Теоретические основы процесса экстракции лекарственного растительного сырья

Процесс извлечения действующих веществ из сырья очень сложный и состоит из стадий набухания, образования первичного сока внутри клеток и массообмена.

Процесс экстрагирования растительного материала представляет собой не простое растворение составных частей растения. Его необходимо рассматривать как разнообразие физико-химических процессов, проходящих как внутри клетки, так и на ее поверхности. Наряду с процессами растворения происходят явления диффузии, осмоса, адсорбции и др. Для экстрагирования чаще всего применяется высушенный материал, в котором вследствие утраты влаги объем протоплазмы уменьшается, и образованные пустоты в клеточной оболочке заполняются воздухом.

Стадия набухания. В первые моменты соприкосновения с экстр-агентом клетки сухого растительного сырья набухают. Длительность этого процесса зависит преимущественно от гистологического строения растительного материала, от степени его измельченности, а также от природы экстрагента. В результате набухания клеток воздух вытесняется из них экстрагентом, который экстрагирует сначала из внешних, преимущественно разрушенных клеток как растворимые, так и нерастворимые вещества.

Стадия образования первичного сока внутри клеток. Потом экстрагент проникает через нерастворимые оболочки в глубоко размещенные клетки и растворяет вещества, которые содержатся в них, образовывая концентрированный раствор со значительным осмотическим давлением — «первичный сок».

Стадия массообмена. В результате высокой концентрации «первичного сока» внутри клеток создается значительное осмотическое давление, вызывающее диффузионный обмен между содержимым клеток и окружающей их жидкостью с меньшим осмотическим давлением. Это и является основой процесса экстрагирования, что приводит к разбавлению образованного концентрированного раствора экстрагентом, который находится вне клеток. Этот процесс диффузии и осмоса происходит до того момента, пока не наступит равновесие, то есть концентрация веществ, которые проходят через клеточную оболочку, в клетках и вне их будет одинаковой.

При этом происходит молекулярная и конвективная диффузии.

Молекулярная диффузия — это перенос распределяемого вещества, осуществляемый за счет хаотического движения молекул и зависящий от запаса кинетической энергии частиц (молекул). Скорость молекулярной диффузии зависит от температуры извлечения (при ее увеличении возрастает скорость движения молекул), величины поверхности, разделяющей вещества, толщины слоя, через который проходит диффузия. Наконец, перемещение вещества требует определенного времени (чем дольше диффузия, тем большее количество вещества переходит из одной среды в другую).

Этот процесс можно выразить уравнением Фика—Щукарева:

,

где — скорость диффузионного процесса, м^2, с^-1;

D — коэффициент молекулярной диффузии, м²/с;

F — площадь диффузного обмена (суммарная площадь измельченного растительного сырья), м²;

— градиент концентрации (изменение концентрации вещества на расстоянии dx), (-) — диффузионный процесс направлен в сторону уменьшения концентрации.

Формула приведена для диффузии, протекающей в одном направлении. В 1905 г. А. Энштейн вывел зависимость коэффициента диффузии от времени.

Конвективная диффузия — это перенос вещества в результате причин, вызывающих перемещение жидкости: сотрясение, изменение температуры, перемешивание. Этот вид диффузии осуществляется значительно быстрее и происходит за счет конвекции, то есть переноса массы из одного места подвижной среды в другую.

В связи с тем, что процесс экстрагирования в условиях аптеки производится одним и тем же количеством экстрагента, действующие вещества из растительного материала никогда полностью не экстрагируются, что является одним из недостатков существующих методов.

С целью повышения эффективности процесса извлечения необходимо поддерживать максимально возможным перепад концентрации веществ внутри и вне растительного материала путем подачи более «свежих» порций экстрагента до наступления состояния равновесия. Это достигается перемешиванием смеси. Исходя из этого, при получении настоев и отваров настаивание сырья следует проводить при частом перемешивании.

Таким образом, извлечение складывается из следующих основных процессов: диффузии, десорбции, растворения, диализа и вымывания, которые происходят самопроизвольно и одновременно.

Факторы, влияющие на полноту и скорость извлечения действующих веществ. На динамику экстракционного процесса, а следовательно, и на качество настоев и отваров оказывают влияние следующие факторы: соотношение количества сырья и экстрагента; стандартность сырья; гистологическое строение сырья; степень измельчения сырья; материал применяемой аппаратуры; температура и время настаивания; влияние ферментов и микрофлоры; химический состав действующих веществ; рН среды.

Соотношение количества сырья и экстрагента. Настои и отвары в рецептах могут прописываться различными способами:

1. Указывается количество исходного растительного сырья и объем водного извлечения. Например:

Rp.: Infusi herbae Hypericin ex 10,0 — 200 ml

Da. Signa. Для полоскания полости рта

По данной прописи необходимо из 10 весовых частей травы зверобоя приготовить 200 объемных частей настоя.

2. Указывается только объем вытяжки. Врач в этом случае предоставляет фармацевту решить вопрос о количестве растительного сырья согласно указаниям ГФ XI.

Если количество лекарственного растительного сырья общего списка в рецепте не указано, настои и отвары готовят в соотношении (1:10). Например:

Rp.: Infusi herbae Leonuri 200 ml

Da. Signa. По 1 столовой ложке, 3 раза в день

В данном случае необходимо из 20 весовых частей травы пустырника приготовить 200 объемных частей настоя.

Настой из травы горицвета, корневища с корнями валерианы готовят из расчета 1:30 (по ГФ X в таком же соотношении готовят водные извлечения из спорыньи, травы, ландыша, корня истода, сенеги, синюхи, мыльнянки, клубней морского лука).

Извлечения из лекарственного растительного сырья, содержащего сильнодействующие вещества (травы термопсиса, листьев наперстянки и др.), готовят по прописи врача, а при отсутствии указаний о количестве сырья — в соотношении 1:400 и, в основном, из экстрактов-концентратов.

Для получения полноценных вытяжек необходимо использовать максимально возможное при данных условиях количество воды, так как врач в рецепте указывает количество (объем) готового извлечения, а не воды, необходимой для его получения. При этом надо учитывать, что часть жидкости после извлечения всегда удерживается (поглощается) растительным материалом, поэтому готовой вытяжки получается меньше, чем было взято воды. Для получения требуемого количества вытяжки приходится добавлять воду, что приводит к частичному разбавлению настоя или отвара. Это нежелательно, потому что потери действующих веществ пропорциональны количеству жидкости, остающейся в сырье. Путем отжимания сырья эти потери можно несколько уменьшить, однако, полностью избавиться от них нельзя, так как под влиянием капиллярных сил часть вытяжки всегда будет безвозвратно оставаться в растительном материале. Кроме того, потеря воды происходит за счет испарения и смачивания стенок инфундирки. В связи с этим для приготовления водных извлечений целесообразно брать воды несколько больше, чем требуется по рецепту готовой вытяжки.

Количество поглощаемой воды зависит от гистологического строения и степени измельчения сырья. Поэтому необходимо использовать индивидуальные коэффициенты поглощения воды сырьем.

Коэффициент водопоглощения (К_в) показывает количество жидкости, удерживаемое 1,0 г растительного сырья стандартной степени измельчения после его отжатия в перфорированном стакане инфундирки.

Для наиболее часто применяемых видов сырья К_е приведены в ГФ XI, а также в приказе МЗ Украины № 197 от" 07.09.93 г. (см. приложение 3). Если К_д не указан, то рекомендуется использовать общепринятые коэффициенты: для корней — 1,5; коры, цветков и трав — 2,0; семян — 3,0.

Таким образом, количество воды, необходимое для приготовления настоя или отвара, определяют суммированием объема извлечения, указанного в рецепте, и дополнительного количества воды, которое рассчитывают путем умножения массы сырья на коэффициент водопоглощения.

Например, для получения 200 мл настоя из травы пустырника воды следует взять: 200 + (20,0*2) = 240 мл.

Это дополнительное количество воды значительно улучшает процесс извлечения действующих веществ и повышает их содержание в приготовленных настоях и отварах, причем, чем труднее растворимы в воде действующие вещества, тем благоприятнее сказывается добавка воды.

Однако при приготовлении извлечений с учетом коэффициента водопоглощения объем извлечения все равно получается несколько меньшим, поэтому к процеженному извлечению после отжатия сырья добавляют воду через то же сырье до объема, прописанного в рецепте.

Количество воды, необходимое для получения вытяжки, нельзя уменьшать, так как это приведет к уменьшению извлечения действующих веществ из сырья. Поэтому в многокомпонентных прописях жидких лекарственных форм, содержащих водные извлечения и порошкообразные вещества, в случае приготовления настоев и отваров из растительного сырья нельзя пользоваться концентрированными растворами солей.

Стандартность сырья. Состав и концентрация водных извлечений, сила и характер их действия на организм зависят от исходного сырья и, в частности, от содержания в нем действующих веществ. Количество последних в растительном материале колеблется в зависимости от условий и места произрастания растений, времени сбора, режима сушки и других факторов. Стандартным называется сырье, отвечающее требованиям НТД. Лекарственное сырье должно поступать в аптеки с указанием на этикетке упаковки содержания в нем действующих веществ (%) или его биологической активности в единицах действия (ЕД).

Для получения водных вытяжек может применяться только стандартное сырье или с большим содержанием действующих веществ и повышенной биологической активностью.

В этом случае необходимо произвести перерасчет нестандартного сырья по формуле:

где X — количество сырья с повышенным содержанием действующих веществ;

А — количество сырья, прописанное в рецепте, г;

Б — фактическое количество действующих веществ в сырье, выраженное в процентах или числом ЕД в 1,0 г сырья;

В — стандартное содержание действующих веществ в тех же единицах.

Например, в аптеку поступила трава термопсиса с содержанием 2,5 % алкалоидов (стандартность сырья по НТД — 1,5 %), тогда по нижеприведенному рецепту:

Rp.: Infusi herbae Thermopsidis ex 0,5 — 200 ml

Da. Signa. По 1 столовой ложке 3 раза в день

необходимо взять вместо 0,5 г травы термопсиса 0,3 г.

Применять сырье, содержащее действующих веществ меньше, чем это предусмотрено НТД, недопустимо, так как это приводит к получению водных вытяжек с повышенным содержанием сопутствующих веществ, мутных и менее стойких при хранении.

Гистологическое строение сырья. Скорость извлечения во многом зависит от структуры клеточных оболочек, которые являются значительным препятствием для прохождения экстраген-та и притом в тем большей степени, чем они толще и плотнее. Если клеточная оболочка очень плотная, клеточная ткань недостаточно рыхлая, а межклеточных ходов и каналов мало, то извлечение протекает более медленно. Большое значение имеет и состав клеточной оболочки. Скелет клеточной ткани состоит из целлюлозы. Клеточная ткань многих растений пропитана кутином, церином и лигнином, которые затрудняют смачивание целлюлозы. Пектины, которыми пропитаны клеточные оболочки, при действии холодной воды набухают, а в кипящей воде образуют гидрозоли. Наличие в растительном материале других гидрофобных и гидрофильных веществ также задерживает извлечение.

При приготовлении водных вытяжек выбор способа экстракции растительного материала, как правило, определяется его гистологическим строением. Из рыхлого сырья (цветки, листья, травы.) обычно готовят настои, из плотного (коры, корни, корневища) — отвары. Исключение: корни с корневищем валерианы (готовят настой), листья толокнянки, сенны, брусники (готовят отвары).

Степень измельчения растительного материала. Для получения водных вытяжек растительное сырье применяют в высушенном, измельченном и просеянном виде. Измельчение растительного сырья вызывается необходимостью облегчить проникновение растворителя в толщу материала, имеющего клеточную структуру разного анатомического строения и содержащего неодинаковое количество гидрофильных веществ, улучшающих смачиваемостъ сырья.

С увеличением степени измельчения растительного сырья увеличивается поверхность его соприкосновения с экстрагентом, что облегчает его проникновение в клетки, а, следовательно, ускоряется и сам процесс извлечения.

Однако очень тонкое измельчение практически оказывается нерациональным. Мелкий порошок легче слеживается, а при значительном содержании в нем пектиновых веществ, слизи и крахмала облегчается растворение и набухание этих веществ и образуются комки (за счет склеивания ослизненных клеток), оседающие на дно сосуда.

Все это сильно замедляет процесс извлечения. Кроме того, с увеличением разрушенных клеток усиливается процесс вымывания, приводящий к получению мутной вытяжки, которая быстрее подвергается порче.

В соответствии с ГФ X было принято листья, цветки и травы измельчать до 5 мм, листья толокнянки, эвкалипта, брусники и другие кожистые листья — до 1 мм; стебли, кору и корни — до 3 мм; плоды и семена — до 0,5 мм. Размеры частиц кукурузных рылец должны быть не более 10 мм.

Однако для каждого вида растительного сырья должна быть установлена оптимальная степень измельчения, обеспечивающая полноту и скорость извлечения действующих веществ.

Поэтому растительное сырье должно быть измельчено в соответствии с требованиями НТД (то есть степень измельчения отдельных видов сырья должна быть указана в частных статьях). Оптимальный размер частиц сырья не должен превышать 7 мм. Например, трава зверобоя — 7 мм, листья сенны — 7, кора калины— 7, листья брусники, толокнянки, побеги багульника — 3, листья эвкалипта — 5, соплодия ольхи — 10 мм. Для измельчения растительного сырья из всех известных принципов (раздавливание, изрезывание, размалывание, раскалывание, истирание и т. д.) наиболее часто в аптеке применяют резание (для трав, листьев, корней) с помощью траво- или корнерезок, раздавливание и истирание в ступке (для семян и плодов). Как правило, сырье в аптеки поступает уже измельченное либо резано-прессованное или брикетированное, что наиболее оптимально, так как кусочки сдавленного валками сырья не содержат внутри воздуха, что способствует более быстрому проникновению растворителя внутрь клеток и более полному истощению сырья.

Температура и продолжительность процесса извлечения (кинетика извлечения). Режим экстракции, то есть температурные условия экстракции и продолжительность контакта растительного сырья с экстрагентом оказывает сильное влияние на качественный и количественный состав вытяжки.

Повышение температуры увеличивает скорость диффузионного обмена и поэтому ускоряет экстракцию. Одновременно горячая вода сепарирует куски сырья, разделяет растительные ткани, облегчая проникновение воды в глубинные слои кусков сырья. У большинства экстрагируемых веществ с повышением температуры увеличивается растворимость и диффузия. При этом важно, что температура повышается постепенно, а, следовательно, пектины, белки, камеди успевают раствориться и продиффундировать раньше, чем свернуться или набухнуть. Кроме того, воздействие температуры приводит к гибели микроорганизмов, что очень важно для сохранения качества водных извлечений.

С другой стороны, продолжительное воздействие высокой температуры приводит к разрушению термолабильных веществ, например, гликозидов сердечной группы, эфирных масел. Применение нагревания нежелательно вследствие значительного увеличения выхода сопутствующих веществ и потери летучих компонентов.

В аптечной практике для приготовления водных вытяжек используют методы горячего — Infusa calide parata (настои, отвары, слизи) и холодного — Infusa frigide parata (только для настоя корня алтея) экстрагирования.

Согласно требованиям ГФ X и XI настои нагревают на кипящей водяной бане в течение 15, отвары — 30 минут. По истечении указанных сроков извлечения охлаждают при комнатной температуре: настои — в течение 45, отвары — 10 минут.

При приготовлении водных вытяжек из лекарственного растительного сырья объемом 1000—3000 мл время нагревания на водяной бане для настоев увеличивается до 25, для отваров — 40 минут; время охлаждения остается прежним (45 и 10 минут соответственно).

В случае указания в рецепте «Cito» (при необходимости быстро приготовить водное извлечение) настаивание производят в течение 25 минут с последующим искусственным охлаждением.

Таким образом, технологический процесс настоев и отваров отличается только по времени термического воздействия. Вопрос о продолжительности температурного режима настаивания для настоев и отваров разработан еще недостаточно несмотря на то, что с помощью именно этих факторов можно больше всего повлиять на кинетику экстракционного процесса. В фармакопеях разных стран приводятся различные режимы настаивания.

Большое влияние на качество вытяжки оказывает время охлаждения и температура процеживаемой вытяжки. К вопросу о значении продолжительности охлаждения настоев и отваров необходимо подходить дифференцированно в зависимости от химического состава лекарственного сырья.

Настои процеживают только после полного охлаждения, не ранее чем через 45 минут. Это связано с тем, что 15-минутное настаивание на водяной бане, как правило, недостаточно для полного извлечения действующих веществ из растительного сырья и при охлаждении идет дополнительный процесс извлечения.

Для некоторых настоев охлаждение важно еще потому, что их действующие вещества лучше растворимы в холодной, чем в горячей воде. Например, гликозиды наперстянки (в частности, дигиток-син) или горицвета (адонивернозид) при нагревании настоя на кипящей водяной бане коагулируют и переходят снова в раствор только в процессе охлаждения настоя.

В других случаях в процессе охлаждения вытяжки происходит ее самоочищение от некоторых сопутствующих (балластных) веществ, которые обладают малой растворимостью в холодной воде и выпадают в осадок (смолы и др.).

Стадия охлаждения для отваров короче, чем для настоев, что связано с более длительным сроком их настаивания на водяной бане и содержанием значительного количества ВМС, растворы которых после охлаждения сильно загустевают и плохо процеживаются.

Ферменты и микрофлора. Как известно, в лекарственных растениях содержатся многочисленные ферменты, являющиеся веществами белковой природы. Под влиянием ферментов в живом растении происходят весьма сложные процессы образования и разложения различных веществ.

Большинство ферментов, находясь в живом растении, обусловливают в нем процессы жизнедеятельности. Причем, при жизни растения действия ферментов направляются и регулируются растением. При отмирании растений начинается глубоко идущий распад веществ (в том числе и действующих) вследствие хаотического действия ферментов — этот процесс называется автолизом, то есть полное собственное растворение (разрушение) веществ, входящих в клетку.

Деятельность ферментов протекает преимущественно во влажной и слабокислой среде. Кратковременное температурное воздействие выше 60—70 "С обычно приводит к денатурации и инактивации ферментов.

В связи с этим ряд исследователей предлагали растительный материал заливать горячей водой. Однако, как показывают исследования других ученых, действие ферментов не мгновенно. Поэтому если залить растительный материал холодной водой и поставить нагревать, то за 5—10 минут, пока температура воды достигнет 60—70 °С (температура инактивации ферментов), последние не произведут заметного разложения действующих веществ.

В то же время применение холодной воды создает лучшие условия для извлечения действующих веществ из растительного материала, который содержит значительное количество белковых веществ. Во время сушки растительных материалов около клеточных стенок образуется белковая пленка. Белок под действием холодной, постепенно нагревающейся воды набухает и растворяется. К моменту, когда вода нагревается до температуры коагуляции белка, последний распределяется по всей полости клетки и выпадает в виде мелких хлопьев, которые не препятствуют процессу извлечения.

Разрушительная деятельность ферментов прекращается при высушивании растений. Вследствие этого большое практическое значение для стабилизации растительного сырья имеет его сушка. Все виды свежих растений необходимо высушивать возможно быстрее после их сбора. В аптеках водные вытяжки приготовляют только из высушенного растительного сырья, сохраняющегося в сухом и проветриваемом помещении (способы и условия сушки могут быть различными, подробно о них сообщается в руководствах по фармакогнозии).

При приготовлении водных вытяжек необходимо учитывать, что растительное сырье не свободно от микроорганизмов. Даже в хорошо консервированном сырье обычно находятся различные почвенные микроорганизмы. Микрофлора может попасть в вытяжку и в процессе ее приготовления из воздуха и, вызывая различные бродильные процессы (молочнокислое, уксуснокислое, спиртовое брожение), привести к порче. Температура кипящей водяной бани приводит к гибели микроорганизмов. При необходимости к водным извлечениям в процессе приготовления добавляют различные консерванты, разрешенные к медицинскому применению.