vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/achb.1013HIAWFLvuzbiochemi-1577Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯPHYSICOCHEMICAL BIOLOGYВлияние ультразвуковой обработки бересты на выход бетулина при экстракции из BetulaEffect of ultrasonic treatment of birch bark on betulin yield in extraction from Betulahttps://orcid.org/0000-0002-7732-253XСюйХ.XuH.

Сюй Хуавэй, аспирант, Высшая школа биотехнологий и пищевых производств

195251, г. Санкт-Петербург, внутригородское муниципальное образование муниципальный округ Академический, ул. Политехническая, 29б

Huawei Xu, Postgraduate Student, Graduate School of Biotechnology and Food Science

12b, Politekhnicheskaya St., Akademicheskii municipal district, St. Petersburg, 195251

xuhuawei666@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9275-7913БазарноваЮ. Г.BazarnovaJu. G.

Базарнова Юлия Генриховна, д.т.н., профессор, директор Высшей школы биотехнологий и пищевых производств

195251, г. Санкт-Петербург, внутригородское муниципальное образование муниципальный округ Академический, ул. Политехническая, 29б

Julia G. Bazarnova, Dr. Sci. (Engineering), Director of Graduate School of Biotechnology and Food Science

12b, Politekhnicheskaya St., Akademicheskii municipal district, St. Petersburg, 195251

jbazarnova@spbstu.ruhttps://orcid.org/0009-0005-0673-8449БалабаевА. А.BalabaevA. A.

Балабаев Алексей Александрович, ассистент, Высшая школа биотехнологий и пищевых производств

195251, г. Санкт-Петербург, внутригородское муниципальное образование муниципальный округ Академический, ул. Политехническая, 29б

Alexey A. Balabaev, Assistant Teacher, Graduate School of Biotechnology and Food Science

12b, Politekhnicheskaya St., Akademicheskii municipal district, St. Petersburg, 195251

balabaev-alexey97@mail.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation202516122025154487494Copyright © Сюй Х., Базарнова Ю.Г., Балабаев А.А., 20252025Сюй Х., Базарнова Ю.Г., Балабаев А.А.Xu H., Bazarnova J.G., Balabaev A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/1577

Бетулин представляет собой природное пентациклическое тритерпеноидное соединение, обладающее широким спектром биологической активности. Промышленное использование бетулина в качестве фармацевтической субстанции требует решения нескольких ключевых задач – интенсификации процесса извлечения из растительного сырья и увеличения его биодоступности. Целью данной работы являлось исследование влияния предварительной ультразвуковой обработки измельченной бересты на эффективность последующей экстракции и характеристики целевого продукта. Результаты эксперимента показывают, что оптимизация мощности ультразвукового воздействия в диапазоне 250–300 Вт приводит к повышению выхода экстрактивных вещества до 37,0%, а после проведения этапа очистки от примесей выход кристаллического целевого продукта (бетулина) увеличивается на 14,9% по сравнению с контрольным образцом (без ультразвуковой обработки фитомассы), что в относительных величинах составляет превышение на 43%. Комплексный анализ чистоты полученного соединения (тонкослойная хроматография, инфракрасная спектроскопия, температура плавления 257–259 °C) подтвердил высокую эффективность предложенной методики очистки от сопутствующих примесей и сохранение структурной целостности целевого вещества. Таким образом, применение технологии жидкостной экстракции с ультразвуковой гомогенизацией фитомассы бересты позволяет увеличить выход целевого продукта с высокой степенью чистоты, а также сократить расход сырья и экстрагента. Указанные преимущества вносят существенный вклад в ресурсосбережение и обосновывают высокую технологическую и экономическую целесообразность масштабирования данного процесса.

Betulin is a natural pentacyclic triterpenoid compound exhibiting a wide range of biological activity. The industrial use of betulin as a pharmaceutical substance requires addressing several key issues, including intensification of extraction from plant raw materials and improvement of its bioavailability. The present study was aimed at examining the effect of preliminary ultrasonic treatment of crushed birch bark on the efficiency of subsequent extraction and the characteristics of the target product. The conducted experiment shows that power optimization of ultrasonic treatment within the range of 250–300 W increases the yield of extractive substances to 37.0%; after the purification stage, the yield of the crystalline product (betulin) increases by 14.9% compared to the control sample (without ultrasonic treatment of phytomass), which in relative terms amounts to an excess of 43%. A comprehensive purity analysis of the obtained compound (thin-layer chromatography; infrared spectroscopy; melting temperatures of 257–259 °С) confirmed the high efficiency of the proposed purification method for removing related impurities and preserving the structural integrity of the target substance. Thus, the use of solvent extraction combined with the ultrasonic homogenization of birch bark phytomass increases the yield of the target high-purity product, as well as reducing the consumption of raw materials and extraction solvents. These advantages contribute significantly to efficient use of resources, which suggests that it is technologically and economically feasible to scale up this process.

бетулинфитомасса берестыультразвуковая гомогенизацияжидкостная экстракцияперекристаллизацияbetulinbirch bark phytomassultrasonic homogenizationsolvent extractionrecrystallizationReferencesFalamas A., Pinzaru S.C., Dehelean C., Peev C., Soica C. Betulin and its natural resource as potential anticancer drug candidate seen by FT-Raman and FT-IR spectroscopy // Journal of Raman Spectroscopy. 2011. Vol. 42, no. 1. P. 97–107. DOI: 10.1002/jrs.2658.Falamas A., Pinzaru S.C., Dehelean C., Peev C., Soica C. Betulin and its natural resource as potential anticancer drug candidate seen by FT-Raman and FT-IR spectroscopy. Journal of Raman Spectroscopy. 2011;42(1):97-107. DOI: 10.1002/jrs.2658.Воробьева О.А., Малыгина Д.С., Грубова Е.В., Мельникова Н.Б. Производные бетулина. Биологическая активность и повышение растворимости // Химия растительного сырья. 2019. N 4. С. 407–430. DOI: 10.14258/jcprm.2019045419. EDN: JWQQIC.Vorobyeva O.A., Malygina D.S., Grubova E.V., Melnikova N.B. Betulin derivatives. biological activity and solubility improvement. Chemistry of plant raw material. 2019;4:407-430. (In Russian). DOI: 10.14258/jcprm.2019045419. EDN: JWQQIC.Ahmadu A.A., Delehouzé C., Haruna A., Mustapha L., Lawal B.A., Udobre A., et al. Betulin, a newly characterized compound in acacia auriculiformis bark, is a multi-target protein kinase inhibitor // Molecules. 2021. Vol. 26, no. 15. P. 4599. DOI: 10.3390/molecules26154599.Ahmadu A.A., Delehouzé C., Haruna A., Mustapha L., Lawal B.A., Udobre A., et al. Betulin, a newly characterized compound in acacia auriculiformis bark, is a multi-target protein kinase inhibitor. Molecules. 2021;26(15):4599. DOI: 10.3390/molecules26154599.Tang J.-J., Li J.-G., Qi W., Qiu W.-W., Li P.-S., Li B.-L., et al. Inhibition of SREBP by betulin improves hyperlipidemia and insulin resistance // Cell Metabolism. 2011. Vol. 13, no. 1. P. 44–56. DOI: 10.1016/j.cmet.2010.12.004.Iftime M.-M., Ailiesei G.L., Shova S., Miron C., Tanaka H., Hori M., et al. New betulin imine derivatives with antioxidant and selective antitumor activity. New Journal of Chemistry. 2023;47(35):16551-16563. DOI: D3NJ02738D.Adepoju F.O., Sokolova K.V., Gette I.F., Danilova I.G., Tsurkan M.V., Mondragon A.C., et al. Protective effect of betulin on Streptozotocin–Nicotinamide-Induced diabetes in female rats // International Journal of Molecular Sciences. 2024. Vol. 25, no. 4. P. 2166. DOI: 10.3390/ijms25042166.Tang J.-J., Li J.-G., Qi W., Qiu W.-W., Li P.-S., Li B.-L., et al. Inhibition of SREBP by betulin improves hyperlipidemia and insulin resistance. Cell Metabolism. 2011;13(1):44-56. DOI: 10.1016/j.cmet.2010.12.004.Ko B.-S., Kang S., Moon B.R., Ryuk J.A., Park S. A 70% ethanol extract of mistletoe rich in betulin, betulinic acid, and oleanolic acid potentiated β-cell function and mass and enhanced hepatic insulin sensitivity // Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine. 2016. Vol. 2016. P. 1–13. DOI: 10.1155/2016/7836823.Adepoju F.O., Sokolova K.V., Gette I.F., Danilova I.G., Tsurkan M.V., Mondragon A.C., et al. Protective effect of betulin on Streptozotocin–Nicotinamide-Induced diabetes in female rats. International Journal of Molecular Sciences. 2024;25(4):2166. DOI: 10.3390/ijms25042166.Fu Z.H., Jiang Y., Liu J., Lin Z.H., Jin Y., Du S., et al. Inhibitory effect of betulin on lipopolysaccharide-induced microglial inflammatory response // Chinese Journal of Immunology. 2021. Vol. 37, no. 2. P. 128–133. DOI: 10.13431/j.cnki.immunol.j.20210019.Ko B.-S., Kang S., Moon B.R., Ryuk J.A., Park S. A 70% ethanol extract of mistletoe rich in betulin, betulinic acid, and oleanolic acid potentiated β-cell function and mass and enhanced hepatic insulin sensitivity. Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine. 2016;2016:1-13. DOI: 10.1155/2016/7836823.Zhang L., Ma Z., Wang R., Zhu M. Synthesis and characterization of methacrylate-functionalized betulin derivatives as antibacterial comonomer for dental restorative resins // ACS Biomaterials Science & Engineering. 2021. Vol. 7, no. 7. P. 3132–3140. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.1c00563.Fu Z.H., Jiang Y., Liu J., Lin Z.H., Jin Y., Du S., et al. Inhibitory effect of betulin on lipopolysaccharide-induced microglial inflammatory response. Chinese Journal of Immunology. 2021;37(2):128-133. (In Chinese). DOI: 10.13431/j.cnki.immunol.j.20210019.Tuli H.S., Sak K., Gupta D.S., Kaur G., Aggarwal D., Parashar N.C., et al. Anti-inflammatory and anticancer properties of birch bark-derived betulin: recent developments // Plants. 2021. Vol. 10, no. 12. P. 2663. DOI: 10.3390/plants10122663.Zhang L., Ma Z., Wang R., Zhu M. Synthesis and characterization of methacrylate-functionalized betulin derivatives as antibacterial comonomer for dental restorative resins. ACS Biomaterials Science & Engineering. 2021;7(7):3132-3140. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.1c00563.Tao Y.W., Zhou H.D., Yu J. Protective effect of betulinic acid on osteoarthritis chondrocyte damage by regulating LncRNA MFI2-AS1 // Chinese Pharmacist. 2022. Vol. 25, no. 1. P. 49–54. DOI: 10.19962/j.cnki.issn1008-049X.2022.01.008.Tuli H.S., Sak K., Gupta D.S., Kaur G., Aggarwal D., Parashar N.C., et al. Anti-inflammatory and anticancer properties of birch bark-derived betulin: recent developments. Plants. 2021;10(12):2663. DOI: 10.3390/plants10122663.Takibayeva A.T., Zhumabayeva G.K., Bakibaev A.A., Demets O.V., Lyapunova M.V., Mamaeva E.A., et al. Methods of analysis and identification of betulin and its derivatives // Molecules. 2023. Vol. 28, no. 16. P. 5946. DOI: 10.3390/molecules28165946.Tao Y.W., Zhou H.D., Yu J. Protective effect of betulinic acid on osteoarthritis chondrocyte damage by regulating LncRNA MFI2-AS1. Chinese Pharmacist. 2022;25(1):49-54. (In Chinese). DOI: 10.19962/j.cnki.issn1008-049X.2022.01.008.Niu X., Zhu H., Mhatre S., Bi R., Ye Y., Rojas O.J. Betulin enables multifunctional cellulose-based insulative foams with low environmental impacts // ACS Nano. 2024. Vol. 18, no. 31. P. 20247–20257. DOI: 10.1021/acsnano.4c04011.Takibayeva A.T., Zhumabayeva G.K., Bakibaev A.A., Demets O.V., Lyapunova M.V., Mamaeva E.A., et al. Methods of analysis and identification of betulin and its derivatives. Molecules. 2023;28(16):5946. DOI: 10.3390/molecules28165946.Аверьянова Е.В., Школьникова М.Н., Чугунова О.В. Исследование антиоксидантных свойств тритерпеноидов в составе жиросодержащих продуктов // Техника и технология пищевых производств. 2022. Т. 52. N 2. С. 233–243. EDN: OZYTYK. DOI: 10.21603/2074-9414-2022-2-2358.Niu X., Zhu H., Mhatre S., Bi R., Ye Y., Rojas O.J. Betulin enables multifunctional cellulose-based insulative foams with low environmental impacts. ACS Nano. 2024;18(31):20247-20257. DOI: 10.1021/acsnano.4c04011.Аверьянова Е.В., Школьникова М.Н. Повышение эффективности бетулинсодержащих пищевых ингредиентов из бересты березы повислой (Betula Pendula Roth.) в составе пищевых систем // Химия растительного сырья. 2022. N 4. С. 333–341. DOI: 10.14258/jcprm.20220411171. EDN: GGNJYT.Averyanova E.V., Shkolnikova M.N., Chugunova O.V. Antioxidant properties of triterpenoids in fat-containing products. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(2):233-243. (In Russian). EDN: OZYTYK. DOI: 10.21603/2074-9414-2022-2-2358.Школьникова М.Н., Павлов И.Н., Аверьянова Е.В., Рожнов Е.Д., Чугунова О.В. Технологические аспекты переработки бересты в компонент пищевых систем для населения Арктики и Крайнего Севера // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2024. Т. 14. N 3. С. 371–382. DOI: 10.21285/achb.929. EDN: OWECVD.Averyanova E.V., Shkolnikova M.N. Improving the efficiency of betulin-containing food ingredients from silver birch (Betula pendula Roth.) in food systems. Chemistry of plant raw materials. 2022;4:333-341. (In Russian). DOI: 10.14258/jcprm.20220411171. EDN: GGNJYT.Wang D.W., Meng T.C., Li X. Study on the screening of betulin nanoemulsion prescriptions and optimization of preparation process // Tianjin Traditional Chinese Medicine. 2025. Vol. 42, no. 4. P. 486–495.Shkolnikova M.N., Pavlov I.N., Averyanova E.V., Rozhnov E.D., Chugunova O.V. Technological aspects of birch bark processing into a component of food systems for the population of the Arctic and the Far North. Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2024;14(3):371-382. (In Russian). DOI: 10.21285/achb.929. EDN: OWECVD.Lv M., Zheng Y., Wu J., Shen Z., Guo B., Hu G., et al. Evoking ferroptosis by synergistic enhancement of a cyclopentadienyl iridium-betulin immune agonist // Angewandte Chemie International Edition. 2023. Vol. 62, no. 48. P. e202312897. DOI: 10.1002/anie.202312897.Wang D.W., Meng T.C., Li X. Study on the screening of betulin nanoemulsion prescriptions and optimization of preparation process. Tianjin Traditional Chinese Medicine. 2025;42(4):486-495. (In Chinese).Adepoju F.O., Duru K.C., Li E., Kovaleva E.G., Tsurkan M.V. Pharmacological potential of betulin as a multitarget compound // Biomolecules. 2023. Vol. 13, no. 7. P. 1105. DOI: 10.3390/biom13071105.Lv M., Zheng Y., Wu J., Shen Z., Guo B., Hu G., et al. Evoking ferroptosis by synergistic enhancement of a cyclopentadienyl iridium-betulin immune agonist. Angewandte Chemie International Edition. 2023;62(48):e202312897. DOI: 10.1002/anie.202312897.Patent no. 200580026510.3, People’s Republic of China. Method and apparatus for comprehensive utilization of microalgae with ultrasonic cell wall disruption / X. Wang, L. Huang, Y. Li, G. Li. Publ. 18.06.2008.Adepoju F.O., Duru K.C., Li E., Kovaleva E.G., Tsurkan M.V. Pharmacological potential of betulin as a multitarget compound. Biomolecules. 2023;13(7):1105. DOI: 10.3390/biom13071105.Логинов А.Г., Филиппова К.П., Клинцов В.В. Повышение точности проведения эксперимента на приборе ПТП // Дни науки – 2017: тезисы докл. конф. (г. Самара, 3–7 апреля 2017 г.). Самара: Изд-во СамГТУ, 2017. С. 172–173. EDN: ZWVTJX.Wang X., Huang L., Li Y., Li G. Method and apparatus for comprehensive utilization of microalgae with ultrasonic cell wall disruption. Patent СN, no. 200580026510.3; 2008. (In Chinese).Robert S.M.J., Aeri V. Development and validation of a high-performance thin-layer chromatography method for simultaneous estimation of α-Amyrin, Betulin and β-Sitosterin in Leptadenia reticulata and Marsdenia tenacissima // Separation Science Plus. 2024. Vol. 7, no. 2. P. 2300092. DOI: 10.1002/sscp.202300092.Loginov A.G., Filippova K.P., Klintsov V.V. Improving the accuracy of the experiment on the PTP device. Dni nauki – 2017: tezisy dokl. konf. = Days of Science – 2017: abstracts of the conference reports. 3–7 April 2017, Samara. Samara: Samara State Technical University; 2017, p. 172-173. (In Russian). EDN: ZWVTJX.Сюй Х., Базарнова Ю.Г. PASS Online-прогнозирование фармакологических эффектов производных бетулина // БиоТех – 2024: тезисы докл. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (г. Санкт-Петербург, 16–19 апреля 2024 г.). СПб.: Политех-Пресс, 2024. С. 23.Robert S.M.J., Aeri V. Development and validation of a high-performance thin-layer chromatography method for simultaneous estimation of α-Amyrin, Betulin and β-Sitosterin in Leptadenia reticulata and Marsdenia tenacissima. Separation Science Plus. 2024;7(2):2300092. DOI: 10.1002/sscp.202300092.Кузнецова С.А., Скворцова Г.П., Маляр Ю.Н., Скурыдина Е.С., Веселова О.Ф. Выделение бетулина из бересты березы и изучение его физико-химических и фармакологических свойств // Химия растительного сырья. 2013. N 2. С. 93–100. EDN: RCYKPV.Xu H., Bazarnova J.G. PASS Online-prediction of pharmacological effects of betulin derivatives. In: BiOTekh – 2024: tezisy dokl. Vseros. nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem = BioTech – 2024: Proc. Int. Sci. Pract. Conf. 16–19 April 2024, Saint Petersburg. Saint Petersburg: Politekh-Press; 2024, p. 23. (In Russian).Kuznetsova S.A., Skvortsova G.P., Maliar Iu.N., Skurydina E.S., Veselova O.F. Extraction betulin from birch bark and study of its physicochemical and pharmacological properties. Chemistry of Plant Raw Material. 2013;(2):93-100. (In Russian). EDN: RCYKPV.Kuznetsova S.A., Skvortsova G.P., Maliar Iu.N., Skurydina E.S., Veselova O.F. Extraction betulin from birch bark and study of its physicochemical and pharmacological properties. Chemistry of Plant Raw Material. 2013;(2):93-100. (In Russian). EDN: RCYKPV.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.