Undersøgelse om ultralydsteknologi i udvinding af planteaktive ingredienser

Drevet af det industrielle mål om at opnå grøn udvinding er der opstået nye udvindingsteknologier såsom mikrobølgeudvinding, superkritisk væskeudvinding og ultralydsudvinding. Disse nye teknologier har i høj grad fremmet den kommercielle udvikling af kontantafgrøder. I de seneste år har ultralydsekstraktionsteknologi udviklet sig hurtigt inden for fødevareindustrien. Denne teknologi kan ikke kun forbedre kvaliteten af ​​produkterne, men også reducere produktionsomkostningerne og forbedre produktionseffektiviteten og sikkerheden. Ultralydsbølger kan effektivt forhindre varmefølsomme stoffer i at blive ødelagt i højtemperaturmiljøer i færd med at øge masseoverførselshastighederne. Det stimulerer kontinuerligt intracellulære kirtler gennem kavitationseffekter, mekaniske effekter osv., og fremmer derved den hurtige frigivelse af aktive ingredienser. Denne teknologi kan reducere brugen af ​​organiske opløsningsmidler, forbedre renheden af ​​bioaktive forbindelser og spare behandlingstid og driftsomkostninger. Derfor opfylder ultralydsassisteret udvindingsteknologi menneskelige behov inden for grøn produktion, bæredygtig udvikling og miljøbeskyttelse. Anvendelsen af ​​ultralyd i ekstraktion af planteaktive ingredienser har tiltrukket sig stigende opmærksomhed på grund af dets unikke fordele. Forskere forsøger også konstant at kombinere ultralydsteknologi med forskelligt andet ekstraktionsudstyr for at opnå bedre ekstraktionsydelse. Ud over den mere almindelige metode til ultralyd-opløsningsmiddelekstraktion er der også ultralyd-Soxhlet-ekstraktion, ultralyd-homogen ekstraktion, ultralyd-vanddestillationsekstraktion, ultralyd-mikrobølgeekstraktion og ultralyd-superkritisk kuldioxidekstraktion.

1 Princip for ultralydsekstraktion

Ultralyd er defineret som en lydbølge med en frekvens større end 20 khz, som overstiger grænsen for menneskelig høredetektion. Ultralyd er en mekanisk bølge med høj energitæthed. Dens lydenergiudgangskilde er normalt et vibrerende objekt, som kan få det omgivende medium til at vibrere og derefter overføre energi til andre tilstødende partikler. Når ultralyd passerer gennem mediet, forårsager det den langsgående forskydning af partiklerne. Disse tætte molekylære effekter forårsager cellevægsbeskadigelse og accelererer masseoverførselshastigheden af ​​effektive stoffer i mediet, hvorved formålet med at forbedre ekstraktionshastigheden opnås. Ultralydsekstraktion er ikke afhængig af en enkelt virkningsmekanisme, men virker kontinuerligt eller samtidigt gennem flere fysiske mekanismer såsom mekanisk fragmentering, termisk effekt og kavitationseffekt. I homogenatet af fast-væske-blanding vil mikrostrålerne og mikro-turbulensen, der genereres af akustisk kavitation i det flydende medium, forårsage stærke mekaniske forstyrrelser, hvorved kollisionen mellem partikler intensiveres, hvilket let kan føre til nedbrydning og lokal brud af nogle sprøde materialer. På den anden side, på grund af reduktionen i partikelstørrelse, øges masseoverførselshastigheden af ​​faste partikler og kontaktarealet mellem faste og flydende faser, hvilket er befordrende for at accelerere opløsningen af ​​indholdet i prøvematrixen.

Kavitationseffekten er et unikt og komplekst fysisk fænomen forårsaget af udbredelse og vibration af ultralyd i væske. Det refererer generelt til processen med dannelse, udvidelse og brud af kavitationsbobler i væske. Kort sagt, når høj-intensitet ultralyd anvendes, kan tiltrækningen mellem medium molekyler overstige den kritiske værdi, hvorved der genereres høj forskydningsspænding i væsken og efterfølgende danne kavitationsbobler. 1 Kavitationsboble dannes nær overfladen af ​​matrixen. Efter at have gennemgået kontinuerlige kompression-sjældenhedscyklusser, vil kavitationsboblen briste under kompressionscyklussen og generere kortvarig varmeenergi, hvorved der dannes højhastighedsmikrojetvæske på overfladen af ​​matrixen og generere stærke stødbølger. Denne proces kan gøre den omgivende lokale temperatur så høj som omkring 5.000 K, og det øjeblikkelige tryk kan nå 50 ~ 1000 atm. Det dannede højtryks- og højtemperaturmiljø vil ødelægge plantematrixens cellevæg og derved frigive intracellulære stoffer i opløsningen. Fra scanningselektronmikroskopbillederne af basilikumblade taget af CHEMAT og andre før og efter olieudvinding, kan det iagttages mere levende: før ekstraktion er kirtlerne på bladene glatte og fyldige; efter ekstraktion begynder de at krympe, men kirtelstrukturen forbliver intakt; og efter ultralydsassisteret ekstraktion er kirtlerne fuldstændigt ødelagte, og alt deres indhold frigives.

2 Anvendelse af kombineret ultralydsteknologi ved udvinding af planteaktive stoffer

Ultralyds kombineret opløsningsmiddelekstraktionsmetode

Ultrasonisk opløsningsmiddelekstraktionsmetode bruger generelt organiske opløsningsmidler som energitransmissionsmedier, det vil sige opløsningsmidler med forskellig polaritet vælges i henhold til egenskaberne af den målforbindelse, der skal ekstraheres, opløsningsmidlet blandes fuldt ud med prøvematrixen, og derefter anvendes ultralydsintervention. Denne metode kræver ikke deltagelse af andet udstyr. Den faste-væske-blanding placeres direkte i en ultralydsenhed til ekstraktion. Ultralydsbølgen overfører energi jævnt til prøvematrixen gennem det flydende medium og opnår derved formålet med at forbedre ekstraktionshastigheden. Dette er den mest traditionelle, enkle og økonomiske metode til ultralydsekstraktion.

Der er to typer ultralydsekstraktionsudstyr, nemlig ultralydsvandbad og sondeultralydsudstyr. Begge systemer er baseret på transducere som ultralydskilder. Ultralydsvandbade fungerer normalt ved en frekvens på omkring 40 kHz og er udstyret med temperaturkontrolenheder. Udstyret er relativt billigt og kan behandle et stort antal prøver på samme tid. Imidlertid vil vandet i ultralydsbadet og det anvendte glas i høj grad svække den transmitterede ultralydsenergi. Probe-type ultralydssystemer er normalt det første valg til ekstraktionsapplikationer. Da ultralydsenergien transmitteres gennem en lille overflade (sondespidsen nedsænket under væskeoverfladen), transmitteres den genererede ultralydsenergi direkte i ekstraktionsmediet, så ultralydsenergitabet er lille. Intensiteten af ​​de ultralydsbølger, der transmitteres af sondesystemet til det flydende medium, vil få temperaturen af ​​faststof-væskeblandingen til at stige hurtigt, så det er nødvendigt at bruge dobbeltlags skal kondenseret glasvarer til ekstraktion.

Mange indenlandske forskere har brugt denne enkle og økonomiske metode til at udvinde forskellige aktive stoffer fra planteprøver og opnået gode resultater. Liu Yanyan brugte ultralydsassisteret ekstraktion af Huoshan Dendrobium polysaccharider. Under de optimale ekstraktionsparametre kan polysaccharidudbyttet nå 19,96 mg/g; Niu Sikun brugte ultralydsassisteret ekstraktion af guldøre-kumariner, og ekstraktionshastigheden af ​​samlede kumariner i gyldne øremycelium nåede et maksimum på 0,85 %. Sammenlignet med opløsningsmiddelekstraktion kan ultralydsopløsningsmiddelekstraktion markant forbedre ekstraktionseffektiviteten af ​​målproduktet, reducere forbruget af organiske opløsningsmidler og er ikke let at ødelægge ekstraktens aktivitet. Ikke desto mindre bruger denne metode stadig en vis mængde organiske opløsningsmidler, hvilket vil forårsage en vis grad af miljøforurening, og de organiske rester i det opnåede ekstrakt vil i høj grad påvirke produktkvaliteten. Derfor er nogle forskere i de senere år begyndt at forsøge at bruge laveutektiske opløsningsmidler til at erstatte konventionelle ekstraktionsopløsningsmidler, kombineret med ultralydsassisterede metoder til at udvinde forskellige aktive ingredienser fra planter, og har opnået gode resultater. Laveutektiske opløsningsmidler er en ny type miljøvenlig ionisk væske, en eutektisk blanding dannet af kombinationen af ​​hydrogenbindingsacceptorer og hydrogenbindingsdonorer, med et lavere smeltepunkt end en enkelt komponent. Laveutektiske opløsningsmidler er ikke-toksiske, billige, enkle at tilberede og har god biologisk nedbrydelighed. De er ideelle opløsningsmidler til at udvinde planteaktive ingredienser. Wang et al. brugt ultralydsassisteret laveutektisk opløsningsmiddel til at udvinde echinacea-glykosider og oleuropein fra små bladnelliker. Når cholinchlorid/glycerol (1:2, molært forhold) blev brugt som det lave eutektiske opløsningsmiddel, var forholdet mellem faststof og væske 20 g/ml, temperaturen var 68 ℃, vandindholdet var 20 %, og ultralydsbølgen var 200 W i 45 minutter, ekstraktionshastighederne for glycinosi echinace og 80ol var 45 % og 80ol. 86,21 %, hvilket var væsentligt bedre end ekstraktionsresultaterne for traditionelle organiske reagenser. Ni Yujiao et al. brugt ultralydsassisteret laveutektisk opløsningsmiddel til at opnå phenoliske stoffer fra havtornfrømel. Resultaterne viste, at under den samme ekstraktionstid var polyphenoludbyttet ved denne metode 1,6 gange polyphenoludbyttet ved varm tilbagesvalingsekstraktion.