Экстракция биологически активных жирных кислот из микроводоросли c использованием сверхкритического флюидного СО2-экстракционного процесса

УДК 532:533.1

Ш. А. Бикташев, Л. Я. Яруллин, Ф. М. Гумеров,

Ф. Р. Габитов, Р. А. Усманов, И. М. Абдулагатов, B. Willson

ЭКСТРАКЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ ИЗ МИКРОВОДОРОСЛИ C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ФЛЮИДНОГО СО2-ЭКСТРАКЦИОННОГО ПРОЦЕССА

Ключевые слова: водоросль, сверхкритический диоксид углерода, сверхкритическая флюидная экстракция,

биологически активные жирные кислоты, омега-3.

В последнее внимание большое внимание приковано к омега-3 и омега-6 жирным кислотам, потребление которых рассматривается как способ лечения ряда болезней. Традиционно эти кислоты добывают из рыбьего жира, однако в значительно большем количестве они содержатся в микроводоросли. В данной работе была изучена сверхкритическая флюидная СО2-экстракция масла, содержащего омега-3 и омега-6 из микроводоросли, осуществленная при температуре 40°C и давлении 350 бар. Состав экстрактов был проанализирован на масс-спектрометре. Среди экстрагированных веществ были идентифицированы эйкозапентаеновая кислота (омега-3) и докозагексаеновая кислота (омега-6).

Keywords: водоросль, сверхкритический диоксид углерода, сверхкритическая флюидная экстракция, биологически активные жирные кислоты, омега-3.

Attention has recently been drawn to the omega-3 and omega-6 fatty acids which can be used as a measure against several illnesses. Conventionally, this acids were extracted from fish oil, however in much greater amount they are contained in microalgae. In this work, the extraction have been studied of oil containing omega-3 and omega-6 fatty acids in supercritical carbon dioxide media at 40°C and 350 bar. Extracts composition has been analyzed with mass-spectrometer. Eicosapentaenoic (omega-3) and docosahexaenoic (omega-6) acids were found to be present among the components of the extract.

В последние годы микроводоросль завоёвывает всё большее внимание исследователей как сырьё для различных веществ и материалов: биодизельного топлива [1], биологически активных добавок к пище, химикатов пищевой промышленности, косметики. Они растут в воде в подвешенном состоянии, что позволяет чрезвычайно эффективно поглощать из окружающей среды световую энергию, CO2 и другие необходимые компоненты процесса фотосинтеза. Одним из преимуществ микроводоросли является возможность влиять на химический состав получаемых из неё экстрактов путём изменения условий её выращивания (температуры, освещения, pH, количества CO2, солей и питательных веществ) [2]. Также можно выбрать один из нескольких биологических видов водорослей, ныне исследуемых и используемых в качестве сырья для экстракции.

Омега-3 жирные кислоты помогают организму человека бороться с такими болезнями как коронарная болезнь, аритмия, атеросклероз, воспалительные процессы, онкологические заболевания и диабет тип 2 [3]

До настоящего времени основным сырьём для производства биологически активных добавок к пище с содержанием омега-3 был рыбий жир. Фактически, организм рыбы не синтезирует эти жирные кислоты - они поступают в организм рыбы вместе с микроводорослями и накапливаются в нём.

Для экстракции масла из водоросли можно использовать традиционные методы; к примеру, экстракцию гексаном, хорошо себя зарекомендовавшую в экстракции масла из сои [4]. Однако существует более эффективный и экологически чистый метод - сверхкритическая флюидная экстракция [5]. При температуре и давлении выше сверхкритических происходит скачкообразное изменение свойств углекислого газа. Вязкость падает, а коэффициент диффузии растёт, что позволяет эффективно проникать через оболочку клеток и выносить за её пределы растворившиеся вещества. С точки зрения исследователя углекислый газ также

удобен тем, что экстракцию и анализ можно объединить в непрерывный процесс, где углекислый газ будет являться и экстрагентом и подвижной фазой хроматографического процесса [6].

Экспериментальная часть

Анализу были подвергнуты два образца экстракта водоросли.

Хроматограмммы с масс-спектрометрическим детектированием получены на хроматомасс-спектрометре DFS в следующих условиях:

1. Температура инжектора хроматографа 280°С

2. Программирование температуры термостата хроматографа: начальная Т=120°С (выдержка 1мин) , скорость нагрева 6°С/мин, конечная Т=280°С (выдержка 60 мин.).

3. Газ-носитель гелий

4. Скорость потока 1 мл/мин, деление потока 1:10.

5. Использовалась капиллярная колонка с привитой неполярной фазой типа DB-5,30

м/0,25мм/0,25мк.

6. Масс-спектры электронной ионизации регистрировались в диапазоне масс 100-1000 а.е.м. Настройка масс-спектрометра осуществлялась при помощи ПО «AUTOTUNE», входящем в пакет ПО масс-спектрометра.

Идентификация компонентов проводилась на основе специализированной библиотеки масс-спектров «NIST -05 ». Площади пиков на рис. 1. Позволяют судить о сравнительном содержании различных компонентов в экстракте.

Рис. 1 - Полная хроматограмма образца №3 и фрагмент хроматограммы с пиком этилового эфира эйкозапентаеновой кислоты (28) в увеличенном масштабе

Выводы

В результате масс-спектрометрического исследования установлено, что каждый из образцов является многокомпонентной смесью содержащей преимущественно сложные эфиры насыщенных и ненасыщенных линейных кислот. Так же найдены циклические продукты природного происхождения и ряд производных фталатов (искусственного происхождения).

Среди продуктов экстракции обнаружен этиловый эфир 5,8 11,14,17-эйкозапентаеновой кислоты

Результаты анализа подтверждают возможность получения омега-3 кислот из микроводоросли. Дальнейшую исследовательскую работу имеет смысл вести в направлении подбора сырья с максимальным содержанием омега-3 и подбора оптимальных по энергозатратам параметров процесса экстракции.

Литература

1. Rudras Baliga and Susan E. Powers. Sustainable Algae Biodiesel Production in Cold Climates. International Journal of Chemical Engineering Volume 2010, Article ID 102179, 13 pages doi:10.1155/2010/102179.

2. Growing algae . Wagenningen University, Netherlands

(http://www.algae.wur.nl/UK/factsonalgae/growing_algae/).

3. Scott D. Doughman, Srirama Krupanidhi and Carani B. Sanjeevi. Omega-3 Fatty Acids for Nutrition and Medicine: Considering Microalgae Oil as a Vegetarian Source of EPA and DHA. Current Diabetes Reviews, 2007, 3, 198-203 1573-3998/07

4. H. Xu, X. Miao, and Q. Wu. High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters. Journal of Biotechnology, vol. 126, no. 4, pp. 499-507, 2006.

5. Максудов, Р.Н. Сверхкритическая экстракция семян масличных культур / Р.Н. Максудов и др.// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №2. - С. 257-260.

6. Miguel Herrero, Alejandro Cifuentes, Elena Ibanez. Sub- and supercritical fluid extraction of functional ingredients from different natural sources: plants, food-byproducts, algae and microalgae - Madrid: Instituto de Fermentaciones Industriales (CSIC), 2004. - 34 p.

© Ш. А. Бикташев - асп. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, xatyaz@gmail.com; Л. Я. Яруллин - инж.-электроник той же кафедры; Ф. М. Гумеров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ; Ф. Р. Габитов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; Р. А. Усманов канд. техн. наук, доц. той же кафедры; И. М. Абдулагатов - д-р техн. наук, проф., NIST, Boulder, Colorado,США; B. Willson - Chief Technology Officer SolixBiofuels, Inc., Fort Collins, Colorado, США.