XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«ЗЕЛЕНАЯ» ЭКСТРАКЦИЯ В АНАЛИЗЕ АЛКАЛОИДОВ ПУРИНОВОГО РЯДА ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Асафова Я.А. 1

---

1 МБОУ Лицей № 7, г. Воронеж

Пахомова О.А. 1

---

1 МБОУ Лицей № 7, г. Воронеж

Работа в формате PDF

231.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Алколоиды пуринового ряда – кофеин и теобромин, широко применяются в различных отраслях пищевой и фармацевтической промышленности, являются активными компонентами лекарственных препаратов, напитков, смесей для спортивного питания. Кофеин и теобромин характеризуются высокой физиологической активностью, и даже в невысоких концентрациях оказывают воздействие на организм человека.

Основным природным источником алкалоидов пуринового ряда является растительное сырье, в том числе отходы переработки чайной и кофейной продукции. Максимальное извлечение биологически активных веществ из растительного сырья – актуальная задача пищевой и фармацевтической индустрии. В условиях современного промышленного производства реализован ряд способов извлечения кофеина и теобромина из растений. При этом большинство из них малоэффективны, поскольку основаны на извлечении растворимых веществ из растительного сырья водой при различных температурах, давлении и длительности проведения экстракции.

Актуальным направлением интенсификации извлечения кофеина и теобромина из различных видов растительного сырья можно считать применение безопасных органических растворителей, которые отвечают всем требованиям «зеленой» экстракции. Благодаря уникальным физико-химическим, конструкционным и технологическим свойствам полимерные материалы находят широкое применение в различных областях народного хозяйства и медицине.

Известно, что к числу наиболее изученных амфифильных полимеров относятся блоксополимеры этиленоксида (ЭО) и пропиленоксида (ПО) состава (ЭО)х–(ПО)у–(ЭО)х, которые состоят из центрального относительно гидрофобного полипропиленоксидного блока, фланкированного гидрофильными блоками из ЭО. Подобные блоксополимеры известны под торговыми марками "Полоксамеры" или "Плуроники". Они хорошо растворимы в воде и способны образовывать с извлекаемыми веществами устойчивые комплексы. При этом «Плуроники» абсолютно нетоксичны, имеют минимальное влияние на окружающую среду, технологически перерабатываемы после окончания их эксплуатации или биодеградируемы .

Цель работы - изучить извлечение кофеина и теобромина из растительного сырья с применением современного органического растворителя серии «Плуроник», установить оптимальные характеристики процесса (температура, концентрация растворителя в водном растворе, длительность экстракции, вид растительного сырья).

Методика и результаты исследования

В качестве сырья, содержащего теобромин и кофеин, были изучены некоторые виды зеленого и черного чая, кипрей узколистный (фаза цветения), кофейные зерна.

Экспериментальные данные получены при экстракции теобромина и кофеина из изученных растений раствором блоксополимера «Плуроник» (рисунок 1, 2) при различных условиях.

Рисунок 1. Структурная формула экстрагента «Плуроник»

1. (2)

Рисунок 2. Структурные формулы кофеина (1) и теобромина (2)

Извлечение алколоидов из растительного сырья – это вариант массообменного процесса «жидкость-твердое». Поэтому учитывали все закономерности, которым подчиняется этот процесс. Для ускорения процесса извлечения кофеина и теобромина из растительного сырья, поддерживали перепад концентрации веществ внутри системы за счет периодичности подачи порций растительного сырья в фазу экстрагента и интенсивным перемешиванием. На этапе экстракции алкалоидов из зеленого и черного чая, кипрея узколистного и кофейных зерен установили оптимальную концентрацию блоксополимера «Плуроник», его температуру, массу растительного сырья и длительность перемешивания.

Из таблицы 1 очевидно, что макисмальное извлечение кофеина и теобромина из растительного сырья достигается при его концентрации 0,25 г/см³. Применение более насыщенного раствора «Плуроника» приводит к его расслаиванию, потере однородности и не позволяет применять в качестве экстрагента.

Таблица 1. Зависимость извлечения теобромина и кофеина от концентрации экстрагента «Плуроник»

В ходе выполнения эксперимента, установили, что осложнение при получении достоверных данных возникает из-за различной набухаемости сырья, что ведет к большему расходу экстрагента. Объем поглощённого экстрагента зависит от типа растительного сырья и степени его измельчения. Установлено, что максимальное количество экстрагента поглощают листья зеленого чая.

В связи с этим, в эксперименте учли факт набухаемости сырья и предварительно добавляли к растительной фракции экстрагент в количестве, которое удерживается сырьем. Такой способ позволяет максимально полно извлечь алкалоиды из растений.

Подбор оптимальной фракции измельчения растений позволил установить, при каком размере частиц будет наблюдаться наиболее эффективное извлечение. Известно, что эффективность массообмена напрямую зависит от площади поверхности контактирующих фаз. При этом слишком тонкое измельчение сырья в отдельных случаях может ухудшить характеристики диффузионного процесса из-за сильного набухания стенок клеток растительного сырья. В ходе эксперимента удалось подобрать оптимальную фракцию измельчения растений (таблица 2).

Таблица 2. Фракционный состав измельчения листьев растительного сырья

Одним из основных факторов, влияющих на скорость и эффективность извлечения теобромина и кофеина из растительного сырья, является температура. В таблице 3 приведены результаты исследования при различном температурном режиме. Как и предполагали, оптимальной является температура 95° С. Горячая вода сепарирует частицы сырья, разделяет растительные ткани, способствуя более глубокой экстракции. При такой температуре алкалоиды наиболее полно переходят в раствор экстрагента, который остается устойчивым и не расслаивается.

Таблица 3. Зависимость извлечения теобромина и кофеина от температуры

Известно, что значение pH экстрагента оказывает влияние не только на эффективность извлечения компонентов из растительного сырья, но и на их устойчивость в конечном продукте. Подкисление воды способствует переводу трудно растворимых соединений алкалоидов (комплексы с дубильными веществами, соли трудно растворимых органических кислот) в легко растворимые соли алкалоидов. Для понижения рН экстрагента добавляли лимонную кислоту в количестве 0,5 г/100 мл раствора экстрагента.

Содержание кофеина и теобромина в экстрактах анализировали методом капиллярного электрофореза.

В последние два десятилетия в мире отмечен активный интерес к новому, интенсивно развивающемуся методу разделения сложных смесей — капиллярному электрофорезу, позволяющему анализировать ионные и нейтральные компоненты различной природы с высокой экспрессностью и уникальной эффективностью.

В основе капиллярного электрофореза лежат электрокинетические явления —электромиграция ионов и других заряженных частиц и электроосмос. Эти явлениявозникают в растворах при помещении их в электрическое поле, преимущественно, высокого напряжения. Если раствор находится в тонком капилляре, например, в кварцевом, то электрическое поле, наложенное вдоль капилляра, вызывает в нем движение заряженных частиц и пассивный поток жидкости, в результате чего проба разделяется на индивидуальные компоненты, так как параметры электромиграции специфичны для каждого сорта заряженных частиц. В то же время, такие возмущаю щие факторы, как диффузионные, сорбционные, конвекционные, гравитационные и т. п., в капилляре существенно ослаблены, благодаря чему достигаются рекордные эффективности разделений [1].

Электрофоретический анализ концентрата алкалоидов осуществляли по следующей методике: в сухую пробирку типа Эппендорф помещали 0.5-1.0 см³ экстракта, центрифугировали в течение 5 мин при 5000 об/мин и анализировали в следующих условиях: ввод пробы при давлении 30 мбар в течение 5 с., длина волны 254 нм, напряжение +25 кВ, температура 20°С, время ввода пробы 7 мин, ведущий электролит – смесь раствора додецилсульфата натрия и тетрабората натрия. Регистрировали электрофореграммы, проверяли правильность автоматической разметки пиков, с помощью программного обеспечения «Эльфоран», идентифицировали компоненты.

В ходе электрофоретического анализа получены электрофореграммы, по которым рассчитывали количества теобромина и кофеина, перешедших в раствор после экстракции (рисунок 3 и 4).

Рисунок 4. Электрофореграмма кофеина

Рисунок 4. Электрофореграмма теобромина

Заключение

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что блоксополимер «Плуроник» является эффективным для извлечения некоторых алкалоидов пуринового ряда – кофеина и теобромина. Применение этого безопасного органического полимера позволяет получать ценные компоненты даже из отходов чайного и кофейного производства. Поскольку комплексы изученных алкалоидов с «Плуроником» весьма устойчивы, то в перспективе можно создавать лекарственные средства и биологические добавк в качестве структур, способных осуществлять транспорт биологически активных веществ in vitro и in vivo. В водных растворах молекулы плуроников агрегируют с образованием наноразмерных мицелл, имеющих гидрофобное ядро и гидрофильную оболочку, и в которые могут быть инкапсулированы теобромин и кофеин для улучшения их растворимости, времени циркуляции в крови и доставки к биомишени [2].

Кроме того, удалось разработать схему эксперимента, позволяющую быстро и надежно определять алкалоиды в растительном сырье.

Схема эксперимента

Список литературы

1. Комарова Н. В., Каменцев Я. С. Практическое руководство по использованию систем капиллярного электрофореза «КАПЕЛЬ» — СПб.: ООО «Веда», 2006. — 212 с.

2. Бондарь О. В. ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИТОТОКСИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С КОМПОНЕНТАМИ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН КОНЪЮГАТОВ АМФИФИЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ С ЯНТАРНОЙ КИСЛОТОЙ автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Казань – 2013, 183 с.

3. .Бандюкова В. А., Дейнеко Г. И., Шапиро Д. К. Жирнокислотный состав липидов пыльцы (обножки) некоторых травянистых растений // Химия природных соединений., 1983. - № 1. С. 101-102.

4. Валов P.И. Фармакогностическос исследование надземной части Chamaenerion angustifolium (L.) Scop. Дис. канд. фарм. наук. Улан-Удэ, 2012.

5. Гайсина Л. А., Фазлутдинова А. И., Кабиров Р. Р. Современные методы выделения и культивирования водорослей. — Учебное пособие. — Уфа: БГПУ, 2008.

6. .Государственная Фармакопея Российской Федерации. XII издание. Часть 2. М.: Научный центр экспертизы средств медицинского применения, 2010.

7. Дикорастущие полезные растения России / Отв. ред. А. Л. Буданцев, Е. Е. Лесиовская. — СПб.: Издательство СПХФА, 2001. С. 390-391.

8. Кнунянц И. Л. и др. // Флавоноиды Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1990.

9. Крауз В. Л. и др. Анксиолитический эффект извлечений из надземной части Chamaenerion angustifolium (Onagraceae) / В. А. Крауз, Ю. О. Федотова, Е. В. Жохова, О. В. Рыжова //Растит. ресурсы, 2007. - Т. 43, вып. 3. С. 116-122.