Application of ultrasonic cavitation of biologically active substances from plant raw materials, promising for use in pharmacy and medicine

The article is devoted to the evaluation of the efficiency of the ultrasonic cavitation method for the extraction of biologically active substances from the plant raw materials of medicinal crops. The relevance of the use of high-energy extraction methods, allowing to intensify the process, increase the yield of target components and preserve their native activity for further use in pharmacy and medicine, is substantiated. The aim of the study was a comparative examination of the yield of extractive substances during traditional (passive) water extraction and during ultrasonic extraction (UBE) from the raw materials of 13 plant species of the collection of aromatic and medicinal plants of the Nikitsky Botanical Garden - National Scientific Center of the Russian Academy of Sciences - sources of valuable biologically active substances (essential oil, flavonoids, phenolic acids, polysaccharides, etc.). Extraction was carried out with water at a hydromodulus of 1:10 and a temperature of 50°C for 15, 30 and 45 minutes. The experiment established that the use of ultrasound significantly (p < 0.05) increases the yield of extractive substances for all studied samples. The yield increase ranged from 1.3 to 2.3 times. The greatest increase (2.3 times) was recorded for plants with rigid cell walls and lipophilic components (immortelle, lemongrass, rosemary), confirming cavitation's ability to destroy hard-to-reach tissues. Passive extraction was shown to be ineffective for extracting terpenoids (citral, thymol, carvacrol), while ultrasonic cavitation promoted their release into solution. The obtained data confirm the high efficiency of ultrasonic cavitation as a method for intensifying the extraction of biologically active substances. The results of the study have practical significance for the development of technologies for producing plant extracts with high active ingredient content, which can be used in the creation of pharmaceuticals, bioactive films, and food products.

1. Бакова Е.Ю., Бакова Н.Н., Поздняков Д.И., Коновалов Д.А., Оробинская В.Н. Антиоксидантные свойства и токсичность водного извлечения и сиропа мирта обыкновенного // Современная наука и инновации, 2022. – № 4 (40). – С. 108-115.

2. Бакова Н.Н., Шевчук О.М., Логвиненко Л.А., Тимашева Л.А. К вопросу о стандартизации сырья эстрагона // Овощи России. – 2019. – № 2 (46). – С. 58-62.

3. Белопухов С.Л., Хлыпенко Л.А., Шевчук О.М., Феськов С.А., Дмитриев Л.Б., Дмитриева В.Л. Динамика накопления и компонентного состава эфирного масла розмарина (Rosmarinus officinalis L.), произрастающего на Южном берегу Крыма // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2017. № 6. С. 129-140.

4. Голубкина Н.А., Багрикова Н.А., Лапченко В.А., Лапченко Е.В., Науменко Т.С., Левко Г.Д. Биохимический состав натурализовавшихся на территории Крымского полуострова Opuntia humifusa, O. phaeacantha, O. engelmannii var. lidheimeri и перспективы их использования // Овощи России, 2024. – № 5. – С. 64-72. DOI: 10.18619/2072-9146-2024-5-64-72.

5. Гюльбякова Х.Н. Флавоноиды листьев вербены лимонной // Международный научно-исследовательский журнал. – 2022. – N. 8 (122). – С. 1-6. DOI: 10.23670/IRJ.2022.122.109

6. Джелдубаева Э.Р., Ярмолюк Н.С., Чуян Е.Н., Шевчук О.М., Бакова Н.Н. Анальгетический и противовоспалительный эффекты фармацевтически активных компонентов Myrtus communis L. // Ученые записки Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского. Биология. Химия, 2023. –Т. 9, № 4. – С. 36-48.

7. Елапов А.А., Кузнецов Н.Н., Марахова А.И. Применение ультразвука в экстракции биологически активных соединений из растительного сырья, применяемого или перспективного для применения в медицине (обзор) // Разработка и регистрация лекарственных средств. – 2021. Т. 10. – № 4. – С. 96-116. DOI:10.33380/2305-2066-2021-10-4-96-116

8. Загорулько Е.Ю., Теслев А.А., Ожигова М.Г. Разработка и оптимизация технологии ультразвукового экстрагирования ромашки аптечной цветков (Chamomillae Recutitaflores) // Фармация и фармакология, 2018;6(2): – С. 151–166. DOI: 10.19163/2307-9266-2018-6-2-151-166

9. Зибарева Л.Н., Филоненко Е.С. Влияние ультразвукового воздействия на экстракцию биологически активных соединений растений семейства Caryophyllaceae // Химия растительного сырья. – 2018. – № 2. – С. 145-151. – DOI 10.14258/jcprm.2018023703

10. Искакова Г.К., Абдреева А.С., Аскарбеков Е.Б., Батырбаева Н.Б., Самадун А.И. Обоснование параметров ультразвуковой экстракции для получения экстракта из шиповника (Rosa canina L.). Вестник Университета Шакарима. Технические науки. 2024;1(2(14)):92-98. https://doi.org/10.53360/2788-7995-2024-2(14)-12

11. Конобеев В.Д., Палий А.Е., Шевчук О.М., Осокин А.Р., Феськов С.А. Содержание фенольных соединений у видов рода Monarda L. при культивировании в условиях Степного Крыма // Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада, 2025. – № 156. – С. 125-132.

12. Клименко А.А. Перспективные возможности культивируемого вида алоизии трёхлистной в составе лекарственных растительных средств // Сборник трудов Пятигорского медико-фармацевтического института – Экологические и фармакогностические вопросы выращивания лекарственных растений. – 2022. – Вып. 77. – С. 10-12.

13. Куркин В.А., Хусаинова А.И., Куркина А.В., Бакова Н.Н., Бакова Е.Ю. Разработка методики количественного определения суммы флавоноидов в листьях мирта обыкновенного // Химия растительного сырья, 2021. – № 1. – С. 159-166.

14. Логвиненко Л.А., Шевчук О.М., Голубкина Н.А., Коростылев А.А. Биохимические особенности морфоформ Myrtus communis L. в условиях культуры на Южном берегу Крыма // Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада, 2023. – № 147. – С. 63-71.

15. Лукашов Р.И., Гурина Н.С. Влияние ультразвуковой обработки эхинацеи пурпурной травы на выход гидроксикоричных кислот при экстракции // Вестник фармации. – 2024. – № 3(105). – С. 13-20. – DOI 10.52540/2074-9457.2024.3.13

16. Макарова Н.В., Еремеева Н.Б. Сравнительное изучение влияния ультразвуковых воздействий на экстракцию антиоксидантных соединений ягод черники (Vaccinium myrtillus L.). Химия растительного сырья. 2020;1: – С. 167–177. DOI: 10.14258/jcprm.2020014425

17. Марко Н.В., Логвиненко Л.А., Шевчук О.М., Феськов С.А. Аннотированный каталог ароматических и лекарственных растений коллекции Никитского ботанического сада. – Симферополь: ИТ "Ариал", 2018. – 176 с.

18. Осипова, Г.С. Самбурова Ю.М. Морфологические особенности гибридов пеларгонии зональной // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. – 2022. – № 1(66). – С. 29-36. – DOI 10.24412/2078-1318-2022-1-29-36

19. Палий А.Е., Работягов В.Д., Ежов В.Н. Терпеновые и фенольные соединения пряно-ароматических растений коллекции Никитского ботанического сада - Национального научного центра. - Ялта, 2014. – 128 с.

20. Плугатарь Ю.В., Корсакова С.П., Ильницкий О.А. Экологический мониторинг Южного берега Крыма. – Симферополь: ИТ «АРИАЛ», 2015. – 164 с.

21. Плугатарь Ю.В., Шевчук О.М. Итоги и направления селекции ароматических и лекарственных растений в Никитском ботаническом саду // Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада, 2019. – № 130. – С. 9-17.

22. Сахно Т.М. Фитохимический состав эфирного масла пеларгонии душистой (Pelargonium graveolens L'Hér.) в условиях культуры на Южном берегу Крыма // Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. Биология. Химия. 2024. Т. 10. № 3. С. 191-206.

23. Смирнов В.А., Глумова Н.В., Шевчук О.М., Калюжный С.С. Биохимическая характеристика плодов и семян Opuntia engelmannii Salm-dyck ex Engelm. subsp. lindheimeri (Engelm.) U.Guzmán & Mandujano // Биология растений и садоводство: теория, инновации. 2024. № 4 (173). С. 26-34.

24. Федотов С.В. Эфирные масла монард видов Monarda fistulosa L., Monarda didyma L., Monarda citriodora Cervantes ex Lag., их хемотипы и биологическая активность // Сборник научных трудов Государственного Никитского ботанического сада. – 2015. – Т. 141. – С. 131-147.

25. Хуссайне Р., Сучкова Е.П. Исследование антиоксидантной активности экстрактов ароматических растений, полученных с применением ферментативной ультразвуковой экстракции // Международный научно-исследовательский журнал. – 2022. – № 8(122). – DOI 10.23670/IRJ.2022.122.65

26. Шевчук О.М., Веляев Ю.О., Палий И.Н., Паштецкая А.В., Солдатов Д.К., Конобеев В.Д. Поиск новых растительных источников розмариновой кислоты // Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада, 2024. – № 150. – С. 136- 145.

27. Шевчук О.М., Исиков В.П., Логвиненко Л.А. Методологические и методические аспекты интродукции и селекции ароматических и лекарственных растений. - Симферополь: ИТ "Ариал", 2022. – 140 с.

28. Шевчук О.М., Лукашук С.П., Феськов С.А., Аджиахметова С.Л., Червонная Н.М., Федотова И.А. Биологически активные вещества надземной массы Helichrysum italicum (Roth) G. Don. // Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада. 2019;(133):70-79. https://doi.org/10.36305/0513-1634-2019-133-70-79

29. Шевчук О.М., Сахно Т.М., Логвиненко Л.А., Феськов С.А., Кравченко Е.Н. Новые источники эфирного масла цитрального направления / В сборнике: Ботанические сады в современном мире: Санкт-Петербург, 2023. – С. 110-112.

30. Шевчук О.М., Феськов С.А., Кравченко Е.Н., Федотова И.А., Лейба В.Д., Коростылев А.А. Изоэгомакетоновый хемотип Perilla frutescens (L.) Britt. var. nankinensis (Lour.) Britton // Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада. 2020. № 135. С. 78-86.

31. Bakova N.N., Bakova E.Yu., Paliy A.E., Konovalov D.A. Сhemical compositions of Myrtus communis L. // Acta Horticulturae, 2021. Т. 1324. С. 361-365.

32. Bakova N.N., Logvinenko L.A., Shevchuk O.M. Tarragon cultivars (Artemisia dracunculus L.) of the Nikita botanical gardens breeding / В сборнике: AGROSYM 2017. Book of Proceedings. 2017. С. 445-451.

33. Du X., Zhang M., Wang S., Li J., Zhang J., Liu D. Ethnopharmacology, chemical composition and functions of Cymbopogon citratus. Chin Herb Med. 2023 Nov 22;16(3):358- 374. doi: 10.1016/j.chmed.2023.07.002

34. Llorent-Martínez E.J., Zengin G., Fernández-de Córdova M.L., Bender O., Atalay A., Ceylan R., et al. Bioactive Compounds, Health Benefits and Food Applications of Artichoke (Cynara scolymus L.) and Artichoke By-Products: A Review. Appl. Sci. 2024;14(11):4940. doi:10.3390/app14114940

35. Marko N.V., Shevchuk O.M., Feskov S.A., Khlypenko L.A., Dmitriev L.B. Chemotypic diversity of Rosmarinus officinalis L. in the collection of the Nikita botanical gardens // Acta Horticulturae. 2020. Т. 1287. С. 111-116.

36. Obolskiy D., Pischel I., Feistel B., Glotov N., Heinrich M. Artemisia dracunculus L. (tarragon): a critical review of its traditional use, chemical composition, pharmacology, and safety. J Agric Food Chem. 2011 Nov 9;59(21):11367-84. doi: 10.1021/jf202277w. Epub 2011 Oct 13. PMID: 21942448.

37. Olennikov D.N., Shevchuk O.M. New apigenin glycosides from Monarda citriodora // Chemistry of Natural Compounds. 2025. Т. 61. № 4. С. 659-662.

38. Parodi T.V. Gressler L.T., de Silva L.L., Becker A.G. Chemical composition of the essential oil of Aloysia triphylla under seasonal influence and its anaesthetic activity in fish // Aquac. Res. – 2020. – 51. – P. 2515-2524.

39. Shakeri A., Sahebkar A., Javadi B. Melissa officinalis L. - A review of its traditional uses, phytochemistry and pharmacology. J Ethnopharmacol. 2016 Jul 21;188:204-28. doi: 10.1016/j.jep.2016.05.010.

40. Shevchuk O., Sataeva T., Postnikova O., Bakova N., Suslova A. Antimicrobial activity of essential oil of Monarda citriodora Cerv. ex Lag. // BIO Web of Conferences. 2024. Т. 121. С. 03015.

41. Zhang L.Q., Li W.J., Xiao M.F. Comparison of active components in different parts of Perilla frutescens and its pharmacological effects. Zhongguo Zhong Yao Za Zhi, 2023 Dec;48(24):6551-6571. Chinese. doi: 10.19540/j.cnki.cjcmm.20230813.201. PMID: 38212016.