Ekstrakcja ultradźwiękowa flawonoidów z propolisu

Ekstrakcja ultradźwiękowa flawonoidów z propolisu

Propolis to lepka, galaretowata substancja stała powstająca z żywicy zebranej przez pszczoły i wydzieliny ich gruczołów. Pszczoły wykorzystują go do naprawy uli, zarówno do obrony przed najeżdżającymi wrogami, jak i do hamowania rozwoju mikroorganizmów w ulu. Skład propolisu jest niezwykle złożony i obejmuje ponad 300 składników podzielonych na 20 głównych kategorii, obejmujących przede wszystkim flawonoidy, kwasy fenolowe, terpeny, estry, steroidy, aminokwasy i witaminy. Skład propolisu nie jest statyczny; zależy od takich czynników, jak region geograficzny, sezon zbioru, gatunek rośliny i populacja pszczół. Propolis ma szeroki zakres działań farmakologicznych, w tym działanie przeciwbakteryjne, przeciwgrzybicze, przeciwzapalne, przeciwwirusowe, przeciwnowotworowe, przeciwutleniające i immunomodulujące. 

W ostatnich latach propolis znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym, kosmetycznym i farmaceutycznym. Flawonoidy są ważnymi substancjami aktywnymi propolisu, wykazującymi różne działanie biologiczne, takie jak działanie przeciwutleniające, przeciwdrobnoustrojowe, przeciwnowotworowe i immunomodulujące. Dlatego optymalizacja procesu ekstrakcji flawonoidów propolisowych i poprawa wydajności flawonoidów propolisowych mają wielką wartość referencyjną dla rozwoju i badań propolisu oraz mają ogromne znaczenie dla rozwoju przemysłowego i społecznego. 

Obecnie istnieje wiele metod ekstrakcji flawonoidów propolisowych, obejmujących głównie metodę maceracji, metodę ogrzewania refluksowego, metodę ekstrakcji mikrofalowej, metodę ekstrakcji ultradźwiękowej, metodę ekstrakcji pod ultrawysokim ciśnieniem i metodę ekstrakcji nadkrytycznym CO2. Metoda maceracji jest prosta w obsłudze, jednak zajmuje dużo czasu i wymaga dużej ilości rozpuszczalnika; metoda ogrzewania refluksowego zużywa mniej rozpuszczalnika, jest jednak kłopotliwa w obsłudze, ekstrakcja zajmuje dużo czasu i charakteryzuje się wysoką temperaturą ekstrakcji, która z łatwością może zniszczyć składniki aktywne; metoda ekstrakcji mikrofalowej jest prosta w obsłudze i charakteryzuje się krótkim czasem ekstrakcji, jednak wysoka temperatura ekstrakcji może łatwo zniszczyć składniki aktywne; metody ekstrakcji pod ultrawysokim ciśnieniem i metody ekstrakcji nadkrytycznym CO2 są krótkotrwałe, charakteryzują się niskim zużyciem energii i są wolne od zanieczyszczeń, ale koszt sprzętu jest wysoki. W porównaniu z powyższymi metodami ekstrakcji, metoda ekstrakcji ultradźwiękowej charakteryzuje się prostym wyposażeniem, prostą obsługą, krótkim czasem, wysoką wydajnością, niskim zużyciem energii i małą ilością rozpuszczalnika. Fale ultradźwiękowe zmniejszają wielkość cząstek surowców poprzez działanie mechaniczne i efekt kawitacji, skutecznie niszczą strukturę komórkową, zwiększają szybkość przenoszenia masy rozpuszczonych substancji, a tym samym poprawiają wydajność [4].

Analiza przy użyciu oprogramowania Design Expert 8.0.6 wykazała optymalne warunki ekstrakcji: moc ultradźwiękowa 163,38 W, czas ekstrakcji ultradźwiękowej 15,89 min i stężenie etanolu 85,67%. W tych warunkach przewidywana wydajność ekstrakcji wyniosła 21,11%. W celu dalszej weryfikacji wiarygodności i dokładności modelu regresji przeprowadzono eksperyment walidacyjny przy użyciu wyżej wymienionych optymalnych warunków. Biorąc pod uwagę praktyczną funkcjonalność, optymalne warunki zmodyfikowano do: mocy ultradźwiękowej 150 W, czasu ekstrakcji ultradźwiękowej 16 min i stężenia etanolu 86%. W tych warunkach wydajność ekstrakcji flawonoidów propolisowych wyniosła 21,10% ± 0,075% (n=3 próby), blisko wartości przewidywanej modelu, potwierdzając tym samym dokładność i niezawodność modelu.

Analiza porównawcza metod ekstrakcji ultradźwiękowej

Ogólnie jakość propolisu ocenia się na podstawie zawartości flawonoidów; zawartość powyżej 5% uważa się za kwalifikującą się, a zawartość powyżej 15% uważa się za lepszą. Wydajność ekstrakcji flawonoidów z propolisu w tym eksperymencie osiągnęła 21,10% w optymalnych warunkach ekstrakcji ultradźwiękowej, dlatego propolis zastosowany w tym eksperymencie z Xiaogan w prowincji Hubei jest najwyższej jakości. Zawartość flawonoidów w propolisie jest bezpośrednio związana z pochodzeniem geograficznym propolisu, przy czym występują znaczne różnice pomiędzy różnymi regionami. Propolis użyty w tym eksperymencie nie został opisany w istniejącej literaturze, a jego źródło różni się od źródła istniejącej literatury. Dlatego ocena jakości procesu ultradźwiękowego wyłącznie na podstawie wydajności flawonoidów jest niewłaściwa; porównano jedynie warunki ekstrakcji. Cao Xiaoyan i in. zastosował ultradźwięki do ekstrakcji flawonoidów z propolisu Shaanxi i uzyskał optymalny proces ekstrakcji w następujący sposób: czas ultradźwięków 20 min, temperatura ekstrakcji 50 ℃, stosunek materiału do cieczy 1:30, stężenie etanolu 80% i wydajność flawonoidów 9,60%; Li Shuai [6] zoptymalizował proces ekstrakcji ultradźwiękowej flawonoidów propolisu Jilin, stosując metodologię powierzchni odpowiedzi i uzyskał optymalne warunki ekstrakcji w następujący sposób: czas ultradźwięków 27 min, temperatura ekstrakcji 66 ℃, moc ultradźwięków 220 W, stężenie etanolu 73% i wydajność flawonoidów 23,38%; Yanbo i in. uzyskali optymalne parametry procesu ekstrakcji ultradźwiękowej flawonoidów propolisu Shandong na podstawie następujących eksperymentów: czas działania ultradźwięków 25 minut, stężenie etanolu 72%, moc ultradźwięków 82% i rzeczywista wydajność flawonoidów 13,07%. W porównaniu z istniejącymi opisanymi procesami ekstrakcji ultradźwiękowej flawonoidów propolisu, metoda ekstrakcji ultradźwiękowej w tym eksperymencie ma zalety w postaci niskiej temperatury ekstrakcji i krótkiego czasu ekstrakcji. 

Wniosek

W artykule optymalizowano proces ekstrakcji ultradźwiękowej flawonoidów propolisu przy użyciu metodologii powierzchni odpowiedzi i wyciągnięto następujące wnioski:

(1) Wydajność ekstrakcji flawonoidów propolisu najpierw wzrasta, a następnie maleje wraz ze wzrostem mocy ultradźwiękowej i czasu ekstrakcji ultradźwiękowej, a najpierw wzrasta, a następnie pozostaje stała wraz ze wzrostem stężenia etanolu.

(2) Dzięki analizie wariancji równania regresji głównymi i wtórnymi czynnikami wpływającymi na wydajność ekstrakcji flawonoidów propolisowych są, w kolejności, czas ekstrakcji ultradźwiękowej, stężenie etanolu i moc ultradźwiękowa.

(3) Na podstawie analizy z wykorzystaniem metodologii powierzchni odpowiedzi i biorąc pod uwagę wykonalność rzeczywistego działania, optymalne warunki ekstrakcji to: moc ultradźwiękowa 150 W, czas ekstrakcji ultradźwiękowej 16 min i stężenie etanolu 86%. W tych warunkach przewidywana wydajność ekstrakcji flawonoidów propolisu wynosi 21,11%. Doświadczenia weryfikacyjne w powyższych warunkach ekstrakcji wykazały, że wydajność ekstrakcji flawonoidów propolisowych wynosi 21,10% ± 0,075% (n=3), co jest bliskie wartości przewidywanej modelu, potwierdzając tym samym dokładność i wiarygodność modelu.

Korzystne efekty niniejszego wynalazku: Tradycyjne metody ekstrakcji etanolem wymagają długiego czasu i charakteryzują się niską szybkością ekstrakcji. Ekstrakcja Soxhleta, charakteryzująca się zbyt wysoką temperaturą ekstrakcji, powoduje ekstrakcję również innych składników, wpływających na proces ekstrakcji i wymagających znacznych inwestycji w sprzęt. Ekstrakcja ultradźwiękowa w porównaniu do dwóch poprzednich metod znacznie poprawia czas i wydajność ekstrakcji, ekstrahując większość substancji rozpuszczalnych w alkoholu z propolisu w zaledwie 25 minut, zapewniając skuteczną metodę ekstrakcji składników funkcjonalnych z propolisu.

Oczywiste jest, że ultradźwięki oferują znaczne korzyści w zakresie czasu i wydajności ekstrakcji, dzięki czemu są bardzo skuteczne w przyspieszaniu ekstrakcji propolisu. Pokazuje to ogromny potencjał ekstrakcji ultradźwiękowej i jej przydatność do zastosowań przemysłowych.

Ultradźwięki przyspieszają transfer masy, osiągając dobre wyniki w niższych temperaturach, skutecznie zachowując naturalny smak, kolor i substancje wrażliwe na ciepło surowca. Co więcej, wzmacniający wpływ ultradźwięków na propolis jest ciągły; nawet po zakończeniu zabiegu ultradźwiękowego, jego przyspieszony proces ekstrakcji trwa przez pewien czas. Dlatego też ma szerokie perspektywy rozwoju w branży spożywczej.