Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 7
1.1 Общие сведения о эхинацеи пурпурной 7
1.1.1 Ботаническая характеристика сырья эхинацеи пурпурной 8
1.1.2 Рациональные приемы сбора сырья 10
1.2 Фитохимический состав эхинацеи пурпурной 10
1.2.1 Эхиназиды 11
1.2.2 Алкиламиды 12
1.2.3 Сахара и полисахариды 12
1.2.4 Фенольные соединения 13
1.2.5 Другие гидрофильные вещества 17
1.2.6 Липофильные вещества 19
1.2.7 Другие липофильные вещества 20
1.2.8 Макро- и микроэлементы 20
1.3 Сравнительный анализ препаратов из эхинацеи пурпурной 21
1.4 Сравнительный анализ процессов экстракции 30
1.4.1 Водная экстракция 35
1.4.2 Спиртовая экстракция 36
1.4.3 Водно-спиртовая экстракция 36
1.4.4 Экстракция летучими растворителями 37
1.4.5 Экстракция диоксидом углерода 37
1.5 Цели и задачи исследования 39
2 Методическая часть 41
2.1 Характеристика объекта исследования 41
2.2 Методики оценки сырья эхинацеи пурпурной 43
2.2.1 Определение массовой доли суммы экстрактивных веществ 45
2.2.2 Количественное определение гидроксикоричных кислот 47
2.2.3 Методика определения массовой доли эфирного масла в сырье .53
2.3 Методики извлечения БАВ из сырья 55
2.3.1 Экстракция методом настаивания при температуре кипения растворителя 55
2.3.2 Метод исчерпывающей экстракции на аппарате Сокслета 55
2.3.3 Метод одноступенчатого процесса экстрагирования с непрерывным перемешиванием при температуре кипения растворителя 55
2.3.4 Метод многоступенчатого противоточного процесса экстрагирования с непрерывным перемешиванием при температуре кипения растворителя 59
2.3.5 Метод исчерпывающей экстракции на промышленной установке «Каскад» 64
2.4 Методики получения косметических средств 67
2.4.1 Технологический процесс производства косметических гелей...67
2.4.2 Технологический процесс производства косметических кремов .68
2.5 Методики оценки полученных продуктов 70
2.5.1 Определение компонентного состава экстрактов методом тонкослойной хроматографии 71
2.5.2 Методика анализа потребительских свойств косметических средств 72
2.6 Методы математического моделирования и оптимизации технологических процессов 74
2.7 Методы математического моделирования и оптимизации систем на основе применения симплекс решетчатых планов Шеффе 75
2.8 Статистические методы обработки результатов исследований 76
3 Экспериментальная часть 78
3.1 Изучение особенностей химического состава эхинацеи пурпурной, выращенной на территории Краснодарского края 78
3.2 Исследование селективного извлечения БАВ из эхинацеи растворителями разной полярности 80
3.3 Исследование зависимости величины выхода гидроксикоричных кислот и полисахаридов от применяемого растворителя 103
3.4 Исследование влияния предварительной подготовки эхинацеи экстракцией диоксидом углерода на эффективность извлечения БАВ водно-спиртовой смесью 105
3.5 Разработка и оптимизация параметров комплексной технологии получения продуктов из эхинацеи пурпурной 116
3.6 Комплексная схема получения продуктов из эхинацеи пурпурной 133
3.7 Разработка рецептур косметических средств с применением полученных экстрактов эхинацеи пурпурной 136
3.7.1 Разработка и оптимизация рецептуры охлаждающего молочка после загара с экстрактами эхинацеи пурпурной 136
3.7.2 Разработка рецептуры геля после загара с экстрактами эхинацеи пурпурной 142
3.7.3 Оценка органолептических, физико-химических и потребительских показателей качества приготовленных косметических средств 147
3.7.4 Анализ потребительских свойств охлаждающего молочка и геля после загара с экстрактами эхинацеи 148
4 Разработка технологических решений для промышленной переработки эхинацеи пурпурной 151
4.1 Технологическая схема получения СОг-экстрактов из сырья эхинацеи пурпурной 151
4.2 Технологическая схема получения водно-спиртовых экстрактов из С02-шрота эхинацеи пурпурной 152
4.3 Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения в производство предлагаемой комплексной технологии производства экстрактов из растительного сырья эхинацеи пурпурной 155
Выводы и рекомендации 161
Литература 163
Приложения 178
- Ботаническая характеристика сырья эхинацеи пурпурной
- Экстракция методом настаивания при температуре кипения растворителя
- Исследование селективного извлечения БАВ из эхинацеи растворителями разной полярности
- Технологическая схема получения водно-спиртовых экстрактов из С02-шрота эхинацеи пурпурной
Введение к работе
Лекарственные растения издавна играли значительную роль во всех сферах человеческой жизни. Однако, начиная с XVII века, интерес к растительным лекарственным средствам постепенно снижался, для официальной медицины приоритетным стал подход к выделению чистых веществ и синтезу новых, более активных производных. Но в конце XX века, с развитием биохимии, нутриологии, медицины и других смежных наук, значение препаратов на основе лекарственных растений опять стало возрастать. Подобные растительные средства заняли свою достаточно широкую нишу в Европе и США. Бурный рост интереса к растительным препаратам и биологически активным добавкам отмечен и в странах СНГ. За долгие века был собран богатый опыт их использования. И сегодня лекарственные растения находят широкое применение при лечении различных заболеваний. Ведь они содержат такие вещества, синтезировать которые человек еще не может. Поэтому нередко травы оказываются эффективней современных лекарств. Продукты переработки лекарственного растительного сырья находят широкое применение при изготовлении косметических, профилактических и лечебных средств [3, 5, 16, 17].
В настоящее время значительно повысилась потребность в средствах общеукрепляющего и иммуностимулирующего действия. Для их производства используются природные компоненты, которые даже при длительном употреблении не вызывают нежелательных последствий в организме человека. Эхинацея пурпурная (Echinacea Purpurea Moench) - многолетнее травянистое растение. Один из целительных источников, с древних времен использующийся в медицинских целях коренным населением Великих равнин США и прерий Канады. Благодаря гидроксикоричным кислотам и полисахаридам, входящим в состав, эхинацея обладает иммуностимулирующим, противомикробным, бактерицидным и противовоспалительным, действием [3, 102, 106]. Для производства лекарств из эхинацеи пурпурной используют все части как свежего, так и высушенного растения. Однако, существующие на сегодняшний день технологии переработки этого сырья не позволяют максимально извлечь весь комплекс биологически активных веществ (БАВ), содержащихся в эхинацеи пурпурной. Известные технологии производства препаратов для профилактики простудных заболеваний и гриппа основаны на получении спиртовых, водно-спиртовых настоек, а также концентрированных сухих таблеток, что имеет определенные недостатки: применение одноступенчатой экстракции и используемые при этом растворители не позволяют извлечь максимально возможное количество спирто- и водорастворимых БАВ, и делают невозможным извлечение таких ценных компонентов, как жирорастворимые БАВ, а высушивание экстрактов снижает их полезные свойства [3].
Недостаточная изученность эхинацеи пурпурной, как сырья для получения БАВ, направленность существующих технологических схем ее переработки на получение экстрактов, содержащих только спирто- и водорастворимые вещества, отсутствие исследований по поиску возможных путей комплексной переработки привело к формированию основной цели наших исследований. Которая заключается в следующем: разработка комплексной технологии получения продуктов из эхинацеи пурпурной, обеспечивающей максимальное извлечение комплекса жиро-, спирто- и водорастворимых БАВ, рекомендуемых к применению в косметических средствах.
Ботаническая характеристика сырья эхинацеи пурпурной
Настойка эхинацеи улучшает состояние больных ревматоидным артритом, больных сахарным диабетом и после радиоактивного облучения. Эхинацея пурпурная и препараты на ее основе с успехом применяются для лечения хронического пиелонефрита, воспалений щитовидной железы, стоматологических заболеваний.
Ботаническая характеристика сырья эхинацеи пурпурной Эхинацея пурпурная (Echinacea purpurea Moench) — многолетнее травянистое растение семейства сложноцветных (Compositae) или астровых (Asteraceae). Род эхинацеи включает пять видов растений, которые в диком виде встречаются в приатлантических районах Северной Америки и Мексики. Это многолетние корневищные растения с прямым стеблем до 1-1,5м высоты с красивыми пурпуровыми соцветиями. Имеют специфический вкус и запах. Корзинки многоцветковые на длинных ножках, поникающие; обертка полушаровидная, листочки обертки расположены в 2-4 ряда, ланцевидные, более или менее оттопыренные. Цветоложе коническое, усаженное шиловидными прицветниками (вследствие продольного свертывания ланцевидно-линейных вначале прицветников), на верхушке заострёнными, щетиновидными, обычно темно-окрашенными и превышающими трубчатыми цветами; язычковые цветы с недоразвитым пестиком, долго удерживающиеся, внутренние трубчатые цветы обоеполые; семянки обратно пирамидальные толстоватые четырёхгранные, с хохолком в виде небольшой зубчатой окраины. Стебель простой или слабо разветвленный, голый или рассеяно коротковолосистый, красноватый, пористый. Листья шероховатые, чаще по краю зубчатые, нижние - яйцевидные на длинных крылатых черешках, на верхушке острые, обычно с пятью продольными жилками, при основании суживающиеся до слабосерцевидных 5-15 (20) см длиной, 2,5-7,5 см шириной, более широко расположенные по стеблю — ланцевидные или продолговато-яйцевидные, сидячие или почти сидячие, с тремя жилками [3, 6, 21]. На рисунке 1 представлена надземная часть растение эхинацеи пурпурной, его составные части и корневище. Объяснение рисунка: 7. верхняя часть цветущего растения; 2 - корневище с корнями, основанием стеблей и черешков листьев; 3 - трубчатый цветок; 4 — язычковый (краевой) цветок; 5 - корзинка с удаленными язычковыми цветками в продольном разрезе; 6 - семянка.
Установлено, что большее количество экстрактивных веществ в корнях накапливается при возделывании культуры прямым посевом семян в почву, в сравнении с рассадным выращиванием.
Учитывая перспективность применения эхинацеи пурпурной в практической медицине, с 1990 года были проведены опыты по её интродукции на Приморской плодово-ягодной опытной станции, расположенной в южной прибрежной зоне Приморья. Для посева были использованы семена, предоставленные Северокавказской ЗОС ВИЛАР. Фенологические наблюдения, изучение биологических особенностей и динамики роста эхинацеи пурпурной проводили в течение шести вегетационных сезонов (1990-1996гг.). Данный интродуцент в условиях южного Приморья нормально развивался и давал жизнеспособные семена. Заготавливают цветочные корзинки, собирают их в июле - августе, корневища с корнями - поздней осенью [3, 21, 102].
Химический анализ растений рода Echinacea, выращенных на опытной станции «ВИЛАР» (Краснодарский край) определил в их составе 7 основных групп биологически активных веществ, которые включают полисахариды, флавоноиды, производные кофейной кислоты (в том числе гидроксикоричные кислоты), эссенциальные липиды, алкиламиды. Кроме этого, все части растения содержат эфирное масло (в цветках 0,13-0,48%, в корнях 0,04-0,22%). Главной составной частью масла является нециклический сесквитерпен С15Н28 (до 80%). В корнях обнаружены гликозид эхинакозид С35Н46О20 (Д 1 %) - при гидролизе расщепляется на пирокатехин-этанол, кофейную кислоту, две молекулы глюкозы и одну молекулу рамнозы; бетаин (0,1%), смолы (1,9%), органические кислоты (пальмитиновая, линолевая, церотиновая), а также фитостерины. По литературным данным, основными действующими веществами, обладающими иммуностимулирующей активностью, являются полисахариды и гидроксикоричные кислоты. Причем кислотами этой группы, а также другими биологически активными веществами богата надземная часть эхинацеи пурпурной. Содержание экстрактивных веществ в листьях больше, чем в корневой системе и стебле растения. Помимо этого в растении содержатся: мальтоза, макро- и микроэлементы (кальций, калий, магний, железо, цинк, кобальт, марганец, никель, ванадий и др.); провитамин А и витамин С, фенольные соединения (рутин, антоцианы); белки, сбалансированные по аминокислотному составу; сапонины, липофильные вещества [6].
Экстракция методом настаивания при температуре кипения растворителя
Лабораторная установка для проведения экстракции растительного сырья данным методом приведена на рисунке 7. Около 1 г (точная навеска) измельченного сырья помещают в круглодонную колбу (поз.2) со шлифом вместимостью 150 см , приливают в 10 раз больше растворителя. После этого колбу с содержимым соединяют с обратным холодильником (поз.1) и помещают на водяную баню (поз.З), установленную на электропечь с закрытой спиралью и включенную в сеть. Температуру бани поддерживают таким образом, чтобы не допустить бурного кипения растворителя в колбе. По истечении времени, предусмотренном методикой, колбу с холодильником снимают с бани и охлаждают. Затем поднимают холодильник, горло колбы накрывают марлевой салфеткой и сливают мисцеллу через химическую воронку в мерный цилиндр, а из него в колбу с притертой пробкой. При необходимости мисцеллу упаривают для удаления остатков растворителя и концентрации извлеченных БАВ [2, 4, 5]. перемешиванием при температуре кипения растворителя [1]. Экстракцию сырья проводят на лабораторной экстракционной установке (рисунок 8). В круглодонную колбу (поз. 1), снабженную обратным холодильником (поз 2) и механической мешалкой (поз 4), помещают навеску измельченного сырья и прибавляют необходимое количество растворителя. Затем колбу соединяют с обратным холодильником и подогревают на водяной бане (поз. 3) до необходимой температуры. Экстрагирование осуществляют при перемешивании (п=40-50 мин") с помощью мешалки. По окончании процесса
экстракции разъединяют элементы установки, горло колбы накрывают марлевой салфеткой, сливают мисцеллу через химическую воронку в мерный цилиндр и из него в колбу с притертой пробкой. При необходимости осуществляют отбор проб через определенные промежутки времени для определения суммы экстрактивных веществ. Для определения количества проэкстрагированных веществ и построения кривых экстракции результаты подвергают обработки по методике предложенной Г.А. Аксельрудом [1].
Диффузия вещества в объёме пористой частицы описывается дифференциальным уравнением диффузии: где: с- концентрация в поровом пространстве частицы; Г- постоянная формы (Г=0 для пластины; Г=1 для цилиндра; Г= 2 для шара); с0 - начальная концентрация в порах частиц; DM - коэффициент массопроводности; D -коэффициент диффузии; к - коэффициент массоотдачи с поверхности; индекс п - капиллярно-пористой частицы; сх - концентрация жидкости, обтекающей пористые частицы. Поведение функции c = c{x,t) связано с организацией процесса извлечения непосредственно в диффузионном (экстракционном) аппарате. Основная задача - установить связь между с, и с. Понятно, что такая связь должна существовать, так как уменьшение концентрации с (отдача вещества частицами) связано с увеличением с\ (приемом вещества жидкостью). Данную связь в общем виде, можно представить: Уравнение (13) содержит параметры р, D, Bi, подлежащие экспериментальному определению. Все они могут быть определены с помощью одной экспериментальной процедуры. В термостатируемый сосуд (рисунок 8), содержащий W0 объёмных единиц жидкости (растворителя); вводят М0 массовых единиц пористых частиц. Эксперимент проводят при перемешивании, обеспечивающем взвешенное состояние частиц. На протяжении опыта следят за нарастанием концентрации сх раствора. При достаточно длительном эксперименте устанавливается равновесие и регистрируется концентрация жидкости ср . Решая уравнение (13) при t - ад получим: С помощью соотношения (14) и уравнения материального баланса (13) кинетическое уравнение может быть представлено в виде: где: Д,=Н Начиная с некоторого момента времени г, можно в уравнении (16) ограничиться первым членом ряда для всех t tx. Это область регулярного режима, для которого между lg CP CI VC0 -СяУ и временем / существует линейная зависимость (рисунок 9).
Исследование селективного извлечения БАВ из эхинацеи растворителями разной полярности
В качестве полярных растворителей были выбраны вода и водно-спиртовая смесь с массовой долей спирта 42%. Гексан и диэтиловый эфир использовали как неполярные экстагенты. Для анализа влияния полярности растворителей на состав получаемых продуктов и выход суммы экстрактивных веществ проводили экстракцию сырья эхинацеи при температурах от комнатной до кипения растворителей и соотношении фаз (сырье-растворитель), равном 1:10. Водой и водно-спиртовой смесью по методике, описанной в п. 2.3.1, во взвешенном слое до получения равновесных условий. Гексаном и диэтиловым эфиром по методике, описанной в п. 2.3.2 исчерпывающей экстракцией многократным орошением. Полученные водные, водно-спиртовые, гексановые и эфирные образцы были проанализированы на содержание суммы экстрактивных веществ. Результаты исследований представлены на рисунках 13-16.
Проводя экстракцию эхинацеи водой в диапазоне температур 26-28С выход экстрактивных веществ составлял не более 15% от содержащихся БАВ в исходном сырье (рисунок 13, кривая 1). В интервале температур 60-65С удавалось извлечь 23% экстрактивных веществ от содержащихся в исходном сырье (рисунок 13, кривая 2). Даже осуществляя экстракцию при температуре кипения воды, выход экстрактивных веществ был не более 37% от содержащихся компонентов в исходном сырье эхинацеи пурпурной (рисунок 13, кривая 3). Выход на равновесную концентрацию экстрактивных веществ в получаемом экстракте и сырье был практически невозможен, экстракцию приходилось проводить бесконечно длительное время.
Осуществляя экстракцию эхинацеи водно-спиртовой смесью при температурах 26-28С выход экстрактивных веществ составлял не более 20% от содержащихся БАВ в исходном сырье (рисунок 14, кривая 1). При температурах экстракции 50-60С удавалось извлечь 38% экстрактивных веществ от содержащихся в исходном сырье (рисунок 14, кривая 2). Даже осуществляя экстракцию при температуре кипения полярной смеси, выход экстрактивных веществ был не более 51% от содержащихся в исходном сырье (рисунок 14, кривая 3).
Экстракция сырья неполярным растворителем - гексаном с температурным интервалом 26-28С практически не позволяла извлекать экстрактивные вещества, их выход составлял не более 5% от содержащихся в исходном сырье (рисунок 15, кривая 1). Повышение температуры до 45-55С увеличивало выход веществ до 15% от содержащихся в исходной эхинацеи (рисунок 15, кривая 2). Максимальная сумма экстрактивных веществ не превысила 22% от содержащихся компонентов в исходном сырье (рисунок 15, кривая 3).
Проводя экстракцию сырья диэтиловым эфиром при комнатной температуре выход экстрактивных веществ составлял не более 10% от содержащихся БАВ в исходном сырье (рисунок 16, кривая 1). Осуществляя экстрагирование в температурном диапазоне, равном 2б-28С извлекали 17% экстрактивных веществ (рисунок 16, кривая 2). Диэтиловый эфир при температуре кипения способен был извлечь экстрактивных веществ не более 26%) от содержащихся в исходном сырье эхинацеи пурпурной (рисунок 16, кривая 3). Выход экстрактивных веществ увеличивается при повышение температуры процесса, но даже при температуре кипения растворителя далек от максимального, что видно из рисунков 13-16.
Кривые экстракции эхинацеи водой, водно-спиртовой смесью, гексаном и диэтиловым эфиром при температурах кипения растворителей представлены на рисунке 17. Ни один из используемых экстрагентов не способен извлечь максимальное количество экстрактивных веществ, находящихся в сырье эхинацеи (рисунок 17). Гексан экстрагирует 22% от содержащихся в исходном сырье эхинацеи пурпурной веществ (рисунок 17, кривая 4), диэтиловый эфир способен извлечь 26% (рисунок 17, кривая 3), вода экстрагирует около 37% экстрактивных веществ (рисунок 17, кривая 1). Наибольшее количество экстрактивных веществ — 51% от содержания в исходном сырье (рисунок 17, кривая 2), извлекает водно-спиртовая смесь, однако даже такая смесь полярных растворителей не способна максимально осуществить экстракцию БАВ.
Технологическая схема получения водно-спиртовых экстрактов из С02-шрота эхинацеи пурпурной
СОг-шрот редлером (поз.7) перемещают в экстракторы (поз. 11, 12, 13, 14), приливают необходимое количество воды из мерника (поз. 22) и этилового спирта из мерника (поз. 21) и нагревают до 40-50С. Соотношение фаз сырье-растворитель поддерживают 1:10 соответственно. Экстракцию осуществляют 40 минут, затем мисцеллы с помощью водокольцевого вакуумного насоса (поз 4) сливают в емкости для мисцелл (поз. 15, 16, 17, 18). Многоступенчатая противоточная экстракция заключается в подаче мисцеллы, полученной на предыдущей стадии, для экстракции СОг-шрота находящегося в экстракторе последующей ступени. Процесс осуществляется по методике, описанной в п. 2.3.4. Полученный фильтрованный экстракт подвергается анализу на соответствие ТУ 9154.41-258-02067862 и далее направляется на фасовку. В результате получают водно-спиртовые экстракты, содержащие комплекс спирто- и водорастворимых БАВ, которые могут быть использованы как самостоятельные продукты, а также в производстве различных косметических средств.
Цифровое обозначение транспортируемых по трубопроводам веществ: 0.3 сырье эхинацеи пурпурной; 0.31 измельченное сырье; 0.32 шрот эхинацеи после экстракции диоксидом углерода; 0.33 отработанный шрот; 1.21 техническая холодная вода; 1.22 техническая нагретая вода; 1.31 техническая горячая вода; 1.32 техническая охлажденная вода; 1.0 отработанная вода; 3.8 вакуум; 5.41 диоксид из баллона; 5.42 диоксид газообразный; 5.43 диоксид сжиженный; 5.44 мисцелла; 8.1 спирт этиловый; 9.11 СОг-экстракт нефильтрованный; 9.12 С02-экстракт фильтрованный; 9.2 вода; 9.1.3 мисцелла; 9.1.4 мисцелла нефильтрованная; 9.1.5 водно-спиртовый фильтрованный экстракт. Таблица 34 - С02-экстракт
Предлагаемая комплексная переработка растительного сырья эхинацеи пурпурной позволяет получать не только СОг-экстракт, но и в результате дальнейшей экстракции С02-шрота получать водно-спиртовый экстракт.
Продукты переработки эхинацеи пурпурной являются новыми видами сырья для производства косметической продукции. Определение экономической эффективности производства рассчитывается по формуле: где Э - экономический эффект от внедрения новой технологии; П - прибыль от реализации новой продукции (экстрактов эхинацеи); К - капитальные вложения в производство новых продуктов из эхинацеи составляют 2900 тыс.руб. Ен - нормативный коэффициент экономической эффективности, показатель, обратный сроку окупаемости проекта. Экономический эффект от внедрения новой технологии представляет собой прирост прибыли, которую заработает производитель, используя новую технологию. Прирост прибыли определяется по формуле: где В - выручка от реализации новых видов продукции, тыс. руб. 3 - затраты на производство, тыс.руб.
Похожие диссертации на Разработка комплексной технологии получения продуктов из эхинацеи пурпурной и рекомендаций по их применению в производстве косметических средств
