Research on optimization of the extraction mode of ascorbic acid from rose hips

Full Text

Актуальность. Витамин С – одно из важнейших и необходимых для обеспечения нормального функционирования организма веществ. Он принимает участие более чем в 300 биохимических процессах [1], среди которых: обеспечение антиоксидантной защиты; участие в образовании коллагена и обеспечении нормальной структуры кровеносных сосудов; улучшение всасывания железа, его восстановление и формирование гемоглобина; участие в восстановлении фолиевой кислоты и, тем самым, синтезе белков и ДНК; участие в окислении и выведении из организма холестерина (противоатеросклеротическое действие); стимулирует антибактериальную активность лейкоцитов и усиливает фагоцитоз; поддержание иммунитета (активирует синтез сигнальной молекулы интерферона, защищающей от вирусов, и систему комплемента) и многих других. А значит принимает участие в профилактике вирусных и простудных заболеваний и их лечении как вспомогательное средство. В [2, 3] была показана эффективность применения витамина в ингибировании репликации вируса SARS CoV‑2, вызывающего заболевание COVID‑19, который признан самой значимой пандемией последних лет. Витамин С, как и многие другие витамины не синтезируется и не накапливается в организме человека и должен поступать с пищей, а именно овощами и фруктами. Однако, в наш стремительный век, многие предпочитают системы быстрого питания, т.е. рафинированную пищу, которая не содержит должного количества витаминов. В связи с этим резко встает вопрос об обеспечении населения витаминами. Фармацевтическая промышленность предлагает огромный выбор препаратов, содержащих витамин С. Это, прежде всего, синтетическая аскорбиновая кислота в виде драже, порошка и шипучих таблеток в лечебных и профилактических дозах. Однако, она имеет ряд недостатков: вызывает аллергические реакции чаще натуральной, содержит только один изомер из семи возможных, а длительное и избыточное употребление его может вызвать ряд осложнений [4]. А препараты с натуральной аскорбиновой кислотой (сухие экстракты в виде таблеток, капсул, порошка, сиропы, высушенные плоды шиповника) в основном изготовлены на основе плодов шиповника, который является рекордсменом по содержания витамина С среди продуктов растительного происхождения. Ранее нами был проведен сравнительный анализ препаратов на основе плодов шиповника [5] и показано, что наиболее выгодным препаратом по соотношению цена-эффективность-натуральное происхождение являются плоды шиповника высушенные, которые используются населением в домашних условиях. Для изготовления экстракта потребитель, чаще всего, следует рекомендациям производителя или же инструкциям в интернете. Однако, в научной литературе представлено большое количество различных способов получения экстрактов, которые, как правило, не совпадают с рекомендациями производителя и фармакопейными статьями. Все они отличаются режимами проведения экстракции и предлагают свой наиболее эффективный способ высвобождения витамина С. Цель данной работы: на основе литературных и экспериментальных данных выявить наиболее существенные факторы, влияющие на выход аскорбиновой кислоты из плодов шиповника и оптимизировать режим экстракции для достижения максимальной эффективности и минимальных затрат, учитывая возможность его применения в домашних условиях.  

Материал и методы исследования. В работе были использованы поисковые, описательные, аналитические и экспериментальные методы исследования. Поиск осуществляли с помощью сети интернет. Для эксперимента были выбраны плоды шиповника производства ЗАО фирма Здоровье, являющиеся лекарственным препаратом. Измельчение плодов шиповника с семенами и оболочек (после удаления семян) производили с помощью кофемолки до размера частиц, проходящего через сито с диаметром 2 мм. Необходимую навеску измельченного сырья заливали кипящей (100С) дистиллированной водой в соотношении 1:20 и 1:40, выдерживали в термосе со стеклянной колбой в течение 1 – 6 часов. Все экстракты фильтровали, остаток плодов шиповника отжимали, охлаждали, и титровали раствором I2 (0,01 N или 0,001 N в зависимости от содержания аскорбиновой кислоты) в присутствии индикатора крахмала, согласно методике, описанной в [6]. Содержание аскорбиновой кислоты в мг/г сырья рассчитывали по формуле:

где: V – объем раствора I2, пошедший на титрование, мл; F – поправочный множитель на титр раствора йода; 0,00088 – коэффициент пересчета на массу аскорбиновой кислоты; Vэкст – объем экстракта, мл; Vпр – объем пробы для титрования, мл; mшип – масса шиповника, г.

Для пересчета на концентрацию аскорбиновой кислоты в экстракте (мг/100 мл) рассчитанную величину Х умножали на массу плодов шиповника, приходящуюся на 100 мл экстракта.

Статистическая обработка проводилась согласно стандартным методикам, относительная погрешность эксперимента не превышала 10%.

Полученные результаты и их обсуждение. К основным факторам, влияющим на выход БАВ из растительного сырья, обычно относят: природу растворителя, оборудование, температуру, измельченность сырья, соотношение сырья и экстрагента (загрузка), время проведения экстракции [7]. Иногда используют введение дополнительных веществ, повышенные давления и т.д. Однако, изменение даже одного или нескольких из основных параметров может существенно повлиять не только на количественный, но и качественный состав экстракта. Поэтому для каждого вида сырья подбор наиболее эффективного режима осуществляют экспериментально в зависимости от дальнейших направлений применения экстракта или задач исследования. Так как целью нашей работы является подбор параметров оптимального режима экстракции водорастворимого витамина С для последующего применения этого экстракта внутрь и возможностью использования в домашних условиях, мы анализировали работы, в которых проводилась водная экстракция без добавления посторонних веществ и высоких давлений. В результате анализа научных публикаций нами было обнаружено несколько разных режимов, соответствующих описанной ранее цели, которые предлагали авторы как наиболее эффективные. Дело в том, что в каждой из работ исследовали влияние, как правило, одного или нескольких факторов, в то время как остальные оставались без внимания. К сожалению, корректно сравнить результаты разных исследований не представляется возможным, так как количество витамина С зависит не только от режима экстракции, но и от сорта шиповника, места произрастания и т.д. А в некоторых случаях не возможно оценить влияние отдельного фактора и выявить его оптимальное значение, так как все эксперименты различаются сразу по нескольким параметрам, которые влияют друг на друга. Но, на основе имеющихся данных можно выделить несколько параметров оптимального режима экстракции витамина С и (некоторые закономерности, влияющие на этот процесс) выявить взаимосвязь между влияющими друг на друга факторами. Основные результаты анализа литературных данных представлены в таблице 1.

На основании приведенных данных можно выделить три параметра для проведения наиболее эффективной экстракции витамина С. Это измельченность [10], температура 90°С и предварительный прогрев термоса [8]. Несмотря на то, что всем известно про термолабильность витамина С, результаты исследования [4] однозначно показывают, что его выход из целых плодов и из оболочек при 90°С наибольший. А повышение температуры (97°С в инфундирном аппарате или при кипячении на водяной бане) негативно сказываются на содержании витамина [8]. Правда, время приготовления настоев и отвара в инфундирном аппарате и на водяной бане (15 и 30 минут) гораздо меньше времени приготовления настоя при 90°С (6 часов) и это может ввести в заблуждение. Но, надо учесть тот факт, что при увеличении времени проведении экстракции при таких высоких температурах концентрация витамина С снижается: при 15 мин она составляет 0,41%, а при 30 – уже 0,066 % [8].

В работе [8] было изучено влияние еще одного параметра, более характерного именно для домашнего приготовления: предварительный нагрев термоса в течение 10 минут и показано, что выход аскорбиновой кислоты в этом случае увеличивается на 25%.

Следующий фактор, который на первый взгляд кажется очевидным – это использование оболочек с отделением орешков. Действительно, давно известно, что гидрофильные БАВ в основном находятся в оболочках плодов, из семян же обычно получают масла, богатые каротиноидами, токоферолами и жирными кислотами [11].

Таблица 1 – Сравнительный анализ параметров приготовления экстракта из плодов шиповника на содержание аскорбиновой кислоты

Параметр	Литературные данные
	Режим приготовления	Набор параметров	Показатель эффективности (концентрация витамина С)	Значение показателя
Температура	Настаивание измельченных оболочек плодов шиповника (1: 10) [4]	90 °C	на 100 г раствора, и время достижения max концентрации	8 мг%; 20 мин
		75 °C		7,1 мг%; 50 мин
		55 °C		6,5 мг%; 60 мин
		40 °C		6,2 мг%; 90 мин
		20 °C		5,8 мг%; 90 мин
	Настаивание измельченных плодов шиповника (1: 5) [4]	90 °C	на 100 г раствора, и время достижения max концентрации	7,1 мг%; 4 ч
		75 °C		6,7 мг%; 4 ч
		45 °C		6,1 мг%; 5 ч
		25 °C		5,7 мг%; 5 ч
Целые плоды / оболочки	Настаивание измельченного сырья при Т = 90°С до достижения max концентрации [4]	оболочки (1: 10)	на 100 г раствора	8 мг %
		плоды (1: 5)		7,1 мг %
Время	Настой/отвар в инфундирном аппарате при Т=97°С (1:10) (XIV ГФ РФ) [8]	15 мин (настой)	на 100 г сырья	0,29 ± 0,026 %
		30 мин (отвар)		0,066 ± 0,0015 %
	Настой по методике производителя: на кипящей водяной бане (1:20) [8]	15 мин	на 100 г сырья	0,41 ± 0,012 %
	Термосное настаивание при Т = 90°С (1:20) [8]	6 часов	на 100 г сырья	0,56 ± 0,013 %
		12 часов		0,47 ± 0,013 %
	Настои и отвары на кипящей водяной бане (1:20) [9]	15 мин	на 100 г сырья)	0,67 ± 0,13 %
		30 мин		0,75 ± 0,15 %
		45 мин		1,01 ± 0,12 %
		60 мин		0,50 ± 0,11 %
Предвари-тельный прогрев термоса	Термосное настаивание при Т = 90°С (1:20) 6 час [8]	Предвари-тельный прогрев (10 мин)	на 100 г сырья	0,72 ± 0,003 %
		Без прогрева		0,56 ± 0,013 %
Измель-ченность	Настаивание плодов шиповника при Т = 500С (1:10), методом 3-х кратной мацерации, (2 часа; 1,5 часа; 1 час 15 минут) [10]	Измель-ченные	мкг/мл	49,10 ± 0,03 %
		Целые		46,54 ± 0,02 %

В работе [4] было показано, что при получении экстрактов из оболочек выход аскорбиновой кислоты выше (8 мг %), чем в случае использования целых плодов (7,1 мг %). Но, при этом не была учтена разная загрузка (оболочки – 1:10 и плоды – 1:5) и расход сырья.

Последний фактор – время. Это самый варьируемый фактор и самый неоднозначный. Практически все исследователи предлагают разное время оптимального режима экстракции. В работе [8] было показано, что термосное настаивание при 90С в течение 6 часов оказывается наиболее эффективным, чем 12-часовое. Но, отсутствуют данные по промежуточным временным диапазонам. Тогда как в работе [4] было показано, что при 4-х часовом настаивании целых плодов при тех же 90С достигается максимальная концентрация аскорбиновой кислоты. При этом на время достижения равновесия влияют и другие факторы. Так, например, при использовании оболочек плодов шиповника максимальный выход наблюдается при 90С за 20 мин, при снижении температуры, это время увеличивается. При приготовлении настоев и отваров в инфундирном аппарате наиболее оптимальным является 15 минутное настаивание [8]. Тогда как в исследовании [9], при приготовлении настоев и отваров на водяной бане оптимальным временем является 45 минут, после чего концентрация витамина С начинает снижаться. Таким образом, можно сделать вывод, что время приготовления экстракта существенно влияет на количество аскорбиновой кислоты и зависит от температуры, аппаратуры, использованного сырья (целые или оболочки). И сделать однозначное заключение о его оптимальном значении на основании имеющихся данных не представляется возможным. Вероятно, на время приготовления настоя также влияет загрузка и измельченность сырья. Авторы рассмотренных нами публикаций не принимали эти факторы во внимание, а других данных обнаружено не было.

Итак, на основе анализа литературных данных можно выделить несколько факторов, оказывающих существенное влияние на выход аскорбиновой кислоты из плодов шиповника: измельченность сырья, температура, целые плоды/оболочки, время, предварительный прогрев термоса (при термосном настаивании) и загрузка. Определенно можно утверждать, что для оптимального режима получения экстракта с наибольшим выход витамина С необходимо использовать измельченное сырье и настаивание при температуре 90С. Влияние остальных факторов либо неоднозначно (например, время настаивания, которое зависит от других факторов) или практически не изучено (загрузка) и требует дополнительных исследований.

Первая серия экспериментов была посвящена изучению влияния загрузки на выход витамина С и время настаивания при температуре 90 С. Мы использовали два варианта загрузки: по рекомендации производителя 1:20 (10 г на 200 мл воды) и уменьшенную в два раза 1:40 (5 г на 200 мл воды), предполагая, что разбавление раствора может повысить выход аскорбиновой кислоты.

 

 

Рис. 1. Влияние загрузки на выход аскорбиновой кислоты
из плодов шиповника и время настаивания: 1 – загрузка 1:20; 2 – загрузка 1:40.

 

Из данных диаграммы (рис. 1) видно, что с уменьшением загрузки (увеличением относительного соотношения масс сырье/экстрагент) выход аскорбиновой кислоты увеличивается, но, немного увеличивается время достижения максимальной концентрации. Максимальный выход при загрузке 1:20 достигается за 3 ч, и составляет 7,7 мг/г измельченных плодов шиповника, а при загрузке 1:40 за 4 ч и составляет 14 мг/г. При этом увеличение концентрации витамина С в настое при загрузке 1:20 в первые часы нарастает с большей скоростью и достигает более высоких значений (рис.2), что очевидно, так как масса сырья в этом случае больше в два раза. Однако, максимально достижимые концентрации при разных загрузках мало отличаются друг от друга: 38,5 мг/100 мл при загрузке 1:20 и 35 мг/100 мл при загрузке 1:40. И для восполнения суточной потребности (90 – 100 мг) при загрузке 1:20 потребуется 12,5 г плодов шиповника и 250 мл воды, а при загрузке 1:40 – 7,5 г плодов шиповника и 300 мл воды. Это говорит о том, что наиболее эффективной для получения настоя в данных условиях является загрузка 1:40. Дальнейшее увеличение массы сырья по отношению к массе воды нецелесообразно, как и ее снижение. Дело в том, что при уменьшении загрузки придется использовать большее количество воды, а употребление больших объемов напитков является не очень удобным для потребителя, несмотря на то факт, что выход аскорбиновой кислоты должен увеличиться.

 

Рис. 2. Концентрация витамина С в настое плодов шиповника
при загрузке: 1:20 (1) и 1:40 (2).

Также из данных диаграмм (рис.1 и рис.2) видно, что время достижения максимальной концентрации и выхода витамина С при меньшей загрузке немного выше. Но, в дальнейшем, концентрация витамина С в обоих случаях падает. Известным является тот факт, что аскорбиновая кислота окисляется под действием кислорода воздуха. Если в первые часы превалировали процессы экстракции (диффузии) над процессом окисления, так как градиент концентрации был велик, то, по мере его снижения (увеличения концентрации аскорбиновой кислоты в настое), скорость экстракции снижается, а скорость окисления возрастает. С этих же позиций может быть объяснен и тот факт, что при меньшей загрузке время достижения максимальной концентрации увеличивается: больший градиент концентрации приводит к преобладанию процессов диффузии в течение более длительного времени. Хотя, снижение концентрации аскорбиновой кислоты в настое после достижения максимума может быть связано не только с воздействием кислорода. В ходе проведения экспериментов мы обратили внимание на тот факт, что с течением времени очень сильно падает температура. Поскольку теплота является экстенсивным свойством системы и зависит от массы, то при большем ее количестве рассеиваться она должна медленнее. Поэтому решили провести серию экспериментов при заполнении термоса полностью (термос на 600 мл).

 

Рис. 3. Влияние полноты заполнения термоса и времени настаивания на выход витамина С из измельченных плодов шиповника
термосное настаивание, Тнач = 90°С, соотношение 1:40: 1 – заполнение трети термоса (5 г плодов/200 мл Н₂О); 2 – заполнение полного термоса (15 г плодов/600 мл Н₂О).

Полученные результаты наглядно демонстрируют, что заполнение термоса полностью (или более полное его заполнение) способствуют поддержанию более высоких температур, увеличению выхода витамина С и сокращает время достижения максимальной концентрации, т.е. время приготовления настоя. В течение первого часа уже достигается концентрация 42,6 мг/100 мл экстракта, а 600 мл экстракта будут содержать 255,6 мг аскорбиновой кислоты, что достаточно для восполнения суточной потребности двух взрослых и одного ребенка. В дальнейшем концентрация витамина С падает достаточно сильно. Вероятно, что при более высоких температурах и процессы окисления происходят более интенсивно.

Предварительный прогрев термоса в наших условиях эксперимента не показал своей эффективности (таблица 2). Небольшое увеличение выхода витамина С, вероятно, связано с более высокой конечной температурой.

Таблица 2 – Изучение влияния предварительного прогрева термоса и разделения плодов шиповника на выход витамина С.

Параметры	С Витамин С, мг/г
Предварительный прогрев термоса (3 ч, 90°С, 1:40)	Без прогрева tкон = 64°C	С прогревом 10 мин tкон = 72°C
	12,3 ± 0,9	12,6 ± 0,85
Использование оболочек/целых плодов (1 ч, 90°С, 1:20)	Оболочки (1 г оболочек = 1,86 г целых плодов)	Целые плоды
	8,8 ± 0,5	6,4 ± 0,6

 

Отделение оболочек от орешков действительно несколько увеличивает выход витамина С. Однако, орешки составляют довольно-таки большую массу и в дальнейшем никак не расходуются, а если пересчитать выход витамина С из оболочек с учетом использованного сырья (из 1,86 г целых плодов можно получить 11,9 мг витамина С), то эффективность применения целых плодов оказывается на 35 % выше.

На основе литературных и собственных экспериментальных данных были уточнены параметры, оказывающие наиболее существенное воздействие на выход витамина С из плодов шиповника и определено их влияние. Такими параметрами являются: измельченность сырья, температура, использование целых/оболочек плодов, время, загрузка.

Выводы. Показано, что измельчение и увеличение температуры до 90°С, а также увеличение относительного содержания экстрагента повышают выход витамина С.

Показано, что время приготовления настоя зависит от загрузки и поддерживаемой температуры: при резком снижении температуры время приготовления увеличивается, а выход витамина С снижается.

Определены оптимальные параметры приготовления настоя: температура - 90°С; измельченные целые плоды шиповника; загрузка – 1:40; время: при наполнении части термоса – 3-4 часа; при заполнении полного термоса – 1 час.

Для восполнения суточной потребности витамина С для одного человека необходимо использовать термосное настаивание 7,5 г измельченных плодов шиповника и 300 мл воды в предлагаемых условиях, вместо 10 г на 200 мл и приготовления на водяной бане (рекомендации производителя). Определенные нами параметры позволяют: увеличить выход аскорбиновой кислоты, снизить расход сырья на 25%, облегчить процедуру приготовления настоя.

Считаем, что полученные результаты могут быть использованы производителями высушенных плодов шиповника для уточнения рекомендаций по приготовлению настоя, а также фармацевтической и пищевой промышленностью для разработки более эффективных и экономически выгодных методов извлечения витамина С из данного растительного сырья.

About the authors

Elena Evgenievna Zotov

VSMU named after N. N. Burdenko

Author for correspondence.
Email: zotova1109@yandex.ru

PhD, Associate Professor of the Department of Clinical Laboratory Diagnostics

Russian Federation, 10 Studentskaya str., Voronezh, 394036

Elena Ivanovna Рябинина

VSMU named after N. N. Burdenko

Email: ryabinina68@mail.ru

PhD, Associate Professor of the Department of Clinical Laboratory Diagnostics

Russian Federation, 10 Studentskaya str., Voronezh, 394036

Julia Igorevna Konoreva

VSMU named after N. N. Burdenko

Email: conte_de_fees_renard@mail.ru

student

Russian Federation, 10 Studentskaya str., Voronezh, 394036

Anastasia Сальникова

VSMU named after N.N. Burdenko

Email: rybina_02@inbox.ru

student

Russian Federation, 10 Studentskaya str., Voronezh, 394036

References