MATHEMATICAL MODELING TECHNIQUE OF THE EXTRACTION PROCESS OF INULA SPECIES

Full Text

*Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-01-97023 «Математическое моделирование процесса экстрагирования растительного сырья (на примере надземной части некоторых видов девясилов, произрастающих на территории Волгоградской области)» р_поволжье_а. This work was supported by RFBR under the research project № 14-01-97023 «Mathematical modeling of the process of extraction of plant raw materials (for example, aerial parts of Inula some species growing in the Volgograd Region)» r_povolzhie_a. Выпуск 4 (52). 2014 109 Большинство современных фитопрепаратов на отечественном фармацевтическом рынке представлены экстракционными лекарственными формами. Как известно, экстракция растительного сырья - сложный управляемый процесс, поскольку на его течение могут оказывать влияние ряд факторов, основными среди ІШторСз [ЩсміПГКЩ которых являются степень измельчения сырья, природа экстрагента, время и кратность экстракции, модуль экстракции (соотношение «сырье : экстрагент») и температурный режим. Таким образом, изменяя условия экстрагирования, можно регулировать процесс экстракции и, следовательно, влиять на выход биологически активных соединений. Для подобного регулирования часто используют физическое моделирование, то есть замену изучения некоторого объекта или явления экспериментальным исследованием его модели с той же физической природой. При этом для поиска оптимальных условий используют методы математического планирования эксперимента, позволяющие сократить долю экспериментальных затрат в 2-10 раз за счет оптимальной организации исследования, минимизации количества опытов и увеличения доли аналитической работы с применением вычислительных устройств. Одними из распространенных растений на территории Волгоградской обрасти являются представители рода Девясил (Inula), в частности девясилы британский и германский. Согласно литературным данным, указанные виды содержат различные химические компоненты, которые обусловливают их разнообразную биологическую активность, в частности флавоноиды, дубильные вещества и гидроксикоричные кислоты. Поэтому изучение данных растений является перспективным и актуальным [2, 6]. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Составление матрицы математического планирования эксперимента для поиска оптимальных условий процесса экстрагирования надземной части девясилов британского и германского. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ Материалами для исследования служили воздушно-сухое сырье (трава) девясилов британского и германского, собранные в фазу полного цветения от дикорастущих популяций в июле-августе 2014 г. Сырье для исследования было заготовлено в естественных местах произрастания растительных объектов в различных районах Волгоградской области (Ку-мылженский, Еланский, Калачевский, Светлоярский). Одним из распространенных методов математического планирования эксперимента служит метод крутого восхождения по Боксу-Уилсону [1]. Поэтому моделирование процесса экстрагирования проводили данным способом. Преимущества его модели - возможность получения информации о степени влияния факторов, количественного определения значений функции отклика при заданном режиме ведения процесса и достижения оптимальных результатов. Кроме того, крутое восхождение является оптимальным в смысле минимизации затрат времени и числа опытов для достижения поставленной цели. В результате из серии экспериментов выбирают наилучший, показывающий, при каком соотношении факторов экстракции наблюдается оптимальный выход биологически активных веществ. Литературные данные, посвященные изучению химического состава девясилов британского и германского, в случае математического планирования эксперимента являются априорной информацией. Наилучшим условиям, определенным из анализа априорной информации, соответствует комбинация (или несколько комбинаций) уровней факторов. Каждая комбинация является многомерной точкой в факторном пространстве. Ее рассматривают как исходную для построения плана эксперимента и называют основным (нулевым) уровнем. Построение плана эксперимента сводится к выбору экспериментальных точек, симметричных относительно нулевого уровня. После того как нулевой уровень выбран, переходят к следующему шагу - выбору интервалов варьирования. Интервалом варьирования факторов называется некоторое число, прибавление которого к основному уровню дает верхний, а вычитание - нижний уровни фактора, то есть это расстояние на координатной оси между основным и верхним (нижним) уровнем. Уровни факторов записываются не в натуральных значениях, а в кодовых, обозначая верхний уровень +1, а нижний -1, либо просто «+» и «-» соответственно. Выбор верхнего и нижнего значения - уровней-для каждого фактора осуществляется, исходя из технологических соображений. В то же время с ростом числа факторов количество нужных опытов (N = 2k) очень быстро растет. Другими словами, полнофакторный эксперимент обладает большой избыточностью опытов. Поэтому представляется возможным сократить их число за счет той информации, которая не очень существенна. При этом нужно стремиться к тому, чтобы матрица планирования эксперимента не лишилась своих оптимальных свойств. В связи с этим целесообразны дробные реплики (полу-реплики типа 2k-p). Дробная реплика представляет собой часть полного факторного плана, также обладающая свойством ортогональности [4]. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ При математическом планировании процесса экстрагирования травы девясилов британского и германского в качестве параметров оптимизации выбраны следующие, определяющие эффективность процесса и свойства получаемого экстракта - выходы фракции флавоноидов и гидроксикоричных кислот. Из множества факторов, влияющих на процесс экстрагирования лекарственного растительного сырья, нами будут изучены следующие: - Х1 - степень измельчения сырья, в интервале варьирования 1-5 мм; - Х - модуль экстракции, то есть соотношение «сырье : экстрагент», в интервале варьирования 1 : 200-1 : 10; 110 Выпуск 4 (52). 2014 - Xj - время экстрагирования, в интервале варьирования 15-90 мин; - Х4 - кратность экстракции, в интервале варьирования 1-3. - Х5 - природа экстрагента. Выбор экстрагента определяется степенью гидрофильности извлекаемых веществ, о которой судят по выходу экстрактивных веществ. Предварительные эксперименты, проводимые на нашей кафедре, показали, что максимальный выход экстрактивных веществ травы девясилов британского и германского наблюдался при использовании в качестве экстрагента 70%-го спирта этилового [3, 5]. Поэтому данный фактор был фиксирован. Таким образом, нами было изучено влияние факторов в представленных интервалах (уровни и интегралы варьирования факторов определены в результате анализа литературных и экспериментальных данных) (табл. 1). Таблица 1 Уровни и интервалы варьирования факторов Факторы Нижний уровень Основной уровень Верхний уровень Интервал варьирования Х1, мм 1 3,0 5 2,0 Х2 1 : 200 1 : 105 1 : 10 1 : 95 Х3, мин 15 52,5 90 37,5 Х4 1 2 3 1,0 При математическом планировании эксперимента изучается влияние на процесс экстрагирования каждого фактора при его минимальном и максимальном значении в различных комбинациях. Поскольку нами оценивается влияние четырех факторов на процесс экстрагирования, мы воспользуемся полурепликой (половиной) полнофакторного эксперимента, при которой число опытов равно N = 24-1. Таблица 2 Матрица планирования процесса экстрагирования надземной части девясилов британского и германского В соответствии с комбинацией факторов, указанной в матрице, будет проходить процесс экстрагирования надземной части девясилов по методикам выделения суммы флавоноидов и гидроксикоричных кислот из растительного сырья. Комбинация факторов, обеспечивающая максимальные значения параметров оптимизации, будет выбрана как оптимальная для создания наилучших условий экстрагирования. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Составлена матрица математического планирования процесса экстрагирования надземной части девясилов британского и германского. Выбраны факторы оптимизации процесса, установлены интервалы их варьирования.

About the authors

A. V. Yanitskaya

Email: a.yanitskaya@yandex.ru

V. V. Gukasova

A. S. Rabycheva

References

Supplementary files