A biorefinery approach for the development of bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation (1.1.1.1/19/A/075)

What chamomile white ray florets could be good for?

The most valuable part of chamomile (Matricaria recutita) is the yellow centre of the flower, but other parts of the plant also contain important bioactive compounds. Looking at how to use the white petals of chamomile most effectively has led to the publication “Valorization of Bioactive Compounds from By-Products of Matricaria recutita White Ray Florets” in the scientific journal Plants MDPI.

The study focused on the extraction of chamomile white ray floret biomass using the supercritical fluid extraction method. By varying the extraction conditions (pressure, temperature), the effect of these factors on the chemical composition of the extracts was assessed.

The results are encouraging: the chamomile white ray floret extract is found to be a potentially valuable product which, if further tested, could be used, for example, in the development of cosmetic products!

Thanks to the research team: Dr. Ilva Nakurte (Andersone), Marta Berga and Dr. Laura Pastare from the Institute for Environmental Solutions, Liene Kienkasfrom SIA “Field and Forest” and Martins Boroduskis and Anna Ramata-Stundafrom Alternative Plants!

Research “A biorefinery approach for the development of bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation” (1.1.1.1/19/A/075) is developed as a part of the European Regional Development Fund programme 1 .1.1.1 measure “Support for applied research” and specific objective 1.1.1 “Improve research and innovation capacity and the ability of Latvian research institutions to attract external funding, by investing in human capital and infrastructure”

Kas vērtīgs atrodams kumelīšu baltajās ziedlapiņās?

Vērtīgākā ārstniecības kumelītes (Matricaria recutita) daļa ir tās zieda dzeltenais viducis, taču arī pārējās auga daļās satur nozīmīgus bioaktīvos savienojumus. Lūkojot, kā visefektīvāk izmantot kumelītes baltās ziedlapiņas, tapusi publikācija “Bioaktīvo savienojumu valorizācija no Matricaria recutita baltajām ziedlapiņām” zinātniskajam žurnālam “Plants“. Pētījuma gaitā no ārstniecības kumelīšu baltajām ziedlapiņām iegūts ekstrakts, izmantojot superkritiskā šķidruma ekstrakcijas metodi. Mainot ekstrakcijas apstākļus (spiedienu, temperatūru), vērtēts, kā šie faktori ietekmē ekstraktu ķīmisko sastāvu.Darba rezultāti iepriecina: secināts, ka kumelītes balto ziedlapiņu ekstrakts ir potenciāli vērtīgs produkts, kas, veicot tālākus testus, var tikt lietots, piemēram, kosmētikas produktu izstrādē!
Paldies pētījuma komandai: Dr. Ilvai Nakurtei, Martai Bergai, Dr. Laurai Pastarei no Vides risinājumu institūta, Lienei Kienkas no SIA “Field and Forest”, kā arī Mārtiņam Borodušķim un Annai Ramatai-Stundai no Alternative Plants!Vairāk par pētījumu lasi publikācijā!

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.

Biorafinēšanas projekts GENP 2022 kongresā Horvātijā

Šī gada 27.–28. oktobrī Porečā, Horvātijā,  norisinājās 4. starptautiskais kongress “Zaļa dabisko produktu ekstrakcija” (Green Extraction of Natural Products, GENP 2022), ko rīkoja Zagrebas universitātes Pārtikas tehnoloģiju un biotehnoloģiju fakultāte.

Kongress veltīts lauksaimniecības un pārtikas atkritumu valorizācijai, bioprocesu resursiem un inovatīvām konversijas tehnoloģijām, kas ļauj iegūt ilgtspējīgas izejvielas parfimērijas, kosmētikas, farmācijas, pārtikas, biodegvielas, ķīmijas un enerģētikas nozarēm, kā arī zaļās ķīmijas tirgum.

Kongresā Vides risinājumu institūta vadošā pētniece Dr. Laura Pastare prezentēja arī ERAF finansētā 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 iegūtos rezultātus.

VRI vadošā pētniece Dr. Laura Pastare. Foto: VRI

Ziņojums “Bioaktīvu kosmētikas izejvielu iegūšana no ārstniecības kumelītes (Matricaria chamomilla) pārstrādes blakusproduktiem, izmantojot superkritisko šķidruma ekstrakciju” (Bioactive cosmetic ingredients from super-critical fluid extracts of Matricaria chamomilla industrial processing by-products) pieejams kongresa tēžu krājumā.

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.

The results of Biorefinery project presented in the GA congress

The 70th International Congress and Annual Meeting of the Society for Medicinal Plant and Natural Product Research (GA) was held in Thessaloniki, Greece, from 28 to 31 August this year. The aim of the annual congress is to broaden the existing knowledge and gain new experience in the field of natural substances, their products and research, as well as to establish new contacts with the industry in other countries.

The results of the ERDF-funded project “A biorefinery approach for the development of bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation” (1.1.1.1/19/A/075)
were also presented at the congress.

Dr. Ilva Nakurte, the leading researcher and head of the chemistry laboratory at the Institute for Environmental Solutions (IES) presented the results of research “Valorization of bioactive compounds from Matricaria recutita essential oil distillation process by-products”. One of the main conclusions to be drawn from the evaluation of the results is that the waste left over after the treatment of chamomile plants is still rich in waxes, essential oils, herniarin and umbelliferone, which are often used in the cosmetic industry because their UV absorption and antioxidant properties.

IES leading researcher Dr. Ilva Nakurte. Photo: IES

Anna Ramata-Stunda, researcher at SIA “Alternative Plants”, gave an insight into the chemical composition of cell culture products and by-products of the common juniper (Juniperus communis) and the northern dragonhead (Dracocephalum ruyschiana), compared the efficiency of different solvents for extracting active compounds and evaluated the bioactivity of these plant cell cultures. The title of her presentation – “Cell cultures of Dracocephalum ruyschiana and Juniperus communis – valuable sources of skin protecting and regenerating compounds”.

Mārtiņš Borodušķis, researcher at SIA “Alternative Plants” presented the results of in vitro experiments on the activity of Juniperus communis cell culture derived extracts for skin protection and regeneration. The title of his presentation – “Juniperus communiscell culture derived extracts for skin protection and regeneration”.

The above-mentioned studies demonstrate high potential for the usage of these plant cell cultures in the development of cosmetic ingredients.

Researchers at SIA “Alternative plants” – Mārtiņš Borodušķis and Anna Ramata-Stunda. Photo: IES.

Researcher Anna Ramata-Stunda. Photo: IES.

Summaries of presentations can be found in the conference book of abstracts:

Research “A biorefinery approach for the development of bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation” (1.1.1.1/19/A/075) is developed as a part of the European Regional Development Fund programme 1 .1.1.1 measure “Support for applied research” and specific objective 1.1.1 “Improve research and innovation capacity and the ability of Latvian research institutions to attract external funding, by investing in human capital and infrastructure”

More on the project here.

Biorafinēšanas pētījuma rezultāti prezentēti starptautiskā zinātniskā konferencē Grieķijā

Šī gada 28.–31. augustā  Salonikos, Grieķijā, norisinājās 70. starptautiskais kongress, ko rīkoja Ārstniecības augu un dabas produktu pētniecības biedrība (Society for Medicinal Plant and Natural Product Research GA). Ikgadējā kongresa mērķis ir paplašināt esošās zināšanas un iegūt jaunu pieredzi saistībā ar dabas vielām, to produktiem un izpēti, kā arī nodibināt jaunus sadarbības kontaktus ar citu valstu nozares pārstāvjiem.

Kongresā tika prezentēti arī ERAF finansētā 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 iegūtie rezultāti.

Nodibinājuma “Vides risinājumu institūts” vadošā pētniece un ķīmijas laboratorijas vadītāja Dr. Ilva Nakurte (attēlā pie stenda referāta) prezentēja bioaktīvo savienojumu valorizācijas rezultātus no ārstniecības kumelīšu (Matricaria recutita) ēteriskās eļļas destilācijas procesu blakusproduktiem (Valorization of bioactive compounds from Matricaria recutita essential oil distillation process by-products). Viens no galvenajiem secinājumsiem, kas iegūts, izvērtējot iegūtos rezultātus, – atkritumi, kas paliek pāri pēc kumelīšu augu apstrādes,  aizvien bagātīgi satur vaskus, ēteriskās eļļas, herniarīnu un umbelliferonu, kas bieži tiek izmantoti kosmētikas rūpniecībā, jo šiem savienojumiem piemīt spēcīga UV absorbcija un antioksidatīvās īpašības.

VRI vadošā pētniece Dr. Ilva Nakurte. Foto: VRI

SIA “Alternative Plants” pētniece Anna Ramata-Stunda sniedza ieskatu parastā kadiķa (Juniperus communis) un Ruiša pūķgalves (Dracocephalum ruyschiana) augu šūnu kultivēšanas produktu un blakusproduktu ķīmiskajā sastāvā, salīdzināja dažādu šķīdinātāju efektivitāti aktīvo savienojumu ekstrakcijā un novērtēja minēto augu šūnu kultūru bioaktivitāti (Cell cultures of Dracocephalum ruyschiana and Juniperus communis – valuable sources of skin protecting and regenerating compounds). Savukārt SIA “Alternative Plants” pētnieks Mārtiņš Borodušķis (attēlā pie postera kopa ar kolēģi Annu Ramatu-Stundu) sava stenda referāta ietvaros (Juniperus communis cell culture derived extracts for skin protection and regeneration) prezentēja parastā kadiķa ekstraktu aktivitātes rezultātus dažādos in vitro eksperimentos.  Abu augstāk minēto pētījumu ķīmiskā sastāva un bioaktivitātes rezultāti pierāda šo augu šūnu kultūru augsto potenciālu kosmētikas sastāvdaļu izstrādē.

SIA “Alternative plants” pētnieki Mārtiņš Borodušķis un Anna Ramata-Stunda. Foto: VRI

Pētniece Anna Ramata-Stunda. Foto: VRI

Prezentāciju kopsavilkumi konferences tēžu grāmatā:

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.

Pēta metodes efektīvākai kumelīšu blakusproduktu biomasas ekstraktu iegūšanai

Kumelīšu (Matricaria recutita) novākšana un to ēteriskās eļļas destilēšana rit pilnā sparā! Lai iegūtu kumelīšu ēterisko eļļu, laukā ievāktā biomasa tiek ievietota destilācijas tvertnēs. Caur tvertnēm virzoties tvaikam, no biomasas tiek iztvaicēti vērtīgi gaistošie savienojumi, kas destilāta formā kondensējas florentīna traukos. Destilātu nostādinot, veidojas ēteriskās eļļas un ziedūdeņu frakcijas, kuras iespējams ērti atdalīt. Pēc destilācijas procesa pāri paliek lieli biomasas apjomi, kuri līdz šim tikuši izmantoti kā digestāts.

Biomasa, kas paliek pāri pēc kumelīšu ēteriskās eļļas destilācijas. Attēls: VRI

Ņemot vērā, ka destilācijas laikā no biomasas atdalīti tiek tieši gaistošie savienojumi, destilācijas blakusprodukti arvien ir pilni vērtīgu savienojumu – aminoskābju, fenolo savienojumu un flavanoīdu. Tādēļ Vides risinājumu institūta pētnieki projekta “Biorafinēšana kosmētikas izejvielu iegūšanai” gaitā meklē veidus, kā šos savienojums visefektīvāk ekstrahēt, lai pēc tam tos izmantotu kosmētikas produktu prototipu izstrādē.

Šobrīd institūta un SIA “Field and Forest” pētnieki eksperimentē ar dažādiem biomasas sagatavošanas paņēmieniem ekstrakcijai. Galvenais mērķis: augu šūnapvalku atvēršana, lai nodrošinātu maksimālu šūnās sintezēto savienojamu nonākšanu ekstraktos. To pētnieki cer panākt, pielietojot  dažādas termiskās un mehāniskās apstrādes metodes.

Sasmalcināta kumelīšu blakusproduktu biomasa pirms termiskās apstrādes. Attēls: VRI

Ekstrakcijas galaprodukts. Attēls: VRI

Nākamais procesa etaps ir iegūto ekstraktu analizēšana Vides risinājumu institūta ķīmijas laboratorijā – tieši analīžu rezultāti noteiks, kuras ekstrakcijas metodes ir visefektīvākās!

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.

Radio intervija par kosmētikas izejvielu iegūšanu no augu pārstrādes blakusproduktiem

30. martā pl. 10.05 Latvijas Radio 1 raidījumā “Zināmais nezināmajā” būs klausāma Vides risinājumu institūta vadošās pētnieces un Ķīmijas laboratorijas vadītājas Dr. Ilvas Nakurtes un uzņēmuma “Alternative plants” pētnieces Annas Ramatas-Stundas intervija, kurā pētnieces iepazīstinās ar projekta “Biorafinēšanas pieeja bioloģiski aktīvu kosmētikas izejvielu ieguvei no ārstniecības augu pārstrādes un augu šūnu kultivēšanas blakusproduktiem” gaitu. Projekts īstenots, sadarbojoties Vides risinājumu institūtam, SIA “Alternative Plants” un SIA “Field and Forest”. Tā gaitā tiek rastas iespējas aktīvo savienojumu iegūšanai no kumelīšu (Matricaria recutita) pārstrādes procesa atlikumiem un kadiķa (Juniperus), Ruiša pūķgalves (Dracocephalum)un ērkšķogu (Ribes) šūnu In vitro kultivēšanas blakusproduktiem.

As large amounts of medicinal and aromatic plants are being processed, mountains of by-products are piling up – quite literally. After the steam distillation process of chamomile (Matricaria), tons of biomass remain. Until this moment, the biomass has been used as digestate. By-products are also created during the cultivation of plant biomass in bioreactors (in vitro). Although the amounts of such by-products are small, very often the mass of by-products is still rich in various active compounds and valuable substances.

In order to extract active ingredients from the by-product biomass, the Institute of Environmental Solutions together with partners SIA “Alternative plants” and SIA “Field and Forest” carries out the project “A biorefinery approach for the development of bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation”. During the project, the biologically active substances are obtained from the by-products of the processing of chamomile (Matricaria) and the by-products of the in vitro cultivation of dragonhead (Dracocephalum), gooseberry (Ribes) and juniper (Juniperus) biomass. Our researchers have identified supercritical CO₂ extraction as the most successful and environmentally friendly way to extract active ingredients from the by-product biomass. In order to understand the extraction process, the essence of the specific method and the main advantages, we invited the head of the chemistry laboratory of the Institute of Environmental Solutions, Dr. Ilva Nakurte and SIA “Field and Forest” researcher and product development specialist Liene Kienkas to an interview with us!

Tell us why you chose to work with the supercritical CO₂ extraction method?

Ilva Nakurte: The Institute of Environmental Solutions, in cooperation with SIA “Field and Forest”, has accumulated vast experience in the multi-stage extraction processes of medicinal and aromatic plants. We have knowledge of the solvents that must be used to extract certain active substances. However, many of the solvents are harmful and even toxic – so extra work is required to reduce the amount of residual solvents in the final product. This, in turn, requires additional testing and is more costly. In contrast, the CO₂ extraction method is much less harmful to the environment, as no toxic solvents are used and the CO₂ gas itself does not have to be specifically separated from the final product after the extraction process. In addition, the method is also quite effective, because we can obtain a “cocktail” of various active substances, from which it is easy to further extract the compounds of interest.

Liene Kienkas: CO₂ extraction is a great addition to the extraction technology cycle. By steam distillation, we can obtain volatile compounds from biomass. Using water extraction, water-soluble compounds are obtained. In turn, CO₂ extraction allows to obtain a wide range of lipophilic compounds from biomass. By combining these extraction methods, we can get the full use of the plant and the by-products are 100% recycled.

What are the conclusions after first tests of supercritical CO₂ extraction method?

IN: Firstly, the hypothesis that by-products of medicinal and aromatic plant processing and biomass cultivation contain valuable and potentially cosmetic active compounds, has been confirmed. We are pleased that using this extraction method we have obtained a number of compounds which, in the context of these plants, have been described in the scientific literature but which we had not yet encountered. The biological activity of identified and potentially useful compounds is tested in the laboratory of our project partners “Alternative Plants”. You can read more about these tests in an interview with “Alternative Plants” researchers Anna Ramata-Stunda and Mārtiņš Borodušķis. Tested substances show good results, such as hight antiradical and photoprotective activity. As for the by-products of biomass cultivation, they contain substances that are highly demanded in the cosmetic ingredient production industry, such as rosemary acid, caffeic acid and chlorogenic acid.

What is the working principle of CO₂ extraction?

LK: The basic principle is the same for any extraction process – just as similar dissolves similar, similar extracts similar. We use liquefied CO₂ in the extractor and, by changing the pressure and temperature, ensure the transition of CO₂ to the supercritical phase and its complete recirculation at the end of the process. In supercritical phase, CO₂ has properties of both gas and liquid. Like gas, CO₂ is able to enter microscopic cells and expel active substances. But the solving properties of supercritical CO₂ are as strong as those of a substance in the liquid phase. By changing the pressure, temperature and cosolvent, we can carry out a targeted extraction process.

How to prepare samples for supercritical CO₂ extraction?

LK: Biomass must be dry. The surface area of the sample must be as large as possible, so the biomass must be finely ground. We are currently looking for the best technological solution for the preparation of biomass cultivation by-products. These by-products are gel-like and must be dried either by lyophilization or under particularly gentle conventional drying conditions before extraction.

You mentioned that CO₂ extraction allows to obtain a wide range of different compounds and substances. Can you list the main classes of substances?

IN: The range is broad! We can obtain vitamins, sugars, amino acids, flavonoids, polyphenols, tannins, saponins, lignins, terpenes, essential oils. Proteins, minerals and other compounds also enter the extract.

What are the advantages of this extraction method? Does the method have any drawbacks?

LK: The main advantage of the method is that the solvent is environmentally friendly. It leaves no residue in the extracted product and does not need to be removed from the product after the extraction process – CO₂ is recycled back into the extraction system. The extraction is efficient, and of course the advantage is that we can extract different compounds with one solvent!

In terms of drawbacks, we see that scalability of the process could be challenging. If the extraction is for commercial purposes, dozens of reactors would have to be purchased and operated at the same time due to the limited capacity of the reactor tanks. Both the purchase and maintenance of the equipment would be very costly. Ensuring low moisture content of by-products biomass is also rather difficult.

Generally, supercritical CO₂ extraction is a process that requires continuous learning – as we work with different types of biomass, the result will always be different for the same parameters. The researcher must get to know the extraction equipment thoroughly, so that they you can quickly figure out which settings will be the right ones to “squeeze out” the desired mix of compounds from the biomass!

Research “A biorefinery approach for the development of bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation” (1.1.1.1/19/A/075) is developed as a part of the European Regional Development Fund programme 1 .1.1.1 measure “Support for applied research” and specific objective 1.1.1 “Improve research and innovation capacity and the ability of Latvian research institutions to attract external funding, by investing in human capital and infrastructure”

Nodarbojoties ar ārstniecības un aromātisko augu pārstrādi lielos apjomos, blakusproduktu kalni ir neizbēgami – pavisam burtiski. Pēc ārstniecības kumelīšu (Matricaria) tvaika destilācijas procesa pāri paliek tonnām biomasas, kura līdz šim tika izmantota kā digestāts. Blakusprodukti rodas, arī augu biomasu audzējot bioreaktoros. Lai arī šādu blakusproduktu apjomi ir nelieli, itin bieži blakusproduktu masa arvien ir bagāta ar dažādiem aktīvajiem savienojumiem un vērtīgām vielām.

Lai no ārstniecības augu pārstrādes un biomasas ražošanas blakusproduktiem iegūtu augstas pievienotās vērtības produktu – potenciāli kosmētikas ražošanā izmantojamas aktīvās vielas –, Vides risinājumu institūts kopā ar partneriem SIA “Alternative plants” un SIA “Field and Forest” īsteno projektu “Biorafinēšanas pieeja bioloģiski aktīvu kosmētikas izejvielu ieguvei no ārstniecības augu pārstrādes un augu šūnu kultivēšanas blakusproduktiem”. Tā laikā bioloģiski aktīvās vielas tiek iegūtas no kumelīšu (Matricaria) pārstrādes blakusproduktiem un Ruiša pūķgalves (Dracocephalum), ērkšķogas (Ribes) un kadiķa (Juniperus) biomasas kultivēšanas blakusproduktiem. Kā veiksmīgāko aktīvo vielu ekstrahēšanas veidu projekta ietvaros pētnieki ir atzinuši tieši superkritiskā CO₂ ekstrakciju. Lai izprastu ekstrakcijas procesu, konkrētās metodes būtību un galvenās priekšrocības, uz sarunu aicinājām Vides risinājumu institūta ķīmijas laboratorijas vadītāju Dr. Ilvu Nakurti un SIA “Field and Forest” pētnieci un produktu attīstības speciālisti Lieni Kienkas.

Pastāstiet, kādēļ izvēlējāties strādāt tieši ar superkritiskā CO₂ ekstrakcijas metodi?

Ilva Nakurte: Vides risinājumu institūts, sadarbojoties ar SIA “Field and Forest”, ir uzkrājis lielu pieredzi ārstniecības un aromātisko augu daudzpakāpju ekstrakcijas procesos. Mums ir zināšanas par to, kādi šķīdinātāji jāpielieto konkrētu aktīvo vielu ekstrahēšanai. Taču daudzi no šķīdinātājiem ir kaitīgi un pat toksiski – līdz ar to pastiprināti jāstrādā, lai samazinātu atlikušo šķīdinātāju daudzumus gala produktā. Tas, savukārt, prasa papildus testēšanu un veido lielākas izmaksas. Turpretī CO₂ ekstrakcijas metode ir videi draudzīga – jo netiek izmantoti toksiski šķīdinātāji, un pati CO₂ gāze pēc ekstrakcijas procesa nav speciāli jāatdala no gala produkta. Papildus tam metode ir arī efektīva, jo varam iegūt daudzveidīgu aktīvo vielu “kokteili”, no kura tālāk ērti izdalīt interesējošos savienojumus.

Liene Kienkas: CO₂ ekstrakcija ir kā lielisks papildinājums ekstrakcijas tehnoloģiju ciklam. Ar tvaika destilāciju no biomasas varam iegūt viegli gaistošos savienojumus. Izmantojot ūdens ekstrakciju, iegūstam ūdenī šķīstošos savienojumus. Savukārt, CO₂ ekstrakcija ļauj no biomasas iegūt plašu spektru lipofīlo savienojumu. Kombinējot šīs ekstrakcijas metodes, varam augu izmantot pilnvērtīgi, un ražošanas blakusprodukti tiek pārstrādāti 100%.

Kādi ir pirmie secinājumi, veicot biomasas ekstrakciju ar superkritiskā CO₂ metodi?

IN: Pirmkārt, pētījumā izvirzītā hipotēze par to, ka ārstniecības un aromātisko augu pārstrādes un biomasas kultivēšanas blakusprodukti satur vērtīgus un potenciāli kosmētikā izmantojamus aktīvos savienojumus, ir apstiprinājusies. Esam gandarīti, ka, izmantojot šo ekstrakcijas metodi, iegūta virkne savienojumu, kuri šo augu kontekstā aprakstīti zinātniskajā literatūrā, taču ar kuriem paši vēl nebijām saskārušies. Identificēto un potenciāli kosmētikā izmantojamo savienojumu bioloģiskā aktivitāte tiek testēta “Alternative Plants” laboratorijās. Par šiem testiem vairāk iespējams lasīt intervijā ar “Alternative Plants” pētniekiem Annu Ramatu-Stundu un Mārtiņu Borodušķi. Vielas testos uzrāda labus rezultātus – piemēram, augustu antiradikālo un fotoprotektīvo aktivitāti. Runājot par biomasas kultivēšanas blakusproduktiem, tajos sastopamas kosmētikas izejvielu ražošanas industrijā pieprasītas vielas, kā rozmarīnskābe, kafijskābe, hlorogēnskābe.

Kāds ir CO₂ ekstrakcijas darbības princips?

LK: Pamatprincips ir tāds pats jebkuram ekstrahēšanas procesam – tāpat kā līdzīgs šķīst līdzīgā, līdzīgs ekstrahē līdzīgu. Ekstraktorā izmantojam sašķidrinātu CO₂ un, mainot spiedienu un temperatūru, nodrošinām CO₂ pāreju superkritiskajā fāzē un pilnīgu tā recirkulāciju procesa beigās. Šajā fāzē CO₂ piemīt gan gāzes, gan šķidruma īpašības. Līdzīgi gāzei, šajā fāzē CO₂ spēj iekļūt mikroskopiskās šūnās un izspiest no tām aktīvās vielas. Savukārt, superkritiskā CO₂ šķīdinātāja īpašības ir tikpat spēcīgas kā vielai šķidruma fāzē. Mainot spiedienu, temperatūru un papildus šķīdinātāju (kosolventu), varam kontrolēt procesu mērķtiecīgai savienojumu grupu ekstrakcijai.

Kā jāsagatavo paraugi, lai tiem varētu veikt ekstrakciju ar superkritisku CO₂?

LK: Biomasai jābūt sausai. Parauga virsmas laukumam jābūt maksimāli lielam, tādēļ biomasa jāsasmalcina ļoti smalki. Šobrīd meklējam labākos tehnoloģiskos risinājums biomasas kultivēšanas blakusproduktu sagatavošanai. Šie blakusprodukti ir želejveida, un tos pirms ekstrahēšanas  nepieciešams žāvēt vai nu izmantojot liofilizāciju, vai īpaši saudzīgus konvenciālas kaltēšanas apstākļus.

Minējāt, ka CO₂ ekstrakcija ļauj iegūt plašu spektru dažādu savienojumu un vielu. Vai varat uzskaitīt galvenās vielu klases?

IN: Klāsts ir patiešām plašs. Vitamīni, cukuri, aminoskābes, flavonoīdi, polifenoli, tanīni, saponīni, lignīni, terpēni, arī ēteriskās eļļas. Tāpat ekstraktā nonāk arī proteīni, minerālvielas un citi savienojumi.

Kādas ir tieši šīs ekstrakcijas metodes priekšrocības? Vai metodei ir arī kādi trūkumi?

LK: Pie metodes plusiem varētu minēt to, ka šķīdinātājs ir videi draudzīgs. Tas ekstrahētajā produktā neatstāj atliekvielas, kā arī pēc ekstrakcijas procesa nav kā īpaši no produkta jāatdala – CO₂ tiek recirkulēts atpakaļ sistēmā. Ekstrakcija ir efektīva, kā arī, protams, priekšrocība ir tā, ka ar vienu šķīdinātāju varam ekstrahēt dažādas vielu klases!

Runājot par trūkumiem, redzam, ka procesa mērogošana (scalability) varētu būt izaicinoša. Ja ekstrahēšana paredzēta komerciāliem nolūkiem, reaktora limitētās kapacitātes dēļ būtu jāiegādājas un paralēli jādarbina vairāki desmiti reaktoru. Gan iekārtu iegāde, gan uzturēšana kopā veidotu ļoti augstas izmaksas. Samērā sarežģīta ir arī zema blakusproduktu biomasas mitruma nodrošināšana.

Kopumā superkritiskā CO₂ ekstrakcija ir process, kas prasa nemitīgu mācīšanos – tā kā strādājam ar dažāda veida biomasām, pie vieniem un tiem pašiem parametriem rezultāts tāpat vienmēr būs atšķirīgs. Ekstrakcijas iekārta ir pamatīgi jāiepazīst, lai ātri, neizniekojot paraugu, saprastu, kādi iestatījumi būs īstie, lai no biomasas “izspiestu” vēlamo!

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.

For a year already, researchers of Institute for Environmental Solutions (IES) have been cooperating with the Northern Europe’s leading medicinal plant farming experts SIA “Field and Forest” and natural cosmetics raw material producer SIA “Alternative plants”. The aim is to use secondary products derived from a production process for developing new value-added products for cosmetics industry.

High amounts of by-products are generated while processing medicinal and aromatic plants. The entrepreneurs have turned to IES researchers in order to estimate what active ingredients and in what concentrations can be found in these by-products. Additionally, the best extracting methods for these ingredients are determined. During this research, SIA “Alternative Plants” is not only a supplier of plant tissue cultivation (in vitro) by-products. The company has a great deal of experience in producing natural cosmetics ingredients. Therefore, researchers of SIA “Alternative plants” carry out the analysis of newly acquired extracts – safety tests and effect evaluation on human skin cells.

Researchers of SIA “Alternative Plants” Anna Ramata-Stunda and Mārtiņš Borodušķis reveal the course of study and present the first results. 

SIA “Alternative Plants” researchers Anna Ramata-Stunda un Mārtiņš Borodušķis. Photo: Institute for Environmental Solutions.

Mārtiņš Borodušķis (M.B.): In vitro or plant cell cultivation is a technology for growing plant biomass. With the help of this technology, we obtain the ingredients cosmetic industry is interested in without growing the plant. All stages of the process take place in the laboratory. The first step is collecting the plants or specific parts of the plant. Then, we derive stem cells from the plant and use the cells to grow biomass. The biggest advantage of the method is the concentration of active ingredient in the plant biomass being considerably higher than concentration in the same plant grown in nature. In the laboratory, we can provide controlled environment – ruling out the influence of seasonal change, weather and external pollution.

Stem cells or undifferentiated cell biomass (derived from a leaf of the plant) on a solid media. That is the initial stage, after which the volume of the biomass can be multiplied. Photo: Odrija Heinrihsone

Anna Ramata-Stunda (A.R.S.): We have always emphasized that we aim to work efficiently and responsibly towards natural resources. To produce cosmetic ingredients, we cultivate plant biomass and extract specific active ingredients. The remaining biomass still holds large concentrations of active compounds. We understood that by cooperating with IES researchers, we could develop new products from it – therefore making the production process two times more efficient!

The production of plant cell biomass.

What is the potential use of the extracts and active compounds, derived from the SIA “Field and Forest” essential oil production and SIA “Alternative Plants” plant cell biomass cultivation by-products?

A.R.S.: During the research, we assess chamomile (Matricaria) essential oil and by-products of three medicinal plants’ (Northern dragonhead (Dracocephalum), gooseberry (Ribes) and juniper (Juniperus)) biomass cultivation process. From each of the by-products’ group IES researchers derive extracts. During the extraction process, researchers experiment with different reagents, temperatures and other variables. As the result, we obtain extracts with diverse active compounds in varying concentrations. We evaluate how these extracts react on human skin cells. This way we determine where the extracts could potentially be used and what cosmetic ingredient prototypes could be created.

How do you determine the cosmetic properties of the extracts and active ingredients, derived from the assessed by-product groups?

A.R.S.: We use biochemical tests on skin cell cultures. We evaluate how the extracts perform, determine whether they protect from UV exposure, stimulate skin cell division or boost collagen production. We also evaluate antimicrobial activity – whether the extract can suppress bacterial growth. Another important factor we estimate is the anti-inflammatory effect, which can prevent skin ageing and UV exposure induced inflammation. As we test the extracts, we try to identify their potential uses in cosmetic ingredient production industry.

M.B.: Not only it is important to understand how the product works but also whether it’s safe. That’s why safety tests are always the first step. We assess the impact of the extracts on human skin cells, whether the extracts are safe and what is their biological activity. We also determine what are the most appropriate extract concentrations and how do extracts react when exposed to UV radiation. Hogweed (Heracleum) is a great example – if the sap contacts the skin in the dark, skin cells are not affected. But as soon as the skin is exposed to sun, chemical burn occurs.

What are the results of the first active compound safety and impact tests on human skin cells?

M.B.:Currently we test safety and antibacterial properties. We’ve obtained the first results but there is still testing under way. After we’ll find out which extracts are safe for skin cells, we will start tests on effectivity and functionality.

A.R.S.: We see it is possible to obtain extracts from the by-product biomass with an interesting chemical content. We have detected high concentrations of active ingredients that could be useful in production of skin-protecting and renewing natural cosmetics.

What experience does SIA “Alternative Plants” in cosmetic product development?

A.R.S.: We cooperate with several natural cosmetics producers. One of the most renowned – A/S “Madara cosmetics”. Currently we are still a relatively small company. Our ingredient deliveries can be measured in kilograms, usually around 10 kilograms per client. At the same time, our ingredients account for 0,5–2% of the end product’s total composition. Therefore, our clients can produce rather large amounts or product using our ingredients.

M.B.: While our ingredients make up just a small share of the product, these ingredients are part of what ensures the effectiveness of it.

Research “A biorefinery approach for the development of bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation” (1.1.1.1/19/A/075) is developed as a part of the European Regional Development Fund programme 1 .1.1.1 measure “Support for applied research” and specific objective 1.1.1 “Improve research and innovation capacity and the ability of Latvian research institutions to attract external funding, by investing in human capital and infrastructure”

More about the project here.

VRI izstrādā bezatkritumu tehnoloģijas kosmētikas izejvielu ražošanai

Jau gadu Vides risinājumu institūta (VRI) pētnieki sadarbojas ar vadošo ārstniecības augu audzēšanas uzņēmumu Ziemeļeiropā SIA “Field and Forest” un dabīgās kosmētikas izejvielu ražotāju SIA “Alternative Plants”, lai no pārstrādes atkritumiem izstrādātu jaunus pievienotās vērtības produktus – ādu aizsargājošas un atjaunojošas kosmētikas izejvielas.

Ārstniecības un aromātisko augu pārstrādes procesā rodas liels apjoms blakusproduktu. Uzņēmēji vērsušies pie VRI pētniekiem, lai, izmantojot biorafinēšanas metodi, vērtētu kādas un cik daudz aktīvās vielas šie ražošanas atkritumi satur un kā tos visefektīvāk ekstrahēt. SIA “Alternative Plants” šajā pētījumā ir ne tikai ārstniecības augu audu kultūru kultivēšanas (in vitro) blakusproduktu piegādātājs. Uzņēmumam ir liela pieredze dabīgās kosmētikas izejvielu ražošanā. SIA “Alternative Plants” pētnieki pētījumā veic no blakusproduktiem iegūto ekstraktu analīzi – drošības pārbaudes un efekta novērtējumu uz cilvēka ādas šūnām.

Ar iegūto ekstraktu novērtējuma gaitu un pirmajiem rezultātiem iepazīstināja SIA “Alternative Plants” pētnieki Anna Ramata-Stunda un Mārtiņš Borodušķis.

SIA “Alternative Plants” pētnieki Anna Ramata-Stunda un Mārtiņš Borodušķis. Attēls: Vides risinājumu institūts.

VRI: Ko nozīmē augu kultivēšana in vitro, kāpēc kosmētikas industrijas izejvielu izstrādei izmantojat tieši šo tehnoloģiju?

Mārtiņš Borodušķis (M.B.): In Vitro jeb augu šūnu kultivēšana ir augu biomasas audzēšanas tehnoloģija. Ar tās palīdzību, neaudzējot pašu augu, laboratorijas apstākļos iegūstam kosmētikas industrijai interesējošās izejvielas. Sākumā, protams, savvaļā ievācam augu vai tā daļas, tad laboratorijā iegūstam augu cilmes šūnas, no tām tālāk audzējam biomasu. Lielākā priekšrocība šai tehnoloģijai ir iespēja iegūt krietni augstāku aktīvo vielu koncentrāciju, nekā augs tās saražo dabā. Laboratorijā mēs spējam nodrošināt kontrolētus apstākļus – augšanu neietekmē sezonas, laikapstākļi, kā arī nav ārējā piesārņojuma.

No savvaļā ievāktas lapiņas iegūta auga cilmes šūnas jeb nediferencēta šūnu biomasa uz cietās barotnes. Tā ir sākuma stadija, pēc kuras augu šūnu biomasu var pavairot lielākā apjomā.

VRI: Kāpēc SIA “Alternative Plants” iesaistījās šajā pētījumā?

Anna Ramata-Stunda (A.R.S.): Mēs vienmēr esam uzsvēruši, ka ražošanas procesā cenšamies būt efektīvi un pret dabas resursiem atbildīgi. Kosmētikas izejvielu ražošanai audzējam augu biomasu, un no tās ekstrahējam mums interesējošos aktīvo vielu savienojumus. Atlikusī biomasa joprojām satur augstu aktīvo vielu koncentrāciju. Sapratām, ka, sadarbojoties ar VRI pētniekiem, no augu biomasas audzēšanas procesa varam iegūt jaunus produktus. Tādējādi savu ražošanas procesu padarot divreiz efektīvāku.

Augu šūnu biomasas ražošanas process. Attēls: SIA “Alternative Plants”.

VRI: Kur pielietojami ekstrakti un aktīvo vielu savienojumi, kas iegūti no SIA “Field and Forest” ēterisko eļļu ieguves procesa un SIA “Alternative Plants” augu šūnu biomasas ražošanas blakusproduktiem?

A.R.S.: Šajā pētījumā apskatām ārstniecības kumelīšu (Matricaria) ēterisko eļļu ražošanas procesa un trīs ārstniecības augu (Ruiša pūķgalves (Dracocephalum), ērkšķogas (Ribes) un kadiķa (Juniperus)) biomasas ražošanas procesu pārpalikumus. No katras blakusproduktu grupas VRI pētnieki iegūst ekstraktus. Ekstrahēšanas procesā pētnieki eksperimentē ar dažādiem reaģentiem, temperatūrām un citiem faktoriem. Rezultātā iegūstami ekstrakti, kas satur daudzveidīgas aktīvās vielas dažādās koncentrācijās. Mēs šajā pētījumā vērtējam, kā iegūtie ekstrakti reaģē uz cilvēka ādas šūnām. Tādējādi nosakām, kur tie tālāk izmantojami – kādus kosmētikas izejvielu prototipus no tiem iespējams izstrādāt.

VRI: Kā nosakāt, kādas kosmētikas industrijā izmantojamas īpašības piemīt ekstraktiem un aktīvajām vielām, kas iegūtas no pētījumā apskatītajām blakusproduktu grupām?

A.R.S.: To darām laboratorijā bioķīmiskos testos uz ādas šūnu kultūrām. Skatāmies, kā iegūtie ekstrakti darbojas, vai tie aizsargā pret UV starojumu, vai veicina šūnu dalīšanos, ražo kolagēnu. Vērtējam antimikrobiālo aktivitāti – vai ekstrakts spēj nomākt baktēriju augšanu. Vēl viens svarīgs faktors, ko vērtējam, ir pretiekaisuma efektivitāte, kas spēj novērst ādas novecošanos un ultravioletā starojuma ietekmē radušos iekaisumus. Veicot testus, cenšamies saprast, kā blakusproduktu ekstrakti var konkurēt kosmētikas izejvielu ražošanas industrijā.

M.B.: Svarīgi ir saprast ne tikai to, kā produkts strādā, bet vai tas ir drošs. Tāpēc pirmos veicam drošības testus. Tajos analizējam, kā ekstrakti ietekmē cilvēka ādas šūnas, vai tie ir droši un kāda ir to bioloģiskā aktivitāte. Mēs arī vērtējam, kādas ir atbilstošās ekstraktu koncentrācijas un kā ekstraktus ietekmē ultravioletais starojums. Ultravioletā (UV) starojuma testi nepieciešami, lai pārbaudītu, vai starojuma ietekmē nenotiek nevēlama ķīmiska reakcija. Lielisks piemērs dabā ir latvāņu sula. Ja tā uz ādas nokļūst tumsā, tad ādas šūnas netiek ietekmētas, bet, tiklīdz uzspīd saule, rodas ķīmiskais apdegums.

VRI: Kādus rezultātus izdevies iegūt pēc pirmajiem aktīvo vielu savienojumu drošības un ietekmes izmēģinājumiem, kurus veicāt uz ādas šūnām?

M.B.: Jau šobrīd veicam drošības un antibakteriālos testus. Esam ieguvuši pirmos rezultātus, bet daļa izmēģinājumu vēl ir priekšā. Pēc tam, kad būsim noskaidrojuši, kuri ekstrakti ādas šūnām ir droši, plānojam uzsākt arī efektivitātes un funkcionalitātes testus.

A.R.S.: Mēs viennozīmīgi redzam, ka spējam no blakusproduktu biomasas izvilkt ekstraktus ar pietiekami interesantu ķīmisko sastāvu. Jau tagad saskatām, ka ekstraktos ir augsta tādu aktīvo vielu koncentrācija, kurām ir augsts potenciāls ādu aizsargājošas un atjaunojošas dabīgās kosmētikas izejvielu ražošanā.

VRI: Kāda ir SIA “Alternative Plants” pieredze kosmētikas industrijas produktu izstrādē?

A.R.S.: Jau šobrīd sastrādājamies ar vairākiem dabiskās kosmētikas ražotājiem. Viens no zināmākajiem ir AS “Madara cosmetics”. Pašlaik mēs vēl esam salīdzinoši neliels uzņēmums. Izejvielas kosmētikas ražotājiem mēs piegādājam kilogramos, vidēji 10 kg vienam klientam. Tajā pašā laikā mūsu saražotās izejvielas no produkta kopējā sastāva ir aptuveni 0,5–2%. Tas nozīmē, ka ar mūsu piegādāto izejmateriālu daudzumu klients var saražot lielu apjomu gala produkcijas.

M.B.: Jāņem vērā, ka, kaut arī mūsu ražotās izejvielas ir tikai maza daļiņa no gala produkcijas, tās ir viena no sastāvdaļām, kas nodrošina izstrādātā kosmētikas produkta iedarbību.

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.

Deriving cosmetic ingredients from medicinal chamomile distillation by-products

Researchers from the Institute for Environmental Solutions (IES) found that by-products from the medicinal chamomile (Matricaria recutita) essential oil distillation processes is a rich source for production of cosmetics for skin regeneration and protection.

Medicinal chamomile (Matricaria recutita). Image: IES.

IES’s chemical laboratory’s analysis shows that herbal waste remaining from the medicinal chamomile essential oil distillation processes is a rich source of highly valuable bioactive compounds. IES’s scientists analysed medicinal chamomile essential oil extraction by-products provided by organic farming company SIA “Field and Forest”. Similar tests were done on SIA “Alternative Plants” company’s cosmetic production by-products from three plants – dragonhead (Dracocephalum), European gooseberry (Ribes) and Juniper (Juniperus).

IES’s leading researcher and manager of chemical analysis laboratory Dr. Ilva Nakurte describes the research results: “Our research hypothesis has been confirmed. By-products from medicinal chamomile distillation process are a valuable source of bioactive compounds. They have a great potential for production of natural and organic cosmetics. However, so far in the previous research these types of extracts are not described.”

IES’s leading researcher Dr. Ilva Nakurte.

On the 20th of May Dr. Ilva Nakurte presented first research results in the 15th International Scientific Conference Vital Nature Sign 2021. She introduced conference participants with the IES’s achievements in medicinal chamomile by-product research.

Research “A biorefinery approach for the development of bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation” (1.1.1.1/19/A/075) is developed as a part of the European Regional Development Fund programme 1.1.1.1 measure “Support for applied research” and specific objective 1.1.1 “Improve research and innovation capacity and the ability of Latvian research institutions to attract external funding, by investing in human capital and infrastructure”

More about the project here.

Kosmētikas ražošanā izmantojami ārstniecības kumelīšu destilācijas blakusprodukti.

Ārstniecības kumelīšu (Matricaria recutita) ēterisko eļļu destilācijas procesā iegūstami vērtīgi blakusprodukti, kas tālāk izmantojami ādu aizsargājošas un atjaunojošas kosmētikas ražošanā. Tā secinājuši Vides risinājumu institūta (VRI) pētnieki.

Ārstniecības kumelīte (Matricaria recutita).
Līdz šim uzskatīti par atkritumiem, kumelīšu destilācijas pārpalikumi izrādās bagātīgs aktīvo vielu avots. To pierāda Vides risinājumu institūta ķīmijas laboratorijas rezultāti. Institūta pētnieki analizējuši bioloģiski sertificētās saimniecības SIA “Field and Forest” ārstniecības kumelīšu ēterisko eļļu ražošanas procesu pārpalikumus. Laboratorijā apskatīti arī SIA “Alternative Plants” trīs ārstniecības augu (Ruiša pūķgalves (Dracocephalum), ērkšķogas (Ribes) un kadiķa (Juniperus)) blakusprodukti, kas paliek pāri pēc dabīgās kosmētikas sastāvdaļu ražošanas.

Vides risinājumu institūta vadošā pētniece un ķīmijas laboratorijas vadītāja Dr. Ilva Nakurte skaidro pirmos pētījuma rezultātus: “ir apstiprinājusies mūsu izvirzītā hipotēze. Ārstniecības kumelītes ēterisko eļļu destilācijas blakusproduktu ekstrakti ir vērtīgs bioloģiski aktīvo savienojumu ieguves avots. Tiem ir liels potenciāls ādu aizsargājošas un atjaunojošas kosmētikas izstrādē. Tajā pašā laikā šāda veida ekstraktu identificēšana zinātniskajā literatūrā līdz šim nav aprakstīta.”

2021. gada 20. maijā pirmos pētījuma rezultātus Dr. Ilva Nakurte prezentēja ikgadējā starptautiskajā konferencē “15th International Scientific Conference Vital Nature Sign 2021”. Vadošā pētniece konferences dalībniekus iepazīstināja ar Vides risinājumu institūta sasniegumiem ārstniecības kumelītes blakusproduktu izpētē.

Researchers from the Institute for Environmental Solutions (IES) in cooperation with SIA “Alternative plants” develop high value-added bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation.

The growing human population creates increasing demand of natural resources for food, medicine, pharmacy, and other industries. IES’s researchers see a great potential in industrial organic medicinal and aromatic plant processing by-products:

• Medicinal and aromatic plant processing by-products from medicinal chamomile essential oil extraction provided by organic farming experts SIA “Field and Forest”.
• Dragonhead (Dracocephalum), European gooseberry (Ribes) and Juniper (Juniperus) plant tissue cultivation by-products of cosmetic production provided by SIA “Alternative plants” company.

During the previous research period (January – March 2021) scientists began the biorefining processes – extraction, fractionation and chemical characterization of active compounds that can be found in by-products. Dr Ilva Nakurte describes this process: “Before the start of this research, we already knew that these medicinal and aromatic plant processing by-products contain high concentrations of valuable compounds. After the first test trials we realized that by using biorefining processes we can obtain active compounds that are highly demanded by pharmaceutical, cosmetics, and food industries.”

Researchers have also started the biorefined extract tests on cells to assess their applicability to the development of new cosmetic products. “Our research partners SIA “Alternative Plants” have started the combination of biorefinery fractions and extracts to generate a composite of high value cosmetic ingredients. These ingredients are tested on human skin cells aiming to assess the impact. For example, they are testing if different active compounds can protect skin cells from Ultraviolet (UV) radiation,” explains Dr Ilva Nakurte.

Researchers plan to continue the adaptation of the extraction methods for each group of by-products. That will allow them to find out which fraction contains the most valuable bioactive compounds and which of them would be worth testing further on the skin cells.

Research “A biorefinery approach for the development of bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation” (1.1.1.1/19/A/075) is developed as a part of the European Regional Development Fund programme 1.1.1.1 measure “Support for applied research” and specific objective 1.1.1 “Improve research and innovation capacity and the ability of Latvian research institutions to attract external funding, by investing in human capital and infrastructure”

More about the project here.

Vides risinājumu institūta (VRI) pētnieki kopā ar SIA “Alternative plants” no ārstniecības augu pārstrādes un augu šūnu kultivēšanas blakusproduktiem attīsta 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 farmācijas, kosmētikas un pārtikas produktu ražošanai. Vides risinājumu institūta pētnieki saskatījuši potenciālu pielietojumu līdz šim neizmantotiem ārstniecības augu audzēšanas un rūpniecības blakusproduktiem:

• Bioloģiski sertificētas saimniecības SIA “Field and Forest” ārstniecības kumelīšu (Matricaria) ēterisko eļļu ražošanas procesu pārpalikumiem;
• SIA “Alternative Plants” trīs ārstniecības augu (Ruiša pūķgalves (Dracocephalum), ērkšķogas (Ribes) un kadiķa (Juniperus)) blakusproduktiem, kas paliek pāri pēc dabīgo aktīvo sastāvdaļu ražošanas kosmētikas nozarei.

Iepriekšējā izpētes periodā pētījuma partneri no SIA “Field and Forest” uzsākuši apjomīgu darbu pie biorafinēšanas procesu izstrādes, kas ļauj ekstrahēt, frakcionēt un identificēt ražošanas pārpalikumos esošos bioaktīvos savienojumus. Procesu skaidro Vides risinājumu institūta vadošā pētniece, projekta zinātniskā vadītāja Ilva Nakurte: “Jau pirms pētījuma uzsākšanas skaidri zinājām, ka šie ražošanas blakusprodukti joprojām satur augstas dažādu aktīvo vielu koncentrācijas. Pēc pirmajiem pētījuma mēnešiem esam secinājuši, ka sekmīgi izvēlēta biorafinēšanas procesa rezultātā varam iegūt vērtīgus aktīvo vielu savienojumus ar reālu to pielietojumu kosmētisko produktu formulāciju izveidē.”

Pētnieki uzsākuši arī iegūto ekstraktu izmēģinājumus, lai noteiktu, kuri savienojumi ir potenciāli jauna kosmētikas produkta prototipa izstrādei. Dr. Ilva Nakurte skaidro: “Paralēli ķīmiskā sastāva izvērtējumam, ko veic Vides risinājumu institūta pētnieki, pētījuma partneri SIA “Alternative Plants” uzsākuši iegūto ekstraktu citotoksicitātes un fototoksicitātes izvērtējumus in vitro, lai noskaidrotu, vai šie savienojumi uzrāda cerētos efektus uz ādas šūnu reakciju. Pirmie rezultāti ir parādījuši, ka daļa no iegūtajiem ekstraktiem ādas šūnu dzīvotspēju būtiski neietekmē, fototoksicitātes rezultāti pat norāda uz augstāku šūnu proliferāciju pie attiecīgajām to koncentrācijām.”

Nākamajos pētniecības periodos zinātnieki turpinās ekstrahēšanas metodes pielāgošanu katrai blakusproduktu grupai. Iegūtos savienojumus izvērtēs un vērtīgākos turpinās izmēģināt uz ādas šūnām, lai pētījumā rezultātā varētu izstrādāt augstas pievienotās vērtības kosmētikas produktu prototipus.

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.

The growing human population creates increasing demand on global ecosystems for food, medicine and other natural resources. Most of the world’s habitable land is already occupied by agriculture (50%) and forestry (37%). The amount of arable land per person is dropping, thus highlighting a need for improved efficiency of extracting higher value-added products and services from existing resources.
The European leading industries of food and drinks, cosmetics and chemical production have unused potential of transforming underutilised by-products into high added value products. Europe is the global leader in the chemical industry and cosmetics production, and its food and drink industry reaches an annual turnover of 1.1 trillion EUR.

Most by-products coming from agriculture, cosmetics, food and drink, as well as chemical industries are not utilized and end up in municipal landfills, thus causing serious environmental, economic and social problems. Currently, by-products are handled as waste, while they could be used as ingredients to create new revenue streams and open the doors for new markets. Spinning the mindset and business approaches towards using more innovative, science-based solutions for by-product utilization will have a positive impact on the transition towards a sustainable economy.

Objective

To develop high added value compounds for potential use in cosmetics from by-products of medicinal plant processing and cell cultivation.

Activities

1. Extraction of bioactive compounds from by-products of medicinal plant (Matricaria) processing and in-vitro cell culturing (Dracocephalum, Ribes and Juniperus) using supercritical fluid extraction methodology.
2. Fractionation of polar and non-polar compounds from supercritical fluid extracts of medicinal herb processing and in-vitro cell culturing production.
3. Chemical characterization of extractions and fractions obtained from medicinal plant by-products and estimating their potential in biorefinery using medical plant production and in vitro cell culturing.
4. Characterization of biological activity of extracts and fractions derived from by-products to characterize the safety and specific efficacy claims for cosmetic use.
5. Combination of biorefinery fractions and extracts to generate a composite cosmetic ingredient with enhanced biological activity by using complex analysis of chemical composition data on in-vitro safety and biological activity.
6. Communication and result dissemination focusing on knowledge transfer to scientific community, practitioners and general public.

Results

1. Effective and environmentally friendly extraction and fraction methodology for by-products derived from medicinal herb processing and in-vitro plant cell cultivation.
2. The developed and tested methodology for characterization of chemical composition, biological activity and safety of obtained extracts and fractions.
3. The developed prototype of a composite cosmetic ingredient with enhanced biological activity by combining biorefinery and extracts.
4. Results disseminated through 3 Open Access scientific journal papers, 6 presentations in international conferences and communication with the public through web, social media and outreach events.

Duration: 1st of July 2020 – 30 th of June 2023
Leading partner: Institute for Environmental Solutions
Partners: SIA “Field and Forest”, SIA “Alternative Plants”
Project scientific manager: IES leading researcher Dr. Ilva Nakurte, ilva.nakurte@videsinstituts.lv
Funded by: European Regional Development Fund, as a part of 1.1.1.1 measure “Support for applied research” and specific objective 1.1.1 “Improve research and innovation capacity and the ability of Latvian research institutions to attract external funding, by investing in human capital and infrastructure”, Nr. 1.1.1.1/19/A/075 and project partners.
Total budget: 810 878.66 EUR

Biorafinēšanas pieeja efektīvu kosmētikas izejvielu ieguvei no ārstniecības augu pārstrādes un augu šūnu kultivēšanas procesu blakusproduktiem (1.1.1.1/19/A/075)

Nepilna gadsimta laikā pasaules iedzīvotāju skaits ir gandrīz četrkāršojies, tādējādi radot pieaugošu pieprasījumu pēc dabiskajām ekosistēmām, lai nodrošinātu pārtiku, zāles un citus dabas resursus. Apmēram 50 % no visām apdzīvojamām zemēm tiek izmantoti lauksaimniecībai un 37 % – mežiem. Aramzemes apjoms uz vienu cilvēku samazinās, tādējādi pastiprinot nepieciešamību uzlabot augstas pievienotās vērtības bioaktīvo savienojumu ieguves efektivitāti no jau esošajiem resursiem.

Eiropas vadošajām pārtikas, dzērienu, kosmētikas un ķīmiskās rūpniecības nozarēm ir neizmantots potenciāls, lai nepietiekami izmantotus blakusproduktus pārveidotu par produktiem ar augstu pievienoto vērtību. Eiropa ir pasaules līdere ķīmijas rūpniecībā un kosmētikas ražošanā, un tās pārtikas un dzērienu ražošanas nozares gada apgrozījums ir 1,1 triljons EUR.

Lielākā daļa no lauksaimniecības, pārtikas, dzērienu, kosmētikas un ķīmiskās rūpniecības nozaru blakusproduktiem netiek izmantoti un nonāk pašvaldību atkritumu poligonos, tādējādi radot nopietnas vides, ekonomiskās un sociālās problēmas. Šobrīd blakusprodukti tiek uzskatīti par atkritumiem, lai gan tie izmantojami jaunu produktu izstrādē, kas sniegtu jaunas tirgus iespējas. Domāšanas veida un uzņēmējdarbības pieejas virziena maiņa uz inovācijās un zinātnē balstītu blakusproduktu izmantošanu pozitīvi ietekmēs pāreju uz ilgtspējīgu ekonomiku.

Mērķis

No ārstniecības augu pārstrādes un in vitro šūnu kultivēšanas blakusproduktiem izstrādāt augstas pievienotās vērtības bioloģiski aktīvu savienojumu, kas potenciāli izmantojams kosmētikā.

Aktivitātes

1. Bioloģiski aktīvo savienojumu ekstrahēšana no ārstniecības augu (Matricaria) pārstrādes un šūnu in vitro kultivēšanas blakusproduktiem (Dracocephalum, Ribes un Juniperus), izmantojot superkritiskā šķidruma ekstrakciju.
2. Polāro un nepolāro savienojumu frakcionēšana no ārstniecības augu pārstrādes superkritiskā šķidruma ekstraktiem un šūnu audzēšana in vitro.
3. Ekstrakciju un frakciju ķīmiskais raksturojums, izmantojot bioloģiski aktīvo fitoķīmisko klašu kvalitatīvo un kvantitatīvo skrīningu, kā arī dominējošo bioloģiski aktīvo savienojumu identifikācija, izmantojot saistītās metodes.
4. Ārstniecības augu pārstrādes un in vitro augu šūnu kultūrās iegūtu sastāvdaļu ražošanas blakusproduktu ekstraktu un frakciju bioloģiskās aktivitātes raksturojums (citotoksiskuma un fototoksiskuma testēšanas pārskati; antibakteriālas aktivitātes testēšanas pārskati; ādas aizsargaktivitātestes tēšanas pārskati).
5. Biorafinēšanas frakciju un ekstraktu kombinēšana, lai iegūtu kombinētas kosmētikas līdzekļu sastāvdaļas ar paaugstinātu bioloģisko aktivitāti.
6. Komunikācija un pētījuma rezultātu nodošana gan plašākai sabiedrībai, gan zinātniskajām aprindām un speciālistiem.

Rezultāti

1. Izstrādātas efektīvas un videi draudzīgas ekstrakcijas un frakcionēšanas metodes blakusproduktiem, kas iegūti no ārstniecība augu apstrādes un in vitro augu šūnu kultivēšanas.
2. Izstrādāts un pārbaudīts iegūto ekstraktu un frakciju ķīmiskā sastāva, bioloģiskās aktivitātes un drošības raksturojums.
3. Izstrādāts produkta prototips biorafinēšanas frakciju un ekstraktu kombinēšana, lai iegūtu jaunu kosmētikas līdzekļu sastāvdaļu ar pastiprinātu bioloģisko aktivitāti.
4. Rezultāti izplatīti, publicējot trīs rakstus brīvpieejas (Open Access) zinātniskajos žurnālos, veicot sešas prezentācijas starptautiskās konferencēs un informējot sabiedrību ar tiešsaistes, sociālo plašsaziņas līdzekļu un informatīvu pasākumu palīdzību.

Projekta norise: 2020. gada 1. jūlijs – 2023. gada 30. jūnijs.
Vadošais partneris: Vides risinājumu institūts.
Parteri: SIA “Field and Forest” un SIA “Alternative Plants”
Projekta zinātniskā vadītāja: Vides risinājumu institūts vadošā pētniece Dr. Ilva Nakurte.
Projekta finansētājs: Eiropas Reģionālās attīstības fonda (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” Nr. 1.1.1.1/19/A/075
Projekta kopējais finansējums: 810 878.66 EUR.

The growing human population also creates increasing demand for natural resources for food, medicine, pharmacy, and other industries. The use of underutilised industrial by-products could help Europe’s leading industries to develop high added value products, meet the growing demand and move towards more sustainable processes.

For this research by-products of medicinal Chamomile (Matricaria) processing and in-vitro cell culturing of Dragonhead (Dracocephalum), European gooseberry (Ribes) and Juniper (Juniperus) were chosen, because researchers saw a potential in them to develop high added value products.

In the following interview, IES leading researcher Dr Ilva Nakurte highlighted the progress and importance of this research.

IES: Why is it necessary to do this research?

Dr Ilva Nakurte (I.N.): Most by-products coming from agriculture, cosmetics, food and drink, as well as chemical industries are not utilized and end up in municipal landfills, thus causing serious environmental, economic, and social problems. Currently, by-products are handled as waste, while they could be used as resources to create new revenue streams and open doors for new niche markets. Spinning the mindset and business approaches towards using more innovative, science-based solutions for by-product utilization will have a positive impact on the transition towards a sustainable economy.

Medicinal and aromatic plants have active compounds that are highly demanded by pharmaceutical, cosmetics, and food industries. While active compounds can be artificially synthesised, considering increasing demand, the focus should be on compounds extracted from natural resources. Therefore, during this research we will obtain active compounds from different industry by-products and waste to develop bioactive cosmetic ingredients.

Plant cell cultures used in the research Dragonhead (Dracocephalum), European gooseberry (Ribes) and Juniper (Juniperus). Image: SIA “Alternative Plants”.

IES: What do you consider as the main valuable resource that you will obtain from by-products?

I.N.: When people hear the word waste, the first association in their mind is household waste. In this research we will work with two groups of organic medicinal plant processing by-products:

• Medicinal and aromatic plant processing by-products from medicinal chamomile essential oil extraction provided by organic farming experts of SIA “Field and Forest”.

Medicinal chamomile (Matricaria) by-products used in the research. Image: SIA “Field and Forest”.

• Plant tissue cultivation by-products of cosmetic production provided by SIA “Alternative plants” company.

Plant cell cultures of Dragonhead (Dracocephalum) used in the research. Image: SIA “Alternative Plants”.

Before the start of this research, we already knew that these medicinal and aromatic plant processing by-products contain high concentration levels of valuable compounds. Within this research we will develop technologies for bioactive compound extraction (with suitable biorefinery methods) from above mentioned by-products. After extraction active compounds will be categorized and further used in the development of different valuable product prototypes for the cosmetic industry.

IES: Please explain what is biorefinery and how it helps to extract active compounds from medicinal and aromatic plant processing by-products?

I.N.: A biorefinery is defined as the optimised processing of biomass for extraction of new raw materials.

We are convinced that in our research selected by-products materials contain bioactive compounds. Therefore, the main task of the biorefining processes used in our project is to understand what and how much active substances they contain, and how to extract them in the most effective ways. The processes of the biorefinery method that we will implement in this study can be divided in three main steps:

First step. We are going to search for the most suitable method for the extraction of bioactive compounds. We have chosen the most environmentally friendly and, at the same time, efficient active compound extraction method – the supercritical fluid extraction method.

Second step. Reuse of waste is an environmentally friendly action. In this research we are trying to find the most environmentally friendly extraction reagents. We found it inappropriate to use chemical reagents for extraction that are harmful to the environment and human health. For the supercritical fluid extraction method use only carbon dioxide (CO2), in combination with ethanol and/or water. To extract the highest concentration of active compounds from each group of by-products, it is important to find the most suitable combination of these three reagents.

Third step. Fractionation of polar and non-polar compounds. All active compounds that we extracted from the by-products need to be divided into fractions. As a result of extraction, we will obtain the whole set of biologically active substances, and there is no unique method that would be able to separate them from each other in one go. The supercritical fluid extraction method allows us to systematically divide this group into fractions, such as carbohydrates, proteins, antioxidants, fatty acids, volatile substances. Fractionation allows us to understand which groups of bioactive compounds we were able to extract and how high are the concentrations of these groups. If we understand the value of each of the active compound groups, we can assess whether the size of the class is large enough to make its extraction economically viable.

IES: What are the next steps, after the extraction is done and active substances are divided in fractions?

I.N.: Once the extracts have been divided into fractions, the next step is chemical characterization of extracts and fractions. Chemical characterization will be done in IES laboratory using state-of-the-art analytical equipment and extracts will be classified in such groups as sugars, amino acids, glycosides, tannins, phenolic compounds, flavonoids, etc.

An assessment of the microelement composition of the obtained fractions and extracts will also be performed, as we are interested not only in the bioactive substances contained in these medicinal plant by-products, but also in the microelements, which is a very hot topic nowadays.

IES: What will you do with the biologically active compounds that you will acquire?

I.N.: Next step will be the assessment of the acquired bioactive compounds. During discussions with all research partners, we will decide which compounds and from which by-products have the highest potential in cosmetic product development.

Our research partners SIA “Alternative Plants” have extensive and long-term experience in cooperation with various cosmetic manufacturers, therefore they will start the combination of biorefinery fractions and extracts to generate a composite of high value cosmetic ingredient. This ingredient will be tested on human skin cells to assess the impact. If human cell tests will show positive results, we will continue a development of a product prototype for the cosmetics industry.

IES: Is it planned to produce an actual product within this research?

I.N.: No, we have not planned to develop a product for the cosmetics industry during this research. The outcome will be intellectual property that will belong to all three project partners. Our research activities will certainly not stop. Research on natural resource-based by-products for the development of new product prototypes can be interesting for the organic cosmetics industry, as well as many others.

IES: Is this extraction of active compounds from plant processing by-products an innovative approach?

I.N.: Of course, we are not the first ones that have thought about extraction of bioactive compounds from plant processing by-products that, otherwise, would go to waste. However, In Latvia we are one of the pioneers that focus on large-scale medicinal plant by-product repurposing.

In scientific literature we can find similar examples of organic plant by-product extracting even with the same supercritical fluid extraction method. But researchers usually do not share specific techniques that are vital in the research process.

Within this study, we will evaluate the extraction methods and adapt them to the each group of by-products in order to find the most suitable and effective solutions.

Medicinal Chamomile (Matricaria) extracts from distillation by-products. Image: Institute for Environmental Solutions.

IES: This research was launched in July 2020. Which activities have you already started?

I.N.: We have started to test the first water and ethanol extracts from six SIA “Alternative Plants” different lyophilized plant cell culture by-products and from SIA “Field and Forest” chamomile processing by-products – white petals, pollen (pulp) and distillation waste. We have started testing the reagents of the supercritical fluid extraction method. For each group of by-products considered in the study it is necessary to find the right combination of carbon dioxide, water and ethanol, as well as the most suitable extraction temperature and time. We try to find out these factors in a series of experiments, to get the most effective extraction results.

Experimental extraction of non-polar fractions from distillation by-products with non-polar liquefied gas – florasol extraction – was also performed. For both non-polar and polar fractions, a qualitative assessment of the effect of distillation time on the separation of fractions from distillation by-products has been performed. We can already conclude that the hypothesis put forward in our project has proved to be true, and high concentrations of various bioactive substances can be found in the production by-products tested so far.

IES: What have you planned for the upcoming research periods?

I.N.: We will continue to adapt the extraction method for each group of by-products. We will continue the fractionation of the obtained polar and non-polar compounds and the characterization of these fractions. That will allow us to find out which fraction contains the most valuable bioactive compounds and which of them would be worth researching further.

Research “A biorefinery approach for the development of bioactive cosmetic ingredients from by-products of medicinal plant processing and plant cell cultivation” (1.1.1.1/19/A/075) is developed as a part of the European Regional Development Fund programme 1.1.1.1 measure “Support for applied research” and specific objective 1.1.1 “Improve research and innovation capacity and the ability of Latvian research institutions to attract external funding, by investing in human capital and infrastructure”

More about the project here.

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.

Pētījumā izmantotās trīs augu šūnu Ruiša pūķgalves (Dracocephalum), ērkšķogas (Ribes) un kadiķa (Juniperus) kultūras. Attēls: SIA Alternative Plants.

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;

Pētījumā izmantotie Ārstniecības kumelītes (Matricaria) blakusprodukti. Attēls: SIA Field and Forest.

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

Pētījumā izmantotās Ruiša pūķgalves (Dracocephalum) augu šūnu kultūras. Attēls: SIA Alternative Plants.

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.

Ārstniecības kumelītes (Matricaria) blakusproduktu ekstrakti. Attēls: Vides Risinājumu Institūts.

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.