А.Б. Букеева, С.Ж. Кудайбергенова Обзор современных методов

Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2012, №2
А.Б. Букеева, С.Ж. Кудайбергенова
Обзор современных методов выделения биоактивных веществ из растений
( Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина, г.Астана, Казахстан)
Рассмотрены методы выделения биоактивных веществ из растений. Сделан обзор по традиционным, а также новым
перспективным методам извлечения биоактивных веществ растительного происхождения, рассмотрены их преимущества
и недостатки.
Более 40% современных лекарственных средств фармацевтическая промышленность
получает на основе растительного сырья. Использование лекарственных растений в качестве
исходного сырья обусловлено широким спектром фармакологического действия биоактивных
веществ, содержащихся в растениях (алкалоиды, моно- сесквитерпеноиды, полифенольные
соединения, экдистероиды и др.).
Выделение биоактивных веществ (БАВ) из растений является одним из важных стадий в
получении лекарственных препаратов. От эффективности, полноты извлечения биоактивных
веществ, технологии выделения зависит степень чистоты получаемого продукта, качество
сырья, себестоимость лекарственного средства. В связи с этим, анализ, поиск современных,
эффективных методов выделения биоактивных веществ, являющихся ценным сырьем для
фармацевтической промышленности, представляет несомненный как теоретический, так и
практический интерес.
Основные проблемы при извлечении биоактивных веществ из растений заключаются
в следующем: выделение БАВ может сопровождаться их разложением под влиянием
растворителей, температуры, условий выделения, а также под воздействием ферментов,
содержащихся в растительном сырье. Часто в растениях содержится несколько биогенетически
связанных соединений, сходных по химической структуре и свойствам, что значительно
усложняет задачу. Вот почему чаще всего извлекается сумма БАВ с примесью других
сопутствующих природных соединений, содержащихся в исходном сырье. Также одно
из проблем является неполнота извлечения действующего вещества, что приводит к
нерациональному использованию сырья.
Все существующие методы выделения биоактивных веществ из растений можно разделить
на экстракционные, дистилляционные, вместе с тем для очистки и разделения, препаративного
выделения применяются хроматографические методы. Выбор метода определяется в первую
очередь свойствами выделяемого соединения.
Наиболее широко применяются экстракционные методы [1-5]. К ним относятся
традиционные, такие как мацерация - настаивание (применяется при изготовлении настоек,
экстрактов). Мацерация проста в исполнении, не требует дорогостоящего оборудования [1,2].
Однако при мацерации действующие вещества извлекаются неполностью (менее 90%); процесс
продолжителен по времени, т.к. скорость диффузионного процесса невелика; в извлечениях
завышено содержание балластных веществ (высокомолекулярные соединения, пектины, слизи,
белки и др.); трудоемкость (двойное прессование, промывка шрота); значительные потери
при диффузии и испарении экстрагента; трудность при перемешивании, т.к. набухшая
растительная масса на дне настойника слеживается.
Несколько сложнее ремацерационные методы (неоднократное настаивание), в частности,
метод бисмацерации, широко применяемый при производстве густых и сухих экстрактов.
Дробная мацерация или ремацерация предусматривает периодическое обновление экстрагента.
При этом экстрагент разделяется на порции и время настаивания. Повторная мацерация
несколькими меньшими порциями свежего растворителя дает лучшее извлечение, чем
мацерация в один прием всем количеством растворителя [1,2].
Перколяция - непрерывная фильтрация, процеживание экстрагента сквозь слой сырья
[1,2]. Реперколяция - это повторная многократная перколяция, которая позволяет получать
концентрированные экстракты при пролном извлечении сырья.
Широко ведутся исследования, посвященные модификации экстракционных методов. Они
192
А.Б.Букеева, С.Ж.Кудайбергенова
включают различные направления, начиная от усовершенствования технического оснащения,
вплоть до замены растворителей, условий проведения экстракции.
При электроимпульсном способе интенсификации экстракции колебательное движение
жидкости получается при создании в ней высоковольтного разряда и выделения мощного
электромагнитного излучения в очень короткие промежутки времени. Высокое значение
мгновенной мощности, которая выделяется в импульсном электрическом пробое жидкости при
разряде конденсатора создает электрогидравлический эффект в десятки тысяч атмосфер и
перемещение жидкости со скоростью сотен метров в секунду, создается микровзрыв [3].
В магнитоимпульсном экстракторе под действием и с частотой изменения
электромагнитного поля колеблется подвижная электропроводная мембрана, передающая
импульсное движение экстрагенту. В результате ее колебательного движения образуется
плоский импульс знакопеременного давления, который и способствует экстракции [2].
Центробежная экстракция проводится с использованием фильтрующей центрифуги. За
счет центробежных сил первичный сок удаляется из клеточного материала, на его место
подается свежий экстрагент, который вновь удаляется из материала. Экстрагент циркулирует
до насыщения, а затем заменяется новым. Метод обеспечивает значительное ускорение
экстракции [2]. Экстракция под действием ультразвука (УЗ) [4] имеет свои преимущества.
Особенности ультразвуковой экстракции заключаются в том, что это оборудование имеет
возможность непрерывной работы и подходит для массового экстрагирования лекарственных
средств из растений; сокращается время экстрагирования; процесс проходит при низкой
температуре, что очень важно для экстрагирования термочувстивтельных фармацевтических
ингредиентов.
Однако, при данном виде экстракции УЗ воздействие способно не только изменить
конформационную структуру озвучиваемой молекулы, ее пространственную ориентацию и
свойства, но и деформировать, рвать молекулярную цепочку на отдельные фрагменты.
Применение при жидкостной экстракции модификаторов (сорастворителей) - т.е.
компонентов рабочей системы, может изменить качественный (а, возможно, и количественный)
состав получаемых экстрактов за счет изменения полярности экстрагента.
Однако, почти все эти методы предполагают использование органических растворителей.
Но, пожалуй, наиболее современным усовершенствованным эффективным методом экстракции
является сверхкритическая флюидная экстракция [5-9]. Сверхкритическим флюидом (СКФ)
называют состояние вещества, в котором его температура и давление превышают критические
параметры. В критической точке две фазы, жидкая и газовая, становятся неразличимы.
Многие физические свойства СКФ (плотность, вязкость, скорость диффузии) являются
промежуточными между свойствами жидкости и газа. Вещество приобретает характерную для
жидкостей плотность и свойственную газам высокую подвижность молекул [6,9]. Диаграмма
состояния газа в зависимости от температуры и давления представлена на рисунке.
Основными преимуществами сверхкритических флюидов как растворителей являются:
- сочетание свойств газов при высоких давлениях (низкая вязкость, высокий коэффициент
диффузии) и жидкостей (высокая растворяющая способность);
- быстрый массоперенос, осуществляемый благодаря низкой вязкости и высокому
коэффициенту диффузии;
- сочетание пренебрежимо малого межфазного натяжения с низкой вязкостью и высоким
коэффициентом диффузии, позволяющее
сверхкритическим флюидам проникать в пористые среды более легко по сравнению с
жидкостями;
- высокая чувствительность растворяющей способности СКФ к изменению давления или
температуры;
- простота разделения сверхкритических флюидов и растворённых в них веществ при сбросе
давления [6,9].
193
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2012, №2
Рисунок 1 - Диаграмма температура-давление для СО 2 : А - тройная точка; В - критическая точка
В качестве экстрагентов (растворителей) можно использовать СО 2 , этан, этилен,
пропан, SF 6 и др. В настоящее время в качестве СКФ используется широкий спектр
органических и неорганических соединений, таких как N 2 О, NН 3 , СН 3 F, СН 2 F 2 ,
СНF 3 , С 6 Н 6 , SF 6 . Однако, наибольшее распространение получила сверхкритическая СО 2 экстракция. Диоксид углерода является нетоксичным, негорючим и относительно недорогим
веществом, которое при нормальных условиях является газом, что облегчает его разделение
с целевыми продуктами после завершения процесса. Использование диоксида углерода
вместо органических растворителей повышает экологическую безопасность производств,
а также степень чистоты получаемых продуктов, учитывая отсутствие в них следов
достаточно токсичных органических растворителей и содержащихся в них примесей,
проявляет химическую инертность к извлекаемым веществам и конструкционным материалам
аппаратуры. Также он пожаро- и взрывобезопасен.
В России крупным предприятием по производству сверхфлюидных СО 2 экстрактов
является ООО "Сибирский завод экстрактов и биотехнологий", где получают экстракты из
растений сибирской флоры.
В
Казахстане
в
международном
научно-производственном
холдинге
"Фитохимия"используется сверхкритическая флюидная СО2 экстракция растительного
сырья полыни гладкой для получения субстанции препарата "Арглабин"и полыни беловатой
для извлечения субстанции полыни беловатой для извлечения препарата "Атеролид"[5].
Экстракция сжиженными газами - это экстракция газами в докритической области (до
критической точки). Газ находится в сжиженном состоянии и также может использоваться в
качестве экстрагента.
Интенсивно ведутся работы также в таком направлении как субкритическая экстракция
водой [10-16]. Учитывая, что водные настои и отвары являются наиболее физиологичными
лекарственными формами для организма человека, следует признать перспективность этого
направления.
Субкритическое состояние воды - это состояние воды при температуре выше 100 ◦ С до
критической температуры 374 ◦ С, находящейся под давлением выше давления насыщенного
пара при данной температуре, что позволяет воде оставаться в жидком состоянии и иметь
границу раздела фаз с паром, при условиях существования достаточного объема. Фазовая
диаграмма воды с указанием субкритической области показана на рисунке 2.
194
А.Б.Букеева, С.Ж.Кудайбергенова
Рисунок 2 - Фазовая диаграмма воды
Особый интерес к воде вызван её уникальной способностью менять свои физико-химические
параметры, такие как диэлектрическая проницаемость, вязкость, теплоемкость, коэффициент
диффузии и плотность в зависимости от давления и температуры. Вода в этих условиях ведет
себя подобно полярному органическому растворителю.
Принципиальное отличие этой технологии от имеющихся в настоящее время
(сверхкритической флюидной CO 2 экстракции, экстракции сжиженными газами) использование свойств воды как медиума для растворения-экстракции органического
вещества, находящегося в растительном материале с одной стороны, и, что весьма важно,
использование воды одновременно как реагента в химической реакции, происходящей в среде,
химические свойства которой управляются температурой, давлением и катализаторами.
Российскими учеными [10-16] исследована экстракция субкритической водой
биофлавоноидов, алкалоидов, глицирризиновой кислоты и др. биоактивных веществ.
Дистилляционные методы используются в основном для извлечения легколетучих веществ,
таких как эфирные масла [17-20].
Перегонка с паром позволяет перегонять чувствительные к нагреванию соединения,
которые перегоняются при этом ниже их температуры кипения при атмосферном давлении, а
именно при температуре кипения воды.
Так, например, лимонен (т.кип. 178 ◦ С при 760 мм рт. ст.) перегоняется с водой (т.кип.
100 ◦ С при 760 мм рт. ст.) при температуре 98 ◦ С. При этом количественное соотношение в
дистилляте (в граммах) лимонен:вода составляет 1:1,54.
Дистилляционные процессы могут осуществляться при атмосферном или пониженном
давлении, однако при дистилляции с паром степень понижения давления ограничена.
Дистилляцию растений обычно проводят при атмосферном давлении, так как этот метод и
его аппаратурное оформление наиболее просты; однако при такой обработке пробы состав
ее иногда меняется. Например, в процессе дистилляции при атмосферном давлении может
теряться от 30 до 90% исходного количества некоторых терпеноидов и, кроме того, могут
образовываться новые продукты 20 . Так, показано, что содержание отдельных компонентов
эфирного масла в фракциях хвойных деревьев полученных методом пародистилляции заметно
различается, причем содержание одних по мере отгонки уменьшается (камфен, борнеол,
борнилацетат), других - возрастает (кариофиллен, 4,7-метаноазулен, химахален, бизаболен).
Общим является тот факт, что содержание более тяжелых терпеноидов, как правило,
возрастает по мере увеличения времени отгонки 20 .
Внедрение
современных,
соответствующих
международным
стандартам,
характеризующихся высокой производительностью, получением компонентов с неизменной
структурой с количественным выходом методов извлечения биоактивных веществ из
растительного сырья, позволит наладить выпуск отечественных субстанций широкого спектра
фармакологического действия, конкурентоспособных на мировом рынке.
195
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2012, №2
ЛИТЕРАТУРА
1. Коничев А.С., Баурин П.В. Традиционные и современные методы экстракции
биологически активных веществ из растительного сырья: перспективы, достоинства,
недостатки //Вестник МГОУ. Серия естественные науки, 2011. - №3. - С.49-54.
2. Чуешов В.И., Гладух Е.В., Ляпунова О.А., Сайко И.В., Сичкарь А.А., Рубан
Е.А., Крутских Т.В. Промышленная технология лекарств. Харьков, Национальный
фармацевтический университет, 2010. - 208 с.
3. Ширеторова В.Г., Хантургаев А.Г., Залуцкий А.В. Получение экстрактивных веществ из
скорлупы семян сосны сибирской в электромагнитном поле СВЧ. //Сб.IV межд. конф. "ЭОС2010", Воронеж. -2010. -С.73
4. Матасова С.А., Митина Н.А., Рыжова Г.Л., Жуганов Д.О., Дычко К.А. Получение
сухого экстракта из корней девясила высокого и изучение его химического состава //Химия
растительного сырья. -1999.-№2.-С. 119-123 (уз экстрак)
5. Адекенов С.М. Экологически чистые технологии в производстве лекарственных
препаратов. //Вестник КазНУ им.Аль-Фараби. Серия химическая. -2010. -№4(60). -С.216-220
6. Зилфакаров И.Н., Челомбитько В.А., Алиев А.М. Обработка лекарственного
растительного сырья сжиженными газами и сверхкритическими флюидами. Пятигорск, 2007.
-155с.
7. Калиев А.Т., Бутабаева К.Ж., Тургумбаева А.А., Ескалиева Б.К., Бурашева Г.Ш.,
Хаджиакбер А. Сверхкритическая флюидная СО 2 экстракция растений рода климакоптера и
петрасимония //Вестник КазНУ. -2011.- №1 (61). -С.152-154
8. Калиев А.Т., Ескалиева Б.К., Бурашева Г.Ш., Абилов Ж.А. Сверхкритическая флюидная
СО 2 -экстракция комплекса биологически активных веществ верблюжьей колючки киргизской
alhagi kirghisorum schrenk //Сб.IV межд. конф. "ЭОС-2010", Воронеж, 2010.- С.256
9. Залепугин Д. Ю., Тилькунова Н. А., Чернышова И. В., Поляков В.С. Развитие
технологий, основанных на использовании сверхкритических флюидов //Сверхкритические
Флюиды: Теория и Практика. -Том 1. -№1. -2006. -С.27-51
10. Борисенко С. Н. Строение и состав продуктов экстракции и модификации биологически
активных соединений в среде субкритической воды. Автореф. дис.к.х.н. Ростов-на-Дону, 2009.
-56с.
11. Лекарь А.В., Борисенко С.Н., Максименко Е.В, Борисенко Р.Н., Ветрова Е.В., Борисенко
Н.И., Минкин В.И. Извлечение биофлаво-ноида - кверцетина из растительного сырья в среде
субкритической воды //Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика. -2008. -Т.3. -№2. -С.
33-36.
12. Филонова О.В., Борисенко С.Н., Максименко Е.В., Борисенко Р.Н, Лекарь А.В.
Борисенко Н.И., Минкин В.И. Разработка методики экстракции дигидрокверцетина из
древесины лиственницы в среде субкритической воды //Сверхкритические Флюиды: Теория и
Практика, 2008. - Т. 3. -№2. -С. 37-42.
13. Борисенко С.Н., Тихомирова К.С., Шредер Г., Филонова О.В., Максименко Е.В.,
Ветрова Е.В., Борисенко Н.И., Рыбаченко В.И., Борисенко Р.Н., Руднев М.И. Исследование
экстрактов корня аралии полученных в среде субкритической воды //Сб. II Всероссийской
конференции "Аналитика России". Краснодар, 2009. -С.379
14. Борисенко С.Н., Бичеров А.В. Разработка методов экстракции и модификации
изохинолиновых алкалоидов в среде субкритической воды и суперкритического СО2 //
Материалы IX Международного семинара по магнитному резонансу. Ростов-на-Дону, 2008. С.77
15. Борисенко Н.И., Минкин В.И., Шредер Г., Борисенко Р.Н., Щукина С.Н., Лекарь
А.В., Борисенко С.Н. Использование субкритической воды для экстракции биологически
активных соединений из растительного сырья //Тезисы докладов III Международной
научно-практической конференции "Сверхкритические флюидные технологии: инновационный
потенциал России". Ростов-на-Дону, 2006. -С. 10
196
А.Б.Букеева, С.Ж.Кудайбергенова
16. Тихомирова К.С., Борисенко С.Н., Максименко Е.В., Борисенко Р.Н., Ветрова Е.В.,
Борисенко Н.И., Минкин В.И. Экстракция глицирризиновой кислоты из корня солодки в среде
субкритической воды // Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика. -Т.3,№3, 2008 -С.71-74
17. Домрачев Д.В., Ткачев А.В. Получение эфирных масел экстракционногидродистилляционным методом. //Сб.IV межд. конф. "ЭОС-2010", Воронеж, 2010. -С.73
18. Алякин А.А., Ефремов А.А., Ангаскиева А.С., Гребенникова В.В. Химический состав
эфирных масел artemisia absinthium L. и artemisia vulgaris L., произрастающих на tерритории
Красноярского края //Химия растительного сырья. -2011. -№3. -С.123-127.
19. Туманова Е.А. Твердофазная экстракция как способ получения моно- и
сесквитерпеноидов эфирного масла HYSSOPUS OFFICINALIS L. //Сб. Всероссийская
конф. "Химия и технология растительных веществ", Сыктвкар, 2000
20. Ефремов А.А., Струкова Е.Г., Нарчуганов А.Н. Компонентный состав эфирного масла
лапки хвойных Сибирского региона по данных хромато-масс-спектрометрии // Journal of
Siberian Federal University. Chemistry, 2009.№4. -С. 335-350
Бөкеева А.Б., Құдайбергенова С.Ж.
Өсiмдiктерден биоактивтi заттарды бөлiп алудың заманауи әдiстерiне шолу
Мақалада биоактивтi заттарды өсiмдiктерден бөлiп шығару әдiстерi қарастырылған. Өсiмдiктерден биоактивтi
заттарды алып шығарудың қалыптасқан әдiстерiмен бiрге, жаңа перспективтi әдiстер бойынша шолу жасалып, олардың
артықшылықтарымен кемшiлiктерi қарастырылған.
Bukeeva A.B., Kudaibergenova S.J.
Review of modern methods of bioactive isolation matters from plants
The article is about of a new methods of isolating biologicall active substances from plants. There are a review of traditional
and new promising methods of extraction of bioactive matters of plan origin, discussed their advantages and disadvantages.
Поступила в редакцию 12.01.12
Рекомендована к печати 27.01.12
197