ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЭКСТРАКЦИИ ЭФИРНЫХ МАСЕЛ ИЗ ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ ШАЛФЕЯ)

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании изучалась эффективность процессов экстракции с использованием гидродистилляции и поверхностно-активных веществ (ПАВ) при извлечении эфирного масла из листьев лекарственного растения шалфея (Folia Salvial). Эксперименты проводились на высушенном растительном сырье, собранном в 2024 году в городе Бухара. Из 50 г высушенного сырья методом гидродистиляции было извлечено 0,2 мл (0,4%) эфирного масла. При экстракции с использованием ПАВ было установлено, что выход эфирного масла увеличился до 0,52% при концентрации ПАВ 0,15% и до 0,72% при концентрации ПАВ 0,2%. Также было отмечено, что продолжительность процесса экстракции с участием ПАВ скорость примерно в 1,5 раза. Полученные результаты показывают, что ПАВ снижают поверхностное натяжение во время экстракции эфирных масел и указывают диффузии и массопереноса. Результаты исследования подтверждают перспективность использования ПАВ для эффективной экстракции эфирных масел из лекарственных растений.     

ABSTRACT

This study investigated the efficiency of hydrodistillation and surfactant-based extraction processes for extracting essential oil from the leaves of the medicinal plant sage leaves (Folia Salvial). Experiments were conducted on dried plant material collected in 2024 in Bukhara. From 50 g of dried material, 0.2 ml (0.4%) of essential oil was extracted by hydrodistillation. Surfactant-based extraction increased the essential oil yield to 0.52% at a surfactant concentration of 0.15% and to 0.72% at a surfactant concentration of 0.2%. Surfactant-based extraction also reduced the extraction time by approximately 1.5 times. These results demonstrate that surfactants reduce surface tension during essential oil extraction and accelerate diffusion and mass transfer. The results of the study confirm the potential of using surfactants for the efficient extraction of essential oils from medicinal plants.

Ключевые слова: шалфей (Folia Salvial), эфирное масло, гидродистилляция, поверхностно-активное вещество, экстракция, адсорбция, диффузия.

Keywords: sage (Folia Salvial), essential oil, hydrodistillation, surfactant, extraction, adsorption, diffusion.

Введение. В настоящее время треть лекарственных препаратов, используемых в медицине и фармацевтике, получают из растений. В то же время международная фармацевтическая промышленность широко использует эфирные масла в производстве различных лекарственных средств (мазей, кремов, капсул и таблеток). Около 50 лекарственных препаратов, содержащих эфирные масла, производятся на химико-фармацевтических заводах стран Содружества Независимых Государств. В последние годы растущий спрос на эфирные масла и их отдельные компоненты поднял их производство и поставки до уровня насущной проблемы. Хотя лекарственные растения, содержащие эфирные масла, широко распространены в Узбекистане, проведено недостаточно научных исследований по их выращиванию, контролю качества и извлечению эфирных масел. В то же время местная фармацевтическая промышленность удовлетворяет спрос на эфирные масла в основном за счет импорта, что увеличивает себестоимость продукции и приводит к неэффективному использованию внутренних ресурсов. В этой связи эффективное извлечение биологически активных веществ, в частности эфирных масел, из лекарственных растений является важной научно-практической задачей.

Эфирные масла широко используются в фармацевтической, косметической и пищевой промышленности. Обеспечение их высокого качества, эффективное использование сырья и удовлетворение внутреннего спроса являются актуальными вопросами. Процесс экстракции эфирных масел из лекарственного растительного сырья с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ) не только увеличивает выход эфирного масла, но и позволяет сократить продолжительность процесса. Поэтому данное исследование актуально с точки зрения совершенствования технологии экстракции эфирных масел, создания научной основы и изучения возможностей ее применения в промышленном масштабе.

Цель: разработать технологию экстракции эфирных масел из растения шалфея (Folia Salvial) в лабораторных условиях, оптимизировать процесс экстракции с участием ПАВ и изучить его эффективность.

Научная значимость. Результаты исследования позволяют определить эффективность использования поверхностно-активных веществ при экстракции эфирных масел из лекарственных растений. Данная работа создает научную основу для эффективного использования сырьевых ресурсов в фармацевтической промышленности, повышения качества эфирных масел и оптимизации производственного процесса. В то же время результаты исследования послужат теоретической и практической основой для широкого применения лабораторной технологии в промышленных условиях и производства лекарственных препаратов на экспорт.

Вопрос извлечения эфирных масел из лекарственных растений уже много лет находится в центре научного внимания в областях фармакогнозии, химии и фармацевтической технологии. Поэтому анализ литературы по данной теме демонстрирует знания и воображение автора в отношении изучаемой проблемы и помогает формулировать новые научные идеи по этому вопросу.

1. Фармакогнозические свойства лекарственных растений

Данные о химическом составе различных видов растений, количестве эфирного масла и соотношении биологически активных веществ создают теоретическую основу для исследования. Например, наличие 0,5–2,5% эфирного масла, алкалоидов, флавоноидов и различных органических кислот в листьях шалфея (Folia Salvial) было показано в предыдущих исследованиях [2–5]. Эта информация необходима для правильного отбора растительного сырья и оценки эффективности экстракции.

2. Методы экстракции эфирных масел

Ранее были изучены такие технологии, как традиционная гидродистилляция, паровая дистилляция, экстракция растворителем и экстракция сверхкритическими флюидами. Были выявлены преимущества и ограничения каждого метода, например, гидродистилляция проста и недорога, но продолжительность процесса и выход могут быть низкими. Поэтому были показаны перспективы оптимизации процесса экстракции с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ) [6–9].

3. Роль поверхностно-активных веществ

Поверхностно-активные вещества увеличивают высвобождение эфирного масла в процессе экстракции, ускоряют диффузию и процессы массопереноса. Предыдущие исследования были сосредоточены на влиянии концентрации раствора поверхностно-активного вещества на выход эфирного масла и оптимальном диапазоне концентраций [7, 10]. Эта информация служит автору руководством при планировании лабораторных экспериментов.

4. Методологическое обоснование экспериментальной работы

Ранее опубликованные научные работы в рецензируемых журналах послужили основой для формулирования исследовательской проблемы, выбора экспериментальных условий и сопоставления полученных результатов с данными литературы [11-12]. Одновременно с этим, анализ литературы проясняет вопросы, связанные с темой, например: при какой концентрации поверхностно-активных веществ высвобождение эфирного масла достигает максимума, возможно ли сократить продолжительность процесса и т. д.

Методология исследования

Для экспериментальной работы в 2024 году в районе города Бухара было собрано естественно произрастающее растение листья шалфея (Folia Salvial). Собранное растительное сырье сушили в тени в хорошо проветриваемом месте, защищенном от прямых солнечных лучей. Процесс сушки проводился для предотвращения разложения биологически активных веществ, содержащихся в растении, в частности, эфирных масел. Высушенное сырье механически измельчали ​​и подготавливали к эксперименту.

Процесс экстракции эфирного масла проводили классическим методом гидродистилляции с использованием воды, который является традиционной и научно подтверждённой методикой для выделения летучих компонентов из растительного сырья [13]. Для этого 50 г измельченных листьев шалфея помещали в круглодонную стеклянную колбу объемом 1000 мл. Затем в колбу заливали 300–350 мл дистиллированной воды для обеспечения полного смачивания растительного сырья. На колбу устанавливали сферический конденсатор, к дну которого прикрепляли аппарат Гинзберга, что позволяло проводить точное количественное определение эфирного масла.

В ходе эксперимента колбу постепенно нагревали с помощью электрического нагревателя. Когда жидкость достигала точки кипения, образовавшийся водяной пар вместе с парами эфирного масла, содержащегося в растении, поднимался через конденсатор. В конденсаторе пары охлаждались, снова переходили в жидкое состояние, и полученный дистиллят начинал собираться в аппарате Гинзберга в виде капель. В этом процессе эфирные масла перегонялись вместе с водой, обеспечивая их разделение.

Как известно, поскольку плотность эфирных масел ниже плотности воды, они накапливаются в верхнем слое дистиллята. Поэтому в аппарате Гинзберга наблюдалось четкое отделение эфирного масла от водного слоя. В ходе эксперимента постоянно контролировался объем эфирного масла в аппарате. Тот факт, что количество эфирного масла оставалось неизменным в течение 15–20 минут, указывал на завершение процесса. В этот момент нагрев колбы прекращали.

После прекращения нагрева колбу охлаждали до комнатной температуры. После этого аппарат Гинзберга был аккуратно извлечен, и объем отделенного эфирного масла был определен в миллилитрах. Полученные данные послужили основой для дальнейшего анализа и расчетов.

Результаты и обсуждения

В результате экспериментов было установлено, что процесс извлечения эфирных масел из листьев шалфея (Folia Salvial) существенно зависит от условий экстракции. Первоначально гидродистилляция проводилась только с использованием дистиллированной воды. В этих условиях из 50 г высушенного растительного сырья было извлечено 0,2 мл эфирного масла. Продолжительность процесса экстракции составляла 1,5 часа. По полученным результатам процентное содержание эфирного масла в высушенном шалфее составило 0,4%. По сравнению с данными, представленными в литературе, этот показатель может быть связан с тем, что растительное сырье выращивалось в естественных условиях, и методом сушки.

В последующих экспериментах гидродистилляция проводилась с использованием растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ). Использовались свежесобранные листья шалфея. Согласно экспериментальным результатам, из 50 г растительного сырья в 0,15% растворе поверхностно-активного вещества было извлечено 0,26 мл эфирного масла, что показало выход эфирного масла 0,52%. При увеличении концентрации поверхностно-активного вещества до 0,2% количество извлеченного эфирного масла достигло 0,36 мл, а его процентное содержание составило 0,72%. При этом продолжительность процесса экстракции составила 1,5 часа в 0,15% растворе поверхностно-активного вещества и 1 час в 0,2% растворе, что значительно ускорило процесс.

Зависимость процентного содержания эфирного масла в растительном составе от концентрации поверхностно-активного вещества показывает, что с увеличением концентрации поверхностно-активного вещества выход эфирных масел также пропорционально возрастает. Это наглядно подтверждается результатами, представленными в таблице 1.

Таблица 1.

Количество эфирных масел, извлеченных из растения Folia Salvial методом гидродистилляции

Как видно из таблицы, увеличение концентрации раствора поверхностно-активного вещества значительно повышает выход эфирного масла. При этом в процессе экстракции с участием поверхностно-активного вещества увеличивается не только количество эфирного масла, но и сокращается продолжительность процесса примерно в 1,5 раза. Это технологически повышает экономическую эффективность процесса.

Механизм экстракции эфирных масел с участием поверхностно-активного вещества можно объяснить несколькими факторами.

Во-первых, важны физические свойства используемого в процессе экстракции экстрагента, в частности его вязкость и поверхностное натяжение. Согласно уравнению Стокса–Эйнштейна, коэффициент диффузии обратно пропорционален вязкости жидкости, поэтому уменьшение вязкости способствует интенсификации диффузионных процессов. [15]. Поскольку растворы поверхностно-активных веществ имеют относительно низкую вязкость, процесс диффузии ускоряется. В результате увеличивается способность растворителя проникать в поры растительного сырья и полностью его смачивать. Согласно литературным данным, снижение поверхностного натяжения за счёт присутствия поверхностно-активных веществ влияет на кинетику процесса экстракции, поскольку изменяет поверхностные и межфазные свойства, определяющие массовый перенос и эффективность разделения фаз в аппаратах экстракции [14]. Поверхностно-активные вещества концентрируются на границе фаз, снижая поверхностное натяжение, в результате чего поверхность растительного сырья поляризуется, и процесс экстракции ускоряется.

Во-вторых, адсорбция поверхностно-активных веществ играет важную роль в процессе массопереноса. Адсорбция поверхностно-активных веществ на границе растительного сырья и раствора является одним из основных условий процесса экстракции. Во всех экспериментальных условиях наблюдалась адсорбция ПАВ на поверхности порошка Folia Salviae, сопровождающаяся снижением их концентрации в водной фазе. Эффективность рассчитывалось путем сравнения концентраций растворов поверхностно-активных веществ до и после адсорбции. Образование адсорбционного слоя указывает на наличие гидрофильных групп на поверхности растения. Это облегчает проникновение экстрагента в клетку и приводит к ускорению процесса массопереноса.

Также наличие поверхностно-активных веществ в форме мицелл является необходимым условием для протекания процесса солюбилизации. В составе мицелл увеличивается растворимость компонентов эфирного масла, ускоряя их переход в раствор. В результате повышается эффективность экстракции эфирных масел.

Результаты исследования показали, что физико-химические свойства поверхностно-активных веществ, включая снижение поверхностного натяжения, снижение вязкости и ускорение диффузионного процесса, позволяют быстро и эффективно высвобождать эфирные масла из растительных клеток. Кроме того, было установлено, что адсорбция поверхностно-активных веществ на поверхности растительного сырья и образование мицелл усиливают процесс растворения и ускоряют процесс массопереноса. В целом, метод гидродистилляции с участием поверхностно-активных веществ при экстракции эфирных масел из растения шалфея является высокоэффективным и считается перспективным методом с точки зрения технологии и экономики. Полученные результаты имеют научное и практическое значение для развития технологий промышленной экстракции эфирных масел из местного лекарственного растительного сырья.

Выводы и рекомендации

В результате проведенных исследований было установлено, что процесс экстракции эфирных масел из листьев шалфея (Folia Salvial) напрямую зависит от условий экстракции. В результате гидродистилляции, проведенной только в присутствии дистиллированной воды, из 50 г высушенного растительного сырья было извлечено 0,2 мл эфирного масла, процентное содержание которого составило 0,4%.

Процессы экстракции, проведенные в присутствии растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), показали значительное увеличение выхода эфирных масел. В частности, было установлено, что выход эфирного масла в 0,15% растворе ПАВ достиг 0,52%, а в 0,2% растворе – 0,72%. При этом наблюдалось, что продолжительность процесса экстракции в присутствии ПАВ сократилась примерно в 1,5 раза.

Список литературы:

1. Писарев Д.И., Новиков О.О. Методы выделения и анализа эфирных масел// Актуальные проблемы медицины. 2012. №10 (129), 10 (129), 2012, стр. 25-30. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-vydeleniya-i-analiza-efirnyh-masel.
2. Левин Б. Д. Процессы и аппараты химических и биохимических технологий / Б. Д. Левин, Л. Н. Ченцова, К. К. Михайловский, В. М. Ушанова. Кр-ск: СибГТУ. - 2002. - 430 с.
3. Kharchoufa, Loubna, et al. "Profile on medicinal plants used by the people of North Eastern Morocco: toxicity concerns." Toxicon 154 (2018): 90-113.
4.  Kamatou, G. P., Vermaak, I., & Viljoen, A. M. (2013). Menthol: a simple monoterpene with remarkable biological properties. Phytochemistry, 96, 15–25.
5. Sarker, S. D., & Nahar, L. (2018). An Introduction to Natural Products Isolation. (Book / Methods).
6. Karimov A.A., Ismoilov S.Sh. Dorivor o‘simliklar va ulardan olinadigan biologik faol moddalar. – Toshkent: Fan, 2018. – 256 b.
7. Mirzayev M.M., Qodirov B.N. Farmakognoziya. – Toshkent: Abu Ali ibn Sino nomidagi nashriyot, 2020. – 312 b.
8. Tyler V.E., Brady L.R., Robbers J.E. Pharmacognosy. – Philadelphia: Lea & Febiger, 2017. – 519 p.
9. Baser K.H.C., Buchbauer G. Handbook of Essential Oils: Science, Technology, and Applications. – Boca Raton: CRC Press, 2016. – 975 p.
10. Lawrence B.M. Progress in essential oils. Perfumer & Flavorist, 2015, 40(6), 38–50.
11. Gupta A., Naraniwal M., Kothari V. Modern extraction methods for preparation of bioactive plant extracts. International Journal of Applied and Natural Sciences, 2012, 1(1), 8–26.
12. Yuldashev A.A., Rahmonov U.R. Dorivor o‘simliklardan efir moylarini ajratib olish texnologiyalari. O‘zbekiston kimyo jurnali, 2021, №3, 45–52.
13. Julia Zmpitas and Joachim Gross. Modified Stokes–Einstein Equation for Molecular Self-Diffusion Based on Entropy Scaling. Industrial & Engineering Chemistry Research 2021 60 (11), 4453-4459 DOI: 10.1021/acs.iecr.0c06090
14. Kovalchuk NM, Matar OK, Craster RV, Miller R, Starov VM. The effect of adsorption kinetics on the rate of surfactant-enhanced spreading. Soft Matter. 2016;12(4):1009-1013. doi:10.1039/c5sm02493e
15. Elyemni M, Louaste B, Nechad I, Elkamli T, Bouia A, Taleb M, Chaouch M, Eloutassi N. Extraction of Essential Oils of Rosmarinus officinalis L. by Two Different Methods: Hydrodistillation and Microwave Assisted Hydrodistillation. ScientificWorldJournal. 2019 Apr 1;2019:3659432. doi: 10.1155/2019/3659432. PMID: 31057339; PMCID: PMC6463580.