Kinetika i optimizacija procesa izolacije biljnih ekstrakata sa antibakterijskim dejstvom

Abstract

Cilj ove doktorske disertacije bio je ispitivanje kinetike izolacije ekstrakata sa jakim antibakterijskim delovanjem iz biljnog materijala primenom različitih postupaka ekstrakcije. Za izolaciju bioaktivnih supstanci korišćena je natkritična ekstrakcija sa ugljenik(IV)-oksidom, hidrodestilacija i ekstrakcija etanolom sa i bez primene ultrazvuka. Predmetom istraživanja ove doktorske disertacije obuhvaćena je analiza i optimizacija različitih procesa izolacije, kao i ispitivanje sadržaja aktivnih komponenti i/ili antibakterijskog dejstva dobijenih ekstrakta za primenu u farmaceutskoj i/ili prehrambenoj industriji. U eksperimentima je, kao sirovina, korišćeno odabrano začinsko i lekovito bilje (Rosmarinus officinalis, Salvia officinalis, Thymus vulgaris, Origanum vulgare, Eugenia caryophyllata, Laurus nobilis, Angelica archangelica, Echinacea angustifolia, Verbascum thapsus, Calendula officinalis i Aloe barbadensis Miller), lišaj Usnea barbata i odabrane mešavine biljnog materijala (karanfilić/origano i karanfilić/timijan). U disertaciji je posebno ispitana i analizirana kinetika procesa natkritične ekstrakcije. S tim u vezi, ispitivan je uticaj operativnih parametara (pritiska i temperature) i odgovarajućeg predtretmana biljnog materijala sa natkritičnim ugljenik(IV)-oksidom na kinetiku natkritične ekstrakcije, kao i uticaj prisustva pojedinih biljnih sirovina u smeši (njihovih glavnih komponenata) na povećanje moći rastvaranja natkritičnog ugljenik(IV)- oksida (kosolventski efekat), pa samim tim i na povećanje brzine ekstrakcije i smanjenje potrošnje natkritičnog fluida. U disertaciji su, takođe, prikazani rezultati ispitivanja kinetike ekstrakcije etanolom sa i bez primene ultrazvuka. Za simulaciju procesa natkritične ekstrakcije iz pojedinačnih biljnih sirovina i izabranih mešavina biljnog materijala korišćeni su postojeći matematički modeli zasnovani na diferencijalnom bilansu mase (Stamenic i sar., 2008; Zizovic i sar., 2005; Sovova i sar., 1994a) i na analogiji sa prenosom toplote (Bartle i sar., 1990; Hong i sar., 1990; Reverchon i sar., 1994 i 1993). Odgovarajući parametri dobijeni primenom navedenih matematičkih modela, zajedno sa podacima o hemijskom sastavu, korišćeni su za interpretaciju fenomena prenosa mase u čvrstoj fazi i u filmu natkritičnog ugljenik(IV)-oksida do kojih dolazi tokom procesa natkritične ekstrakcije iz pojedinih biljnih sirovina i izabranih mešavina biljnog materijala. Za modelovanje procesa ekstrakcija sa etanolom korišćeni su postojeći modeli izvedeni iz drugog Fikovog zakona u cilju određivanja koeficijenata difuzije ekstraktivnih materija u čvrstoj fazi (Crank, 1975; Treybal, 1968). Za rešavanje jednačina navedenih matematičkih modela korišćen je softverski paket Microsoft Fortran PowerStation 4.0. Za ispitivanje antibakterijskog delovanja biljnih ekstrakata i etarskih ulja korišćenа је modifikovanа mikrodiluciona ili makrodiluciona metoda u bujonu opisana i preporučena od strane CLSI (Clinical Laboratory Standards Institute, 2008, SAD), koja se u rutinskoj laboratorijskoj praksi koristi za ispitivanje antibakterijskog delovanja antibiotika, tj. za određivanje vrednosti MIC (minimalne inhibitorne koncentracije) antibiotika. Antibakterijsko delovanje biljnih ekstrakata ispitivano је na sojevima: Staphylococcus vrsta, uključujući sojeve Staphylococcus aureus koji su rezistentni na meticilin (MRSA), Enterococcus vrsta (uključujući vankomicin rezistentne enterokoke, VRE), Streptococcus, Bacillus i Geobacillus vrsta. Ispitan je uticaj pojedinih ekstrakta i na sojeve Gram-negativnih bakterija, Е.coli, Enterobacter cloacae i Sallmonela Enteritidis...

This study was aimed to investigate kinetics of isolation of the extracts with strong antibacterial activity from plant material by using different extraction processes. The bioactive substances from plant matrial were isolated by supercritical carbon dioxide extraction, hydrodistillation and ethanol extraction with and without ultrasound. The scope of the present study was kinetic analysis and optimization of different extraction processes as well as content of active substance and/or antibacterial activity of isolated supercritical extracts for application in pharmaceutical and/or food industry. Selected herbs and spices (Rosmarinus officinalis, Salvia officinalis, Thymus vulgaris, Origanum vulgare, Eugenia caryophyllata, Laurus nobilis, Angelica archangelic), Echinacea angustifolia, Verbascum thapsu, Calendula officinalis, Aloe barbadensis Miller), lichen Usnea barbata and selected mixtures of plant materials (clove/oregano and clove/thymus) were used as raw material for experiments. In this study, supercritical carbon dioxide extraction kinetics was particularly analyzed. Therewith, influence of operating parameters (pressure and temperature) and pretreatment of the plant material with supercritical carbon dioxide on the supercritical extraction kinetics, influence of presence of particular plant material in the mixtures of plants (their main components) on the solubility power of supercritical carbon dioxide (co-solvent effect) and subsquently on increase of extraction rate and reduction of supercritical fluid consumption was investigated in this work as well. The results of investigation of the kinetics of ethanol extractions are also presented here. Mathematical models based on differential mass balance (Stamenic et al., 2008; Zizovic et al., 2005; Sovova et al., 1994a,b) and heat transfer analogy (Bartle et al., 1990; Hong et al., 1990; Reverchon et al., 1994, 1993) were used for simulation of process of supercritical carbon dioxide extraction from pure plants and chosen mixture of plants for evaluation of parameters that can be used for interpretation of the mass transfer phenomena in the solid and supercritical carbon dioxide phase. Mathematical models based on the Second Fick’s Law were used for simulation of ethanol extractions in order to evaluate coefficients of diffusion of extractible substances in solid phase (Crank, 1975; Treybal, 1968). Solution of the equations of above metioned mathematical models were solved using Microsoft Fortran PowerStation 4.0. For antibacterial susceptibility testing, modified broth microdilution оr macrodilution method was applied in accordance with the prescription of CLSI (Clinical Laboratory Standards Institute, 2008, USA and corresponding MIC (minimal inhibitory concentration) values were determined. Antibacterial effect of plant extracts on Staphylococcus species including meticillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) bacterial strains as well as Enterococcus (including vancomycin resistant strains–VRE), Streptococcus, Bacillus and Geobacillus species was investigated. Antibacterial activity of extracts on the Gram-negative bacteria such as Е.coli, Enterobacter cloacae and Sallmonela Enteritidis was investigated as well...