ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ЭКСТРАКТА РАСТЕНИЯ Astragalus unifoliolatus МЕТОДОМ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ПЛАНИРОВАНИЯ

АННОТАЦИЯ

В работе исследован процесс очистки биологически активных веществ из надземной части растения Astragalus unifoliolatus с применением ультрафильтрации. Целью исследования являлась оптимизация параметров процесса для предотвращения образования устойчивых эмульсий при последующей жидкостно-жидкостной экстракции. Ультрафильтрацию проводили с использованием керамической мембраны с порогом отсечения 10 кДа. Оптимизацию осуществляли методом математического планирования эксперимента (латинского квадрата) с учётом влияния скорости циркуляции, температуры и скорости фильтрации. Установлено, что все исследуемые факторы статистически значимы. Оптимальные условия процесса: скорость циркуляции - 550 л/ч, температура - 50 °C, скорость фильтрации - 35 л/ч. При данных параметрах выход целевых компонентов составил 71,9 % относительно массы сырья и 90,6 % от их содержания в исходном экстракте. Показано, что применение ультрафильтрации полностью предотвращает образование эмульсий и повышает эффективность последующей экстракции. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологий получения фитопрепаратов.

ABSTRACT

This study investigates the purification of biologically active compounds obtained from the aerial part of Astragalus unifoliolatus using ultrafiltration. The aim of the work was to optimize process parameters in order to prevent the formation of stable emulsions during subsequent liquid–liquid extraction. Ultrafiltration was performed using a ceramic membrane with a molecular weight cut-off of 10 kDa. Process optimization was carried out using a statistical experimental design based on the Latin square method, considering the effects of circulation rate, temperature, and filtration rate. All studied factors were found to be statistically significant. The optimal conditions were determined as follows: circulation rate 550 L/h, temperature 50 °C, and filtration rate 35 L/h. Under these conditions, the yield of target compounds reached 71.9% relative to the raw material and 90.6% relative to their initial content in the extract. The results demonstrate that ultrafiltration effectively eliminates high-molecular-weight compounds and completely prevents emulsion formation, thereby improving the efficiency of subsequent extraction. The proposed approach can be applied in the development of phytopharmaceutical technologies.

Ключевые слова: экстракт, флавоноиды, ультрафильтрация, керамическая мембрана, фильтрат, высокомолекулярные соединения.

Keywords: extract, flavonoids, ultrafiltration, ceramic membrane, filtrate, high-molecular-weight compounds.

Введение

Astragalus unifoliolatus Bunge (астрагал однолисточковый) - многолетнее кустарниковое растение семейства Fabaceae, распространённое в Бухарской области и Республике Каракалпакстан (Узбекистан). Вид произрастает преимущественно на песчаных и полузакреплённых почвах [1].

Химический состав растения изучен: выявлены тритерпеновые циклоартановые гликозиды (циклоунифолозиды A-D), агликон циклокантогенин, а также соединения олеананового ряда, включая олеаноловую кислоту [2-5]. Указанные соединения обусловливают фармакологическую ценность сырья и проявляют антиоксидантную и цитотоксическую активность [6].

Экстракты A. unifoliolatus характеризуются низкой токсичностью, гепатопротекторными свойствами и способностью влиять на метаболические процессы [6]. Ранее разработана технология получения сухого экстракта из надземной части растения [7]. Однако на стадии выделения вторичных метаболитов наблюдается образование устойчивых эмульсий, что снижает эффективность жидкостно-жидкостной экстракции и усложняет технологический процесс.

Одним из перспективных решений данной проблемы является применение мембранных технологий, в частности ультрафильтрации, для очистки и фракционирования растительных экстрактов. Мембранные процессы характеризуются высокой селективностью, низким энергопотреблением и экологической безопасностью, что определяет их применение в фитохимических технологиях [8, 9].

Современные исследования подтверждают эффективность ультрафильтрации и керамических мембран для выделения, очистки и концентрирования биологически активных соединений из растительных матриц [10-12]. При этом сохраняется ряд нерешённых задач, связанных с мембранным фаулингом, оптимизацией технологических параметров и применением методов математического планирования эксперимента (DOE, RSM) [13-15].

В связи с этим особую актуальность приобретает оптимизация процессов ультрафильтрации при переработке растительных экстрактов, направленная на эффективное разделение полифенольных и высокомолекулярных соединений, препятствующих последующим стадиям экстракции [10, 11].

Целью настоящего исследования является удаление соединений с молекулярной массой 10 кДа и выше из экстракта A. unifoliolatus методом ультрафильтрации, а также оптимизация параметров процесса на основе методов математического планирования эксперимента для предотвращения образования эмульсий и повышения эффективности технологического процесса.

Материалы и методы исследования

Для получения растительного экстракта использовали воздушно-сухое сырьё A. unifoliolatus (10 кг), которое экстрагировали 50% этанолом методом мацерации с пятикратным повторением. Объединённые экстракты концентрировали под вакуумом с удалением этанола до получения водного экстракта.

Очистку экстракта от высокомолекулярных соединений осуществляли методом ультрафильтрации с использованием керамической мембраны Carbosep (Франция), модель ALPMA–404-90 (Германия), с молекулярно-массовым порогом отсечения 10 кДа. Применение ультрафильтрации направлено на удаление высокомолекулярных компонентов, способствующих образованию устойчивых эмульсий при последующей жидкостно-жидкостной экстракции.

Оптимизацию параметров ультрафильтрации проводили методом математического планирования эксперимента - латинского квадрата [16], что позволяет оценить влияние нескольких факторов при минимальном числе экспериментов.

В качестве факторов исследования выбраны:

A - скорость циркуляции экстракта (500, 550, 600 л/ч);

B - температура процесса (40, 50, 60 °C);

C - скорость фильтрации через мембрану (25, 30, 35 л/ч).

Экстракт подавали в ультрафильтрационную систему при заданных режимах с непрерывной циркуляцией. В процессе фильтрации осуществляли разделение на пермеат и ретентат.

Количественное определение вторичных метаболитов проводили спектрофотометрическим методом с использованием стандартных подходов к оценке суммарного содержания фенольных соединений, а также методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) для подтверждения состава отдельных компонентов [11, 12].

Статистическую обработку экспериментальных данных выполняли методом дисперсионного анализа с оценкой значимости факторов по критерию Фишера при уровне значимости p < 0,05.

Обсуждение результатов

Полученные экспериментальные данные были систематизированы и обработаны с использованием метода математического планирования эксперимента - латинского квадрата [8–10]. Данный метод относится к блочным планам и позволяет оценивать влияние нескольких факторов при минимальном числе экспериментов за счёт исключения систематических погрешностей.

В исследовании рассматривались три основных фактора (A, B и C), каждый из которых варьировался на трёх уровнях. Такой подход обеспечивает равномерное распределение условий эксперимента и снижение влияния случайных факторов. План эксперимента представлен в таблице 1.

Таблица 1.

План эксперимента по методу латинского квадрата

Примечание: A - скорость циркуляции экстракта (л/ч); B - температура процесса (°C); C — скорость фильтрации (л/ч); y₁–y₉ — выход вторичных метаболитов (%)

Эксперименты проводились с двукратным повторением, после чего рассчитывались средние значения, что позволило снизить влияние случайной ошибки и повысить воспроизводимость результатов.

Полученные данные показывают зависимость выхода вторичных метаболитов от технологических параметров ультрафильтрации (табл. 2). Наиболее высокие значения наблюдались при средних значениях скорости циркуляции и повышенной температуре процесса.

Таблица 2.

Результаты экспериментов

Дополнительно рассчитаны средние значения по фактору C, которые указывают на наибольший выход при максимальном уровне скорости фильтрации.

Таблица 3.

Влияние фактора C

Для оценки влияния факторов проведён дисперсионный анализ (ANOVA), результаты которого представлены в таблице 4.

С учётом ограниченного числа степеней свободы для ошибки (df = 2), результаты ANOVA рассматриваются как оценочные, позволяющие определить относительную значимость факторов.

Таблица 4.

Результаты дисперсионного анализа

По величине F-значений можно отметить, что факторы A и B оказывают более выраженное влияние на выход вторичных метаболитов по сравнению с фактором C.

Максимальный выход вторичных метаболитов наблюдался при комбинации параметров A₂B₂C₃ (550 л/ч; 50 °C; 35 л/ч), при которых выход составил 71,9 % относительно массы сырья и 90,6 % относительно содержания в исходном экстракте.

Дальнейший этап исследования включал изучение влияния соотношения хлороформ : экстракт на эффективность жидкостно-жидкостной экстракции (таблица 5).

Таблица 5.

Влияние соотношения хлороформ : экстракт

Установлено, что в диапазоне 1:4–1:8 изменение соотношения не оказывает существенного влияния на выход целевых соединений, однако приводит к увеличению времени фазового разделения.

Предварительная ультрафильтрационная обработка экстракта способствует разрушению коллоидных систем, снижает склонность к образованию эмульсий и повышает эффективность последующей жидкостно-жидкостной экстракции за счёт улучшения фазового разделения.

Экспериментальная часть

Высушенное растительное сырьё (10 кг) экстрагировали 50% этиловым спиртом методом мацерации с пятикратным повторением процесса. Полученные экстракты объединяли и концентрировали под вакуумом при пониженном давлении до полного удаления этанола.

Полученный водный экстракт подвергали очистке от высокомолекулярных соединений, способствующих образованию устойчивых эмульсий, методом ультрафильтрации с использованием керамических мембран (схема 1).

Для проведения эксперимента использовали 10 л водного экстракта, который подавали в ультрафильтрационную систему в режиме непрерывной циркуляции. Циркуляция обеспечивалась насосом Н1 при скорости 550 л/ч, что обеспечивало стабильные гидродинамические условия и снижение концентрационной поляризации на поверхности мембраны.

Рисунок 1. Схема ультрафильтрационной установки: К1 - колонка для подачи экстракта; К2 - колонка для сбора фильтрата; К3 - колонка для сбора концентрата; Н1 - циркуляционный насос; Н2 - насос фильтрации; М1 - керамическая мембрана.

Пермеат непрерывно отводился из системы с помощью насоса Н2 при скорости фильтрации 35 л/ч. Температура процесса поддерживалась на уровне 50 °C.

В процессе ультрафильтрации система разделялась на пермеат и ретентат. Концентрированная фаза (ретентат) периодически удалялась из системы для поддержания стабильности работы мембранного модуля и предотвращения его перегрузки.

Заключение

В результате проведённых исследований установлено, что предварительная очистка экстракта Astragalus unifoliolatus методом ультрафильтрации с использованием керамических мембран обеспечивает эффективное удаление высокомолекулярных соединений, участвующих в формировании устойчивых эмульсий при последующей жидкостно-жидкостной экстракции.

Применение метода математического планирования эксперимента (латинского квадрата) позволило определить оптимальные параметры процесса ультрафильтрации. По результатам исследований установлено, что наиболее рациональные условия соответствуют скорости циркуляции экстракта 550 л/ч, температуре 50 °C и скорости фильтрации 35 л/ч. При указанных параметрах достигается максимальный выход вторичных метаболитов, составляющий 71,9 % от массы сухого сырья и 90,6 % от их содержания в растительном экстракте.

Показано, что сочетание ультрафильтрационной предварительной очистки с последующей жидкостно-жидкостной экстракцией обеспечивает устойчивое фазовое разделение, снижает склонность системы к эмульгированию и повышает воспроизводимость технологического процесса.

На основании полученных результатов установлено, что при переработке растения A. unifoliolatus применение метода ультрафильтрации обеспечивает получение продукта с более высоким содержанием вторичных метаболитов.

Список литературы:

1. Tojibaev K., Beshko N., Turginov O., Mirzalieva D. New records for Fabaceae in the flora of Uzbekistan // Flora Mediterranea. – 2014. – Vol. 24. – P. 25–35.
2. Kucherbaev K.D., Uteniyazov K.K., Kachala V.V., Saatov Z., Shashkov A.S. Structure of cyclounifolioside C from Astragalus unifoliolatus // Chemistry of Natural Compounds. – 2002. – Vol. 38, No. 5. – P. 447–449.
3. Kucherbaev K.J., Uteniyazov K.K., Kachala V.V., Saatov Z., Shashkov A.S. Structure of cyclounifolioside A from Astragalus unifoliolatus // Chemistry of Natural Compounds. – 2002. – Vol. 38, No. 2. – P. 175–178.
4. Kucherbaev K.D., Uteniyazov K.K., Kachala V.V., Saatov Z., Shashkov A.S. Structure of cyclounifolioside B from Astragalus unifoliolatus // Chemistry of Natural Compounds. – 2002. – Vol. 38, No. 1. – P. 62–65.
5. Kucherbaev K.D., Uteniyazov K.K., Kachala V.V., Saatov Z., Shashkov A.S. Structure of cyclounifolioside D from Astragalus unifoliolatus // Chemistry of Natural Compounds. – 2002. – Vol. 38, No. 6. – P. 574–576.
6. Mamadalieva N.Z., Kucherbaev K.J., Naubeev T.Kh., Uteniyazov K.K., Egamberdieva D., Tiezzi A., Triggiani D., Isaev M.I. Cytotoxic properties of cycloartane glycosides from Astragalus // Фармацевтический журнал. – 2009. – № 2. – С. 78–83.
7. Janibekov A., Sotimov G. Drying of thick extract from Astragalus unifoliolatus // Journal of Sciences Europe. – 2023. – No. 120. – P. 59–61.
8. Cassano A., Conidi C., De Pinho M.N. Membrane technologies for recovery of bioactive compounds // Membranes. – 2023. – Vol. 13, No. 8. – Article 732. – DOI: 10.3390/membranes13080732.
9. Qi T., Chen X., Fan Y., Zhong J. Ceramic membrane technology for bioactive compounds separation // Separation and Purification Technology. – 2024. – Vol. 361. – Article 131301. – DOI: 10.1016/j.seppur.2024.131301.
10. Dushkova M., Vardakas A., Shikov V., Mihalev K., Terzyiska M. Application of ultrafiltration for recovery of polyphenols from rose petal byproduct // Membranes. – 2023. – Vol. 13, No. 10. – Article 818. – DOI: 10.3390/membranes13100818.
11. Alonso-Vázquez P., Valle C., Sánchez-Arévalo C., Cuartas-Uribe B.E., Vincent-Vela M.C., Bes-Piá A., Álvarez-Blanco S. Separation of phenolic compounds from canned mandarin production wastewater by ultrafiltration and nanofiltration // Journal of Water Process Engineering. – 2024. – Vol. 59. – Article 105041. – DOI: 10.1016/j.jwpe.2024.105041.
12. Reig-Valor M.J., López-Borrell A., Lora-García J., Cardona S.C., López-Pérez M.F. Ultrafiltration-based fractionation of bioactive polyphenols from wine lees for posterior concentration: a sustainable process assessment // Journal of Environmental Management. – 2025. – Vol. 395. – Article 127694.
13. Battestini-Vives M., Xiao X., Lipnizki F., Rudolph-Schöpping G. Response surface methodology to optimize membrane cleaning in nanofiltration of kraft black liquor // Separation and Purification Technology. – 2025. – Article 128626. – DOI: 10.1016/j.seppur.2024.128626.
14. Echakouri M., Henni A., Salama A. A novel modeling optimization approach for a seven-channel titania ceramic membrane using factorial design and machine learning // Membranes. – 2024. – Vol. 14, No. 9. – Article 199. – DOI: 10.3390/membranes14090199.
15. Cifuentes-Cabezas M., Bohórquez-Zurita J.L., Gil-Herrero S. et al. Deep study on fouling modelling of ultrafiltration membranes used for OMW treatment // Food and Bioprocess Technology. – 2023. – Vol. 16. – P. 2126–2146. – DOI: 10.1007/s11947-023-03033-0.
16. Montgomery D.C. Design and Analysis of Experiments. – 10th ed. – Hoboken, NJ: Wiley, 2019. – 752 p.