Тел: +7 (495) 3637720  
Главная страница Статьи о СФЭ

Статьи о СФЭ

МАСЛО КОТОВНИКА КОШАЧЬЕГО В РЕЗУЛЬТАТЕ ПРОЦЕССА СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ ФЛЮИДНОЙ ЭКСТРАКЦИИ
Др. Джеймс Лоуэй, Натан Петерсен, Деннис Салотти, Хизер Шеффер
Отдел химии, Sacred Heart University
5151 Park Avenue, Fairfield, CT 06432-1000
Др. Кеннет Джеймс, Supercritical Fluid Technologies, Inc. Three Innovation Way, Suite 205, Newark, Delaware 19711
4 мая 2001 г.

РЕФЕРАТ

Сверхкритические жидкости, и, в особенности, диоксид углерода сверхкритической жидкости, продемонстрировали жизнеспособность технологии для различных процессов экстракции. Хотя для процесса требуется высокое давление, технологические инновации сделали доступным приобретение такого оборудования для лаборатории. Традиционно, масло котовника кошачьего отделяется паровой дистилляцией. При работе с просушенным растительным материалом, мы добавили в качестве альтернативной среды экстракции диоксид углерода сверхкритической жидкости. Здесь будут представлены результаты нашей работы, включая характеристики основных составляющих компонентов.

ВВЕДЕНИЕ

Сверхкритическая жидкость (СЖ) образуется при нагревании любой субстанции сверх ее критической температуры и подниманием ее давления выше критического предела. Критическая температура - это максимальная температура, при которой газ может перейти в жидкое состояние при увеличении давления. Подобным образом, критическое давление - это максимальное давление, при котором жидкость может перейти в газообразное состояние при увеличении температуры. Такие параметры, как плотность, вязкость и диффузивность СЖ, являются промежуточными для жидкостей и газов. Растворяющие свойства относятся к жидкому состоянию, а диффузивность и вязкость - это характеристики газа. Поддержание постоянной плотности при повышении температуры вызывает повышение диффузивности СЖ с одновременным снижением ее вязкости. Если на постоянном уровне поддерживать температуру, повышение давление окажет обратное воздействие на СЖ.

Диоксид углерода (CO2) - экологичный, доступный с высокой степенью чистоты, имеет легко достижимую критическую точку (31.0°C и 1070 ф/д2), низкие горючесть и токсичность. Кроме того, CO2 имеет высокий квадрупольный момент и не имеет дипольного момента, что обеспечивает растворение полярных и неполярных растворов.

Сверхкритическая флюидная экстракция - это в общем типовая экстракция растворителем, с той разницей, что растворитель СЖ проходит через изменение состояния перед процессом экстракции и изменяет свое состояние еще раз после экстракции для своего удаления из аналита. В частности, субстанция, выбранная в качестве растворителя СЖ, охлаждается до перехода из газообразного состояния в жидкое, после чего ее давление повышается выше критического порога - то есть, это жидкость с высоким давлением. После этого она нагревается свыше критической температуры для получения сверхкритической жидкости. СЖ затем поступает в емкость известного объема с раствором. СЖ "впитывается"в раствор в течении определенного количества времени (статическая фаза экстракции), и затем постоянно циркулирует в сосуде на этапе динамической фазы. Затем СЖ полностью удаляется из бака путем снижения давления бака через ограничительные клапан, чтобы плотность СЖ снизилась и она вернулась в газообразное состояние. Аналит откладывается в приемном баке, а СЖ самостоятельно устраняется (Тейлор, 1996).

В этом эксперименте мы изучаем эффективность сверхкритической флюидной экстракции масла котовника кошачьего при помощи CO2 в сравнении с традиционными экстракциями растворителем с использованием большого количества диэтилового эфира.

Стандартный метод экстракции эфирного масла из котовника кошачьего - паровая дистилляция. Для этого стебли, листья и цветы растения измельчаются и устанавливаются в автоклав примерно на один час. При помощи этого метода, в среднем 0.3% массы растения переходит в эфирное масло. В ранней работе МакЭлвена и др. (1941) было обнаружено, что масло состоит из трех фракций: непеталактон (40-50%), непеталовая кислота (33%) и нейтральная фракция (14%).

Котовник кошачий (Nepatia cataria) - многолетняя трава, произрастающая в Северной Америке и различных частях Евразии. Название вида cataria взято от латинского "кот", что может говорить о том, что приверженность котов к дурманящим субстанциям была известна давно. Свежие листья этого растения из семейства мяты имеют легкий мятный аромат, что дало основание для другого известного названия этого растения - кошачья мята (Уоллер и др., 1969). Растения котовника кошачьего достигают высоты одного метра и имеют колосообразные белые цветы с фиолетовыми точками. Они цветут при температурах 7 - 9°C на хорошо просушенных почвах. Для наилучшего роста этих растений подходят почвы от умеренно-кислых (4.9) до нейтральных (7.5). Хотя в садах северо-востока США растение считается сорняком, его цветочные головки пользуются популярностью у пчел. Эти цветочные головки высушиваются для сохранения цвета и запаха. Растение в целом используется при его сборе для кошек. Растение не является токсичным для домашних животных.

Непеталактон - эфирное масло, которое получают из этого растения. Именно он дает растению специфический запах. Ветеринары уверены, что этот запах подобен гормонам, выделяемым кошками во время брачного периода для привлечения кота. Может быть, именно поэтому около 50% котов репродуктивного возраста реагируют на игрушки, наполненные котовником кошачьим, а котята и очень старые коты - нет.

После контакта с котовником кошачьим, поведение котов представляет собой комбинацию поведения хищника с поведением для привлечения партнера. К такому поведению относится катание на спине, ритмичные толчки задними лапами, роющие движения, повышенная игривость, стремление к ласке, повышенное мурлыкание, также коты метят территорию (Гарни и др., 1978).

Сошниково-носовой орган, расположенный над нёбом, является приемником непеталактона. Хотя этот орган есть не только у семейства кошачьих, за опознавание непеталактона отвечает именно он. Многие животные используют этот орган для установления прямого специфического контакта с химическими метками, находящимися в их окружении. Такие метки оказывают содействие в социальном взаимодействии, например, сексуальных связях. Так как он должен попасть в это место над нёбом, котовник кошачий эффективен только после вдыхания.
Котовник кошачий использовался в декоративных и кулинарных целях, а также в качестве лекарства народной медицины. Листья и ростки использовались в соусах, супах и рагу. Листья и цветы обычно заваривались для получения успокаивающего травяного чая, ускоряющего процесс засыпания и улучшающего сон. В медицине котовник кошачий использовался в качестве спазмолитического, потогонного, средства, стимулирующего менструацию, успокоительного, стимулирующего и умеренного седативного средства. Также он может использоваться для лечения диареи, колик, простуды, рака, давления и беспокойства. Вытяжка котовника кошачьего имеет действие ювенильного гормона. Недавно было обнаружено его действие по отпугиванию тараканов, в сто раз лучше мощного репеллента для насекомых. Редкая и более сильная форма непеталактона с немного отличной атомной структурой убывает мух. (ДоВинг и Тротье, 1998).

МЕТОДЫ

Стандартный метод

Впервые масло котовника кошачьего было получено при помощи полярного раствора диэтилового эфира. Измельченные стебли и листья котовника кошачьего весом 10 г были помещены в 1000 мл делительную воронку. Экстракция масла выполнялась при помощи трех промывок диэтиловым эфиром, по 125 мл каждая. Раствор растворителя и экстракта был помещен в предварительно взвешенные колбы с круглым дном для концентрации масла при вращательном испарении. Средняя масса полученного масла составила 1.12 г на 10 г измельченного котовника кошачьего. Общая масса масла, полученного из 30 г измельченного просушенного котовника кошачьего, составила 3,35 г. Образец концентрированного экстракта была очищена при помощи колоночной хроматографии, при помощи колонки 100 г. Системой раствора была смесь с объемным соотношением этилацетата (0-9%) в петролейном эфире. Семь отдельных групп полученных фракций были определены при помощи тонкослойной хроматографии (ТСХ). Эти группы впоследствии были проанализированы при помощи спектроскопии протонным ядерным магнитным резонансом. Фракции со значением потока ТСХ в 0,25 и 0,29 в 5% этилацетате/петролейном эфире были определены как смесь изомеров непеталактона.

Сверхкритический метод

Экстракция масла котовника кошачьего выполняется через диоксид углерода сверхкритической жидкости в устройстве обработки сверхкритической жидкости (УОСЖ) SFT1000.

Просушенный котовник кошачий (листья, стебли и бутоны) был измельчен, и 17,533 г помещены в 50 мл сосуд из нержавеющей стали. После крепления сосуда на месте, в УОСЖ были установлены необходимые условия. Условия были проверены при помощи функции "состояние системы", и изменены при помощи функции "редактор параметров покоя". Начальная температура для процесса экстракции и очистки была установлена на 40°C, а начальное давление - на 2000 ф/д2. В этом время сосуд наполнялся жидким диоксидом углерода. Давление повышалось с шагом 2000 ф/д2 при помощи пневматического насоса до получения необходимых 6000 ф/д2. УОСЖ работала в статическом режиме 30 минут для впитывания диоксида углерода в котовник кошачий. После этого установка на 7 минут была переведена в динамический режим, и ограничительный клапан был открыт вручную на 13 полных оборотов (полное открывание - 17 оборотов) против часовой стрелки. На этом этапе важно отслеживать температуру ограничительного клапана при помощи функции "состояние системы". Если температура, установленная примерно на 60°C, падает ниже 5°C, ограничительный клапан следует повернуть по часовой стрелке для поддержания температуры выше точки замерзания. В этом время сверхкритический диоксид углерода извлекает масло из образца и переносит его в приемный сосуд. Через 7 минут уставка давления была сброшена на ноль при помощи "редактора параметров покоя". (Режим остался динамическим). Ограничительный клапан был повернут против часовой стрелки для быстрого снижения давления. После снижения давления ниже уровня 1200 ф/д2, была выбрана функция "открыть клапан сброса давления" для быстрого окончательного сброса давления.

Масса полученного масла котовника кошачьего составила 0,890 г. Установка была промыта этилацетатом для удаления остатков. Дополнительное количество масла было получено в предварительно взвешенных колбах с круглым дном и затем концентрировано при помощи вращательного испарения с последующей неоднократной откачкой для удаления остатков растворителя. Масса дополнительно полученного масла составила 0,070 г. Затем масло было проанализировано при помощи тонкослойной хроматографии. Образец соответствовал предыдущим результатам экстракции масла котовника кошачьего традиционными методами. Затем была проведена очистка образца при помощи колоночной хроматографии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В сверхкритической флюидной экстракции (СФЭ), возможности растворителя определяются параметрами температуры и давления, так как они влияют на характеристики растворителя, включая плотность, вязкость и диффузивность. Затем температура и давление СЖ могут быть изменены для растворения необходимого аналита. Мы выбрали поддержание постоянной температуры на уровне выше критического, но при этом достаточно низкой, чтобы не разрушить матрикс (растительный материал), и изменять давление для повышения экстракции масла котовника кошачьего из измельченного и сухого растительного материала до максимального уровня. Наблюдалась пропорциональная связь между производительностью и давлением. При повышении давления повышается плотность растворителя, что обеспечивает большую степень проникновения через матрикс. Однако, повышение давления и проницаемости матрикса снижает селективность масла и приводит к большему количеству загрязнений. Согласно данным литературы (МакЭлвен и др., 1944), масло в котовнике кошачьем составляет от .3% до .6% общего веса растения, но наши результаты показали 4.6% - 5.7%, и поэтому оно содержит большое количество постороннего материала. Традиционный процесс экстракции растворителем с использованием диэтилового эфира дает материал, состоящий из 11.2% извлеченного масла котовника кошачьего по весу. Экстракция с использованием стандартных органических растворителей, ввиду более высокой полярности, извлекает большее количество загрязнений, что дает большее количество продукта, но с меньшей степенью чистоты. Хотя процесс СФЭ при изученных давлениях дает большое количество загрязнений в масле, отмечено их меньшее количество в сравнении с маслом, полученным в результате стандартной экстракции растворителем.

Непеталактон, биологический компонент, содержащийся в масле котовника кошачьего, в видах Nepeta cataria существует в виде двух стереоизомеров. Анализ при помощи ядерно-магнитного резонанса, проведенный на образцах масла, полученных с использованием СЖ, показывает наличие непеталактона. Изменение параметров экстракции, указанных ранее, может оптимизировать экстракцию этого состава.

Наше исследование было ограничено давлениями 5500, 6000 и 9000 ф/д2. Скорее всего, условия идеального давления находятся ниже этих давлений. Кроме того, температура, влияющая на диффузивность растворителя, нами не рассматривалась. Исследование процессов экстракции при различных температурах с постоянным давлением может стать основой для дальнейших экспериментов.

ССЫЛКИ

ДоВинг, К.Б и Тротье, Д. (1998) Структура и функции сошниково-носового органа.
Журнал экспериментальной биологии. (201): 21.
Айзенбраун, Э. Дж., Броун, Ц.Э., Ирвин-Виллис, Р.Л. и др. (1980) Структура и стереохимия 4aβ, 7α, 7aβ непеталактона из Nepeta mussini и его отношение к 4aα, 7α, 7aα и 4aα, 7α, 7aβ- непеталактону из N. cataria. Журнал органической химии. 45: 3811 – 14.
Гарни, Дж.В., Барофски, И.М., и Лири, Дж.Д. (1978) Исследование поведения и токсикологии циклопентаноидных монотерпенов из Nepeta cataria. Lloydia. 41(4): 367-74.
МакЭлвин, С.М., Брайт, Р.Д. и Джонсон, П.Р. (1944) Составляющие эфирного масла котовника кошачьего. Журнал американского химического общества. 63:1558 – 63.
Перрен, Д.М. (1996) Химия психотропных лекарственных веществ. Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество, 375-6.
Тейлор, Л.Т. (1996) Сверхкритическая флюидная экстракция. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 4-34, 103.
Уоллер, Г.Р., Прайс, Г.Х., и Митчелл, Э.Д. (1969) Кошачий аттрактант, цис-, транс- непеталактон. Журнал "Science". 164 (885): 1281-2.

Переведено специалистами ООО “Биолент”