Tanulmány az ultrahangos technológiáról a növényi hatóanyagok kinyerésében

A zöld extrakció elérésének ipari célja által vezérelve olyan új extrakciós technológiák jelentek meg, mint a mikrohullámú extrakció, a szuperkritikus folyadékok extrakciója és az ultrahangos extrakció. Ezek az új technológiák nagymértékben elősegítették a készpénzes termények kereskedelmi fejlődését. Az elmúlt években az ultrahangos extrakciós technológia gyorsan fejlődött az élelmiszeripar területén. Ez a technológia nemcsak a termékek minőségét javíthatja, hanem csökkentheti a gyártási költségeket, valamint javíthatja a termelés hatékonyságát és biztonságát. Az ultrahangos hullámok hatékonyan megakadályozhatják, hogy a hőre érzékeny anyagok megsemmisüljenek magas hőmérsékletű környezetben a tömegátadási sebesség növelése során. Folyamatosan serkenti a sejten belüli mirigyeket kavitációs hatásokon, mechanikai hatásokon stb., elősegítve ezzel a hatóanyagok gyors felszabadulását. Ezzel a technológiával csökkenthető a szerves oldószerek használata, javítható a bioaktív vegyületek tisztasága, valamint megtakarítható a feldolgozási idő és a működési költségek. Ezért az ultrahangos extrakciós technológia megfelel az emberi igényeknek a zöld termelés, a fenntartható fejlődés és a környezetvédelem terén. Az ultrahang alkalmazása a növényi hatóanyagok kinyerésében egyedülálló előnyei miatt egyre nagyobb figyelmet kapott. A kutatók folyamatosan próbálják az ultrahangos technológiát különféle egyéb extrakciós berendezésekkel kombinálni a jobb extrakciós teljesítmény elérése érdekében. Az elterjedtebb ultrahangos-oldószeres extrakciós módszer mellett létezik ultrahangos-Soxhlet extrakció, ultrahangos-homogén extrakció, ultrahangos-víz desztillációs extrakció, ultrahangos-mikrohullámú extrakció és ultrahangos-szuperkritikus szén-dioxid extrakció is.

1 Az ultrahangos extrakció elve

Ultrahang alatt olyan 20 khz-nél nagyobb frekvenciájú hanghullámot értünk, amely meghaladja az emberi hallásérzékelés határát. Az ultrahang egy nagy energiasűrűségű mechanikai hullám. Hangenergia-kimeneti forrása általában egy vibráló tárgy, ami a környező közeg vibrációját idézheti elő, majd energiát ad át más szomszédos részecskéknek. Amikor az ultrahang áthalad a közegen, az a részecskék hosszirányú elmozdulását idézi elő. Ezek a sűrű molekuláris hatások sejtfalkárosodást okoznak, és felgyorsítják a közegben lévő hatásos anyagok tömegátadási sebességét, ezzel elérve az extrakciós sebesség javításának célját. Az ultrahangos extrakció nem egyetlen hatásmechanizmuson alapul, hanem folyamatosan vagy egyidejűleg több fizikai mechanizmuson keresztül működik, mint például a mechanikai fragmentáció, a termikus hatás és a kavitációs hatás. A szilárd-folyadék keverék homogenizátumában a folyékony közegben az akusztikus kavitáció következtében létrejövő mikronyalábok és mikroturbulencia erős mechanikai zavarokat okoz, ezáltal fokozza a részecskék ütközését, ami könnyen egyes rideg anyagok lebomlásához, lokális megrepedéséhez vezethet. Másrészt a részecskeméret csökkenése miatt megnő a szilárd részecskék tömegátadási sebessége, valamint a szilárd és folyékony fázis érintkezési felülete, ami elősegíti a tartalom feloldódásának felgyorsítását a mintamátrixban.

A kavitációs hatás egyedülálló és összetett fizikai jelenség, amelyet az ultrahang folyadékban történő terjedése és rezgése okoz. Általában a folyadékban lévő kavitációs buborékok képződésének, tágulásának és felszakadásának folyamatára utal. Egyszerűen fogalmazva, amikor nagy intenzitású ultrahangot alkalmaznak, a közepes molekulák közötti vonzás meghaladhatja a kritikus értéket, ezáltal nagy nyírófeszültség keletkezik a folyadékban, és ezt követően kavitációs buborékok képződnek. 1 Kavitációs buborék képződik a mátrix felülete közelében. A folyamatos kompressziós-ritkítási ciklusok után a kavitációs buborék a kompressziós ciklus során felszakad, és rövid távú hőenergiát termel, ezáltal nagy sebességű mikrosugaras folyadékot képezve a mátrix felületén, és erős lökéshullámokat generálva. Ez a folyamat a környező helyi hőmérsékletet akár 5000 K-re is emelheti, és a pillanatnyi nyomás elérheti az 50-1000 atm-t. A kialakult magas nyomású és magas hőmérsékletű környezet tönkreteszi a növényi mátrix sejtfalát, ezáltal intracelluláris anyagok jutnak az oldatba. A CHEMAT és mások által készített bazsalikomlevél pásztázó elektronmikroszkópos felvételeiből az olajkivonás előtt és után is élénkebben figyelhető meg: a kivonás előtt a leveleken a mirigyek simák és teltek; kivonás után zsugorodni kezdenek, de a mirigy szerkezete érintetlen marad; és ultrahanggal segített extrakció után a mirigyek teljesen eltörnek, és minden tartalmuk felszabadul.

2 Ultrahangos kombinált technológia alkalmazása növényi hatóanyagok kinyerésében

Ultrahangos kombinált oldószeres extrakciós módszer

Az ultrahangos oldószeres extrakciós módszer általában szerves oldószereket használ energiaátvivő közegként, vagyis a különböző polaritású oldószereket az extrahálandó célvegyület tulajdonságainak megfelelően választják ki, az oldószert teljesen összekeverik a mintamátrixszal, majd ultrahangos beavatkozást alkalmaznak. Ez a módszer nem igényel más berendezések részvételét. A szilárd-folyékony keveréket közvetlenül egy ultrahangos készülékbe helyezik extrahálás céljából. Az ultrahanghullám a folyékony közegen keresztül egyenletesen továbbítja az energiát a mintamátrixba, ezzel elérve az extrakciós sebesség javításának célját. Ez a leghagyományosabb, legegyszerűbb és leggazdaságosabb módszer az ultrahangos extrakcióban.

Kétféle ultrahangos extrakciós berendezés létezik, nevezetesen ultrahangos vízfürdős és szondás ultrahangos berendezés. Mindkét rendszer ultrahangos jelátalakítókon alapul. Az ultrahangos vízfürdők általában körülbelül 40 kHz-es frekvencián működnek, és hőmérséklet-szabályozó eszközökkel vannak felszerelve. A berendezés viszonylag olcsó, és egyszerre nagy számú mintát képes feldolgozni. Az ultrahangos fürdőben lévő víz és a használt üvegáru azonban nagymértékben gyengíti a továbbított ultrahangenergiát. A szonda típusú ultrahangos rendszerek általában az első választás az extrakciós alkalmazásokhoz. Mivel az ultrahangos energia kis felületen (a szonda hegye a folyadék felszíne alá merülve) keresztül továbbítódik, a keletkezett ultrahangenergia közvetlenül az extrakciós közegben továbbítódik, így az ultrahangos energiaveszteség kicsi. A szondarendszer által a folyékony közegbe továbbított ultrahanghullámok intenzitása miatt a szilárd-folyadék keverék hőmérséklete gyorsan megemelkedik, ezért az extrakcióhoz kétrétegű héjú kondenzált üvegedényeket kell használni.

Számos hazai tudós alkalmazta ezt az egyszerű és gazdaságos módszert a különböző hatóanyagok növényi mintákból történő kinyerésére és ért el jó eredményeket. Liu Yanyan a Huoshan Dendrobium poliszacharidok ultrahanggal segített extrakcióját használta. Optimális extrakciós paraméterek mellett a poliszacharid hozam elérheti a 19,96 mg/g-ot; Niu Sikun az aranyfül-kumarinok ultrahanggal segített extrakcióját alkalmazta, és az összes kumarin kivonási aránya az aranyfül-micéliumban elérte a maximum 0,85%-ot. Az oldószeres extrakcióhoz képest az ultrahangos oldószeres extrakció jelentősen javíthatja a céltermék extrakciós hatékonyságát, csökkentheti a szerves oldószerek fogyasztását, és nem könnyű elpusztítani a kivonat aktivitását. Ennek ellenére ez a módszer bizonyos mennyiségű szerves oldószert fogyaszt, ami bizonyos mértékű környezetszennyezést okoz, és a kapott kivonatban lévő szerves maradékok nagymértékben befolyásolják a termék minőségét. Ezért az utóbbi években egyes tudósok elkezdtek próbálkozni alacsony eutektikus oldószerekkel a hagyományos extrakciós oldószerek helyettesítésére, ultrahanggal segített módszerekkel kombinálva a különféle hatóanyagok növényekből történő kinyerésére, és jó eredményeket értek el. Az alacsony eutektikus oldószerek egy új típusú, környezetbarát ionos folyadék, hidrogénkötés-akceptorok és hidrogénkötés-donorok kombinációjából képződő eutektikus keverék, amelynek olvadáspontja alacsonyabb, mint egyetlen komponensé. Az alacsony eutektikus tartalmú oldószerek nem mérgezőek, olcsók, egyszerűen előállíthatók és jó biológiai lebonthatósággal rendelkeznek. Ideális oldószerek a növényi hatóanyagok kivonására. Wang és mtsai. ultrahanggal segített, alacsony eutektikus oldószert használt az echinacea glikozidok és oleuropein kis levélszegfűszegekből való extrahálására. Ha alacsony eutektikus oldószerként kolin-klorid/glicerin (1:2 mólarány) használtuk, a szilárd-folyadék arány 20 g/ml, a hőmérséklet 68 ℃, a víztartalom 20%, az ultrahanghullám 200 W 45 percig, a glycosin echina és az oleuropea kivonási sebessége 0% volt. 86,21%, ami szignifikánsan jobb volt, mint a hagyományos szerves reagensek extrakciós eredménye. Ni Yujiao et al. ultrahanggal segített, alacsony eutektikus oldószert használt, hogy fenolos anyagokat nyerjen a homoktövis maglisztből. Az eredmények azt mutatták, hogy azonos extrakciós idő mellett ennek a módszernek a polifenolhozama 1,6-szorosa volt a forró refluxos extrakció polifenolhozamának.