VRI izstrādās kosmētikas izejvielas no ārstniecības augu pārstrādes blakusproduktiem

2020. gada vasarā Vides risinājumu institūta (VRI) pētnieki uzsāka pētījumu, kurā, izmantojot ārstniecības augu pārstrādes un augu šūnu kultivēšanas balkusproduktus, izstrādās augstas pievienotās vērtības izejvielas to potenciālai izmantošanai kosmētikas ražošanā.

Nepilna gadsimta laikā pasaules iedzīvotāju skaits ir gandrīz četrkāršojies. Vienlaikus ir pieaudzis arī pieprasījums pēc dabiskas izcelsmes izejvielām augstas kvalitātes farmācijas, kosmētikas un pārtikas produktu ražošanai. Pielietojot līdz šim neizmantotos ārstniecības augu audzēšanas un rūpniecības blakusproduktus, Eiropas vadošās nozares  varētu attīstīt ilgtspējīgākus ražošanas risinājumus un apmierināt pasaulē pieaugošo pieprasījumu.

Pētījumā izvēlēti Ārstniecības kumelītes (Matricaria) pārstrādes un Ruiša pūķgalves (Dracocephalum), ērkšķogas (Ribes) un kadiķa (Juniperus) audu kultūru kultivēšanas  blakusprodukti. Tiem pētnieki saskatījuši augstu potenciālu jaunu pievienotās vērtības produktu izstrādē.

Ar pētījuma gaitu un nozīmību iepazīstināja VRI vadošā pētniece Dr. Ilva Nakurte.

VRI: Kāpēc šāds pētījums ir nepieciešams?

Dr. Ilva Nakurte (I.N.): Lielākā daļa no lauksaimniecības, pārtikas, dzērienu, kosmētikas un ķīmiskās rūpniecības nozaru blakusproduktiem netiek pilnvērtīgi izmantoti vai pārstrādāti. Lielākoties, tie nonāk atkritumu poligonos, tādējādi radot nopietnas vides, ekonomiskās un sociālās problēmas. Šobrīd blakusprodukti tiek uzskatīti par atkritumiem, lai gan tos iespējams izmantot jaunu pievienotās vērtības produktu izstrādē. Šāda pieeja ļautu atklāt jaunas tirgus nišas, sekmēt Eiropas Savienības ekonomisko situāciju un veicināt ilgtspējīgu attīstību. Lai to sasniegtu, ir nepieciešama domāšanas veida un uzņēmējdarbības pieeju maiņa uz inovācijās un zinātnē balstītām pieejām blakusproduktu izmantošanā.

Ārstniecības augi ir vērtīgs dabas resurss, kas satur dažādas klases fitoķīmiskos savienojumus ievērojamās to koncentrācijās. Šīs aktīvās vielas plaši pielieto farmācijas, kosmētikas un pārtikas nozaru produktu izstrādē. Daudzas no tām iespējams iegūt arī sintēzes ceļā, tomēr arvien vairāk pieaug pieprasījums tieši pēc dabiskas izcelsmes resursiem. Šajā pētījumā mēs, izmantojot dažādu nozaru rūpniecības blakusproduktus jeb  atkritumus, iegūsim bioloģiski aktīvās vielas ar augstu pievienoto vērtību.

VRI: Kas ir tas vērtīgais, ko esat saskatījuši šajos ārstniecības augu pārstrādes un audu kultūru kultivēšanas blakusproduktos?

I.N.: Cilvēkiem, dzirdot vārdu atkritumi, pirmā asociācija pilnīgi dabiski ir sadzīves atkritumi. Ar šī pētījuma palīdzību, mēs vērsīsim sabiedrības uzmanību uz divu veidu ražošanas procesu pārpalikumiem:

– bioloģiski sertificētas saimniecības SIA “Field and Forest” ārstniecības kumelīšu ēterisko eļļu ražošanas procesu pārpalikumiem;

– SIA “Alternative Plants” ārstniecības augu audu kultūru kultivēšanas (in vitro) blakusproduktiem, kas paliek pāri pēc dabīgo aktīvo sastāvdaļu ražošanas kosmētikas nozarei.

Jau pirms pētījuma uzsākšanas skaidri zinājām, ka arī šie ražošanas procesu blakusprodukti satur augstu dažādu aktīvo vielu koncentrāciju. Šajā pētījumā kopā ar partneriem izstrādāsim efektīvas biorafinēšanas tehnoloģijas, kas ļaus iegūt aktīvās vielas, tās rakturot un tālāk izmantot dažādu vērtīgu produktu prototipu izstrādē. Šajā pētījumā esam paredzējuši prototipus izstrādāt tieši kosmētikas industrijas produktiem.

VRI: Kas ir biorafinēšana un kā ar tās palīdzību iespējams ekstrahēt aktīvās vielas no ārstniecības augu pārstrādes blakusproduktiem?

I.N.: Biorafinēšana ir optimizēta jebkāda veida biomasas pārstrāde jaunu izejvielu ieguvei. Mēs esam pārliecināti, ka mūsu projektā izvēlētie biomasas materiāli satur bioloģiski aktīvos savienojumos. Tāpēc galvenais mūsu pētījumā izmantojamo biorafinēšanas procesu uzdevums ir saprast, kādas un cik daudz aktīvās vielas tie satur un kā tos visefektīvāk ekstrahēt. Biorafinēšanas metodes procesi, kurus īstenosim šajā pētījumā, iedalāmi trijos posmos:

Pirmais posms. Piemērotākās bioloģiski aktīvo savienojumu ekstrahēšanas metodes piemeklēšana, kas no katras blakusproduktu grupas ļautu iegūt augstāko aktīvo vielu koncentrāciju. Kā videi draudzīgāko un reizē arī aktīvo vielu ieguvei efektīvāko ekstrahēšanas metodi esam izvēlējušies superkritiskā šķidruma ekstrakciju.

Otrais posms. Atkritumu pārstrāde ir videi draudzīgs virziens, tāpēc mēs šajā pētījumā cenšamies piemeklēt videi draudzīgākos ekstrahēšanas reaģentus. Mums šķita nepiemēroti ekstrahēšanai izmantot spēcīgus ķīmiskos reaģentus, kuri ir kaitīgi gan apkārtējai videi, gan  cilvēka veselībai. Tas bija vēl viens no daudziem faktoriem, kāpēc izvēlējāmies superkritiskā šķidruma ekstrakcijas metodi. Ar šo metodi bioloģiski aktīvo vielu ekstrakcijas procesā izmanto nevis spēcīgus ķīmiskos reaģentus, bet ogļskābo gāzi (CO₂), kombinācijā ar etilspirtu un/vai ūdeni. Svarīgi katrai blakusproduktu grupai atrast šo triju reaģentu veiksmīgāko kombināciju, kas ļautu ekstrahēšanas procesā iegūt augstāko bioloģiski aktīvo vielu koncentrāciju.

Trešais posms. Polāro un nepolāro savienojumu frakcionēšana. Ar to saprotama – no blakusproduktiem ekstrahēto bioloģiski aktīvo vielu kopumu sadalīšana pa frakcijām. Ekstrahēšanas rezultātā iegūsim visu bioloģiski aktīvo vielu kopumu, un nav tādas unikālas metodes, kas spētu tās vienu no otras atdalīt vienā piegājienā. Superkritiskā šķidruma ekstrakcijas metode, mainot tās fizikālo procesu parametrus, ļauj mums šo kopumu sistemātiski sadalīt pa frakcijām, piemēram, ogļhidrātiem, olbaltumvielām, antioksidantiem, taukskābēm, gaistošiem savienojumiem utt. Frakcionēšanas izmantošana palīdz mums saprast, kādas aktīvo vielu grupas un cik lielos apmēros mums ir izdevies ekstrahēt. Tas savukārt ļaus nojaust, vai konkrētās vielu klases apjoms ir pietiekami liels, lai tās ekstrahēšanu varam uzskatīt par efektīvu un ekonomiski izdevīgu.

VRI: Kādi ir nākamie pētījumā paredzētie soļi, pēc ekstrahēšanas ceļā iegūto aktīvo vielu frakciju un to daudzuma noskaidrošanas?

I.N.: Kad būsim ieguvuši ekstraktus un tos sadalījuši pa frakcijām, nākamais nozīmīgais solis būs frakciju ķīmiskā sastāva raksturošana un izvērtējums. Šajā pētījuma stadijā VRI laboratorijā analizēsim iegūtās aktīvo vielu frakcijas un noteiksim, kādai vielu klasei tās pieder, piemēram, cukuriem, aminoskābēm, glikozīdiem, tannīniem, fenoliem savienojumiem, flavonoīdiem u.c.

Kad būsim noskaidrojuši vielu klases, sekos frakcijās esošo aktīvo savienojumu identifikācija un raksturošana, izmantojot mūsdienīgākās analītiskās iekārtas.

Veiksim arī mikroelementu sastāva novērtējums iegūtajām frakcijām, jo mūs interesē ne tikai aktīvās vielas, ko satur šie ārstniecības augu blakusprodukti, bet arī mikroelementi, kas mūsdienās ir ļoti aktuāla tēma. Esam pārliecināti, ka mikroelementus atradīsim ārstniecības kumelīšu ēterisko eļļu ieguves procesa blakusproduktos. Bet būs interesanti paskatīties, vai mikroelementi atrodami arī kontrolētos laboratorijas apstākļos audzēto ārstniecības augu audu kultūru kultivēšanas pārstrādes blakusproduktos.

VRI: Ko iesāksiet ar iegūtajām bioloģiski aktīvajām vielām un mikroelementiem?

I.N.: Tālāk sekos vērtīgāko aktīvo savienojumu noteikšana un diskusija ar visiem trim šajā pētījumā iesaistītajiem partneriem. Noteiksim, kuras aktīvās vielas ir ar reālu pielietojumu kosmētikas industrijas produktu izstrādē.

Mūs projekta partneriem SIA “Alternative Plants” ir plaša un ilgstoša pieredze sadarbībā ar dažādiem kosmētikas ražotājiem. Tāpēc, kad būsim izdarījuši secinājumus un izvēlējušies aktīvās vielas ar potenciālu to pielietojumu, tad SIA “Alternative Plants” veiks specifiskas analīzes uz ādas šūnām, lai noskaidrotu, vai šie savienojumi uzrāda cerētos efektus. Pēdējais solis, šajā pētījumā būs kosmētikas industrijai paredzēta produkta prototipa izstrāde.

VRI: Vai izstrādāto prototipu plānots arī realizēt kā gatavu produktu?

I.N.: Pētījumā neesam paredzējuši prototipu pārvērst reālā produktā. Prototips būs visu trīs pētījuma partneru intelektuālais īpašums. Mūsu pētniecība, protams, neapstāsies. Šāds pētījums, dabiskas izcelsmes blakusproduktu izmantošana un izveidotais prototips varētu būt interesants dabīgās kosmētikas ražotājiem, kā arī citām nozarēm.

VRI: Vai bioloģiski aktīvo vielu ekstrahēšana no ārstniecības augu pārstrādes blakusproduktiem ir inovatīva pētniecības pieeja?

I.N.: Protams, mēs neesam pirmie, kas ir iedomājušies, ka arī ārstniecības augu pārstrādes blakusproduktos atrodamas aktīvās vielas. Savukārt Latvijas līmenī mēs noteikti esam vieni no pirmajiem, kas ir pievērsušies liela apjoma ārstniecības augu ražošanas blakusproduktu atkārtotai pārstrādei un izmantošanai.

Zinātniskajā literatūrā ir pieejama informācija par līdzīgiem pētījumiem un pielietoto metožu pamatprincipiem, bet tie nekad nebūs aprakstīti niansēs. Šajā pētījumā mēs ekstrahēšanas metodes radīsim no jauna un pielāgosim katrai pētījumā apskatītajai blakusproduktu grupai.

VRI: Pētījumu uzsākāt 2020. gada jūlijā. Kuras aktivitātes jau esat īstenojuši šajā pētniecības periodā?

I.N.: Pētījuma pirmajos mēnešos testējām pirmo ūdens un etanola ekstraktu eksperimentālo iegūšanu no SIA “Alternative Plants" sešiem dažādiem liofilizētiem augu šūnu kultūru blakusproduktiem (un no SIA “Field and Forest" kumelīšu pārstrādes blakus produktiem – baltajām ziedlapiņām, putekšņlapām (pulvja) un destilācijas atkritumiem (attēlā). Esam uzsākuši superkritiskā šķidruma ekstrakcijas metodes reaģentu izmēģinājumus. Katrai pētījumā apskatītajai blakusproduktu grupai nepieciešams atrast pareizo ogļskābās gāzes, ūdens un etilspirta kombināciju, kā arī piemērotāko ekstrahēšanas temperatūru un ilgumu. Šos faktorus mēs cenšamies noskaidrot izmēģinājumos. Tie ir būtiski, lai mēs varētu iegūt labākos ekstrahēšanas rezultātus.

Veikta arī eksperimentāla nepolāro frakciju iegūšana no destilēšanas blakusproduktiem ar nepolāru sašķidrināto gāzi – florasola ekstrakcija. Gan nepolāro, gan polāro frakciju iegūšanai esam veikuši destilācijas laika ietekmes kvalitatīvu novērtējumu uz frakciju izdalīšanos no destilācijas blakus produktiem. Jau šobrīd varam secināt, ka mūsu projektā izvirzītā hipotēze izrādījusies patiesa, un līdz šim brīdim testētajos ražošanas pārpalikumos atrodamas augstas dažādu aktīvo vielu koncentrācijas.

VRI: Kādas aktivitātes esat paredzējuši veikt nākamajā pētniecības periodā (2021. gada janvāris – februāris)?

I.N.: Galvenokārt turpināsim ekstrahēšanas metodes pielāgošanu katrai blakusproduktu grupai. Turpināsim iegūto polāro un nepolāro savienojumu frakcionēšanu un šo frakciju raksturošanu. Tas ļaus saprast kādas aktīvās vielas satur katra frakcija un kurām no tām mums būtu interesanti veikt padziļinātāku izpēti.

Pētījums tiek veikts projekta “Biorafinēšanas pieeja bioloģiski aktīvu kosmētikas izejvielu ieguvei no ārstniecības augu pārstrādes un augu šūnu kultivēšanas blakusproduktiem” (Nr. 1.1.1.1/19/A/075) ietvaros. Projektu atbalsta Eiropas Reģionālās attīstības fonds (ERAF), darbības programmas "Izaugsme un nodarbinātība" 1.1.1. specifiskā atbalsta mērķa "Palielināt Latvijas zinātnisko institūciju pētniecisko un inovatīvo kapacitāti un spēju piesaistīt ārējo finansējumu, ieguldot cilvēkresursos un infrastruktūrā" 1.1.1.1. pasākuma "Praktiskas ievirzes pētījumi" ietvaros.

Vairāk par projektu šeit.