Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Работы первого года проекта велись по следующим направлениям: - исследование особенностей удерживания и разделения модельных смесей структурно близких соединений на различных сорбентах в сверхкритической флюидной хроматографии; - исследование влияния параметров процесса на массовый выход сверхкритической экстракции масла из плодов облепихи крушиновидной; - первичное исследование применимости сверхкритической экстракции для выделения нелетучих фракций из хвои сосны, обладающих ценной биологической активностью; - модификация оборудования для осуществления ультразвуковой интенсификации сверхкритической экстракции в стационарном и проточном режимах; - апробация ультразвуковой интенсификации сверхкритической экстракции в стационарном и проточном режимах на примере облепихи крушиновидной в качестве исходного сырья; - апробация двухступенчатой схемы десорбции погонов дезодорации подсолнечного масла с силикагелевого сорбента сверхкритическим СО2 с целью выделения фракции, обогащённой по содержанию токоферолов. В теме разделения смесей структурно близких соединений методом СФХ наиболее значимыми результатами оказались подтверждённая высокая селективность разделения производных бензола на пористом графитированном углероде, а также высокая селективность разделения позиционных изомеров триацилглицеридов на некоторых видах силикагелевых сорбентов с триаконтановыми функциональными группами. Было подтверждено, что разделение изомеров ксилолов на углеродном сорбенте протекает преимущественно за счёт энтропийного фактора, при этом данный факт не является спецификой сверхкритической хроматографии, а наблюдается также и в жидкостной. Разделение гомологов алкилбензолов на углеродном сорбенте подчинено закономерностям, характерным для СФХ, в частности, при построении изобарных температурных зависимостей удерживания наблюдаются явления кроссовера, то есть влияние давления флюида на тип температурных зависимостей не только удерживания, но и селективности разделения. Для разделения смесей позиционных изомеров триацилглицеридов на триаконтановом сорбенте обнаружен необычный эффект нелинейного и немонотонного влияния параметров состояния сверхкритического элюента на коэффициенты удерживания изомеров. В особенности удивительным является найденное немонотонное влияние давления на удерживание, как правило, не наблюдаемое в СФХ. Показано, что эффективная экстракция масла из плодов облепихи крушиновидной происходит при высоких значениях давления сверхкритического флюида и величинах гидромодуля не менее 30. Предложен простой способ получения масла облепихи с суммарным содержанием каротиноидов порядка 500 мг на 100 г масла на базе сверхкритической экстракции с последующим центрифугированием тотального экстракта и отделением масла от твёрдой восковой фракции. Стационарная ультразвуковая интенсификация этого процесса позволяет дополнительно увеличить массовый выход экстракции, однако предпочтительно использование высоких значений давления и проточного режима обработки для этой цели как более значимых факторов влияния на степень извлечения экстрактивных веществ из данного сырья. Проведено численное моделирование ультразвуковой интенсификации проточной сверхкритической экстракции, найдены оптимальные геометрические параметры для креплений ультразвуковых излучателей на внешней поверхности сосуда высокого давления. Показано, что ступенчатая сверхкритическая десорбция может быть эффективным методом фракционирования концентратов погонов дезодорации подсолнечного масла. Просто силикагелевый сорбент без модификации позволяет проводить такое фракционирование. При давлении флюида порядка 100 бар на первой ступени десорбции и > 300 бар на второй ступени удаётся получить фракции с содержанием токоферолов выше 80%. Проведён качественный анализ состава СО2-экстрактов хвои сосны, извлекаемых при различных параметрах состояния сверхкритического экстрагента. Предварительно показана перспективность использования сверхкритических флюидных сепарационных технологий для выделения нелетучих ценных биологически активных веществ из хвои.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В истекшем году основной упор был сделан на исследования возможностей совмещения ультразвуковой интенсификации со сверхкритической флюидной экстракцией (СФЭ-УЗ) для ускорения извлечения целевых веществ, а также возможностей различных техник очистки сверхкритических экстрактов от нецелевых примесей непосредственно в ходе извлечения. К последним относятся такие методы как ступенчатая экстракция, ступенчатая десорбция, экстракция с онлайн-винтеризацией и совмещение экстракции с хроматографией. Исследовалась применимость этих методов для получения экстрактов плодов облепихи, обогащённых по содержанию каротиноидов, экстрактов листьев лавра, обогащённых по содержанию сесквитерпеновых лактонов и одновременно очищенных от балластных восковых компонентов, экстрактов древесной зелени хвойных, обогащённых по содержанию полипренолов, а также для выделения концентрата токоферолов из погонов дезодорации подсолнечного масла. Был разработан, изготовлен и отлажен модуль ультразвуковой интенсификации для лабораторной сверхкритической флюидной экстракции (СФЭ-УЗ). Модуль позволяет настраивать параметры УЗ-обработки флюида, добиваясь действительной накачки энергии в зону сверхкритической обработки сырья, что само по себе нетривиальная инженерная задача. С его использованием были проведены исследования применимости ультразвуковой обработки для интенсификации извлечения каротиноидов из облепихи крушиновидной и эфирного масла, обогащённого по секвитерпеновым лактонам, из листьев лавра благородного. В отношении облепихи было обнаружено, что, вопреки ожиданиям, ультразвуковая обработка никак не сказывается ни на общем массовом выходе экстракции, ни на скорости извлечения, ни на содержании каротиноидов во фракциях. Судя по форме кинетических кривых экстракции, СО2-экстракция облепихи протекает преимущественно в режиме лимитированной растворимости экстрактивных веществ в СК-СО2, а не лимитированной скорости диффузии, и УЗ-обработка не в состоянии снять это термодинамическое ограничение. При экстракции лавра УЗ-обработка даёт почти 8-кратный рост скорости извлечения экстрактивных веществ и значительный, от 30% до 90% прирост массового выхода. Однако эти ускорения и прирост обеспечены практически преимущественно балластными компонентами (воска, парафины, сложные эфиры жирных кислот, фитостерины), которые не увеличивают ценности экстрактов лавра. Были исследованы возможности двух способов очистки экстрактов лавра от балластных компонентов: онлайн-совмещение СО2-экстракции с хроматографией и онлайн-винтеризация (вымораживание). Для реализации первого способа был разработан и воплощён лабораторный дизайн СФЭ-СФХ с непрерывной подачей экстракта в хроматографическую колонну. Было показано, что винтеризация успешно позволяет очищать СКФ-экстракты лавра от нежелательных компонентов, при этом необязательно добиваться низких температур вымораживания, достаточно даже умеренных значений, порядка +10°С. В то же время хроматография, по крайней мере, в текущем её изводе, либо не даёт никакого разделения, либо приводит к обогащению экстрактов по нежелательным компонентам и избыточному удерживанию целевых кислород-содержащих моно- и сесквитерпеновых производных. Отдельно было показано, что типового газохроматографического анализа недостаточно для описания всего состава очищенных экстрактов лавра, необходимо привлекать иные аналитические методы. Было проведено исследование применимости метода ступенчатой сверхкритической десорбции для выделения концентрата токоферолов из погонов дезодорации подсолнечного масла. Было показано, что полярные силикагелевые сорбенты позволяют добиваться сорбции токоферолов со значительной степенью селективности и тем самым обеспечивать их отделение от неполярных примесей при ступенчатой СО2-десорбции даже при работе с неочищенными погонами дезодорации. В отношении данного объекта также была продемонстрирована недостаточность простого ВЭЖХ-УФ-анализа содержания токоферолов для проведения исследования, обозначена необходимость применять иные аналитические методы. Был предложен и успешно опробован простой способ одновременного получения очищенного эфирного масла и выделения полипренолов из древесной зелени хвойных путём двухступенчатой сверхкритической экстракции. Были найдены условия, в которых на первой стадии извлекается эфирное масло без примеси полипренолов, которое затем легко очищается от балластных восков центрифугированием, а на второй стадии экстракции из того же сырья извлекается концентрат, содержащий смесь полипренолов. Кроме того, в этом году были продолжены работы по изучению механизмов удерживания в сверхкритической флюидной хроматографии (СФХ). Конкретно, были изучены механизмы влияния так называемых добавок на процессы удерживания и разделения в СФХ. Добавки – это вещества, вводимые в подвижную фазу в малых количествах (<1%), но оказывающие существенное влияние на механизмы удерживания. В СФХ чаще всего используются четыре вида добавок: органические кислоты, алифатические амины, аммониевые соли и вода. С использованием метода линейных зависимостей энергий с расширенным набором дескрипторов Абрахама, позволяющего рассмотреть вклад различных видов межмолекулярных взаимодействий в хроматографическое удерживание, были детально описаны эффекты, возникающие при введении четырёх типов добавок в СФХ системы с различными типами сорбентов. Среди прочего было продемонстрировано, что ионные взаимодействия удивительным образом играют существенную роль в СФХ, даже при использовании сорбентов с электронейтральными функциональными группами и при работе со слабо ионизируемыми аналитами. Наиболее интересная и неожиданная находка в этой части работы заключается в том, что аминные добавки оказывают на хроматографическую систему в точности такое же действие, как и аммониевые соли. Предположительно, в среде СФХ амины вступают в химическое взаимодействие со смесью СК-СО2-метанол и частично переходят в форму аммониевых молей алкилугольной кислоты, подобно тому, как это происходит в синтезе т.н. обратимых ионных жидкостей.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Основной объём работ на третьем году проекта был выполнен по тематике селективного извлечения фурокумариновых фотосенсибилизаторов из растений семейств Зонтичные с использованием сверхкритических флюидных технологий. Фурокумарины – природные биологически активные соединения, производные кумарина, синтезируемые многими растениями семейств Зонтичные, Рутовые и иных для защиты от различных агрессоров: вирусов, бактерий, грибов, насекомых и пр. Человечество издревле использует эти вещества для лечения кожных заболеваний методами фототерапии, с одновременным применением фурокумариновых препаратов растительного происхождения и обработки светом. Разные фурокумарины обладают весьма различающейся активностью в фототерапии и побочными эффектами при приёме, а в растительном сырье в зависимости от вида и условий произрастания могут содержаться одновременно десятки различных фурокумаринов в различных соотношениях, поэтому разработка методов селективного выделения этих веществ из растительного сырья – актуальная научная и практическая задача. Работа велась с тремя видами растительного сырья: корни борщевика Сосновского Heracleum sosnowskyi Manden., корни дудника лесного Angelica sylvestris L. и семена пастернака посевного Pastinaca sativa L. Были разработаны методики исчерпывающей экстракции фурокумаринов из этих видов сырья методом жидкостной экстракции в аппарате Сокслета. Были разработаны две аналитические хроматографические методики анализа состава экстрактов фурокумарин-содержащего сырья, одна на базе метода обращённо-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии, другая на базе метода сверхкритической флюидной хроматографии. Оба метода подразумевают возможности спектрофотометрического и масс-спектрометрического детектирования веществ, в том числе и в режиме тандемной масс-спектрометрии, что позволило осуществить идентификацию целевых соединений в составе экстрактов. В семенах пастернака было продемонстрировано присутствие фурокумаринов ксантотоксина, изопимпинеллина, бергаптена и императорина, каждый из которых активен в фототерапии псориаза. В корнях дудника лесного были обнаружены фурокумарины бергаптен, императорин, острутол и оксипевцеданин, последний является главным компонентом экстрактов этого растения. В корнях борщевика Сосновского зарегистрированы традиционные для этого соединения фурокумариновые компоненты: ангелицин, пимпинеллин, изобергаптен, ксантотоксин, изопимпинеллин и бергаптен. Помимо этого, в данном объекте также предположительно идентифицировано наличие императорина, прангелина, феллоптерина, а также двух биосинтетических предшественников фурокумаринов, вагинола и его гликозида аптерина. Последнее особенно примечательно, так как присутствие этих компонентов в составе борщевика Сосновского ранее не фиксировалось, и при этом именно они могут быть ответственны за ряд его биологических свойств. При этом было показано, что суммарное содержание фурокумаринов в корнях борщевика Сосновского вовсе не так велико, как можно предположить, исходя из известной высокой токсичности этого растения; так, общее содержание фурокумаринов в корнях дудника даже выше, чем в корнях борщевика. Была изучена кинетика извлечения фурокумариновых компонентов из трёх данных видов сырья сверхкритическим СО2 при высоких значениях давления (300 бар) и различных температурах. Было обнаружено, что экстракция сверхкритическим СО2 позволяет извлекать фурокумарины из Зонтичных с несоизмеримо более высокой скоростью, чем жидкостная экстракция в аппарате Сокслета, а при использовании высоких температур сверхкритического флюида (~ 100°C) – даже с большей степенью извлечения. Это делает сверхкритическую экстракцию потенциально перспективным методом препаративного извлечения фурокумариновых фотосенсибилизаторов из растительного сырья. Показано, что экстракция корней борщевика и дудника и экстракция семян пастернака протекает с качественно разной скоростью. Для первых двух объектов окончание линейного периода экстракции происходит уже при значениях гидромодуля (отношения массы пропущенного экстрагента к массе исходного сырья) порядка 5, а выход диффузионно-ограниченного периода на плато происходит при значениях гидромодуля ~ 20. Для пастернака линейный период с постоянной скоростью экстракции длится до значений гидромодуля ~ 30, затем до гидромодуля 50 идёт смешанный период с постепенным падением скорости экстракции. Вероятно, это объясняется различиями в составе корней и семян: общий массовый выход экстракции из корней сравнительно невелик, 1.5 – 2%, и фурокумарины в нём являются главными компонентами, а из семян пастернака извлекается порядка 10% масла, и фурокумарины составляют лишь малую его долю. Было показано, что ультразвуковая интенсификация процесса экстракции корней Зонтичных не позволяет сколько-нибудь заметно повысить скорость извлечения фурокумаринов и не вносит значимых изменений в общий профиль извлекаемых экстрактивных веществ. В рамках дополнительных исследований закономерностей кинетики сверхкритической экстракции растительного сырья был обнаружен любопытный эффект: некоторые компоненты растительного сырья в ходе СО2-экстракции движутся вдоль объёма сырья в сосуде хроматографоподобным образом. Флюид растворяет вещества с поверхности растительного материала, проносит на некоторое расстояние, далее вещества частично сорбируются обратно на поверхность материала, затем снова десорбируются и т.д. В частности, такой эффект наблюдается для движения влаги, содержащейся в любом растительном сырье, при СО2-экстракции, что при некоторых условиях может приводит к тому, что влажность отдельных частей шрота после экстракции может быть даже выше, чем влажность исходного материала. Аналогичный эффект зарегистрирован и для других модельных объектов; есть основания полагать, что он может проявляться, в частности, и в экстракции фурокумаринов из корней борщевика. В рамках исследования механизмов удерживания структурно-близких веществ в хроматографии более подробно изучен эффект разделения позиционных изомеров диметилбензола (ксилола) на сорбентах на основе пористого графитированного углерода. Предложена модель процесса, объясняющая меньшее удерживание мета-ксилола на углероде большим вкладом трансляционной составляющей энтропии в общее удерживание, связанное с большим радиусом гирации этой молекулы по сравнению с мета- и пара- изомерами. Разделение же двух последних объясняется сложным сочетанием вкладов вращательной энтропии и энтальпийного фактора, связанного с возможностью неплоского контакта ксилолов с поверхностью графита. На соотношение этих противоборствующих факторов оказывает влияние конкурирующая адсорбция компонентов подвижной фазы хроматографической системы на поверхности графита, поэтому при различных составах элюента более сильное удерживание может реализовываться и для пара-, и для орто-ксилола.