Порівняльна характеристика методів екстракції пігментів Radices Betae vulgaris

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський національний політехнічний університет

Порівняльна характеристика методів екстракції пігментів Radices Betae vulgaris

Протункевич О.О.

Присяжнюк К.О.

Анотація

Radix Betaе vulgaris L. має різноманітний хімічний склад (водорозчинні червоні пігменти -- бетаціаніни, вуглеводи, водорозчинні вітаміни та ін.) та представляє інтерес для виробництва екстрактів, які мають антиоксидантний, протизапальний та детоксикаційний ефекти. Бетаціаніни проявляють антиоксидантний, противірусний, протимікробний та протипухлинний ефекти, а також знижують гемоліз еритроцитів. З Beta vulgaris L. одержують сухий екстракт з широким спектром біологічної активності. Екстракт застосовують в якості безпечного харчового барвника, компонента різноманітних біологічно активних добавок та косметичних засобів. Досліджувалися оптимальні умови екстракції пігментів з Radix Betaе vulgaris L. Встановлено, що оптимальний рН екстрагенту для максимального вилучення пігментів склав для свіжої сировини з рН близьким до 4, а для замороженої сировини з рН близьким до 6. Доведено, що попереднє заморожування жому позитивно впливає на екстрагування беталаїнових пігментів. Спектри поглинання дослідних екстрактів підтвердили наявність в них бетаціанінів та бетаксантинів. Спостерігалися піки при довжині хвилі 470 нм, які характерні для бетаксантинів та 535 нм для бетаціанінів.

Ключові слова: Radix Betae vulgaris L., бетаціаніни, бетаксантини, екстракт.

Comparative study of extraction methods of Radices Betae vulgaris pigments

Protunkevych O.O., Prysiazhniuk K.O.

Odessa National Polytechnic University

Summary

Radix Betaе vulgaris L. has a diverse chemical composition (water-soluble red pigments-betacyanins, carbohydrates, water-soluble vitamins, etc.) and is of interest for the production of extracts that have antioxidant, anti-inflammatory and detoxifying effects. Betacyanins have antioxidant, antiviral, antimicrobial and antitumor effects, as well as reduce erythrocyte hemolysis. From Beta vulgaris L. is a dry extract with a wide range of biological activity. The extract is used as a safe food coloring, a component of various dietary supplements and cosmetics. Authors were studied the optimal conditions for extraction of pigments from Radix Betae vulgaris L. It was found that the optimum pH of the extractant for maximum extraction of pigments was for fresh raw materials with a pH close to 4, and for frozen raw materials with a pH close to 6. It was proved that prefreezing pulp has a positive effect on the extraction of betalains. The absorption spectra of the experimental extracts confirmed the presence of betacyanins and betaxanthins in them. Peaks were observed at a wavelength of 470 nm, which are characteristic of betaxanthins and 535 nm for betacyanins.

Keywords: Radix Betae vulgaris L., betacyanins, betaxanthins, extract.

Сравнительная характеристика методов экстракции пигментов Radices Betae vulgaris

Протункевич О.О., Присяжнюк К.А.

Одесский национальный политехнический университет

Резюме

Radix Beta vulgaris L. имеет разнообразный химический состав (водорастворимые красные пигменты -- бетацианины, углеводы, водорастворимые витамины и др.) и представляет интерес для производства экстрактов, которые имеют антиоксидантное, противовоспалительное и детоксикационное действия. Бетацианины проявляют антиоксидантный, противовирусный, противомикробный и противоопухолевый эффекты, а также снижают гемолиз эритроцитов. Из Beta vulgaris L. получают сухой экстракт с широким спектром биологической активности. Экстракт применяют в качестве безопасного пищевого красителя, компонента различных биологически активных добавок и косметических средств. Исследовались оптимальные условия экстракции пигментов с Radix Beta vulgaris L. Установлено, что оптимальный рН экстрагента для максимального извлечения пигментов составил: для свежего сырья с рН близким к 4, а для замороженного сырья с рН близким к 6. Доказано, что предварительное замораживание жома положительно влияет на экстрагирования беталаинових пигментов. Спектры поглощения исследуемых экстрактов подтвердили наличие в них бетацианинов и бетаксантинов. Наблюдались пики при длине волны 470 нм, которые характерны для бетаксантинов и 535 нм для бетацианинов.

Ключевые слова: Radix Betae vulgaris L., бетацианины, бетаксантины, экстракт

Вступ

Буряк червоний столовий (рус. -- красная столовая свекла, лат. -- Beta vulgaris L. var. еsculenta) дворічна рослина род. Мареві (Сhenopodiaceae). Radix Betaе vulgaris L. містить широкий спектр поживних та біологічно активних сполук (БАС): сахарозу (17,5 %), клітковину (1,2 %), моносахариди, пектинові речовини (2,4 %), пігменти, вітаміни групи В, вітамін С (10-15 мг %), органічні кислоти, білок (2 %) та мікроелементи. М'якоть Radix Betaе vulgaris L. містить специфічні беталаїнові пігменти: червоно-фіолетові бетаціаніни та жовті бетаксантини. Вміст пігментів в коренеплодах столового буряка залежить від багатьох факторів: сорту, зрілості коренеплодів, їх розмірів, умов і тривалості зберігання. Бетаціаніни -- азотовмісні, гетеро циклічні сполуки, що складаються з відновлених індольного та піридинового кілець. Найбільш поширений з них глікозид бетанін (C25H28-30O13N2): агліконом його являється бетанідин, цукрова частина -- глюкоза. Бетаксантини близькі до бетаціанінів за хімічною структурою, до складу їх молекул входять відновлені кільця піролу та піридину, основним бетаксантином буряка столового є вульгоксантин 1 (рис. 1).

Рис. 1. Беталаїнові пігменти

Беталаїнові пігменти за біологічною дією подібні до антоціанів, вони проявляють антиоксидантний, противірусний та протимікробний ефекти, знижують гемоліз еритроцитів, інгібують розпад гема та гальмують зріст злоякісних пухлин. Вони також знайшли широке застосування у харчовій промисловості в якості харчових барвників для надання кольору кондитерськім виробам, сухим сумішам, молочної та м'ясної продукції. Беталаїнові пігменти -- сполуки чутливі до підвищення температури, впливу світла, кисню, вологи; вони можуть руйнуватися власними ферментами коренеплодів. Такі ферменти Radix Betaе vulgaris L., як в-глюкозидаза, пероксидаза, поліфенолоксидаза викликають зміни хімічних структур, що призводить до втрачання біоактивності і зміну кольору. Бетаціаніни розчинні у воді, етанолі та метанолі, нерозчинні у інших органічних розчинниках. На відміну від антоціанів, беталаїнові пігменти стабільні і не змінюють колір у діапазоні рН від 3 до 7, тому широко замінюють антоціанові барвники у харчовій промисловості. З жому буряка їх можна екстрагувати різними способами: мацерацією, перколяцією, екстракцією зрідженим СО2 та надкритичним флюїдом. Для зберігання якості беталаїнових пігментів для екстракції зазвичай застосовують екстрагенти з кислим рН: мінеральні (хлористоводнева) або органічні (молочна, лимонна, винна, оцтова) кислоти та водно-етанольні суміші з рН 3-4. У зв'язку з легким руйнуванням бетаціанінів під дією фізико-хімічних факторів екстракцію рекомендують проводити при невисоких температурах і без доступу світла [1,2].

На першому етапі переробки свіжих коренеплодів буряка методом віджимання отримують буряковий сік -- цінний дієтичний продукт. Але, в жомі після віджимання соку залишається багато різноманітних біоактивних сполук, які можна використовувати для виробництва корисних і нешкідливих харчових барвників та біологічно активних добавок (БАД) антиоксидантної дії. Розробка нових сучасних технологій безвідходного виробництва дозволяє отримати з Radix Betaе vulgaris L. широкий спектр продуктів: сік, харчовий барвник, клітковину, вітаміни та інші біоактивні сполуки. Дослідження по оптимізації методів виділення беталаїнових пігментів представляє безумовний інтерес для подальшого використання доступної вітчизняної сільскогосподарчої культури у виробництві фармацевтичної та харчової продукції.

Мета дослідження - встановлення оптимальних умов екстракції пігментів з Beta vulgaris L, дослідження впливу рН екстрагентів та попереднього заморожування жому коренеплодів на вихід беталаїнових пігментів з жому буряка.

Матеріали і методи дослідження

Для експерименту була використана свіжа та заморожена сировина. Свіжі Radix Betaе vulgaris L. механічно подрібнювали у стружку з частинками розміром 10х4 мм і віджимали свіжий сік. Свіжий жом зі стружки буряка не піддається тривалому зберіганню у зв'язку з швидким руйнуванням пігментів. Досліджували вплив температурного режиму, а саме, заморозки при низької температурі, на зберігання якості жому. Крім того, кріообробка свіжого жому призводить до руйнування клітинних стінок сировини крихітками льоду і покращує вихід біоактивних сполук. Заморожування жому перед екстракцією проводили протягом доби при t = -- 4°С. Екстракцію пігментів зі свіжого та замороженого жому здійснювали методом одноступеневої мацерації. В якості екстрагентів використовували: 3 %-й водний розчин лимонної кислоти (рН = 2), 70 %-й розчин етанолу з нейтральним та кислим рН (рН = 6; рН = 3,5). Співвідношення свіжа (або заморожена) сировина: екстрагент складало 1: 2. Екстракцію проводили настоюванням, тривалість процесу складала 3 доби при t = 20°С. По закінченні процесу настоювання готові витяги відділяли від шроту фільтруванням і піддавали якісному та кількісному аналізам [1].

З метою повного виснаження сировини від цільових продуктів була проведена вичерпна трьохступенева екстракція беталаїнових пігментів з жому буряка. Для дослідження брали свіжу та заморожену сировину. Співвідношення жом: екстрагент склав 1: 2. Екстрагент -- 70 % етанол, рН = 6. Тривалість кожної ступені екстракції склала 24 години, загальна тривалість процесу -- 3 доби. По закінченню I ступені екстракції готову витяжку зливали (витяг 1 ступені), сировину віджимали. Витяжку I ступені (№1) фільтрували. До сировини додавали свіжу порцію екстрагента та проводили II та ІІІ ступені екстракції аналогічно І ступені. У витяжках №1, №2, №3 отриманих на кожній ступені екстракції методом фотометрії кількісно визначали вміст пігментів [3].

Для визначення кількісного вмісту бе- талаїнових пігментів у дослідних екстрактах застосувався метод спектрофотометрії.

Таблиця 1. Кількісний вміст беталаїнових пігментів у екстрактах зі свіжої та із замороженої сировини

Якісний аналіз дослідних екстрактів здійснювали методом фотометрії. З літературних даних відомо, що у бетаціанінів є два максимуми світлопоглинання: у видимій ділянці спектру в діапазоні від 535 до 540 нм, та в УФ-ділянці при довжині хвилі 270-280 нм, обумовлений наявністю фрагменту цикло-ДОФА. Максимум поглинання бетаксантинів зареєстрований при довжині хвилі 469 нм [1]. Шляхом спектрофотометрії були визначені спектри спиртових розчинів дослідних екстрактів, для реєстрації використовували діапазон довжини хвиль 380-700 нм, з шагом у 5 нм, всі значення знімали на спектрофотометрі СФ-56 (ОКБ “ЛОМО-спектр”, м. Санкт-Петербург, РФ) в кварцових кюветах з товщиною поглинаючого шару 1 см [4].

Результати досліджень та їх обговорення

Буряковий жом -- відхід виробництва після віджимання соку, складає до 50 % від первинної маси сировини і може бути вторинним сировинним ресурсом для одержання біоактивних сполук. У свіжому стані він швидко втрачає якість і потребує негайного застосування у супутньому виробництві. Для довгочасного зберігання буряковий жом необхідно піддавати спеціальної обробки: висушуванню при підвищеному тиску, впливу ІЧ світла, заморожуванню та ін. Заморожування вторинної сировини не тільки дозволяє зберегти її довготривалий час, але і позитивно впливає на ефективність подальшої екстракції з неї біоактивних речовин. Під впливом низької температури волога всередині клітин сировини перетворюється у крижані кристали, які здатні руйнувати клітини і сприяють виходу речовин в процесі екстрагування.

Рис. 2. Спектри водно-спиртових витягів (pH 3,5) зі свіжого та із замороженого жому буряка столового

Досліджували властивості екстрагентів з кислим та нейтральним рН виділяти беталаїнові пігменти зі свіжого та замороженого жому. За даними фотометрії виявлено, що зі свіжої сировини бетаціаніни і бетаксантини краще екстрагує етанол з рН 3,5, а із замороженого жому -- етанол з нейтральним рН. Розчин лимонної кислоти та 70 % етанол (рН 3, 5) проявили близьку здатність виділяти пігменти з обох видів сировини (табл. 1).

Рис. 3. Вихід беталаїнових пігментів із стружки буряка за ступенями дробової мацерації

Для якісного аналізу дослідних витягів реєструвались спектри поглинання світла у діапазоні довжин хвиль від 380 нм до 700 нм. На графіках спектрів екстрактів 70 %-м етанолом, як із замороженого так і зі свіжого жому, виявлено піки при довжині хвиль 480 нм -- бетаксантини та 540 нм -- бетаціаніни, що підтверджують наявність цільових сполук у екстрак тах (рис.2).

Одним із показників ефективності технології при одержанні цільового залишається повне виснаження сировини в процесі екстрагування. З метою оптимізації процесу, проводили дослідження необхідної кількості ступенів екстракції пігментів із стружки буряка. Найбільша кількість беталаїнових пігментів із свіжого та, особливо, із замороженого жомів екстрагувалася на 1 ступені дробової мацерації, вихід продукту на подальших ступенях уповільнювався. За даними видно, що попереднє заморожування руйнувало клітини стружки і полегшувало вихід сполук у екстрагент на всіх ступенях екстракції. Крім того, бетаксантини краще екстрагувались із замороженої сировини, ніж зі свіжого жому. В загалом, трьох ступенів екстракції виявилося достатньо для повного виснаження сировини при отриманні комплексу беталаїнів (рис. 3).

Рис. 4. Сумарний вихід беталаїнових пігментів з сировини при дробової мацерації

При аналізі даних сумарного виходу пігментів спостерігалась залежність попередньої заморозки сировини на якісний склад беталаїнових пігментів у витягах. Зі свіжого жому вихід бетаціанінів був у три рази більшим, ніж бетаксантинів, тоді як із замороженої сировини обидва пігменти екстрагувались приблизно у рівної кількості, Підвищення долі жовтих пігментів впливало на кольори екстрактів: якщо витяг зі свіжої сировини був малиново-червоним, то із замороженого жому витяг мав жовто-червоний колір (рис.4).

Висновки

Встановлено, що для виділення беталаїнових пігментів зі свіжої сировини доцільно в рівної мірі застосовувати 70 % етанол з кислим рН або розчин лимонної кислоти. Екстракція із замороженого жому більш ефективно проходить при застосуванні 70 % етанолу з рН близьким до нейтрального. Попереднє заморожування жому позитивно впливає на вихід беталаїнових пігментів. Також, для повного виділення бетаціанінів з Radix Betaе vulgaris L. достатньо трьох ступенів дробової мацерації.

Література

1. Тыняная И.И. Разделение, концентрирование и анализ антоцианов и бетацианинов в экстрактах растительного сырья с применением оптических и хроматографических методов: дис. ... кандидата хим. наук: 02.00.02 -- «Аналитическая химия» / Тыняная Ирина Игоревна. -- Белгород, 2015. -- 147 с.

2. Patkai G. Decomposition of betacyanins and betaxanthins by heat and pH changes / G. Patkai, J. Barta // Nahrung. -- 1996. -- V. 40, N 5. -- P 267-270.

3. Дубашинская Н.В. Характеристика способов получения экстрактов и их стандартизация (часть 2)/ Н.В. Дубашинская, О.М. Хишова, О.М. Шимко// Вестник фармации. -- 2007. -- № 2 (36). -- C. 70-77.

4. Арзамасцев А.П. Руководство к лабораторным занятиям по фармацевтической химии: Учебное пособие/ Э.Н. Аксенова, О.П. Андрианова, А.П. Арзамасцев / под ред. А.П. Арзамасцева. -- 3-е изд., перераб. и доп. -- М.: Медицина, 2001. -- 384 с.

References

екстракція пігмент беталаїновий

1. Tynianaia I.I., 2015, “Razdelenie, kontsentrirovanie i analiz antocianov i betacianinov v ekstraktakh rastitelnogo syria s primeneniem opticheskikh i khromatograficheskikh metodov: dis.... kandidata khimicheskikh nauk: 02.00.02 Analiticheskaia khimiia”, Belgorod, S. 147 (in Russian).

2. Patkai G., Barta J., 1996, “Decomposition of betacyanins and betaxanthins by heat and pH changes”, Nahrung, Vol. 40, No 5, PP. 267-270.

3. Dubashinskaia N.V., Khishova O.M., Shimko O.M., 2007, “Kharakteristika sposobov polucheniia ekstraktov i ikh standartizatsiia (chast 2)”, Vestnik farmatsii, № 2 (36), S. 70-77 (in Russian).

4. Arzamastsev AP, Aksenova E.N., Andrianova O.P., 2001, “Rukovodstvo k laboratornym rabotam po farmatsevticheskoi khimii: uchebnoe posobie”, 3 izdanie, pererab. i dop., Moscow, Meditsina, S. 384 (in Russian).

Размещено на Allbest.ru