Extraction of essential and toxic elements from medicinal plant raw materials by different extractants
Extraction of essential and toxic elements from medicinal plant raw materials by different extractants
Abstract
The toxicity of herbal drugs is determined not only by organic substances such as alkaloids and cardiosteroids, etc., but also by inorganic elements that can perform both essential and toxic functions in the body.
In addition to the toxicant elements regulated by the State Pharmacopoeia, it is necessary to take into account other potentially hazardous elements that may also be present in medicinal raw materials. In the vast majority of cases, herbal medicines are obtained from plant raw materials, by preparation of extemporaneous forms, using liquid extractants, most often water-alcohol solutions. In this regard, it is important to conduct a comprehensive study of the content of trace elements in water-alcohol extracts from medicinal plant raw materials and to examine how the concentration of the alcohol component in the extractant affects the level of extractable trace elements.
The objects of research were the above-ground part of Pulmonaria mollis Wulf. ex Horn., Macronutrients – Mg, K, Ca; essential elements – Mn, Fe, Cu, Zn; toxicant elements – As, Cd, Hg, Pb and conditionally toxic elements – Se, Sr, Mo, Ba were selected as the examined elements. Quantitative determination of elements was carried out by inductively coupled plasma mass spectrometry.
It was found that the maximum extraction of elements (except for organic As, Cu, Zn) is achieved using extractants with ethanol concentration not more than 40%, confirmed by the results of cluster analysis. Two clusters were identified on the hierarchical dendrogram – cluster 1 with alcohol concentrations of 70 and 90% and cluster 2, which combined extractants with ethanol concentrations from 0 to 40%. The threshold value of 70% can be explained by the fact that most of the trace elements are located in the protein-polysaccharide matrix, which at an ethanol concentration of 70% denatures and is not extracted from the raw material.
Thus, dosage forms based on ethanol with strength above 70% contain significantly lower amounts of toxicant elements. At the same time, water-alcohol extractants with ethanol content not exceeding 40% should be used to obtain phytodrugs for the prevention of dyselementosis.
1. Введение
Любое лекарственное средство, в том числе и растительного происхождения, помимо эффективности, должно удовлетворять и требованиям безопасности его применения и прежде всего отсутствию токсичности. Токсичность лекарственных растительных препаратов определяется не только органическими веществами, такими как алкалоиды и кардиостероиды и др., но и неорганическими элементами, которые могут выполнять в организме как эссенциальные, так и токсические функции
. Так, биогенные элементы, такие как железо, медь, цинк и марганец, играют важную роль в поддержании гомеостаза и нормального функционирования организма и лекарственное растительное сырье, используемое для приготовления, например лекарственных растительных препаратов (ЛРП), обладающих кроветворным действием , является весьма востребованным для профилактики железодефицитной анемии. Однако при превышении определенных пороговых концентраций эссенциальные элементы становятся токсичными и способны провоцировать развитие различных патологий . В частности, избыток железа является причиной развития печеночной недостаточности, а избыток марганца приводит к поражениям центральной нервной системы и, в то же время, оба они входят в пул элементов, регулирующих кроветворение .Кроме того, любое производящее лекарственное растительное сырье (ЛРС) растение, помимо биологически активных веществ, и эссенциальных (биогенных) элементов, содержат широкий спектр микроэлементов, которые могут накапливаться в организмах при длительном применении. Государственная фармакопея Российской Федерации XV издания
регламентирует содержание в ЛРС свинца, кадмия, мышьяка и ртути, поскольку они представляют наиболее выраженную опасность для здоровья человека.Вместе с тем, помимо регламентируемых фармакопеей элементов-токсикантов, необходимо учитывать и другие потенциально опасные элементы, которые также могут присутствовать в лекарственном сырье. В частности, институт микроэлементов ЮНЕСКО относит к числу токсичных, например, барий, стронций, селен, молибден
. Эти вещества обладают широким спектром токсикологических эффектов: барий оказывает кардиотоксическое действие; стронций способен замедлять формирование костной ткани, вытесняя кальций; селен характеризуется полиорганным поражением; молибден проявляет сильное нейротоксическое действие нарушает метаболизм мочевой кислоты. Все эти элементы могут присутствовать в окружающей среде и накапливаться в растениях, что актуализирует необходимость их мониторинга в составе лекарственных препаратов на основе ЛРС.Следует учитывать, что многие ЛРП, получаемые из растительного сырья, чаще всего используются для приготовления экстемпоральных форм, с использованием жидких экстрагентов, наиболее часто это водно-спиртовые растворы. Важно, что состав микроэлементов в водно-спиртовых извлечениях может отличаться от их содержания в исходном сухом сырье, поскольку экстракция влияет на концентрацию как биологически активных, так и токсичных элементов.
Для нормирования содержания в жидких лекарственных формах как ориентир и для оценки безопасности водно-спиртовых извлечений, особенно если такие препараты предназначены для длительного применения можно использовать нормативы предназначены для питьевой воды. Санитарные нормы, разработанные для питьевой воды, регламентируют содержание 17 элементов, включая алюминий, барий, бериллий, бор, железо, кадмий, марганец, молибден, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк, селен, хром и стронций
.Исходя из изложенного, важно провести комплексное исследование содержания микроэлементов в водно-спиртовых извлечениях из лекарственного растительного сырья и изучить, как концентрация спиртового компонента в экстрагенте влияет на уровень экстрагируемых микроэлементов. Такие данные позволят определить оптимальные условия экстракции, при которых содержание токсичных элементов в растворах будет минимизировано, что особенно важно для обеспечения безопасности применения ЛРП. В результате данного исследования возможно создать научно обоснованные рекомендации по использованию растительных экстрактов в терапевтических целях, опираясь на стандарты безопасности, установленные для питьевой воды и фармакопеи. Это позволит повысить качество экстемпоральных форм на основе растительных экстрагентов, обеспечивая их соответствие требованиям безопасности и минимизируя риск токсического воздействия на организм.
2. Методы и принципы исследования
Объектами исследований служили надземная часть медуницы мягкой Pulmonaria mollis J.P.Wolff ex Hornem.(1813), собранной в окрестностях пос. Венгерово Новосибирской области под пологом смешанного леса (55°41′ с.ш. и 76°47′ в.д.) в фазе цветения. Собранное сырье доводилось до воздушно-сухого состояния при комнатной температуре и измельчалось. Навеска измельченного сырья помещалась в колбу куда добавляли экстрагент в соотношении 1:50. Колба присоединялась к обратному холодильнику и выдерживалась на кипящей водяной бане. После охлаждения фильтрат сливали, к оставшемуся сырью добавляли тот же экстрагент в соотношении 1:30 и экстракцию повторяли. Полученные фильтраты объединяли и отбирали из объединенного фильтрата аликвоту 10,0 мл на анализ. В качестве экстрагента использовали воду и водно-спиртовые смеси содержащие 10, 20, 30,40,70 и 90% этанола. Отдельно на анализ отправлялась навеска исходного высушенного сырья.
В качестве исследуемых элементов были выбраны макроэлементы – Mg, K, Ca; эссенциальные элементы – Mn, Fe, Cu, Zn; элементы-токсиканты – As, Cd, Hg, Pb и условно-токсичные элементы – Se, Sr, Mo, Ba. Количественное определение элементов проводили методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на приборе ELAN DRC-II по утвержденной методике
. Для контроля правильности определения использовали метод добавок. Параметры работы масс-спектрометра: мощность генератора 1500 Вт; распылитель – поперечно-потоковый; распылительная камера – неохлаждаемая двухходовая. Расход плазмообразующего потока аргона – 15 л/мин; расход анализируемого образца – 1,5 мл/мин. Для обеспечения стабильного режима работы масс-спектрометра все измерения проводили в термостатированных условиях при температуре 22,0±1,5 °С. Проводили пять параллельных определений для каждого анализируемого образца, за результат принимали среднее значение.Для анализа полученной матрицы данных была также применена иерархическая кластеризация с формированием кластеров по методу Варда
.При анализе принимали в расчет критерии, соответствующие уровню доверительной вероятности P=95%. Расчет выполняли средствами программы Microsoft Excel. Кластерный анализ выполняли с помощью программы Statistica-10
.3. Основные результаты
Полученные результаты приведены в таблицах 1 и 2
Таблица 1 - Содержание микроэлементов в жидких извлечениях
Концентрация этанола,% | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 60 | 70 | 90 |
Mg, мг/л | 12,3 | 14,1 | 13,2 | 13,0 | 13,6 | 9,2 | 6,6 | 1,0 |
K, мг/л | 413,52 | 398,33 | 468,22 | 298,9 | 379,37 | 277,1 | 175,65 | 100,77 |
Ca, мг/л | 13,08 | 10,75 | 14,64 | 9,75 | 11,3 | 5,25 | 0 | 0 |
Mn, мг/л | 0,293 | 0,281 | 0,279 | 0,227 | 0,205 | 0,103 | 0,022 | 0 |
Fe, мг/л | 0,894 | 0,54 | 0,527 | 0,455 | 0,404 | 0,286 | 0,221 | 0,218 |
Cu, мг/л | 0,032 | 0,025 | 0,032 | 0,024 | 0,028 | 0,029 | 0,028 | 0,026 |
Zn, мг/л | 0,24 | 0,3 | 0,33 | 0,22 | 0,29 | 0,027 | 0,2 | 0,21 |
As, мг/л | 0,00056 | 0,00076 | 0,00099 | 0,00114 | 0,00111 | 0,00072 | 0,00056 | 0,00005 |
Se, мг/л | 0,00114 | 0,00156 | 0,00122 | 0,00076 | 0,00087 | 0,00042 | 0,00003 | 0,00003 |
Sr, мг/л | 0,043 | 0,04 | 0,058 | 0,019 | 0,026 | 0,0041 | 0 | 0 |
Mo, мг/л | 0,0009 | 0,00092 | 0,00085 | 0,00076 | 0,00104 | 0,00033 | 0,0001 | 0 |
Cd, мг/л | 0,00037 | 0,00018 | 0,00021 | 0,00027 | 0,00027 | 0,00013 | 0,00011 | 0 |
Ba, мг/л | 0,075 | 0,075 | 0,09 | 0,069 | 0,077 | 0,028 | 0 | 0 |
Hg, мг/л | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Pb, мг/л | 0,01 | 0,006 | 0,007 | 0,008 | 0,008 | 0,0032 | 0,003 | 0 |
Таблица 2 - Содержание микроэлементов в сухом сырье и в извлечении
Показатель | Содержание в сухом сырье, мкг | Содержание в извлечении, мкг | %, извлекаемости |
Mg | 2081,0 | 616,0 | 30,0 |
K | 44538,0 | 20676,0 | 46,0 |
Ca | 11842,0 | 654,0 | 5,5 |
Mn | 107,0 | 14,7 | 13,7 |
Fe | 180,0 | 44,7 | 24,8 |
Cu | 10,3 | 1,6 | 15,6 |
Zn | 33,6 | 12,1 | 36,0 |
Sr | 50,5 | 2,4 | 4,7 |
As | 0,29 | 0,057 | 19,0 |
Ba | 62,8 | 45,0 | 71,6 |
Mo | 0,19 | 0,052 | 27,4 |
Cd | 0,13 | 0,019 | 14,3 |
Pb | 0,38 | 0,05 | 13,0 |
Hg | 0,009 | -*1 | 0 |
Примечание: *1 - содержание не превысило содержание элемента в чистом экстрагенте
Зависимости содержания микроэлементов от концентрации этанола в экстрагенте приведены на рис 1-4. Содержание макроэлементов(рис 1) резко снижается при увеличении концентрации этанола более 40% что свидетельствует о преимущественном нахождении К, Cа, Mg в виде растворимых солей карбоновых кислот, при этом общая извлекаемость кальция не превышает 5,5% что коррелирует с нахождением кальция в составе финишных продуктов растительного метаболизма – карбонатов и силикатов кальция
, которые практически нерастворимы.
Рисунок 1 - Содержание макроэлементов К, Cа, Mg в зависимости от концентрации этанола в экстрагенте
Рисунок 2 - Содержание эссенциальных микроэлементов Fe, Mn, Zn, Cu в зависимости от концентрации этанола в экстрагенте
Рисунок 3 - Содержание условно-токсичных микроэлементов Ba,Se,Sr,Mo в зависимости от концентрации этанола в экстрагенте
Рисунок 4 - Содержание элементов-токсикантов As,Cd,Pb,Hg в зависимости от концентрации этанола в экстрагенте
Рисунок 5 - Распределение по кластерам содержания элементов в зависимости от концентрации этанола
4. Заключение
В результаты проведенной работы:
- впервые установлены закономерности извлечения биогенных и токсичных элементов из лекарственного растительного сырья водно-спиртовыми экстраентами;
- показано, что во всем диапазоне концентраций этанола в экстрагенте содержание элементов-токсикантов не превышает норм установленных для питьевой воды;
- показано, что жидкие лекарственные формы на основе этанола крепостью выше 70% содержат значительно меньшее количество элементов-токсикантов;
- для получения ЛРП для профилактики дисэлементозов следует использовать водно-спиртовые экстрагенты с содержанием этанола не более 40% обеспечивающих более полное извлечение биогенных микроэлементов при незначительном увеличении извлекаемости элементов токситкантов;
- выявлена целесообразности введения контроля содержания элементов в экстемпоральных лекарственных формах.