.1002/ bbb.1486

8. Routa Johanna, Brännström Hanna, Hellström Jarkko, Laitila Juha. Influence of storage on the physical and chemical properties of Scots pine bark // BioEnergy Research. 2020. PagesAhead of Print. https://doi.org/10.1007/s12155-020-10206-8

9. Tanaka R., Tokuda H., Ezaki Y. Cancer chemopreventive activity of “rosin” constuents of Pinus spez. and their derivatives in two-stage mouse skin carcinogenesis test // Phytomedicine. 2008. No. 15. P. 985–992. URL: https://doi.org/10.1016/j.phymed.2008.02.020.

10. Teng Jie, Zhang Rong, Zhang Yan-Wen, Hong-Quan Duan and Yoshihisa Takaishi. A new labdanic norditerpene from Pinus sylvestris // Natural Product Research. 2010. Vol. 24. P. 1587–1591. DOI: 10.1080/14786410802696684.

11. Tranquilino-Rodriguez E., Martinez-Flores H.E., Rodiles-Lopez J.O. Optimization in the extraction of polyphenolic compounds and antioxidant activity from Opuntia ficus-indica using response surface methodology // Journal of Food Processing and Preservation. 2020. No. 44(6). URL: https://doi.org/10.1111/jfpp.14485

12. Ucar M.B., Ucar G. Lipophilic extractives and main components of black pine cones // Chemistry of Natural Compounds. 2008. Vol. 44, no. 3. P. 380–383. URL: https://doi.org/10.1007/s10600-008-9071-6.

13. Venkatesan T., Choi Y.-W., & Kim Y.-K. Impact of Different Extraction Solvents on Phenolic Content and Antioxidant Potential of Pinus densiflora Bark Extract // BioMed Research International. 2019. P. 1–14. https://doi.org/10.1155/2019/3520675.

14. Yim H.S., Chye F.Y., Koo S.M., Matanjun P., How S.E., & Ho C.W. Optimization of extraction time and temperature for antioxidant activity of edible wild mushroom Pleurotus porrigens // Food and Bioproducts Processing. 2012. No. 2. P. 235–242. URL: https://doi.org/10.1016/j.fbp.2011.04.001

15. Анашенков С.Ю., Рощин В.И., Чернышова О.А. Водно-щелочная экстракция древесной зелени. I. Влияние конструктивных особенностей экстракторароторно-пульсационного типа и гидромодуля на выход экстрактивных веществ // Химия растительного сырья №3. 2008. С. 65–70.

16. Богданович Н.И., Кузнецова Л.Н., Третьяков С.И., Жабин В.И. Планирование эксперимента в примерах и расчетах. Архангельск: АГТУ, 2010. 126 с.

17. Васильев С.Н., Рощин В.И., Ягодин В.И. Экстрактивные вещества древесной зелени Pinus Sylvrstris L. // Растительные ресурсы. 1995. Т. 31. В.2. С. 79–119.

18. Карманова Л.П., Кучин А.В., Королёва А.А., Хуршкайнен Т.В., Кучин В.А. Экстракция водным раствором основания как основа новой технологии получения фунгицидов и стимуляторов роста растений // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002. № 7. С. 61–64.

19. Колесников А.Л. Технический анализ продуктов органического синтеза. М.: Высшая школа. 1966. C.22.

20. Кучин А.В., Карманова Л.П., Королёва А.А., Хуршкайнен Т.В., Сычёв Р.Л. Патент № 2298327 Российская Федерация, МПК А01N 65/00 (2006.01), A01P 21/00, A01P 3/00 Регулятор роста растений с фунгицидным действием «Вэрва» : № 2006101648/04 : заявл. 20.01.2006 : опубл. 10.05.2007. 10 с.

21. Кучин А.В., Карманова Л.П., Королёва А.А., Хуршкайнен Т.В., Сычёв Р.Л. Патент № 2117487 Российская Федерация, МПК A61K 35/78 (1995.01) Эмульсионный способ выделения липидов : № 96120436/14 : заявл. 04.10.1996 : опубл. 20.08.1998. 3 с.

22. Левин Б.Д., Федюлин А.С. Влияние гидромодуля на выход биологически активных веществ // Вестник КрасГАУ. 2006. № 2. С. 266–269

23. Михайлов К.Л., Гущин В.А., Тараканов А.М. Организация сбора и переработки лесосечных отходов и дров на лесосеке // Изв. вузов. Лесной журнал, 2016. № 4. С.98. DOI: 10.17238/issn0536-1036.20 16.6.98.

24. Пермякова Г.В., Лоскутов С.Р., Семенович А.В. Экстракция коры хвойных водой с добавлением моноэтаноламина // Химия растительного сырья. 2008. №1. С. 37–40.

25. Пономарев В.О. Экстрагирование лекарственного сырья / В.О. Пономарев. М., 1976. C. 73.

26. Репях С.М., Ушанова В.М., Ушанов В.С., Ушанов С.В. Закономерности изменения состава древесной зелени хвойных от диаметра побегов // Химия растительного сырья. 2000. №1. С. 37–42.

27. Рощин В.И., Колодынская Л.А., Павлуцкая И.С., Соловьев В.А., Нагибина Н.Ю., Васильев С.Н. Патент № SU 1650681 МПК C09F 1/00(2006.01), C11B 1/10(2006.01) Способ переработки сосновой древесной зелени : № 4432710 : заявл. 15.03.1988 : опубл. 23.05. 1991. 4 c.

28. Рощин В.И., Султанов В.С. Патент № 2238291 Российская Федерация, МПК C 09F 1/00, C 11B 1/10 Способ переработки растительного сырья : № 2003117227/04 : заявл. 06.06.2003 : опубл. : 20.10.2004. 14с.

29. Султанов В.С., Куляшова Л.Б., Никитина Т.В. Патент № 2677686 Российская Федерация, МПК A61K 36/15(2006.01), A61K 31/00(2006.01), A61P

30. /00(2006.01) Лекарственное средство, фармацевтическая композиция, способ лечения урогенитальных заболеваний организма человека, вызванных микроорганизмами вида Ureaplasma urealyticum : № 2017141869 : заявл. 30.11.2017 : опубл. 21.01.2019. 16 c.

31. Тюлькова Ю.А., Рязанова Т.В., Еременко О.Н., Ушанов С.В. Моделирование процесса экстракции коры сосны водно-щелочным раствором // Журнал сибирского федерального университета. Серия: Химия. 2013. №6(3). С. 321–327.

32. Ушанова В.М., Ченцова Л.И., Горчаковский В.К. Влияние вида экстрагента на количественный и качественный состав экстрактов, получаемых из коры хвойных // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2006. Т. 49. № 6. С. 82–87.

33. Хуршкайнен Т.В., Скрипова Н.Н., Кучин А.В. Сравнительная оценка экстракционного оборудования для эффективного выделения экстрактивных веществ хвойной древесной зелени // Теоретическая и прикладная экология. №1. 2017. С.25–30.