Teapolifenolok ultrahangos kivonása zöld teából

Teapolifenolok ultrahangos kivonása zöld teából

A zöld tea polifenolok, mint fontos természetes antioxidánsok, széles körben alkalmazhatók az élelmiszer-, gyógyszer- és kozmetikai iparban. Az ultrahangos extrakció (UAE) egyedülálló előnyeivel: a sejtszerkezetet megzavaró kavitációs hatás és a tömegtranszfer folyamatok fokozása révén a hagyományos oldószeres extrakciót felváltó zöld és hatékony technológiává vált.

Tanulmányok kimutatták, hogy az ultrahangos teljesítmény (250-400 W), az extrakciós hőmérséklet (45-72 ℃), az extrakciós idő (8-40 perc) és az oldószer összetétel (50-77,6% etanol vagy új zöld oldószerek) optimalizálásával a tea polifenolok extrakciós sebessége elérheti a 21,78-44,82 mg száraz tea GA-t. A jövőbeli kutatás a folyamatok bővítésére, a nanoszállítási rendszerek fejlesztésére és az életciklus-fenntarthatóság értékelésére fog összpontosítani.

A tea (Camellia sinensis) Kínából származik, és világszerte az egyik legszélesebb körben fogyasztott ital. A zöld tea polifenolvegyületekben gazdag, száraz tömegének 25-40%-át teszi ki, amelyek között a katechinek és származékaik (például epigallocatechin-gallát, EGCG) a fő bioaktív összetevők. Ezek a vegyületek különféle élettani funkciókkal rendelkeznek, beleértve az antioxidáns, gyulladáscsökkentő, rákellenes és elhízás elleni hatásokat, és széles körben használják funkcionális élelmiszerekben, táplálék-kiegészítőkben és kozmetikumokban.

A növényi mátrixok összetettsége, a polifenolos vegyületek hőérzékenysége és a hagyományos extrakciós módszerek korlátai azonban kihívást jelentenek a teapolifenolok hatékony extrakciójában. A hagyományos oldószeres extrakciós módszerek (mint például a maceráció, a reflux extrakció és a Soxhlet extrakció) a magas oldószer-felhasználástól, a magas energiafogyasztástól, a hosszú extrakciós időtől és a hatóanyagok magas hőmérséklet miatti lebomlásának kockázatától szenvednek. A zöld kémia koncepcióinak népszerűsítésével a környezetbarát, hatékony és energiatakarékos extrakciós technológiák fejlesztése kutatási központtá vált.

Az ultrahanggal segített extrakció (UAE), mint egy feltörekvő zöld extrakciós technológia, az ultrahang kavitációs hatását használja fel lokális, magas hőmérsékletű, nagy nyomású és mikrosugarak generálására, hatékonyan roncsolja meg a növényi sejtfalakat, és elősegíti az intracelluláris célanyagok tömegének átvitelét az oldószerbe. A hagyományos módszerekkel összehasonlítva az Egyesült Arab Emírségek jelentősen lerövidíthetik az extrakciós időt, csökkenthetik az oldószerfogyasztást, növelhetik az extrakciós sebességet, és elkerülhetik a hőérzékeny komponensek lebomlását.

2. Az ultrahangos extrakciós technológia alapelvei és előnyei

2.1 Ultrahangos kavitációs hatás és hatásmechanizmusa

Az ultrahangos extrakció fő mechanizmusa a kavitációs hatás. Amikor az ultrahang folyékony közegben terjed, váltakozó kompressziós és tágulási hullámok apró vákuumbuborékokat (kavitációs buborékokat) hoznak létre. Ezek a buborékok a hanghullámok negatív nyomású fázisában keletkeznek, és a pozitív nyomású fázisban gyorsan összeomlanak. Ezeknek a buborékoknak a pillanatnyi összeomlása lokálisan magas hőmérsékletet (akár 5000 K) és magas nyomást (körülbelül 1000 atm) generál, intenzív mikrosugarak és lökéshullámok kíséretében. Ezek a fizikai hatások többféle hatással vannak a növényi sejtekre:

Sejtfal megsértése: A mikrosugarak és lökéshullámok fizikailag megzavarják a sejtfalat és a sejtmembrán szerkezetét, csökkentve az anyagátviteli ellenállást.

Részecskeméret csökkentése: Az ultrahang mechanikai energiája finomítja a növényi részecskéket, növeli a fajlagos felületet és elősegíti az oldószer behatolását.

Fokozott tömegátadás: A kavitációs hatás által generált turbulencia és mikrozavarok felgyorsítják a célvegyületek diffúzióját a mátrixból az oldószerbe.

Tanulmányok kimutatták, hogy az ultrahangos kezelés jelentősen megváltoztatja a teasejtek mikroszerkezetét, pórusokat és repedéseket okozva a sejtfalban, ami jótékony hatással van a polifenolok feloldására.

2.2 Összehasonlítás a hagyományos extrakciós módszerekkel

Számos tanulmány szisztematikusan hasonlította össze az ultrahanggal segített extrakciót a hagyományos extrakciós módszerekkel. Oldószerként 50%-os etanol-víz elegyet használva az ultrahangos extrakció (UAE) 21,52-36,42 mg GAE/g száraz tea összes fenoltartalmát eredményezte, ami lényegesen magasabb, mint a 18,43-32,29 mg GAE/g száraz tea, amelyet mikrohullámú és 9-25 mg-28-asszisztált extrakcióval (MA.25) kaptunk. Hagyományos macerálással nyert GAE/g száraz tea. A pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat megerősítette továbbá, hogy az Egyesült Arab Emírségekben kezelt teaminták sejtszerkezete volt a legpontosabban megbontva.

Az extrakciós hatékonyságot illetően a Ziyang zöld teán végzett tanulmány kimutatta, hogy az optimalizált UAE eljárás (szilárd-folyadék arány 1:35,8, etanol térfogathányada 77,6%, ultrahang idő 37,6 perc, ultrahang hőmérséklet 72,1 ℃, ultrahang teljesítmény 248,4 W) 8% polifenolnál magasabb polifenol kivonási arány 21,8%. a hagyományos etanolos macerációs módszerrel, és az extrakciós idő jelentősen lerövidül.

2.3 A zöld technológia előnyei

A fenntartható fejlődés szempontjából az Egyesült Arab Emírségek technológiája számos zöld előnnyel jár:

Csökkentett energiafogyasztás: A fejlett elszívási technológia 30-50%-kal csökkentheti az energiafogyasztást.

Oldószer megtakarítás: A hagyományos vízkivonáshoz képest az Egyesült Arab Emírségek mélyeutektikus oldószerrel (DES) kombinálva 40%-kal csökkentheti az oldószerfogyasztást.

Csökkentse a szén-dioxid-kibocsátást: Az Egyesült Arab Emírségek+DES eljárás szénkibocsátási intenzitása (0,5 kg CO₂/kg termék) alacsonyabb, mint a hagyományos vízkitermelésnél (0,8 kg CO₂/kg termék).

Kerülje el a termikus lebomlást: Alacsonyabb hőmérsékleten is működhet, megvédve a hőérzékeny katechinek bioaktivitását.

3 kulcsfontosságú folyamatparaméterek és optimalizálási stratégiák

3.1 Főbb befolyásoló tényezők

Az ultrahanggal segített extrakció hatékonyságát számos folyamatparaméter befolyásolja, elsősorban:

3.1.1 Oldószer típusa és koncentrációja

Az oldószer kiválasztása az extrakció hatékonyságát befolyásoló kulcsfontosságú tényező. Mivel a tea polifenolok poláris molekulák, a poláros oldószerek, például a víz, etanol, metanol és ezek keverékei gyakran használt választások. Tanulmányok kimutatták, hogy az 50%-os etanol-víz kevert oldószer adja a legjobb extrakciós hatékonyságot, a teljes fenoltartalom eléri a 22,69-36,42 mg GAE/g száraz tea; majd 50% acetonitril-víz (18,47-33,49 mg GAE/g száraz tea); a tiszta víznek a legalacsonyabb az extrakciós hatékonysága. Egy másik tanulmány 77,6%-ra optimalizálta az etanol térfogathányadát.

Az elmúlt években a zöld oldószeres rendszerek nagy figyelmet kaptak. A hidrogénkötés donorokból és akceptorokból álló mélyeutektikus oldószerek (DES) olyan előnyökkel rendelkeznek, mint a biológiai lebonthatóság, az alacsony toxicitás és a tervezhetőség. Egy vizsgálatban nátrium-acetát-glicerin DES-t használtak bioaktív komponensek tealevélből való extrahálására, így 24,76 mg GAE/g száraz tömeg összes fenoltartalmát értek el 90%-os ultrahangos amplitúdó mellett, 10 perc időtartamban, és 30 ml/g folyadék-szilárdanyag arány mellett. Ezzel szemben a glicerin-víz rendszer (hidroglicerin) nagyobb extrakciós hatékonyságot mutatott, 86%-os ultrahang amplitúdójú ultrahangos amplitúdóval, 8 perces idővel és 24 ml/g folyadék/szilárd anyag arány mellett 90,68 mg GAE/g száraztömeg teljes fenoltartalmat ért el.

Egy másik zöld innováció a vízben oldódó növekedésserkentővel segített extrakció. A nátrium-szubtilizátot (NaCuS) vízoldható növekedésserkentőként használva, a tea polifenolok vizes közegben végzett ultrahangos extrakciójával kombinálva 68,429%-os extrakciós hatékonyságot értek el 0,05 folyadék-szilárd anyag arány mellett 3,2 órás ultrahangos idő és 49,9 °C hőmérséklet mellett.

3.1.2 Ultrahangos teljesítmény

Az ultrahangos teljesítmény közvetlenül befolyásolja a kavitációs hatás intenzitását. A túl alacsony teljesítmény elégtelen kavitációt eredményez; túl nagy teljesítmény a hatóanyagok lebomlásához vezethet. Tanulmányok kimutatták, hogy az ultrahang optimális teljesítménytartománya 250-400 W. Egy válaszfelületi módszerrel végzett vizsgálat az optimális teljesítményt 250 W-ban határozta meg; a Jingshan zöld tea kinyerésére vonatkozó tanulmány 400 W-ot használt, 33,81%-os extrakciós arányt ért el; egy másik optimalizálási tanulmány szerint az optimális teljesítmény 248,4 W.

3.1.3 Extrakciós hőmérséklet

A hőmérséklet befolyásolja az oldószer diffúziós együtthatóját, oldhatóságát és a célvegyület stabilitását. A tea polifenoljai hőérzékenyek; a túl magas hőmérséklet bomláshoz és izomerizációhoz vezethet. A vizsgálatok azt mutatják, hogy az optimális extrakciós hőmérséklet tartomány 45-72 ℃. Az egyik tanulmány 72,1 ℃-ra optimalizálta az extrakciót, míg egy másik tanulmány magas, 44,82 mg GAE/g száraz tea extrakciós sebességet ért el 45 ℃-on. A glicerin-víz rendszernél alacsonyabb hőmérséklet (körülbelül 50 ℃) jó eredményeket ad.

3.1.4 Kivonási idő

Az ultrahangos időnek egyensúlyban kell lennie az extrakciós hatékonyság és a tevékenység megőrzése között. A túl rövid idő hiányos extrakciót eredményez; a túl hosszú idő felhalmozódó hőhatásokhoz és az alkatrészek károsodásához vezethet. Tanulmányok azt mutatják, hogy az ultrahang optimális időtartama 8-40 perc. A Jingshan zöld tea kinyerése 40 percet igényel; egy glicerin-víz rendszer mindössze 8 perc alatt képes magas extrakciós sebességet elérni.

3.1.5 Szilárd-folyadék arány A szilárd-folyadék arány befolyásolja a koncentráció gradienst és a tömegtranszfer hajtóerőt. A túl alacsony arány nem elegendő oldószert és nem teljes extrakciót eredményez; a túl magas arány növeli a későbbi koncentrálási költségeket és az oldószer felhasználást. Az optimalizálási vizsgálatok azt mutatják, hogy az optimális szilárd-folyadék arány 1:24-1:36 g/ml tartományban koncentrálódik. Az egyik vizsgálat 1:35,8 optimalizált értéket állapított meg; a glicerin-víz rendszer optimalizált értéke 1:24.

Az ultrahangos extrakció, mint zöld és hatékony technológia, jelentős előnyöket mutatott a tea polifenolok zöld teából történő kinyerésében. A legfontosabb folyamatparaméterek – ultrahang teljesítmény (250-400 W), extrakciós hőmérséklet (45-72 ℃), extrakciós idő (8-40 perc) és oldószer összetétel – optimalizálásával a tea polifenolok extrakciós sebessége elérheti a 21,78-44,82 mg GAE/g száraz tea értéket. A zöld oldószerrendszerek (mélyeutektikus oldószer, glicerin-víz, vízben oldódó növekedésserkentő) fejlesztése tovább javítja az eljárás környezetbarátságát. A válaszfelület módszertana jelenleg a fő optimalizálási eszköz, míg a mesterséges intelligencia módszerek, például a gépi tanulás új kutatási határterületekké válnak. A kivonatok antioxidáns, bőrápoló és antibakteriális funkcionális hatásai megalapozzák alkalmazásukat az élelmiszer-, kozmetikai és gyógyszeriparban. A jövőbeli kutatásoknak a folyamatok bővítésére, a szabványosítási rendszer felépítésére, a biztonsági értékelésre és az életciklus-fenntarthatóságra kell összpontosítaniuk, elősegítve a teapolifenolok ultrahanggal segített extrakciós technológiájának ipari alkalmazását.