Studiu asupra tehnologiei cu ultrasunete în extracția ingredientelor active din plante

Conduse de obiectivul industrial de a realiza extracția verde, au apărut noi tehnologii de extracție, cum ar fi extracția cu microunde, extracția fluidelor supercritice și extracția cu ultrasunete. Aceste noi tehnologii au promovat foarte mult dezvoltarea comercială a culturilor comerciale. În ultimii ani, tehnologia de extracție cu ultrasunete s-a dezvoltat rapid în domeniul industriei alimentare. Această tehnologie poate nu numai să îmbunătățească calitatea produselor, ci și să reducă costurile de producție și să îmbunătățească eficiența și siguranța producției. Undele cu ultrasunete pot împiedica eficient distrugerea substanțelor sensibile la căldură în medii cu temperatură ridicată în procesul de creștere a ratei de transfer de masă. Stimulează continuu glandele intracelulare prin efecte de cavitație, efecte mecanice etc., promovând astfel eliberarea rapidă a ingredientelor active. Această tehnologie poate reduce utilizarea solvenților organici, poate îmbunătăți puritatea compușilor bioactivi și poate economisi timpul de procesare și costurile de operare. Prin urmare, tehnologia de extracție asistată cu ultrasunete răspunde nevoilor umane în producția ecologică, dezvoltarea durabilă și protecția mediului. Aplicarea ultrasunetelor în extracția ingredientelor active din plante a atras atenția din ce în ce mai mult datorită avantajelor sale unice. De asemenea, cercetătorii încearcă în mod constant să combine tehnologia ultrasonică cu diverse alte echipamente de extracție pentru a obține performanțe de extracție mai bune. În plus față de metoda de extracție cu solvent cu ultrasunete mai obișnuită, există și extracția ultrasonică-Soxhlet, extracția ultrasonică-omogenă, extracția cu ultrasunete prin distilare a apei, extracția cu ultrasunete cu microunde și extracția cu ultrasunete-supercritic de dioxid de carbon.

1 Principiul extracției cu ultrasunete

Ultrasunetele sunt definite ca o undă sonoră cu o frecvență mai mare de 20 kHz, care depășește limita de detectare a auzului uman. Ultrasunetele este o undă mecanică cu o densitate mare de energie. Sursa sa de ieșire a energiei sonore este de obicei un obiect care vibrează, care poate face ca mediul înconjurător să vibreze și apoi să transfere energie către alte particule adiacente. Când ultrasunetele trece prin mediu, provoacă deplasarea longitudinală a particulelor. Aceste efecte moleculare dense cauzează deteriorarea peretelui celular și accelerează rata de transfer de masă a substanțelor eficiente în mediu, atingând astfel scopul de a îmbunătăți viteza de extracție. Extracția cu ultrasunete nu se bazează pe un singur mecanism de acțiune, ci funcționează continuu sau simultan prin mai multe mecanisme fizice, cum ar fi fragmentarea mecanică, efectul termic și efectul de cavitație. În omogenatul amestecului solid-lichid, micro-fasciurile și micro-turbulențele generate de cavitația acustică în mediul lichid vor provoca perturbări mecanice puternice, intensificând astfel ciocnirea dintre particule, ceea ce poate duce cu ușurință la descompunerea și ruperea locală a unor materiale fragile. Pe de altă parte, datorită reducerii dimensiunii particulelor, viteza de transfer de masă a particulelor solide și aria de contact dintre fazele solide și lichide sunt crescute, ceea ce conduce la accelerarea dizolvării conținutului din matricea probei.

Efectul de cavitație este un fenomen fizic unic și complex cauzat de propagarea și vibrația ultrasunetelor în lichid. În general, se referă la procesul de formare, expansiune și ruperea bulelor de cavitație în lichid. Mai simplu spus, atunci când se aplică ultrasunete de mare intensitate, atracția dintre moleculele medii poate depăși valoarea critică, generând astfel stres de forfecare mare în lichid și, ulterior, formând bule de cavitație. 1 Bulă de cavitație se formează lângă suprafața matricei. După ce a suferit cicluri continue de compresie-rarefacție, bula de cavitație se va rupe în timpul ciclului de compresie și va genera energie termică pe termen scurt, formând astfel fluid microjet de mare viteză pe suprafața matricei și generând unde de șoc puternice. Acest proces poate face ca temperatura locală din jur să ajungă la aproximativ 5.000 K, iar presiunea instantanee poate ajunge la 50 ~ 1000 atm. Mediul de înaltă presiune și temperatură înaltă format va distruge peretele celular al matricei plantei, eliberând astfel substanțe intracelulare în soluție. Din imaginile cu microscopul electronic cu scanare ale frunzelor de busuioc luate de CHEMAT și altele înainte și după extracția uleiului, se poate observa mai viu: înainte de extracție, glandele de pe frunze sunt netede și pline; după extracție, încep să se micșoreze, dar structura glandei rămâne intactă; iar după extracția asistată cu ultrasunete, glandele sunt complet rupte și tot conținutul lor este eliberat.

2 Aplicarea tehnologiei combinate cu ultrasunete în extracția substanțelor active din plante

Metoda de extracție cu solvent combinat cu ultrasunete

Metoda de extracție cu solvenți cu ultrasunete utilizează în general solvenți organici ca medii de transmisie a energiei, adică solvenții cu polaritate diferită sunt selectați în funcție de proprietățile compusului țintă care urmează să fie extras, solventul este amestecat complet cu matricea probei și apoi se aplică intervenția ultrasonică. Această metodă nu necesită participarea altor echipamente. Amestecul solid-lichid este plasat direct într-un dispozitiv cu ultrasunete pentru extracție. Unda ultrasonică transferă energie în mod uniform către matricea probei prin mediul lichid, atingând astfel scopul de a îmbunătăți viteza de extracție. Aceasta este cea mai tradițională, simplă și economică metodă de extracție cu ultrasunete.

Există două tipuri de echipamente de extracție cu ultrasunete, și anume baia de apă cu ultrasunete și echipamentul cu ultrasunete pentru sondă. Ambele sisteme se bazează pe traductoare ca surse de ultrasunete. Băile de apă cu ultrasunete funcționează de obicei la o frecvență de aproximativ 40 kHz și sunt echipate cu dispozitive de control al temperaturii. Echipamentul este relativ ieftin și poate procesa un număr mare de mostre în același timp. Cu toate acestea, apa conținută în baia cu ultrasunete și sticlăria folosită vor slăbi foarte mult energia ultrasonică transmisă. Sistemele cu ultrasunete de tip sondă sunt de obicei prima alegere pentru aplicațiile de extracție. Deoarece energia ultrasonică este transmisă printr-o suprafață mică (vârful sondei scufundat sub suprafața lichidului), energia ultrasonică generată este transmisă direct în mediul de extracție, astfel încât pierderea de energie ultrasonică este mică. Intensitatea undelor ultrasonice transmise de sistemul sondei către mediul lichid va face ca temperatura amestecului solid-lichid să crească rapid, de aceea este necesar să se utilizeze sticlă condensată cu înveliș dublu pentru extracție.

Mulți cercetători autohtoni au folosit această metodă simplă și economică pentru a extrage diferite substanțe active din probe de plante și au obținut rezultate bune. Liu Yanyan a folosit extracția asistată cu ultrasunete a polizaharidelor Huoshan Dendrobium. Sub parametrii optimi de extracție, randamentul de polizaharidă poate ajunge la 19,96 mg/g; Niu Sikun a folosit extracția asistată cu ultrasunete a cumarinelor aurii din ureche, iar rata de extracție a cumarinelor totale în miceliul urechii aurii a atins un maxim de 0,85%. În comparație cu extracția cu solvent, extracția cu solvent cu ultrasunete poate îmbunătăți semnificativ eficiența extracției produsului țintă, poate reduce consumul de solvenți organici și nu este ușor să distrugi activitatea extractului. Cu toate acestea, această metodă încă consumă o anumită cantitate de solvenți organici, ceea ce va provoca un anumit grad de poluare a mediului, iar reziduurile organice din extractul obținut vor afecta foarte mult calitatea produsului. Prin urmare, în ultimii ani, unii savanți au început să încerce să folosească solvenți cu eutectici scăzuti pentru a înlocui solvenții de extracție convenționali, combinați cu metode asistate cu ultrasunete pentru a extrage diverse ingrediente active din plante și au obținut rezultate bune. Solvenții cu eutectice scăzută sunt un nou tip de lichid ionic prietenos cu mediul, un amestec eutectic format din combinația de acceptori de legături de hidrogen și donatori de legături de hidrogen, cu un punct de topire mai mic decât un singur component. Solvenții cu eutectici scăzute sunt netoxici, ieftini, ușor de preparat și au o bună biodegradabilitate. Sunt solvenți ideali pentru extragerea ingredientelor active din plante. Wang şi colab. a folosit un solvent asistat cu ultrasunete pentru a extrage glicozidele de echinacea și oleuropeina din cuișoarele cu frunze mici. Când a fost utilizată clorură de colină/glicerol (1:2, raport molar) ca solvent eutectic scăzut, raportul solid-lichid a fost de 20 g/mL, temperatura a fost de 68 ℃, conținutul de apă a fost de 20%, iar unda ultrasonică a fost de 200 W timp de 45 de minute, ratele de extracție a glicozidelor de echinaceea și 80. respectiv, care au fost semnificativ mai bune decât rezultatele extracției de reactivi organici tradiționali. Ni Yujiao și colab. a folosit un solvent asistat cu ultrasunete pentru a obține substanțe fenolice din făina de semințe de cătină. Rezultatele au arătat că în același timp de extracție, randamentul de polifenoli din această metodă a fost de 1,6 ori mai mare decât randamentul de polifenoli al extracției cu reflux la cald.