Badanie dotyczące technologii ultradźwiękowej w ekstrakcji roślinnych składników aktywnych

Kierując się celem przemysłowym, jakim jest ekologiczna ekstrakcja, pojawiły się nowe technologie ekstrakcji, takie jak ekstrakcja mikrofalowa, ekstrakcja płynem nadkrytycznym i ekstrakcja ultradźwiękowa. Te nowe technologie w znacznym stopniu przyczyniły się do komercyjnego rozwoju upraw dochodowych. W ostatnich latach technologia ekstrakcji ultradźwiękowej szybko rozwinęła się w przemyśle spożywczym. Technologia ta może nie tylko poprawić jakość produktów, ale także obniżyć koszty produkcji oraz poprawić wydajność i bezpieczeństwo produkcji. Fale ultradźwiękowe mogą skutecznie zapobiegać zniszczeniu substancji wrażliwych na ciepło w środowiskach o wysokiej temperaturze w procesie zwiększania szybkości przenikania masy. Stale stymuluje gruczoły wewnątrzkomórkowe poprzez efekty kawitacyjne, mechaniczne itp., promując w ten sposób szybkie uwalnianie składników aktywnych. Technologia ta może zmniejszyć użycie rozpuszczalników organicznych, poprawić czystość związków bioaktywnych oraz zaoszczędzić czas przetwarzania i koszty operacyjne. Dlatego technologia ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami spełnia potrzeby człowieka w zakresie zielonej produkcji, zrównoważonego rozwoju i ochrony środowiska. Zastosowanie ultradźwięków w ekstrakcji roślinnych składników aktywnych cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze względu na swoje unikalne zalety. Naukowcy nieustannie próbują łączyć technologię ultradźwiękową z różnymi innymi urządzeniami do ekstrakcji, aby osiągnąć lepszą wydajność ekstrakcji. Oprócz bardziej powszechnej metody ekstrakcji rozpuszczalnikiem ultradźwiękowym, istnieje również ekstrakcja ultradźwiękowa-Soxhleta, ekstrakcja ultradźwiękowo-jednorodna, ekstrakcja ultradźwiękowo-destylacyjna wodą, ekstrakcja ultradźwiękowo-mikrofalowa i ekstrakcja ultradźwiękowo-nadkrytyczna dwutlenkiem węgla.

1 Zasada ekstrakcji ultradźwiękowej

Ultradźwięki definiuje się jako falę dźwiękową o częstotliwości większej niż 20 kHz, która przekracza granicę wykrywalności ludzkiego słuchu. Ultradźwięki to fala mechaniczna o dużej gęstości energii. Jego źródłem energii dźwiękowej jest zwykle wibrujący obiekt, który może powodować wibrację otaczającego ośrodka, a następnie przekazywać energię innym sąsiednim cząstkom. Kiedy ultradźwięki przechodzą przez ośrodek, powodują podłużne przemieszczenie cząstek. Te gęste efekty molekularne powodują uszkodzenie ściany komórkowej i przyspieszają szybkość przenoszenia masy skutecznych substancji w pożywce, osiągając w ten sposób cel polegający na poprawie szybkości ekstrakcji. Ekstrakcja ultradźwiękowa nie opiera się na pojedynczym mechanizmie działania, ale działa w sposób ciągły lub jednocześnie poprzez wiele mechanizmów fizycznych, takich jak fragmentacja mechaniczna, efekt termiczny i efekt kawitacji. W homogenacie mieszaniny ciało stałe-ciecz mikrowiązki i mikroturbulencje generowane przez kawitację akustyczną w ciekłym ośrodku będą powodować silne zaburzenia mechaniczne, intensyfikując w ten sposób zderzenia pomiędzy cząstkami, co może łatwo doprowadzić do rozkładu i lokalnego pęknięcia niektórych kruchych materiałów. Z drugiej strony, w wyniku zmniejszenia wielkości cząstek, zwiększa się szybkość przenoszenia masy cząstek stałych oraz powierzchnia kontaktu fazy stałej z ciekłą, co sprzyja przyspieszeniu rozpuszczania zawartości w matrycy próbki.

Efekt kawitacji jest unikalnym i złożonym zjawiskiem fizycznym powodowanym propagacją i wibracjami ultradźwięków w cieczy. Ogólnie odnosi się do procesu tworzenia, rozszerzania i pękania pęcherzyków kawitacyjnych w cieczy. Mówiąc najprościej, gdy stosowane są ultradźwięki o dużej intensywności, przyciąganie pomiędzy średnimi cząsteczkami może przekroczyć wartość krytyczną, generując w ten sposób duże naprężenia ścinające w cieczy, a następnie tworząc pęcherzyki kawitacyjne. 1 Pęcherzyk kawitacyjny tworzy się w pobliżu powierzchni matrycy. Po przejściu ciągłych cykli sprężania-rozrzedzania, pęcherzyk kawitacyjny pęknie podczas cyklu sprężania i wygeneruje krótkotrwałą energię cieplną, tworząc w ten sposób szybki płyn mikrostrumieniowy na powierzchni matrycy i generując silne fale uderzeniowe. Proces ten może spowodować, że lokalna temperatura otoczenia osiągnie nawet około 5000 K, a chwilowe ciśnienie może osiągnąć 50 ~ 1000 atm. Wytworzone środowisko o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze zniszczy ścianę komórkową macierzy roślinnej, uwalniając w ten sposób substancje wewnątrzkomórkowe do roztworu. Na zdjęciach ze skaningowego mikroskopu elektronowego liści bazylii wykonanych przez CHEMAT i innych przed i po ekstrakcji olejku można zaobserwować wyraźniej: przed ekstrakcją gruczoły na liściach są gładkie i pełne; po ekstrakcji zaczynają się kurczyć, ale struktura gruczołu pozostaje nienaruszona; a po ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami gruczoły zostają całkowicie rozbite i cała ich zawartość zostaje uwolniona.

2 Zastosowanie kombinowanej technologii ultradźwiękowej w ekstrakcji roślinnych substancji aktywnych

Metoda ultradźwiękowej kombinowanej ekstrakcji rozpuszczalnikowej

Metoda ekstrakcji ultradźwiękowej zazwyczaj wykorzystuje rozpuszczalniki organiczne jako nośniki energii, to znaczy rozpuszczalniki o różnej polarności wybiera się zgodnie z właściwościami ekstrahowanego związku docelowego, rozpuszczalnik całkowicie miesza się z matrycą próbki, a następnie stosuje się interwencję ultradźwiękową. Metoda ta nie wymaga udziału innego sprzętu. Mieszaninę ciało stałe i ciecz umieszcza się bezpośrednio w urządzeniu ultradźwiękowym w celu ekstrakcji. Fala ultradźwiękowa przenosi energię równomiernie do matrycy próbki poprzez ciekłe medium, osiągając w ten sposób cel polegający na poprawie szybkości ekstrakcji. Jest to najbardziej tradycyjna, prosta i ekonomiczna metoda ekstrakcji ultradźwiękowej.

Istnieją dwa rodzaje urządzeń do ekstrakcji ultradźwiękowej, a mianowicie ultradźwiękowa łaźnia wodna i ultradźwiękowa sonda. Obydwa systemy opierają się na przetwornikach jako źródłach ultradźwiękowych. Ultradźwiękowe łaźnie wodne zwykle pracują z częstotliwością około 40 kHz i są wyposażone w urządzenia do kontroli temperatury. Sprzęt jest stosunkowo tani i pozwala na jednoczesną obróbkę dużej liczby próbek. Jednakże woda zawarta w łaźni ultradźwiękowej i użyte szkło znacznie osłabią przesyłaną energię ultradźwiękową. Systemy ultradźwiękowe typu sondowego są zwykle pierwszym wyborem w zastosowaniach ekstrakcyjnych. Ponieważ energia ultradźwiękowa jest przekazywana przez małą powierzchnię (końcówka sondy zanurzona pod powierzchnią cieczy), wygenerowana energia ultradźwiękowa jest przekazywana bezpośrednio w ośrodku ekstrakcyjnym, dzięki czemu straty energii ultradźwiękowej są niewielkie. Intensywność fal ultradźwiękowych przekazywanych przez układ sond do ciekłego ośrodka powoduje gwałtowny wzrost temperatury mieszaniny ciało stałe-ciecz, dlatego do ekstrakcji konieczne jest użycie dwuwarstwowego szkła skondensowanego.

Wielu krajowych uczonych stosowało tę prostą i ekonomiczną metodę ekstrakcji różnych substancji aktywnych z próbek roślin i uzyskało dobre wyniki. Liu Yanyan zastosował ekstrakcję polisacharydów Huoshan Dendrobium wspomaganą ultradźwiękami. Przy optymalnych parametrach ekstrakcji wydajność polisacharydu może osiągnąć 19,96 mg/g; Niu Sikun zastosował ekstrakcję kumaryn złocistych kłosów wspomaganą ultradźwiękami, a stopień ekstrakcji kumaryn ogółem w grzybni złocistego kłosa osiągnął maksymalnie 0,85%. W porównaniu z ekstrakcją rozpuszczalnikową, ekstrakcja ultradźwiękowa może znacznie poprawić skuteczność ekstrakcji docelowego produktu, zmniejszyć zużycie rozpuszczalników organicznych i nie jest łatwo zniszczyć aktywność ekstraktu. Niemniej jednak metoda ta nadal zużywa pewną ilość rozpuszczalników organicznych, co spowoduje pewien stopień zanieczyszczenia środowiska, a pozostałości organiczne w otrzymanym ekstrakcie będą miały ogromny wpływ na jakość produktu. Dlatego w ostatnich latach niektórzy uczeni zaczęli próbować stosować rozpuszczalniki o niskiej zawartości eutektyki w celu zastąpienia konwencjonalnych rozpuszczalników ekstrakcyjnych, w połączeniu z metodami wspomaganymi ultradźwiękami w celu ekstrakcji różnych składników aktywnych z roślin, i osiągnęli dobre wyniki. Rozpuszczalniki niskoeutektyczne to nowy rodzaj przyjaznej dla środowiska cieczy jonowej, mieszaniny eutektycznej utworzonej przez połączenie akceptorów wiązań wodorowych i donorów wiązań wodorowych, o niższej temperaturze topnienia niż pojedynczy składnik. Rozpuszczalniki o niskiej zawartości eutektyki są nietoksyczne, niedrogie, proste w przygotowaniu i charakteryzują się dobrą biodegradowalnością. Są idealnymi rozpuszczalnikami do ekstrakcji roślinnych składników aktywnych. Wang i in. zastosował wspomagany ultradźwiękami rozpuszczalnik o niskiej eutektyce do ekstrakcji glikozydów echinacei i oleuropeiny z goździków o małych liściach. Gdy jako rozpuszczalnik o niskiej eutektyce stosowano chlorek choliny/glicerol (1:2, stosunek molowy), stosunek ciało stałe do cieczy wynosił 20 g/ml, temperatura 68 ℃, zawartość wody 20%, a fala ultradźwiękowa 200 W przez 45 minut, szybkości ekstrakcji glikozydów echinacei i oleuropeiny wynosiły 80,04% i 86,21%, odpowiednio, które były znacznie lepsze niż wyniki ekstrakcji tradycyjnymi odczynnikami organicznymi. Ni Yujiao i in. zastosował wspomagany ultradźwiękami rozpuszczalnik niskoeutektyczny do otrzymania substancji fenolowych z mączki z nasion rokitnika zwyczajnego. Wyniki wykazały, że przy tym samym czasie ekstrakcji wydajność polifenoli tą metodą była 1,6 razy większa niż wydajność polifenoli w ekstrakcji na gorąco.