Керчь, Республика Крым, Россия
Россия
Цель исследования – изучение зависимости эффективного коэффициента диффузии De от внешнего гидростатического давления P при экстрагировании масла из молотых семян (шрота) примулы вечерней методом ЭВГД при постоянной (комнатной) температуре. Задачи: получить экспериментальные зависимости концентрации масла в экстракте (Ср) от времени экстрагирования t (Ср (t)) и давления P (Ср (Р)); с использованием экспериментальных зависимостей Ср (t) и Ср (Р) при комнатной температуре рассчитать зависимость эффективного коэффициента диффузии De от давления P (De (P)). Семена примулы вечерней (Oenothera biennis L.) получены из питомника растений «Знак Земли» в п. Лапино Московской области. С целью увеличения поверхности соприкосновения между частицами семян и растворителем семена измельчали на планетарной шаровой мельнице до получения частиц, средний диаметр проецируемой площади которых был равен dср = 0,2 ± 0,03 мм. В качестве экстрагента в соответствии с требованиями фармакопейной статьи ФС 42-3071-00 был выбран органический растворитель 70 % этанол. Экстрагирование этанолом измельчtнных семян ВГД производилось на лабораторной автоматизированной установке. Соотношение агрегаты энотеры (масса, г) к количеству растворителя (объем, мл) – 1:11 и 1:23 (или 1:10 и 1:20 в массовом соотношении). Смеси агрегаты и растворителей упаковывались в герметичные полиэтиленовые капсулы, после чего подвергали воздействию ВГД в диапазоне от 25 до 300 МПа при температуре окружающей среды 25 ± 2 °С, время экспозиции 20 мин. Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса ЭВГД при экстрагировании масла из молотых семян примулы вечерней при постоянной температуре. Получены экспериментальные зависимости концентрации масла в экстракте от времени экстрагирования и давления, на основании которых рассчитана зависимость эффективного коэффициента диффузии от давления.
высокое гидростатическое давление, экстрагирование, масло примулы вечерней, коэффициент диффузии
Введение. Примула вечерняя (Oenothera L.) – растение, принадлежащее к семейству Onagraceae, в котором наиболее многочисленным видом является Oenothera biennis. Растения, принадлежащие к роду Oenothera L., характеризуются наличием в них биологически активных веществ. Общими компонентами всех частей растений Oenothera biennis являются жирные кислоты, фенольные кислоты и флавоноиды. Семена примулы также содержат белки, углеводы, минералы и витамины. Поэтому наибольший научный интерес в качестве источников биологически активных соединений представляют семена, и прежде всего – масло семян примулы вечерней. Это масло содержит в основном алифатические спирты, жирные кислоты, стерины и полифенолы. Масло примулы вечерней (МПВ) содержит большое количество линолевой кислоты (LA) (70–74 %) и γ-линоленовой кислоты (GLA) (8–10 %), которые обладают противовоспалительными и антипролиферативными свойствами [1]. Семена примулы вечерней содержат около 20 % масла. Количество масла зависит от различных факторов, таких как возраст семян, сорт и условия выращивания [2]. Как правило, масло примулы вечерней получают из семян методом холодного прессования.
Масло представляет собой смесь примерно 13 фракций триацилглицерина, где доминирующие комбинации состоят из следующих жирных кислот: линолевая-линолевая-линолевая (LLL, 40 %), линолевая-линолевая-γ-линоленовая (LLLnγ, » 15 %), линолевая-линолевая-пальмитиновая (LLР, » 8 %), и линолевая-линолевая-олеиновая (LLO, » 8 %) [3]. Масло состоит из триацилглицеринов – около 98 %, с небольшим количеством других липидов и примерно 1–2 % неомыляемой фракции [2]. Масло примулы вечерней также содержит другие жирные кислоты: пальмитиновую, олеиновую, стеариновую и (в меньших количествах) миристиновую, олеопальмитиновую, ваксеновую, эйкозановую и эйкозеновую (табл. 1).
Масло примулы вечерней помимо алифатических спиртов, которые составляют около 798 мг/кг масла, содержит небольшое количество токоферолов и фенольных кислот, которые присутствуют в свободной кислотной форме и в виде производных сложных эфиров и гликозидов (табл. 2) [4].
Таблица 1
Жирнокислотный состав масла Oenothera biennis L. [2]
|
Кислота |
Содержание, % |
|
Линолевая |
73,88 ± 0,09 |
|
Γ-линоленовая |
9,24 ± 0,05 |
|
Олеиновая |
6,93 ± 0,02 |
|
Пальмитиновая |
6,31 ± 0,14 |
|
Стеариновая |
1,88 ± 0,02 |
|
Ваксеновая |
0,81 ± 0,03 |
|
Эйкозеновая |
0,55 ± 0,01 |
|
Эйкозановая |
0,31 ± 0,03 |
|
Бегеновая |
0,10 ± 0,01 |
Таблица 2
Состав фенольной кислоты, мг/кг, в семенах Oenothera biennis L. [4]
|
Кислота |
Содержание |
|||
|
Свободные |
Сложные эфиры |
Гликозиды |
Всего |
|
|
4-гидроксибензойная |
4,12 ± 0,25 |
0,38 ± 0,07 |
0,29 ± 0,10 |
4,79 ± 0,26 |
|
2-гидрокси-4-метоксибензойная |
6,52 ± 0,30 |
н/о |
0,83 ± 0,28 |
7,35 ± 0,41 |
|
Кофейная кислота |
6,48 ± 0,29 |
0,80 ± 0,14 |
н/о |
7,51 ± 0,33 |
|
м-Кумаровая кислота |
4,90 ± 0,45 |
0,83 ± 0,21 |
н/о |
5,73 ± 0,50 |
|
п-Кумаровая кислота |
1,32 ± 0,10 |
1,96 ± 0,23 |
0,06 ± 0,06 |
3,34 ± 0,25 |
|
Феруловая кислота |
4,08 ± 0,30 |
0,72 ± 0,09 |
0,22 ± 0,06 |
5,02 ± 0,32 |
|
Галловая кислота |
1,87 ± 0,22 |
7,03 ± 0,82 |
5,91 ± 1,56 |
14,8 ± 1,78 |
|
Протокатехиновая кислота |
50,28 ± 0,77 |
10,9 ± 0,34 |
2,16 ± 2,42 |
63,4 ± 2,56 |
|
Ванильная кислота |
5,22 ± 0,28 |
0,06 ± 0,02 |
0,83 ± 0,28 |
7,35 ± 0,41 |
|
Вератровая кислота |
н/о |
0,41 ± 0,03 |
0,47 ± 0,15 |
0,88 ± 0,15 |
|
Салициловая |
1,15 ± 0,04 |
1,40 ± 0,18 |
н/д |
2,55 ± 0,18 |
Также семена содержат около 15 % белка и 43 % углеводов (в виде клетчатки, наряду с крахмалом и декстрином). Помимо лигнина семена содержат аминокислоты: триптофан (1,60 %), лизин (0,31), треонин (0,35), цистеин (1,68), валин (0,52), изолейцин (0,41), лейцин (0,87) и тирозин (1,05 %). Кроме того, семена содержат минералы, в основном кальций, калий и магний, а также витамины А, В, С и Е [5].
Цель исследования – изучение зависимости эффективного коэффициента диффузии De от внешнего гидростатического давления P при экстрагировании масла из молотых семян (шрота) примулы вечерней методом ЭВГД при постоянной (комнатной) температуре.
Задачи: получить экспериментальные зависимости концентрации масла в экстракте (Ср) от времени экстрагирования t (Ср (t)) и давления P (Ср (Р)); с использованием экспериментальных зависимостей Ср (t) и Ср (Р) при комнатной температуре рассчитать зависимость эффективного коэффициента диффузии De от давления P (
).
Материалы и методы. Для проведения исследования семена примулы вечерней (Oenothera biennis L.) получены из питомника растений «Знак Земли» в поселке Лапино Московской области [6]. С целью увеличения поверхности соприкосновения между частицами семян и растворителем семена измельчали на планетарной шаровой мельнице до получения частиц, средний диаметр проецируемой площади (dср) которых был равен 0,2 ± 0,03 мм [7, 8]. В качестве экстрагента в соответствии с требованиями фармакопейной статьи ФС 42-3071-00 был выбран органический растворитель 70 % этанол.
Экстрагирование этанолом измельченных семян ВГД производилось на лабораторной автоматизированной установке [9]. Соотношение агрегаты энотеры (масса, г) к количеству растворителя (объем, мл) – 1:11 и 1:23 (или 1:10 и 1:20 в массовом соотношении). Смеси агрегаты и растворителей упаковывались в герметичные полиэтиленовые капсулы, после чего подвергали воздействию ВГД в диапазоне от 25 до 300 МПа при температуре окружающей среды (25±2) °С, время экспозиции – 20 мин.
Исследование спектральных свойств экстрактов масла проводили методом абсорбционной спектрофотометрии в диапазоне длин волн от 280 до 1030 нм на экспериментальной установке с модернизированным однолучевым спектрографом PGS-2 (Carl Zeiss) и фотоприемным устройством на основе спектрофотометрического детектора СФД-1 с фотодиодом ФДУК-100УТ [10, 11].
Для исследования зависимости эффективного коэффициента диффузии De от внешнего гидростатического давления P при экстрагировании масла из молотых семян (шрота) примулы вечерней методом ЭВГД при постоянной (комнатной) температуре необходимо вывести уравнение для расчета коэффициента диффузии масла.
Уравнение диффузии нестационарного состояния запишем в виде уравнения Фика [12]:
, (1)
где C – концентрация; De – коэффициент диффузии; x – путь диффузии; t – время процесса.
Для бесконечного слоя шрота, подвергаемого экстракции экстрагентом, при допущениях: равномерного исходного объемного распределения масла в слое шрота, малого внешнего сопротивления массопереносу, постоянстве объема слоя – и следующих начальных и граничных условиях
при t = 0, –L < x < + L, (2)
при t > 0, x = l. (3)
Решение уравнения (1) для концентрации (С) можно записать в виде
, (4)
где De – эффективный коэффициент диффузии массы, м2/с; С – безразмерная концентрация; Co, Ct и Ce – начальная концентрация масла, концентрация масла по истечении времени t и равновесная концентрация масла соответственно; t – время экстракции, с; L – полутолщина образца, м; n – целое положительное число.
Число Фурье (Fo) для диффузии масла определяется уравнением
. (5)
Когда величина числа Фурье (Fo) больше 0,1, то в решении уравнения (4) доминирующим является только первый член [13].
При этом уравнение (4) сводится к уравнению (6):
, (6)
и после его преобразования получается уравнение (7):
. (7)
Уравнение (7) используется для расчета коэффициента диффузии масла [14].
Влияние давления обработки на De при постоянной температуре T представим уравнениями Аррениуса (8) и Эйринга (9) [15]:
(8)
(9)
где A1, A2, B1 и B2 – константы; T – температура, °К; P – давление обработки, МПа.
Результаты и их обсуждение. Площадь под спектрами оптической плотности 
пропорциональна суммарной концентрации 
веществ в экстракте масла, извлеченного из шрота семян примулы вечерней методом ЭВГД при давлении P: 
. Экспериментальные зависимости Ср (Р) при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa и времени экстрагирования t = 5; 10; 30; 60 мин показаны на рисунке 1.
Экспериментальные зависимости Ср (t) при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa и времени экстрагирования t = 5; 10; 30; 60 мин показаны на рисунке 2.
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 1. Экспериментальные зависимости Ср (Р) при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa
и времени экстрагирования t = 5; 10; 30; 60 мин в двух эквивалентных экспериментах
Exp 1 (а) и Exp 2 (б)
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 2. Экспериментальные зависимости 
при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa
и времени экстрагирования t = 5; 10; 30; 60 мин в двух эквивалентных экспериментах
Exp 1 (а) и Exp 2 (б)
Концентрации Ср, полученные за время экстрагирования t = 5; 10; 30; 60 мин при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa нормировали на концентрацию при атмосферном давлении Р = 0,1 MPa и времени экстрагирования t = 5 мин (
).
Нормированные зависимости Снорм (Р) при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa и времени экстрагирования t = 5; 10; 30; 60 мин приведены на рисунке 3.
Нормированные зависимости Снорм (t) при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa и времени экстрагирования t = 5; 10; 30; 60 мин приведены на рисунке 4.
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 3. Нормированные зависимости Снорм (Р) при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa
и времени экстрагирования t = 5; 10; 30; 60 мин в двух эквивалентных экспериментах
Exp 1 (а) и Exp 2 (б)
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 4. Нормированные зависимости Снорм (t) при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa
и времени экстрагирования t = 5; 10; 30; 60 мин в двух эквивалентных экспериментах
Exp 1 (а) и Exp 2 (б)
Преобразованное решение уравнения Фика для концентраций С имеет вид
, (10)
где С – концентрация; De – коэффициент диффузии; r – средний радиус сферических частиц в шроте энотеры; t – время процесса (экстрагирования).
Из уравнения (10) коэффициент диффузии De будет
, (11)
где 
.
Обозначим для удобства величину
.
Тогда эффективные коэффициенты диффузии De при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa можно определить из графиков зависимостей 
, приведенных на рисунке 5.
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 5. Зависимости для давлений Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa и времени
экстрагирования t = 5; 10; 30; 60 мин в двух эквивалентных экспериментах Exp 1 (а) и Exp 2 (б)
Для расчета эффективного коэффициента диффузии De при давлениях Р = 0,1; 25; 75; 100; 300; 435 MPa экспериментальные зависимости 
на рисунке 3 аппроксимируем линейными функциями в виде
, (12)
где a и b – числовые коэффициенты.
Результат линейной аппроксимации экспериментальных данных на рисунке 4 представлен на рисунке 6.
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 6. Результат линейной аппроксимации экспериментальных данных
на рисунке 4 в двух эквивалентных экспериментах Exp 1 (а) и Exp 2 (б)
Числовые коэффициенты a и b, найденные методом наименьших квадратов по данным двух эквивалентных экспериментов Exp 1 и Exp 2, сведены в таблице 3.
Зависимость эффективного коэффициента диффузии De от давления P без учета Const в уравнении (11) представлена на рисунке 7.
Таблица 3
Числовые коэффициенты a, b и коэффициент детерминации
|
Коэффициент |
P, MPa |
|||||
|
0.1 |
25 |
75 |
100 |
300 |
435 |
|
|
Exp 1 |
||||||
|
a |
0,67475 |
1,52067 |
2,42708 |
2,49391 |
2,53666 |
2,50758 |
|
b |
0,02233 |
0,01933 |
0,01194 |
0,0109 |
0,00979 |
0,01115 |
|
R2 |
0,5596 |
0,5605 |
0,77476 |
0,72582 |
0,7319 |
0,75546 |
|
Exp 2 |
||||||
|
a |
0,55715 |
1,3246 |
2,31652 |
2,45588 |
2,39911 |
2,49169 |
|
b |
0,02444 |
0,02248 |
0,01249 |
0,0102 |
0,01108 |
0,00885 |
|
R2 |
0,68746 |
0,65972 |
0,82489 |
0,65142 |
0,69783 |
0,6696 |
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 7. Зависимость эффективного коэффициента диффузии De от давления P без учета Const
в уравнении (11) в двух эквивалентных экспериментах Exp 1 (а) и Exp 2 (б)
Заключение
1. Проведено исследование зависимости эффективного коэффициента диффузии De от внешнего гидростатического давления P при экстрагировании масла из молотых семян (шрота) примулы вечерней методом ЭВГД при постоянной (комнатной) температуре.
2. Получены экспериментальные зависимости концентрации масла в экстракте (Ср) от времени экстрагирования t (Ср (t)) и давления P (Ср (Р)).
3. С использованием экспериментальных зависимостей Ср (t) и Ср (Р) при комнатной температуре рассчитана зависимость эффективного коэффициента диффузии De от давления P (De (Р)).
1. Christie William. (1999). The analysis of evening primrose oil. Industrial Crops and Products. 10. 73–83. DOI:https://doi.org/10.1016/S0926-6690(99)00013-8.
2. Phytochemical characterization of potential nutraceutical ingredients from Evening Primrose oil (Oenothera biennis L.) / S. Montserrat-de la Paz [et al] // Phytochem. Lett. 2014, 8, 158–162.
3. Lipids from evening primrose and borage seeds / R. Zadernowski [et al] // Oilseed Crops 1999, 20, 581–589.
4. Zadernowski R., Naczk M., Nowak-Polakowska H. Phenolic Acids of Borage (Borago officinalis L.) and Evening Primrose (Oenothera biennis L.). J. Am. Oil Chem. Soc. 2002, 79, 335–338.
5. Hudson B.J.F. Evening primrose (Oenothera spp.) oil and seed. J. Am. Oil Chem. Soc. 1984, 61, 540–543.
6. Питомник растений «Знак Земли». URL: zpitomnik.ru (дата обращения 21.08.2022 г).
7. Исследование влияния гидростатического давления на экстракцию компонентов из семян энотеры двулетней (Oenothéra biénnis L.) / Г.В. Букин [и др.] // Физика и техника высоких давлений. 2017. Т. 27, № 3. С. 51–62. EDN XUEUIH.
8. Асякина Л.К., Еремеева Н.И., Дышлюк Л.С. Подбор оптимальных параметров экстрагирования комплекса биологически активных соединений из суспензионных культур лекарственных растений Сибирского федерального округа // Вестник КрасГАУ. 2021. № 8 (173). С. 176–187. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2021-8-176-187. EDN RRYYJL.
9. Разработка экспериментального комплекса для исследований процесса экстрагирования высоким давлением / С.А. Соколов [и др.] // Инновационные технологии в науке и образовании (ИТНО-2019): сб. тр. VII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 90-летию ДГТУ (РИСХМ) (с. Дивноморское, 4–14 сентября 2019 г.). с. Дивноморское: ДГТУ-ПРИНТ, 2019. С. 145–150. DOI: 10.23947/ itno.2019.145-150. EDN RTFGNX.
10. Исследование характеристик фотоприемного устройства для денситометрического комплекса / В. Суханов [и др.] // Фотоника. 2014. № 1 (43). С. 75–84.
11. Влияние условий экстракции сверхвысоким давлением на выход масла из семян энотеры двулетней / В.Ф. Дроботько [и др.] // Физика и техника высоких давлений. 2018. Т. 28, № 4. С. 22–38. EDN VQKPCT.
12. Crank J. The Mathematics of Diffusion. Oxford: Clarendon Press, 1975.
13. McCabe W.L., Smith J.C. Unit Operations of Chemical Engineering, 3rd ed.; McGrawHill: New York, NY, 1976; 280.
14. Doymaz I., Pala M. The Effects of Dipping Pretreatments on Air-Drying Rates of the Seedless Grapes. J. Food Eng. 2002, 52, 413–417. DOI:https://doi.org/10.1016/s0260-8774(01)00133-9.
15. Mild-Heat and High-Pressure Inactivation of Carrot Pectin Methylesterase: A Kinetic Study / B. Ly-Nguyen [et al.] // J. Food Sci. 2003, 68, 1377–1383. DOI:https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2003. tb09653.x.
