Перефразируя великого русского ученого Михайло Ломоносова, можно сказать, «… далеко простирает руки свои экстракция в дела человеческие…». И это действительно так, ведь любой отвар биологических материалов, будь это свекла с капустой и морковью или мясо с красным или черным перцем; все это, по сути дела, экстракт.
Масляные настои лекарственных, пряно-ароматических растений и специй являются, вероятно, вторыми после водных отваров и настоев экстрактными полупродуктами, которые человек начал использовать к своей пользе в качестве вытяжек из различного растительного сырья.
Все, даже самые современные, технологии экстрагирования основываются на массопереносе соединений из среды с более высокой их концентрацией в среду с более низкой концентрацией. Любые отвары и настои основываются именно на принципе такого массопереноса.
Интенсивность массообмена биохимических соединений между средами с разной их концентрацией, а следовательно, насыщенность экстракта этими соединениями, зависит от нескольких факторов. Во-первых, от площади поверхности твердой фракции, которая контактирует с жидкой средой – экстрагентом; во-вторых, от скорости омывания свежим, еще ненасыщенным, экстрагентом сырья; в-третьих, от способности и активности экстрагента к вымыванию тех или иных соединений.
В свою очередь, все соединения обладают сродством к тем или иным типам экстрагентов. В обиходе такие соединения делят на маслорастворимые (липофильные) и водорастворимые (гидрофильные). С точки зрения физической химии первые являются неполярными, а вторые – полярными. Однако, по степени полярности точного разделения у соединений нет, а вот используемые экстрагенты по этому признаку можно разделить. К абсолютно неполярным экстрагентам относятся практически все масла, сжиженный диоксид углерода (углекислый газ) и ряд органических растворителей – бензин, бензол, толуол, ацетон и др. Наиболее полярными экстрагентами являются минеральные кислоты, вода, и многоатомные спирты, например, глицерин. Простые спирты, метиловый, этиловый и более сложные – пропиленгликоль, бутиленгликоль условно можно отнести к среднеполярным, причем с ростом молекулярной массы спирта полярность его возрастает. Этим объясняется то, что ряд неполярных соединений растворяется в простых спиртах так же хорошо, как и абсолютно неполярных экстрагентах; а, казалось бы, полярные соединения, например из группы алкалоидов или флавоноидов, достаточно хорошо растворяются в неполярных растворителях.
Еще одним немаловажным фактором является термолабильность соединений, т.е. их способность не разрушаться под действием относительно высоких температур. В качестве классического примера можно рассмотреть витамин С. Он начинает распадаться уже при 420С, а при 450С разрушается полностью. Возникает вопрос (риторический, разумеется), присутствует ли витамин С в водном отваре, например, шиповника; ведь именно такой, шиповниковый, чай, рекомендуют в качестве витаминного напитка содержащего витамин С?…
Конечно, далеко не все биологические соединения столь термолабильны, многие, например витамины группы В, выдерживают температуру порядка 800С, а достаточно широкая гамма соединений не разрушается и при более чем 2000С. Однако, наиболее интересные с точки зрения биологической активности или рассматриваемые в качестве носителей аромата соединения теряются при температурах выше 1000С.
Масла и диоксид углерода прекрасно растворяют и экстрагируют неполярные соединения, однако диоксид углерода несколько более полярен, поэтому в СО2-экстракты частично переходят некоторые слабополярные соединения. Это подтверждается хроматомасс-спектрометрическими исследованиями, которые проводились с докритическими СО2-экстрактами компания «Биоцевтика» на химическом факультете МГУ.
При производстве масляных экстрактов, для повышения степени экстрагирования, т.е. для более полного вымывания экстрагируемых соединений, измельченное растительное сырье выдерживают в масле, разогретом до 700С – 900С. Причем этот процесс может занимать от нескольких часов до нескольких суток.
В случае докритической СО2 экстракции процесс экстрагирования тоже может продолжаться до 4 часов, но его температура ни на каком этапе не может превышать 370С.
При классической масляной экстракции растительное сырье предварительно измельчается, и, у наиболее ответственных производителей, даже проходит дополнительные обработки типа прессования. Это позволяет увеличить площадь омываемых экстрагентом поверхностей и, следовательно, увеличить скорость экстрагирования и повысить выход биологически активных соединений в получаемый экстракт.
При производстве докритических экстрактов компании «Биоцевтика» сырье тоже измельчается до размера лепестка диаметром 3-5мм и толщины порядка 0,1мм. Затем в ходе процесса еще не разрушенные растительные клетки (механической обработки для разрушения клеток недостаточно) насыщаются сжиженным углекислым газом под давлением в 65 атм., после чего давление резко сбрасывается, в результате чего сжиженный СО2 немедленно переходит в газообразное состояние и взрывообразно увеличивает свой объем. При этом стенки растительных клеток и внутриклеточных органелл разрываются и содержащиеся внутри этих объемов биологически активные соединения становятся доступными, так как клеточные мембраны перестают препятствовать их вымыванию. Такой процесс называют «взрывом сырья». Площадь омываемой растворителем поверхности у «взорванного» сырья более чем в сто раз выше, чем у обычного сырья, прошедшего обычную механическую обработку измельчением.
Так как в 100% СО2 экстракте экстрагентом является углекислый газ, который при обычных условиях из экстракта полностью удаляется, то, следовательно, состав такого экстракта на указанные 100% состоит из нативных биологически активных соединений, обладающих слабой полярностью, и неполярных.
В случае классической экстракции маслами в получаемый экстракт обычно переходит до 5% исключительно неполярных и наиболее легко экстрагируемых соединений. В первую очередь это насыщенные жирные кислоты, а именно растительные масла и жирорастворимые витамины – провитамин А (каротин) и витамин Е. Причем из-за высокой температуры процесса экстрагирования наиболее ценный, в витаминном плане, каротин частично окисляется и образует различные ксантофиллы, которые А-витаминной активностью не обладают. Витамин Е более термоустойчив и в таких экстрактах сохраняется. Полиненасыщенные жирные кислоты классов омега-3 и омега-6 окисляются до эфиров и могут давать неприятный запах прогоркшего масла. Таким образом, состав масляных экстрактов оказывается не только значительно беднее по номенклатуре, чем у СО2-экстрактов; но еще и не полностью нативным, за счет термических и химических превращений ряда входящих в его состав биологически активных соединений.
Дополнительно следует учесть, что каждое растение имеет свой характерный набор биологически активных соединений, и именно природный комплекс таких соединений за счет синергизма, обладает наивысшей функциональностью; с учетом этого обстоятельства, безусловно, докритические СО2 экстракты более привлекательны, как функциональные добавки, как в производстве пищевых продуктов, так и в косметологии и фармакопее.
Кажущаяся дороговизна использования СО2-экстрактов по сравнению с масляными экстрактами компенсируется более низкими нормами вноса и более высоким функциональным действием. Например, рекомендуемые нормы вноса классических масляных экстрактов в косметические средства, при которых можно ожидать появления хотя бы какого-то эффекта, составляют 3-5% от массы готового продукта. В то время как нормы вноса для наиболее популярных в косметике 10% масляных растворов СО2-экстрактов (артикул А10 по нашей внутренней классификации) составляют 0,05-0,5%. А при использовании в пищевой промышленности, диапазон норм вноса наиболее популярных для этого типа применения 100% СО2-экстрактов (артикул А100 по нашей внутренней классификации), составляет 0,001-0,005%.
Во всех случаях применение СО2-экстрактов оказывается более выгодным даже в рамках чисто бухгалтерской логики, без учета всех тех дополнительных положительных качеств, которыми обладает СО2-экстракт по сравнению с масляными экстрактами/настоями; в косметике это более высокий функционал, в пищевой продукции это значительно лучшие вкусо-ароматические характеристики (плюс функциональные тоже). Таким образом, переход с масляных экстрактов на СО2-экстракты позволит не только снизить (или как минимум не увеличить) себестоимость вашего продукта, но и сделает его ощутимо более качественным, по сравнению с предыдущей версией, что по достоинству оценят ваши покупатели.