УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЭКСТРАКЦИЯ КОРНЯ HELIANTHUS TUBEROSUS И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛИСАХАРИДНОЙ АКТИВНОСТИ

АННОТАЦИЯ

Дизайн Бокса-Бенкена (BBD), одна из наиболее распространенных методологий определения поверхности отклика (RSM), использовался для оптимизации экспериментальных условий ультразвуковой экстракции полисахаридов (PRM) из Helianthus tuberosus.

ABSTRACT

The Box-Behnken Design (BBD), one of the most common response surface methodology (RSM), has been used to optimize the experimental conditions for the ultrasonic extraction of polysaccharides (PRM) from Helianthus tuberosus.

Ключевые слова: Helianthus tuberosus, экстракт, aнтиоксидант, ультразвук, полисахарид.

Keywords: Helianthus tuberosus, extract, antioxidant, ultrasound, polysaccharide.

Экстракция с помощью ультразвука с помощью ультразвуковой вибрации может облегчить выделение компонентов из матриц образцов [1]. Из-за кавитации в сильном акустическом поле этот широко используемый метод экстракции имеет множество преимуществ, таких как сокращение времени экстракции, синхронная обработка большого количества образцов экстракции и увеличение скорости диффузии [2,3]. Методология поверхности отклика (RSM), проверенный набор статистических и математических методов, обычно используется для оптимизации и оценки сложных факторов экспериментального процесса и их взаимодействия [4]. Кроме того, RSM требует меньше экспериментальных испытаний и трудозатрат, чем многие другие оптимизированные подходы [3-5]. Дизайн Бокса-Бенкена (BBD), один из наиболее часто используемых методов RSM, играет ключевую роль в организации и интерпретации оптимальных экспериментов.

Корень Helianthus tuberosus (топинамбур), традиционное лекарственное растение, используется для лечения диабета, кожных абсцессов, инфекций верхних дыхательных путей или боли в суставах. Существует большая потребность в получении больших количеств сырых полисахаридов за короткий период времени для дальнейшей разработки и изучения этого ресурса. Поэтому для экономии времени и энергии необходимо оптимизировать условия экстракции, чтобы отделить полисахариды от корней Helianthus tuberosus. В этом исследовании мы изучили параметры ультразвуковой экстракции на основе BBD, включая время обработки ультразвуком, соотношение воды и материала и температуру ультразвуковой экстракции, чтобы максимизировать выход полисахаридов из корней Helianthus tuberosus.

Влияние различных параметров экстракции, в том числе времени воздействия ультразвука, отношения воды к материалу и температуры ультразвуковой экстракции, на выход полисахаридов измеряли с использованием подхода «одна переменная за раз» [5]. Влияние времени воздействия ультразвука на выход PRM показано на рисунке 1. Было исследовано разное время (5, 10, 20, 30, 40 и 50 минут), в то время как другие переменные экстракции оставались постоянными: отношение воды к материалу, 50 мл / г; температура ультразвуковой экстракции 50 ˝C.

 Выход PRM быстро увеличивался при увеличении времени воздействия ультразвука от 5 до 20 мин. Однако после этого он достиг плато с небольшим снижением, что могло быть связано с деградацией полисахарида после продолжительной экстракции с помощью ультразвука [6]. Чтобы избежать энергозатрат и сократить время экстракции, оптимальным временем воздействия ультразвука для получения PRM было выбрано 20 минут.

Рисунок 1. Влияние различных факторов экстракции (а) время воздействия ультразвука, мин; б) отношение воды к материалу, мл / г; c) температура экстракции ультразвуком, на выход PRM при экстракции

Согласно результатам трехфакторного эксперимента, BBD с семнадцатью прогонами применяли для оптимизации трех независимых переменных экстракции, включая время воздействия ультразвука (A); отношение воды к материалу (В); и температура ультразвуковой экстракции (C). Таблица 1 показывает матрицу BBD и экспериментальные выходы PRM. Регрессионный анализ показал, что рентабельность PRM (Y) от трех независимых переменных может быть выражена следующим полиномиальным уравнением второго порядка:

             (1)

где Y - экспериментальный выход PRM; A, B и C - это закодированные коэффициенты времени воздействия ультразвука, отношения воды к материалу и температуры ультразвуковой экстракции соответственно.

Таблица 1.

Матрица планирования эксперимента

Взаимодействие независимых и зависимых переменных от рентабельности PRM может быть визуализировано с помощью трехмерных (3D) графиков поверхности отклика и двухмерных контурных графиков (рис. 2). Каждый трехмерный график представлял количество комбинаций двух тестовых переменных. Формы контурных графиков отражали важность взаимных взаимодействий. Круглые контурные графики показали, что взаимодействия были незначительными, тогда как эллиптические контуры продемонстрировали, что взаимодействия были значительными [6].

Рисунок 2. Контурные графики (а - в); и трехмерные графики поверхности отклика (d-f), показывающие влияние взаимодействия на выход экстракции PRM; (а, d) отношение воды к материалу и время воздействия ультразвука; (b, e), температура ультразвуковой экстракции и время воздействия ультразвука.

Из этих рисунков поверхности отклика (рис. 2) стало ясно, что температура ультразвука была наиболее важным фактором, влияющим на выход PRM, за ней следовало соотношение воды к материалу и время воздействия ультразвука. ... Пригодность модели квадратных уравнений для прогнозирования оптимальных значений отклика была проверена с использованием выбранных условий.

Выводы: Установлены оптимальные условия: время воздействия ультразвука 20,6 мин; соотношение воды и материала 45,5 мл / г; температура ультразвуковой экстракции 62,9 C. В этих условиях прогнозируемая выход полисахаридов составила 16,82%. С учетом практического использования условия экстракции были изменены следующим образом: время воздействия ультразвука - 21 мин; соотношение воды и материала 46 мл / г; температура ультразвуковой экстракции 63 ˝C. В вышеупомянутых модифицированных условиях выход PRM составил 16,95% ± 0,07% (n = 3), что хорошо соответствовало прогнозируемому значению.

Список литературы:

1. Султанова Ш.А. Усенов А.Б. Получение данных температурной зависимости растворимости спирта при экстракции растения базилика обыкновенного (ocimum basilicum). // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2020. 11(80).
2. Султанова Ш.А. Усенов А.Б. Самандаров Д.И., Аскархонов А.Р. Применение ультразвукового экстрактора для отделения фенола-антиоксиданта из mentha aquatica // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2021. 3(84). DOI: 10.32743/UniTech.2021.84.3-4.41-43
3. Romanik, G.; Gilgenast, E.; Przyjazny, A.; Kamin´ski, M. Techniques of preparing plant material for chromatographic separation and analysis. J. Biochem. Biophys. Methods 2007, 70, 253–261.
4. Zhao, J.; Deng, J.W.; Chen, Y.W.; Li, S.P. Advanced phytochemical analysis of herbal tea in China. J. Chromatogr. A 2013, 1313, 2–23.
5. Liao, N.B.; Zhong, J.J.; Ye, X.Q.; Lu, S.; Wang, W.J.; Zhang, R.H.; Xu, J.; Chen, S.G.; Liu, D.H. Ultrasonic-assisted enzymatic extraction of polysaccharide from Corbicula fluminea: Characterization and antioxidant activity. LWT Food Sci. Technol. 2015, 60, 1113–1121.
6. Hammi, K.M.; Jdey, A.; Abdelly, C.; Majdoub, H.; Ksouri, R. Optimization of ultrasound-assisted extraction of antioxidant compounds from Tunisian Zizyphus lotus fruits using response surface methodology. Food Chem. 2015, 184, 80–89.