Инновационные методы экстракции биологически активных веществ из растительного сырья

Резюме

Современные методы извлечения биологически активных веществ (БАВ) из различного сырья ориентированы на эффективность и экологичность, предполагают использование математических и статистических методов оптимизации, выбор экологически чистых растворителей и использование технологий вспомогательной экстракции.

Цель обзора - представить и кратко обсудить актуальную информацию о современных технологических подходах к получению экстрактов БАВ растительного происхождения для использования в составах пищевых ингредиентов и специализированных пищевых продуктов.

Материал и методы. Для основного поиска источников использовали библиографическую базу PubMed, базы данных Scopus и Web of Science и поисковую систему Google Scholar. Глубина поиска составила 15 лет.

Результаты. В работе представлен краткий обзор современных подходов к извлечению, концентрированию и очистке полифенольных соединений из различного растительного сырья. В качестве вспомогательной технологии экстракции, направленной на разрушение/повышение проницаемости растительной клеточной стенки, успешно используется широкий набор физических методов: ультразвук, микроволновое излучение, гомогенизация, применение импульсного электрического поля, высокое гидростатическое давление, криодробление. В работе дана краткая характеристика каждого метода и проведена оценка его преимуществ и недостатков. Повышение безопасности пищевых продуктов и их соответствие экологическим нормам требует выбора безопасного, экологически чистого и при этом эффективного процесса экстракции. Для этих целей успешно используют ферментативную экстракцию, экологически чистые растворители, например глубокие эвтектические растворители, сверхкритическую жидкостную экстракцию и мембранные технологии. Использование математических и статистических методов может уменьшить общее количество испытаний, сократить стоимость и время проведения экспериментов. Применение этих методов в совокупности позволяет целенаправленно варьировать параметры процесса применительно к конкретному растительному сырью и конечному продукту, что обеспечивает возможность с высоким выходом выделять из растительного сырья концентраты БАВ.

Заключение. Внедрение инновационных технологических подходов к получению экстрактов БАВ растительного происхождения определяет перспективы производства широкого спектра специализированной пищевой продукции, отвечающей высоким требованиям безопасности и эффективности.

Ключевые слова:биологически активные вещества; растительное сырье; экстракция; полифенолы; технологии вспомогательной экстракции; специализированные пищевые продукты; безопасность

Финансирование. Поисково-аналитическая работа проведена при финансировании РНФ (грант № 19-16-00107-П), https://rscf.ru/project/22-16-35008/.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие конфликтов интересов.

Вклад авторов. Концепция и дизайн исследования - все авторы; сбор материала - все авторы; написание текста - Сидорова Ю.С., Мазо В.К.; редактирование, утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи - все авторы.

Для цитирования: Сидорова Ю.С., Петров Н.А., Зорин С.Н., Мазо В.К. Инновационные методы экстракции биологически активных веществ из растительного сырья // Вопросы питания. 2023. Т. 92, № 6. С. 28-37. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2023-92-6-28-37

Постоянно расширяющийся ассортимент специализированной пищевой продукции (СПП) требует совершенствования технологических подходов к получению концентратов биологически активных веществ (БАВ) растительного происхождения для использования в качестве пищевых ингредиентов. В подавляющем большинстве содержание минорных БАВ пищи в растениях таково, что возникает необходимость их целенаправленного выделения и/или концентрирования для включения в составы СПП. Эффективность использования растительных полифенолов при метаболических нарушениях подтверждается результатами клинических исследований и многочисленных опытов на лабораторных животных, в том числе с индуцированными или генетически обусловленными нарушениями углеводного и/или жирового обмена. Растительные полифенолы, как и другие облигатные антиоксиданты пищи, поступив в организм, становятся компонентами антиоксидантной системы, с чем в значительной степени связаны проявляемые ими эффекты. Применение полифенолов в качестве пищевых ингредиентов СПП для профилактики и/или коррекции алиментарно-зависимых заболеваний (в первую очередь нарушений углеводного и липидного обмена) требует целенаправленного максимально полного извлечения этих соединений из растительного сырья, их концентрирования и снижения потерь в ходе дальнейшей переработки.

Необходимым начальным этапом концентрирования растительных БАВ является их экстракция. Традиционные способы получения БАВ из растительного сырья связаны с использованием растворителей, таких как спирты, ацетон, диэтиловый эфир и этилацетат, удаление остаточных количеств которых является сложной задачей, требующей дальнейших стадий очистки, что влияет на общую стоимость процесса и потенциально может приводить к загрязнению окружающей среды [1, 2].

Цель обзора - представить и кратко обсудить актуальную информацию о современных технологических подходах к получению экстрактов БАВ растительного происхождения для использования в составах пищевых ингредиентов СПП.

Материал и методы

Для основного поиска источников использовали библиографическую базу PubMed, базы данных Scopus и Web of Science и поисковую систему Google Scholar. Глубина поиска составила 15 лет. Ключевые слова поиска: извлечение полифенольных соединений, физические методы экстракции, методы вспомогательной экстракции, ферментативная обработка, микроволновое излучение, ультразвук, искусственные нейронные сети, методология поверхностного отклика, генетический алгоритм, глубокие эвтектические растворители, ультрафильтрация, микрофильтрация и др.

Физические методы экстракции

В настоящее время в качестве вспомогательной технологии экстракции, направленной на разрушение/повышение проницаемости растительной клеточной стенки, используется широкий набор физических методов, обеспечивающих наиболее полное экстрагирование фитонутриентов при сохранении их биологической активности [3, 4].

Использование микроволновой или ультразвуковой обработки, а также комбинирование этих методов позволяет получать высококачественные экстракты при низких температурах, значительно сокращая продолжительность процесса и расход растворителя. К достоинствам микроволновой и ультразвуковой обработки, помимо прочего, относят возможность автоматизации и предотвращение загрязнения окружающей среды [5-7]. На экстракцию с помощью ультразвука и микроволнового излучения влияют различные параметры обработки, включая время, температуру, соотношение жидкость : твердое вещество, мощность и частоту [8], поэтому их подбор важен для получения продуктов заданного качества. Так, для извлечения фитосоединений из кожуры питахайи был применен метод спиртовой экстракции с помощью ультразвука [9]. Искусственные нейронные сети (ИНС), интегрированные с генетическим алгоритмом (ГА), были использованы для оптимизации многозадачного процесса. Методом ИНС-ГА исследовали влияние температуры (30-70 °C), соотношения растворителя и твердого вещества (10:1-30:1 мл/г), концентрации растворителя (30-60%) и времени ультразвуковой обработки (5-25 мин) на общее содержание полифенолов и антиоксидантную активность. Установлены оптимальные условия: температура 60 °C, соотношение растворителя и твердого вещества 25:1 мл/г, концентрация растворителя 60% и время обработки ультразвуком 20 мин. При таких условиях авторам работы удалось максимально увеличить выход искомых компонентов без потери их антиоксидантной активности. Для извлечения антоцианов из винных остатков черники (Vaccinium spp.) в работе [10] был предложен новый метод ультразвуковой обработки с использованием глубокого эвтектического растворителя (ГЭР), причем сам процесс был оптимизирован с помощью методологии поверхностного отклика в сочетании с ГА. ГЭР представляет собой смесь, состоящую из донора водородной связи и акцептора, при смешивании которых образуется жидкость с более низкой температурой плавления, чем у отдельных компонентов [11]. Определены оптимальные параметры экстракции для достижения максимального выхода антоцианов (9,32±0,08 мг/г) и цианидин-3-рутинозида (92,81%) из винных остатков черники - содержание воды 29%, мощность ультразвука 380 Вт, температура 55 °C и время 40 мин. В работе [12] было показано, что ультразвуковая обработка особенно эффективна для извлечения полифенольных соединений (гидрокситирозола, маслиновой кислоты и олеаноловой кислоты) из жмыха оливок по сравнению со стандартной экстракцией растворителем. Использование ультразвука благодаря сильному кавитационному эффекту и наибольшей эффективности переноса массы и тепла показало максимальный выход БАВ из сырья. Были установлены оптимальные условия экстракции: концентрация этанола 90%, температура 50 °С, время 5 мин, соотношение жидкости и твердой фазы 30 мл/г, интенсивность ультразвука 135,6 Вт/см2 и частота ультразвука 60 кГц. В работе [13] при извлечении полифенолов из отходов производства оливкового масла и вина эффективность ультразвуковой, микроволновой и спиртовой экстракции под давлением оценивали по общему содержанию полифенолов и антиоксидантной активности продукта. Влияние состава растворителя, температуры и времени проанализировано с помощью методологии поверхностного отклика (МПО). Соотношение этанол : вода 50:50 оказалось оптимальным для всех 3 методов экстракции обоих видов сырья. Микроволновое воздействие обеспечивало максимальное извлечение полифенолов из остатков оливковых выжимок (этанол : вода - 50:50, 90 °C, 5 мин), а для винных остатков была наиболее эффективна экстракция под давлением (этанол : вода - 50:50, 100 °С, 5 мин, 1 цикл). В работе [14] проведена сравнительная оценка вспомогательных методов экстракции фенольных соединений из оливкового жмыха, таких как микроволновое воздействие, гомогенизация, ультразвук и высокое гидростатическое давление с использованием различных систем растворителей, включая этанол, метанол и ГЭР. Максимальная эффективность экстракции фенольных соединений была достигнута при использовании ГЭР, в частности смеси хлорида холина/кофейной кислоты и хлорида холина/молочной кислоты. В качестве вспомогательного наиболее эффективного метода экстракции была определена гомогенизация при 60 °C/12,000 rpm (выход полифенолов составил 34 мг-экв галловой кислоты/г). Технология получения фитосубстанций из лекарственных растительных трав (Melilotus officinalis, Bidens tripartita, Iris oxypetala) с использованием вспомогательной экстракции ультразвуком описана в работе [15]. В качестве контрольного метода использовали классический метод мацерации. На примере различных видов растительного сырья был проведен сравнительный анализ и выявлены преимущества и недостатки предлагаемых методов. Ультразвуковая обработка позволила повысить эффективность экстракции флавоноидов по сравнению с мацерацией более чем на 13%. Авторы работы [16] проводили сравнительную оценку методов простой мацерации и мацерации с микроволновой обработкой [извлечение полифенольных соединений из листьев грецкого ореха (Juglans regia) при варьировании ряда параметров экстракции: времени, температуры и соотношения этанол : вода]. В получаемых экстрактах с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии были количественно определены основные фенольные соединения (3-O-кофеоилхинная кислота, 3-O-глюкозид кверцетина и O-пентозид кверцетина). Были установлены оптимальные условия для простой мацерации (112,5 мин, 61,3 °С и 50,4% этанола) и для мацерации с микроволновой обработкой (3,0 мин, 107,5 °C и 67,9% этанола). Летучие эфирные масла и нелетучие соединения рутин, кверцетин, кемпферол и изорамнетин извлекали из листьев облепихи (Hippophae rhamnoides L.) с помощью дистилляции на основе ионной жидкости (1,0 М 1-бутил-3-метилимидазолия бромида) с одновременной микроволновой или ультразвуковой обработкой [17]. Условия проведения процесса были оптимизированы МПО, что позволило сократить время процесса от 14 до 85% по сравнению с обычной гидродистилляционной экстракцией.

Еще один многообещающий физический метод - применение импульсного электрического поля (ИЭП) для предварительной обработки сырья, позволяющее селективно извлекать биоактивные соединения, одновременно сокращая энерготраты и длительность процесса [18]. Принцип действия ИЭП - это приложение коротких импульсов высокого напряжения к пищевому сырью, помещенному между двумя электродами [19], что способствует модификации проницаемости мембраны и увеличению выхода экстрагируемого вещества [20].

Исследовано влияние ИЭП при получении экстракта из листьев сахарного яблока (Annona squamosa) с использованием этанола (70%). Напряженность электрического поля варьировала в интервале (2-6) кВ/см, частота (100-300 импульсов единицы) с удельной энергией (45-142 кДж/кг) в течение 2,5-5 мин. При максимально высоких параметрах выход экстрагируемых веществ был выше на 5,2% по сравнению с необработанным аналогом. Содержание общих полифенолов также было выше на 20,6% в экстракте, полученном с использованием ИЭП (233 мг галловой кислоты/г сухого экстракта без ИЭП и 281 мг галловой кислоты/г сухого экстракта с ИЭП) [21].

В работе [22] апельсин, помело и лимон подвергали обработке ИЭП. Целые плоды и кожуру обрабатывали ИЭП при напряженности электрического поля 3 и 10 кВ/см соответственно. Обработка ИЭП увеличивала выход сока на 25% для апельсина, на 37% для помело и на 59% для лимона. Обработка ИЭП апельсиновых корок повышала выход экстрагируемых полифенолов в 1,5 раза.

C использованием МПО изучено влияние ИЭП с различной напряженностью (Е) и удельной энергией (W) на скорость извлечения фенольных соединений во время мацерации/ферментации винограда (Vitis vinifera) сорта Гренаш. Применение ИЭП сократило время мацерации на 25-37%. Качественные характеристики (интенсивность цвета, общее количество антоцианов и танинов) не изменились ни после мацерации, ни после 12-месячной выдержки в бутылках [23].

Экстракция под высоким гидростатическим давлением также используется как метод вспомогательной обработки в качестве альтернативного технологического подхода для извлечения фенольных соединений из растительного сырья [24]. Метод сочетает повышенное давление (100-800 МПа), умеренные температуры (30-60 °C) и короткое время обработки (3-30 МПа, 10 мин). Гидростатическое давление передается равномерно и распределяется во всех направлениях, позволяя повысить скорость массопереноса за счет увеличения проницаемости клеток и увеличения диффузии вторичного метаболита, что приводит к более высокому выходу, меньшему количеству примесей в конечном экстракте и возможности проведения процесса при комнатной температуре с сохранением термочувствительных структур [25].

С помощью технологии высокого гидростатического давления в исследовании [26] выделяли сапонины из горькой дыни (Momordica charantia). При оптимальных условиях экстракции (концентрация этанола 68%, время выдержки под давлением 8 мин, соотношение сырья и растворителя 1:35, давление 510 МПа) выделяемое количество сапонинов достигло 127,890 мг/г, а содержание сапонинов M. charantia в экстракте составило 76,06%.

Использование метода экстракции под высоким давлением для извлечения корилагина (танин) из плодов лонгана (Dimocarpus longan) (давление 500 МПа, время 2,5 мин и температура 30 °С) позволило получить более высокое содержание корилагина (9,65 мг/г сухого вещества) по сравнению с ультразвуковой обработкой (7,91 мг/г сухого вещества) или обычной экстракцией (2,35 мг/г сухого вещества) и потребовало меньше времени экстракции [27].

В работе [28] показано, что применение методов микроволновой обработки (900 Вт в течение 30, 60 и 90 с), высокого гидростатического давления (400 и 500 МПа в течение 1, 5 и 10 мин при 20 °C) и ультразвуковой экстракции (в течение 5, 10 и 15 мин) для извлечения полифенолов из вишневого жмыха увеличивало содержание полифенольных веществ в концентратах и их антиоксидантную активность по сравнению с обычным методом экстракции метанолом (50 °C и 30 мин).

При извлечении фенольных соединений из виноградных выжимок использование высокого гидростатического давления увеличивало активность ферментов, используемых для ферментативной экстракции, в 16 раз [29].

При традиционных способах измельчения в результате сильного нагревания растительного сырья происходит неизбежное разрушение активных компонентов растительных клеток, а при взаимодействии с кислородом происходит окисление БАВ и, соответственно, образование продуктов окисления. Для измельчения растительного сырья без потери биологически активных компонентов используется технология криодробления, осуществляемая при помощи специальных мельниц в среде инертного газа с предварительным глубоким замораживанием или лиофильной сушкой сырья. Можно также использовать жидкий азот, который не взаимодействует с биологически активными соединениями [30].

Мембранные технологии, в том числе микрофильтрация, ультрафильтрация и нанофильтрация, уже давно доказали свою эффективность в качестве вспомогательной технологии очистки БАВ из различных природных источников. Такие процессы и их возможное сочетание в интегрированных мембранных системах успешно используются для получения концентратов полифенолов и антоцианов. В работе [31] был исследован мембранный процесс очистки и концентрирования антиоксидантных соединений из водных экстрактов ягод годжи (Lycium barbarum L.). Водный экстракт предварительно осветляли с помощью мембран для ультрафильтрации с полыми волокнами, чтобы удалить взвешенные твердые частицы, β-каротин и получить раствор, обогащенный фенольными соединениями. Последующее использование плоской полиамидной ультрафильтрационной мембраны с пропускной способностью 2500 Да существенно повысило степень очистки экстракта минимум на 50% и концентрацию фенольных соединений на 80% по сравнению с исходным экстрактом.

Методы ферментативной экстракции

Стенка растительной клетки представляет собой плотную структуру, состоящую из полисахаридов, которые могут препятствовать высвобождению активных ингредиентов из растительного сырья. Ферментные препараты помогают разрушить клеточную стенку, что способствует переходу БАВ в экстракт [32]. Поскольку ферментолиз протекает в мягких условиях, качество целевых продуктов выше, чем при применении для разрушения растительных клеточных стенок химической и механической обработки. В работе [33] рассматривается нетривиальный метод использования эндофитной целлюлазы для улучшения извлечения соединений из лекарственных растений. Эндофиты - это микроорганизмы, которые повсеместно присутствуют в тканях, органеллах или межклеточных пространствах растений [34]. Определенные эндофитные штаммы могут проявлять высокую целлюлазную активность, переваривая целлюлозу растений, повышая тем самым свою выживаемость. Полученные результаты показали, что целлюлазы из эндофитов обладают более высокой специфичностью в отношении деградации клеточной стенки растений по сравнению с коммерческими целлюлазами, увеличивая выход байкалина из шлемника байкальского (Scutellaria baicalensis) на 79,3% [33].

При оценке возможности использования ферментных препаратов Целлюлаза А и Протамекс для получения розмариновой кислоты из шалфея (Salvia officinalis) с использованием МПО для подбора оптимальных условий показано, что S. officinalis является многообещающим источником розмариновой кислоты, а водная ферментативная обработка является безопасным и быстрым методом получения розмариновой кислоты без загрязнения среды токсичным растворителем [35].

Для снижения антигенности, улучшения функциональных, органолептических и других свойств пищевых белковых гидролизатов из вторичного белоксодержащего сырья растительного производства (белковые изоляты и концентраты, полученные из соевого шрота - побочного продукта производства соевого масла, пшеничный глютен, образующийся при производстве крахмала) обоснована целесообразность его ферментативной обработки [36].

Методы химической экстракции

Для экстракции антиоксидантных соединений из растительного сырья используют новое поколение так называемых ГЭР, получаемых путем комбинирования определенных природных компонентов - смесь акцептора водородной связи (например, хлорида холина) и донора водородной связи, включая карбоновые кислоты, аминокислоты, сахара и т.д., образующих эвтектическую смесь [37]. Отличиями ГЭР являются их безопасность, дешевизна, невоспламеняемость, незначительное давление пара, пригодность для вторичной переработки и безвредность для окружающей среды [5]. ГЭР обладают особыми преимуществами с точки зрения физико-химических свойств, такими как регулируемое поверхностное натяжение и вязкость [38]. В частности, была показана возможность их применения для извлечения фенольных соединений [39, 40].

При экстрагировании олеацеина и олеокантала, полифенолов оливкового масла, с помощью комбинации таких ГЭР, как холин хлорид/ксилитол и холин хлорид/1,2-пропандиол, показано увеличение их выхода на 20-33 и 67,9-68,3% соответственно по сравнению с традиционной экстракцией 80% метанолом [40].

Метод сверхкритической жидкостной экстракции, часто характеризуемый как "зеленая технология" ввиду сравнительно низкого потребления энергии и жидкого растворителя [41, 42], использует уникальное состояние вещества, называемое сверхкритической жидкостью или сверхкритическим флюидом, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные: подобно жидкости, вещество обладает растворяющей способностью и, подобно газам, характеризуется низкой вязкостью, легко варьируемой плотностью и высокими коэффициентами диффузии. Сверхкритическая жидкостная экстракция дает возможность поддерживать относительно низкую температуру благодаря приложенному дополнительному давлению. Поскольку этот процесс протекает при высоком давлении (15-28 МПа), требуются дорогостоящие реакторы и повышенный протокол безопасности.

В работах [43-45] рассмотрены вопросы технологических особенностей газожидкостной обработки сельскохозяйственного сырья для получения концентратов БАВ, в качестве технологического агента авторы предлагают использовать CO2 в субкритическом и сверхкритическом состоянии для решения проблем, касающихся измельчения и последующего препаративного разделения компонентов растительного сырья. Получаемые с помощью сверхкритической обработки углекислым газом (СО2) продукты отличаются микробиологической чистотой, удовлетворяющей современным требованиям по использованию в пищевых целях. Данный метод позволяет обрабатывать сырье при низких температурах, ограничивая термическую деградацию БАВ и необходимость использования токсичных растворителей. В работе [46] из иголок пихты корейской (Abies koreana) методом сверхкритической жидкостной экстракции было извлечено 68 соединений, составляющих 95,66% масла [основными компонентами были элемол (11,17%), терпинен-4-ол (9,77%), сабинен (8,86%), 10(15)-кадинен-4-ол (7,16%), a-терпинеол (6,13%), a-пинен (6,07%) и γ-терпинен (4,71%)]. Сравнительная характеристика традиционного (дистилляция) и сверхкритического методов получения эфирных масел из сладкого базилика (Ocimum basilicum) представлена в исследовании [47]. Метод сверхкритической экстракции позволял достичь более высокого выхода БАВ: 1,8-цинеола - 10% (в 4 раза), линалоола - 23,2% (в 5,8 раза), эвгенола - 13,3% (в 1,2 раза) и гермакрена D - 5,6% (в 28 раз). Сравнение антиоксидантной активности летучих и нелетучих фракций из горного чабера (Satureja montana), полученных методом сверхкритической экстракции, традиционной дистилляцией и в аппарате Сокслета, показало, что антиоксидантная активность была максимальной в случае сверхкритической экстракции [48]. Кроме того, эфирное масло, полученное сверхкритической экстракцией, было обогащено тимохиноном (вещество с широким спектром фармакологической активности, в том числе нейропротекторной, противоопухолевой, антиоксидантной и антибактериальной). К определенным недостаткам, потенциально ограничивающим применение метода, следует отнести высокую стоимость и селективную природу растворителя (так, например, CO2 растворяет только небольшие неполярные молекулы).

Примеры использования ферментов для предварительного разрушения клеточной стенки приведены в работах [49, 50]. После обработки кожуры граната (Punica granatum) разными коммерческими и кормовыми ферментными препаратами выход фенольных соединений после сверхкритической экстракции увеличился в 2 раза [49]. Предварительная ферментная обработка коммерческим ферментным препаратом Celluclast/Novozyme плюс Viscozyme при извлечении ликопина из высокопигментных сортов томатов методом сверхкритической экстракции CO2 позволяет увеличить концентрацию ликопина (~153%) и липидов (~137%) в конечном продукте при повышении загрузки субстрата в экстракционный сосуд на 46% [50].

Разработанная технология получения функционального пищевого ингредиента, включающая экстракцию листьев шпината (Spinacia oleracea) 20% этиловым спиртом (соотношение порошок листьев : экстрагент 1:39) с последующим центрифугированием, ультрафильтрацией супернатанта через мембрану с диаметром пор 10 кДа и сбором низкомолекулярной фракции, ее концентрированием обратным осмосом, удалением щавелевой кислоты методом препаративной жидкостной хроматографии и лиофилизацией, позволила добиться кратности концентрирования (относительно исходных высушенных листьев шпината) для полифенолов 34,7 раза, для фитоэкдистероидов (20 Е) 30,7 раза. При получении функционального пищевого ингредиента из зерен киноа (Chenopodium quinoa), включающем экстракцию 40% этиловым спиртом (соотношение мука киноа : экстрагент 1:39), центрифугирование, отбор супернатанта, его ультрафильтрацию через мембрану с диаметром пор 10 кДа со сбором низкомолекулярной фракции, ее концентрирование обратным осмосом, дополнительную очистку концентрата на препаративной колонке с гидрофобным сорбентом С18 (4,5×9 см) и лиофилизацию, кратность концентрирования 20 Е и флавоноидов в полученных продуктах составляла более 200 раз по отношению с исходными зернами киноа [51].

Методы математического моделирования

Математические и статистические методы применяют для снижения общего количества испытаний, стоимости и времени проведения экспериментов. При планировании и оптимизации процесса получения БАВ из различных природных источников в настоящее время широко используются экспериментальные планы для МПО, получившие название планы Бокса-Бенкена (ПББ); ИНС [5, 52-54] самостоятельно или в сочетании с ГА. Вышеперечисленные математические методы планирования технологического процесса могут быть применены в совокупности, что позволяет устранить недостатки каждого из метода. Так, комбинация методов ИНС и ГА была успешно использована при планировании процесса извлечения фенольных антиоксидантов из кожуры сладкого картофеля [55], комбинация МПО и ИНС - для получения натурального красителя из семян Bixa orellana (Annatto) [56] и антоцианов - из кожуры винограда [57]. В работе [58] был применен дизайн ПББ вместе с методологией поверхности отклика для оптимизации влияния мощности микроволн (Вт), времени (мин) и соотношения жидких и твердых веществ (мл/г) на экстракцию полифенолов из кожуры манго. Исследование оптимизации условий ферментолиза с помощью ультразвука антоцианов из кожуры винограда проводили методом МПО в сочетании с ГА [57].

Заключение

Современные технологии извлечения полифенольных соединений из растительного сырья предполагают оптимизацию процессов с помощью предварительного математического моделирования и использования физических, биотехнологических и химических методов экстракции, с учетом повышенных требований по защите окружающей среды (контроля на стадии выращивания и сбора урожая, использования альтернативных растворителей и возобновляемого сырья, снижения потребления энергии и топлива и др.). Внедрение принципиально новых технологических подходов к получению экстрактов БАВ растительного происхождения определяет перспективы производства широкого спектра СПП, отвечающей высоким требованиям безопасности и эффективности.

Литература

1. Коничев А.С., Баурин П.В., Федоровский Н.Н., Марахова А.И., Якубович Л.М., Черникова М.А. Традиционные и современные методы экстракции биологически активных веществ из растительного сырья: перспективы, достоинства, недостатки. // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. 2011. № 3. С. 49-54.

2. Асланова Г.И. Cпособы извлечения биологически активных веществ из растительного сырья // Аллея науки. 2017. Т. 4, № 10. С. 220-223.

3. Savic I.M., Savic Gajic I.M. Optimization of ultrasound-assisted extraction of polyphenols from wheatgrass (Triticum aestivum L.) // J. Food Sci. Technol. 2020. Vol. 57, N 8. P. 2809-2818. DOI: https://doi.org/10.1007/s13197-020-04312-w

4. Savic Gajic I.M., Savic I.M., Gajic D.G., Dosic A. Ultrasound-assisted extraction of carotenoids from orange peel using olive oil and its encapsulation in Ca-alginate beads // Biomolecules. 2021. Vol. 11, N 2. P. 225. DOI: https://doi.org/10.3390/biom11020225

5. Cui Q., Peng X., Yao X.H., Wei Z.F., Luo M., Wang W. et al. Deep eutectic solvent-based microwave-assisted extraction of genistin, genistein and apigenin from pigeon pea roots // Sep. Purif. Technol. 2015. Vol. 150. P. 63-72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.06.026

6. Cvjetko Bubalo M., Ćurko N., Tomašević M., Kovačević Ganić K., Radojčić Redovniković I. Green extraction of grape skin phenolics by using deep eutectic solvents // Food Chem. 2016. Vol. 200. P. 159-166. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2016.01.040

7. Silva M.O., Honfoga J.N.B., Medeiros L.L., Madruga M.S., Bezerra T.K.A. Obtaining bioactive compounds from the coffee husk (Coffea arabica L.) using different extraction methods // Molecules. 2020. Vol. 26, N 1. P. 46. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules26010046

8. Kumar K., Srivastav S., Sharanagat V.S. Ultrasound assisted extraction (UAE) of bioactive compounds from fruit and vegetable processing by-products: a review // Ultrason. Sonochem. 2021. Vol. 70. Article ID 105325. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105325

9. Bhagya Raj G.V.S., Dash K.K. Ultrasound-assisted extraction of phytocompounds from dragon fruit peel: optimization, kinetics and thermodynamic studies // Ultrason. Sonochem. 2020. Vol. 68. Article ID 105180. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105180

10. Xue H., Tan J., Li Q., Tang J., Cai X. Ultrasound-assisted deep eutectic solvent extraction of anthocyanins from blueberry wine residues: optimization, identification, and HepG2 antitumor activity // Molecules. 2020. Vol. 25, N 22. P. 5456. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules25225456

11. Самаровa А.А., Шишаева Л.М., Тойкка А.М. Фазовые равновесия и экстракционные свойства глубоких эвтектических растворителей в системах спирт-эфир // Теоретические основы химической технологии. 2020. Т. 54, № 4. С. 421-430. DOI: https://doi.org/10.31857/S0040357120040132

12. Xie P., Huang L., Zhang C., Deng Y., Wang X., Cheng J. Enhanced extraction of hydroxytyrosol, maslinic acid and oleanolic acid from olive pomace: process parameters, kinetics and thermodynamics, and greenness assessment // Food Chem. 2019. Vol. 276. P. 662-674. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2018.10.079

13. Tapia-Quirós P., Montenegro-Landívar M.F., Reig M., Vecino X., Alvarino T., Cortina J.L. et al. Olive mill and winery wastes as viable sources of bioactive compounds: a study on polyphenols recovery // Antioxidants (Basel). 2020. Vol. 9, N 11. P. 1074. DOI: https://doi.org/10.3390/antiox9111074

14. Chanioti S., Katsouli M., Tzia C. Novel processes for the extraction of phenolic compounds from olive pomace and their protection by encapsulation // Molecules. 2021. Vol. 26, N 6. P. 1781. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules26061781

15. Kaukhova I., Weinstein V., Burakova M., Aroyan M., Novikova E. Methods of extraction of medicinal vegetable raw materials in phytosubstances technology // Advances in Biological Sciences Research. 1st International Symposium Innovations in Life Sciences (ISILS 2019). 2019. Vol. 7. P. 140-142.

16. Vieira V., Prieto M.A., Barros L., Coutinho J.A.P., Ferreira O., Ferreira I.C.F.R. Optimization and comparison of maceration and microwave extraction systems for the production of phenolic compounds from Juglans regia L. for the valorization of walnut leaves // Ind. Crops Prod. 2017. Vol. 107. P. 341-352. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.06.012

17. Li C., Zhang J., Zhao C., Yang L., Zhao W., Jiang H. et al. Separation of the main flavonoids and essential oil from seabuckthorn leaves by ultrasonic/microwave-assisted simultaneous distillation extraction // R. Soc. Open Sci. 2018. Vol. 5, N 7. Article ID 180133. DOI: https://doi.org/10.1098/rsos.180133

18. Nowacka M., Tappi S., Wiktor A., Rybak K., Miszczykowska A., Czyzewski J. et al. The impact of pulsed electric field on the extraction of bioactive compounds from beetroot // Foods. 2019. Vol. 8, N 7. P. 244. DOI: https://doi.org/10.3390/foods8070244

19. Tylewicz U., Tappi S., Mannozzi C., Romani S., Dellarosa N., Laghi L. et al. Effect of pulsed electric field (PEF) pre-treatment coupled with osmotic dehydration on physico-chemical characteristics of organic strawberries // J. Food Eng. 2017. Vol. 213. P. 2-9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2017.04.028

20. Barba F.J., Parniakov O., Pereira S.A., Wiktor A., Grimi N., Boussetta N. et al. Current applications and new opportunities for the use of pulsed electric fields in food science and industry // Food Res. Int. 2015. Vol. 77, N 4. P. 773-798. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2015.09.015

21. Ahmad Shiekh K., Odunayo Olatunde O., Zhang B., Huda N., Benjakul S. Pulsed electric field assisted process for extraction of bioactive compounds from custard apple (Annona squamosa) leaves // Food Chem. 2021. Vol. 359. Article ID 129976. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129976

22. El Kantar S., Boussetta N., Lebovka N., Foucart F., Rajha H.N., Maroun R.G. et al. Pulsed electric field treatment of citrus fruits: improvement of juice and polyphenols extraction // Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 2018. Vol. 46. P. 153-161. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ifset.2017.09.024

23. Maza M.A., Martínez J.M., Delso C., Camargo A., Raso J., Álvarez I. PEF-dependency on polyphenol extraction during maceration/fermentation of Grenache grapes // Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 2020. Vol. 60. Article ID 102303. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ifset.2020.102303

24. Navarro-Baez J.E., Martínez L.M., Welti-Chanes J., Buitimea-Cantúa G.V., Escobedo-Avellaneda Z. High hydrostatic pressure to increase the biosynthesis and extraction of phenolic compounds in food: a review // Molecules. 2022. Vol. 27, N 5. P. 1502. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules27051502

25. Martín J., Asuero A.G. High hydrostatic pressure for recovery of anthocyanins: effects, performance, and applications // Sep. Purif. Rev. 2021. Vol. 50, N 2. P. 159-176. DOI: https://doi.org/10.1080/15422119.2019.1632897

26. Ma J., Yang H., Chen Y., Feng X., Wu C., Long F. Purified saponins in Momordica charantia treated with high hydrostatic pressure and ionic liquid-based aqueous biphasic systems // Foods. 2022. Vol. 11, N 13. P. 1930. DOI: https://doi.org/10.3390/foods11131930

27. Prasad N., Yang B., Zhao M., Wei X., Jiang Y., Chen F. High pressure extraction of corilagin from longan (Dimocarpus longan Lour.) fruit pericarp // Sep. Purif. Technol. 2009. Vol. 70, N 1. P. 41-45. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2009.08.009

28. Okur I., Baltacıoğlu C., Ağçam E., Baltacıoğlu H., Alpas H. Evaluation of the effect of different extraction techniques on sour cherry pomace phenolic content and antioxidant activity and determination of phenolic compounds by FTIR and HPLC // Waste Biomass Valor. 2019. Vol. 10. P. 3545-3555. DOI: https://doi.org/10.1007/s12649-019-00771-1

29. Cascaes Teles A.S., Hidalgo Chávez D.W., Zarur Coelho M.A., Rosenthal A., Fortes Gottschalk L.M., Tonon R.V. Combination of enzyme-assisted extraction and high hydrostatic pressure for phenolic compounds recovery from grape pomace // J. Food Eng. 2021. Vol. 288. Article ID 110128. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110128

30. Берестова А.В., Зинюхин Г.Б., Манеева Э.Ш. Особенности криообработки растительного сырья // Вестник Оренбургского государственного университета. 2015. Т. 184, № 9. С. 130-136.

31. Conidi C., Drioli E., Cassano A. Coupling ultrafiltration-based processes to concentrate phenolic compounds from aqueous Goji berry extracts // Molecules. 2020. Vol. 25, N 16. P. 3761. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules25163761

32. Zu Y., Wang Y., Fu Y., Li S., Sun R., Liu W., Luo H. Enzyme-assisted extraction of paclitaxel and related taxanes from needles of Taxus chinensis // Sep. Purif. Technol. 2009. Vol. 68, N 2. P. 238-243. DOI: https://doi.org/10.1016/J.SEPPUR.2009.05.009

33. Ma X.D., Zhang X.G., Guo S.J., Ma G.Y., Liu W.J., Wang N. et al. Application of enzyme-assisted extraction of baicalin from Scutellaria baicalensis Georgi // Prep. Biochem. Biotechnol. 2021. Vol. 51, N 3. P. 241-251. DOI: https://doi.org/10.1080/10826068.2020.1808791

34. Pimentel M.R., Molina G., Dionísio A.P., Maróstica Junior M.R., Pastore G.M. The use of endophytes to obtain bioactive compounds and their application in biotransformation process // Biotechnol. Res. Int. 2011. Vol. 2011. Article ID 576286. DOI: https://doi.org/10.4061/2011/576286

35. Su C.H., Pham T.T.T., Cheng H.H. Aqueous enzymatic extraction of rosmarinic acid from Salvia officinalis: optimisation using response surface methodology // Phytochem. Anal. 2020. Vol. 31, N 5. P. 575-582. DOI: https://doi.org/10.1002/pca.2922

36. Костылева Е.В., Середа А.С., Великорецкая И.А., Курбатова Е.И., Цурикова Н.В. Использование протеолитических ферментов для получения белковых гидролизатов пищевого назначения из вторичного сырья // Вопросы питания. 2023. Т. 92, № 1. С. 116-132. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2023-92-1-116-132

37. Wei Z., Qi X., Li T., Luo M., Wang W., Zu Y. et al. Application of natural deep eutectic solvents for extraction and determination of phenolics in Cajanus cajan leaves by ultra performance liquid chromatography // Sep. Purif. Technol. 2015. Vol. 149. P. 237-244. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.05.015

38. Huang Y., Feng F., Jiang J., Qiao Y., Wu T., Voglmeir J. et al. Green and efficient extraction of rutin from tartary buckwheat hull by using natural deep eutectic solvents // Food Chem. 2016. Vol. 221. P. 1400-1407. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2016.11.013

39. Chanioti S., Tzia C. Extraction of phenolic compounds from olive pomace by using natural deep eutectic solvents and innovative extraction techniques // Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 2018. Vol. 48. P. 228-239. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ifset.2018.07.001

40. García A., Rodríguez-Juan E., Rodríguez-Gutiérrez G., Rios J., Fernández-Bolaños J. Extraction of phenolic compounds from virgin olive oil by deep eutectic solvents (DESs) // Food Chem. 2016. Vol. 197. P. 554-561. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.10.131

41. Bader C.D., Neuber M., Panter F., Krug D., Müller R. Supercritical fluid extraction enhances discovery of secondary metabolites from myxobacteria // Anal. Chem. 2020. Vol. 92, N 23. P. 15 403-15 411. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c02995

42. Khaw K.Y., Parat M.O., Shaw P.N., Falconer J.R. Solvent supercritical fluid technologies to extract bioactive compounds from natural sources: a review // Molecules. 2017. Vol. 22, N 7. P. 1186. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules22071186

43. Касьянов Г.И. Техника и технология использования диоксида углерода в суб- и сверхкритическом состоянии // Вестник ВГУИТ. 2014. № 1. С. 130-135

44. Касьянов Г.И. Экстракционные возможности диоксида углерода в суб- и сверхкритическом состоянии // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2013. № 3. С. 74-81.

45. Zhu L., Wu M., Li P., Zhou Y., Zhong J., Zhang Z. et al. High-pressure supercritical co2 extracts of ganoderma lucidum fruiting body and their anti-hepatoma effect associated with the Ras/Raf/MEK/ERK signaling pathway // Front. Pharmacol. 2020. Vol. 11. Article ID 602702. DOI: https://doi.org/10.3389/fphar.2020.602702. Q1

46. Capuzzo A., Maffei M.E., Occhipinti A. Supercritical fluid extraction of plant flavors and fragrances // Molecules. 2013. Vol. 18. P. 7194-7238. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules18067194

47. Bossia S., Milanesib C., Maffeia M.E. Comparative analysis of supercritical CO2 extracts and essential oils from an Ocimum basilicum chemotype particularly rich in T-cadinol // J. Essent. Oil Res. 2013. Vol. 25, N 4. P. 272-277. DOI: https://doi.org/10.1080/10412905.2013.775083

48. Grosso C., Oliveira A.C., Mainar A.M., Urieta J.S., Barroso J.G., Palavra A.M. Antioxidant activities of the supercritical and conventional Satureja montana extracts // J. Food Sci. 2009. Vol. 74, N 9. P. 713-717. DOI: https://doi.org/10.1111 / j.1750-3841.2009.01376.x

49. Mushtaq M., Sultana B., Anwar F., Adnan A., Rizvi S.S.H. Enzyme-assisted supercritical fluid extraction of phenolic antioxidants from pomegranate peel // J. Supercrit. Fluids. 2015. Vol. 104. P. 122-131. DOI: https://doi.org/10.1016/j.supflu.2015.05.020

50. Lenucci M.S., De Caroli M., Marrese P.P., Iurlaro A., Rescio L., Böhm V. et al. Enzyme-aided extraction of lycopene from high-pigment tomato cultivars by supercritical carbon dioxide // Food Chem. 2015. Vol. 170. P. 193-202. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2014.08.081

51. Zorin S.N., Sidorova Yu. S., Petrov N.A., Perova I.B., Malinkin A.D., Bokov D.O. et al. A new functional food ingredient enriched by Phytoecdisteroids and Polyphenols from quinoa grains (Chenopodium quinoa Willd.) // Res. J. Pharm. Technol. 2021. Vol. 14, N 8. P. 4321-4328. DOI: https://doi.org/10.52711/0974-360X.2021.00750

52. Fattahi M., Rahimi R. Optimization of extraction parameters of phenolic antioxidants from leaves of Capparis spinosa using response surface methodology // Food Anal. Methods. 2016. Vol. 9, N 8. P. 2321-2334. DOI: https://doi.org/10.1007/s12161-016-0414-9

53. Prakash Maran J., Manikandan S., Thirugnanasambandham K., Vigna Nivetha C., Dinesh R. Box-Behnken design based statistical modeling for ultrasound-assisted extraction of corn silk polysaccharide // Carbohydr. Polym. 2013. Vol. 92, N 1. P. 604-611. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.09.020

54. Shirzad H., Niknam V., Taheri M., Ebrahimzadeh H. Ultrasound-assisted extraction process of phenolic antioxidants from Olive leaves: a nutraceutical study using RSM and LC-ESI-DAD-MS // J. Food Sci. Technol. 2017. Vol. 54, N 8. P. 2361-2371. DOI: https://doi.org/10.1007/s13197-017-2676-7

55. Kadiri O., Gbadamosi S.O., Akanbi C.T. Extraction kinetics, modelling and optimization of phenolic antioxidants from sweet potato peel vis-a-vis RSM, ANN-GA and application in functional noodles // J. Food Meas. Char. 2019. Vol. 13, N 11. P. 3267-3284. DOI: https://doi.org/10.1007/s11694-019-00249-7

56. Sinha K., Chowdhury S., Saha P. Das, Datta S. Modeling of microwave-assisted extraction of natural dye from seeds of Bixa orellana (Annatto) using response surface methodology (RSM) and artificial neural network (ANN) // Ind. Crops Prod. 2013. Vol. 41, N 1. P. 165-171. DOI: https://doi.org/10.1016/J.INDCROP.2012.04.004

57. Tan J., Li Q., Xue H., Tang J. Ultrasound-assisted enzymatic extraction of anthocyanins from grape skins: optimization, identification, and antitumor activity // J. Food Sci. 2020. Vol. 85, N 11. P. 3731-3744. DOI: https://doi.org/10.1111/1750-3841.15497

58. Pal C.B.T., Jadeja G.C. Microwave-assisted extraction for recovery of polyphenolic antioxidants from ripe mango (Mangifera indica L.) peel using lactic acid/sodium acetate deep eutectic mixtures // Food Sci. Technol. Int. 2020. Vol. 26, N 1. Р. 78-92. DOI: https://doi.org/10.1177/1082013219870010

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)

SCImago Journal & Country Rank
Scopus CiteScore
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Тутельян Виктор Александрович
Академик РАН, доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»

Журналы «ГЭОТАР-Медиа»