ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СПИРТОВОЙ ЭКСТРАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ Valeriana officinalis L.

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена оптимизации параметров спиртовой экстракции биологически активных веществ (БАВ) из корневищ с корнями валерианы лекарственной (Valeriana officinalis L.) для последующего использования в функциональных напитках. Методом поверхности отклика (Box-Behnken Design) изучено влияние концентрации этанола (50–90%), температуры (40–80°C) и времени экстракции (60–120 мин) на выход валереновых кислот, определенный методом ВЭЖХ. Установлено, что оптимальными параметрами, обеспечивающими максимальный выход целевых БАВ (6.8–7.0 мг/100 г), являются: концентрация этанола 70%, температура 60–70°C, время экстракции 90 минут. Статистический анализ подтвердил адекватность полученной квадратичной модели (R² = 0.9750, p = 0.0003). Дополнительно проведен анализ флавоноидного состава, показавший значительное содержание рутина (98.927 мг/100 г в концентрате) и галловой кислоты (94.586 мг/100 г). Исследование элементного состава выявило высокое содержание калия (593.519 мг/10 г в сухом экстракте), кальция и магния. Исследование острой токсичности показало, что экстракт относится к VI классу токсичности (ЛД₅₀ > 5000 мг/кг), что подтверждает его безопасность. Разработанная технология экстракции является научной основой для создания функциональных напитков с анксиолитическими свойствами.

ABSTRACT

The article is devoted to the optimization of the parameters for the alcohol extraction of biologically active substances (BAS) from the rhizomes and roots of valerian (Valeriana officinalis L.) for subsequent use in functional beverages. The effect of ethanol concentration (50–90%), temperature (40–80°C), and extraction time (60–120 min) on the yield of valerenic acids, determined by HPLC, was studied using the response surface method (Box-Behnken Design). It was found that the optimal parameters providing the maximum yield of the target BAS (6.8–7.0 mg/100 g) were: ethanol concentration of 70%, temperature of 60–70°C, and extraction time of 90 minutes. Statistical analysis confirmed the adequacy of the resulting quadratic model (R² = 0.9750, p = 0.0003). An additional flavonoid analysis revealed significant levels of rutin (98.927 mg/100 g in concentrate) and gallic acid (94.586 mg/100 g). An elemental analysis revealed high levels of potassium (593.519 mg/10 g in dry extract), calcium, and magnesium. An acute toxicity study showed that the extract belongs to toxicity class VI (LD₅₀ > 5000 mg/kg), confirming its safety. The developed extraction technology provides the scientific basis for the creation of functional beverages with anxiolytic properties.

Ключевые слова: валериана лекарственная, экстракция, оптимизация, поверхность отклика, валереновые кислоты, флавоноиды, макроэлементы, микроэлементы, функциональные напитки.

Keywords: Valeriana officinalis, extraction, optimization, response surface methodology, valerenic acids, flavonoids, macronutrients, micronutrients, functional beverages.

Введение

Valeriana officinalis L. s.l., широко известная как валериана лекарственная, — это многолетнее травянистое растение семейства Жимолостные (Caprifoliaceae), произрастающее в умеренных зонах Европы и Азии и натурализованное в Северной Америке [1]. Корни и корневища Valeriana officinalis содержат более 150 химических компонентов [2], [3]. Помимо этого, валериана содержит значительное количество флавоноидов и фенольных кислот, вносящих вклад в ее антиоксидантный потенциал, а также макро- и микроэлементы, играющие важную роль в поддержании нервной системы [4,5].

Эффективность и стандартизация экстрактов валерианы напрямую зависят от технологии их получения. Выход полифенолов и флавоноидов зависит от полярности экстрагента [6–8]. Оптимальные водно-спиртовые смеси (например, 30–70% этанола) часто эффективнее чистых растворителей, поскольку они лучше извлекают весь спектр фенольных соединений с разной растворимостью. Однако для максимизации выхода целевых соединений и обеспечения воспроизводимости процесса необходима оптимизация его параметров, таких как концентрация экстрагента, температура и время.

Целью данной работы была оптимизация режимов спиртовой экстракции БАВ из валерианы лекарственной с использованием математического планирования эксперимента, с последующей характеристикой флавоноидного и элементного состава экстрактов и оценкой их безопасности.

Материалы и методы

Объект исследования. Исследования проводили на корневищах с корнями валерианы лекарственной (Valeriana officinalis L.), заготовленных в Ташкентской области в октябре 2023 года. Сырье высушивали до влажности не более 13% и измельчали до фракции 0.5–1.0 мм.

Экстракция. Навеску сырья (5.000 ± 0.001 г) экстрагировали этанолом различной концентрации в соотношении 1:20 (масса:объем) на ультразвуковой бане частота 37 кГц при заданных температуре и времени согласно матрице планирования.

Планирование эксперимента. Для оптимизации использовали трехфакторный трехуровневый план Бокса-Бенкена (Box-Behnken Design)[9]. Независимыми переменными были: концентрация этанола (X₁: 50, 70, 90%), температура (X₂: 40, 60, 80°C) и время экстракции (X₃: 60, 90, 120 мин). Зависимой переменной (Y) служил выход валереновых кислот, определяемый методом ВЭЖХ.

Аналитические методы. Количественное определение валереновых кислот и флавоноидов (апигенина, рутина, галловой кислоты, гиперозида) проводили на ВЭЖХ-системе Agilent 1260 Infinity с DAD-детектором. Определение макро- и микроэлементного состава проводили методом оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES) на спектрометре Perkin Elmer Avio 200.

Оценка безопасности. Острую токсичность изучали на белых беспородных мышах-самцах при однократном внутрижелудочном введении экстракта в дозе 5000 мг/кг в соответствии с рекомендациями OECD.

Результаты и обсуждение

Оптимизация экстракции. В результате проведения 15 опытов была получена математическая модель, описывающая зависимость выхода валереновых кислот от варьируемых параметров. Уравнение регрессии в кодированных переменных имеет вид:

Y = 6.79 + 0.2933A + 0.1317B + 0.0650C + 0.0925AB + 0.0008AC + 0.0108BC + 0.0588A² – 0.0463B² + 0.0321C²

где Y – выход валереновых кислот (мг/100 г), A – концентрация этанола (%), B – температура (°C), C – время экстракции (мин).

Модель характеризовалась высокими показателями достоверности: R² = 0.9750, скорректированный R² = 0.9562, p-value = 0.0003, что свидетельствует о ее адекватности.

Анализ поверхности отклика показал, что максимальный выход валереновых кислот (6.8–7.0 мг/100 г) достигается в области следующих параметров: концентрация этанола 70%, температура 60–70°C, время экстракции 90 минут. Дальнейшее повышение температуры и концентрации этанола приводило к снижению выхода, вероятно, из-за деструкции термолабильных соединений и коагуляции сопутствующих веществ.

Флавоноидный состав экстрактов. Анализ флавоноидного профиля показал, что валериана является богатым источником фенольных соединений. В концентрированном экстракте содержание рутина составило 98.927 мг/100 г, галловой кислоты – 94.586 мг/100 г, апигенина – 9.258 мг/100 г, гиперозида – 5.947 мг/100 г. В спиртовом экстракте также обнаружены значимые количества галловой кислоты (41.152 мг/100 г) и рутина (11.918 мг/100 г). Присутствие данного комплекса флавоноидов и фенольных кислот существенно дополняет фармакологический профиль валерианы, обеспечивая антиоксидантную и противовоспалительную активность.

Элементный состав сырья и экстрактов. Исследование минерального профиля выявило высокую питательную ценность валерианы. Исходное сырье содержало калий (49.681 мг/10 г), кальций (7.791 мг/10 г), магний (3.351 мг/10 г) и фосфор (3.356 мг/10 г). Процесс экстракции привел к значительному концентрированию макроэлементов в сухом экстракте: содержание калия увеличилось до 593.519 мг/10 г, кальция – до 217.874 мг/10 г, магния – до 153.800 мг/10 г, фосфора – до 94.030 мг/10 г. Среди микроэлементов выделялось содержание железа (12.379 мг/10 г в сухом экстракте), марганца (6.202 мг/10 г) и цинка (1.492 мг/10 г). Высокое содержание магния и цинка, являющихся кофакторами многих ферментативных процессов в нервной системе, потенцирует седативное и анксиолитическое действие основных БАВ валерианы.

Оценка безопасности. Изучение острой токсичности показало, что при однократном введении экстракта в дозе 5000 мг/кг летальных случаев и значительных токсических реакций не наблюдалось. ЛД₅₀ превышала 5000 мг/кг, что позволяет отнести экстракт валерианы к VI классу токсичности («Относительно безвредные вещества»). За 14-дневный период наблюдения не выявлено статистически значимого отрицательного влияния на прирост массы тела и общее состояние животных.

Заключение

В результате проведенных исследований методом поверхности отклика были установлены и научно обоснованы оптимальные параметры спиртовой экстракции биологически активных веществ из валерианы лекарственной: концентрация этанола 70%, температура 60–70°C, время 90 минут. Данный режим обеспечивает максимальный выход валереновых кислот – ключевых носителей анксиолитической активности.

Дополнительно охарактеризован комплекс флавоноидов (рутин, галловая кислота, апигенин) и выявлено высокое содержание эссенциальных макро- (K, Ca, Mg, P) и микроэлементов (Fe, Mn, Zn) в экстрактах, что существенно расширяет представление о пищевой и функциональной ценности получаемого продукта.

Подтвержденная безопасность экстракта (ЛД₅₀ > 5000 мг/кг) и его стандартизованный состав позволяют рекомендовать его в качестве эффективного и безопасного функционального ингредиента для напитков, направленных на коррекцию психоэмоционального состояния.

Список литературы:

1. Raj K. и др. Chemical Diversity of Wild-Growing and Cultivated Common Valerian (Valeriana officinalis L. s.l.) Originating from Poland // Molecules. 2023. Т. 29, № 1. С. 112.
2. Valerian – Factsheet for Health Professionals // Office of Dietary Supplements, National Institutes of Health, n.d.
3. Nandhini S., Narayanan K. B., Ilango K. VALERIANA OFFICINALIS: A REVIEW OF ITS TRADITIONAL USES, PHYTOCHEMISTRY AND PHARMACOLOGY // Asian J. Pharm. Clin. Res. 2018. Т. 11, № 1. С. 36.
4. Tan A. W., Nuttall F. Q. Characteristics of the dephosphorylated form of phosphorylase purified from rat liver and measurement of its activity in crude liver preparations // Biochim. Biophys. Acta. 1975. Т. 410, № 1. С. 45–60.
5. Hudz N. и др. ANALYTICAL PROCEDURE ELABORATION OF TOTAL FLAVONOID CONTENT DETERMINATION AND ANTIMICROBIAL ACTIVITY OF BEE BREAD EXTRACTS // Acta Pol. Pharm. - Drug Res. 2019. Т. 76, № 3. С. 439–452.
6. Belokurov S. S., Flysyuk E. V., Smekhova I. E. Choice of Extraction Method for Receiving Extraction from Seeds of Payne Hay with the High Content of Biologically Active Substances // Drug Dev. Regist. 2019. Т. 8, № 3. С. 35–39.
7. Hudz N. и др. Approaches to the determination of antioxidant activity of extracts from bee bread and safflower leaves and flowers // Potravinarstvo Slovak J. Food Sci. 2017. Т. 11, № 1. С. 480–488.
8. Oreopoulou A. и др. Six Common Herbs with Distinctive Bioactive, Antioxidant Components. A Review of Their Separation Techniques // Molecules. 2021. Т. 26, № 10. С. 2920.
9. Box G., Behnken D. Some New Three Level Designs for the Study of Quantitative Variables // Technometrics. 1960. Т. 2. С. 455–475.