Extracția asistată cu ultrasunete a polifenolilor de ceai din ceaiul verde

Extracția asistată cu ultrasunete a polifenolilor de ceai din ceaiul verde

Polifenolii din ceaiul verde, ca antioxidanți naturali importanți, au perspective largi de aplicare în industria alimentară, farmaceutică și cosmetică. Extracția asistată cu ultrasunete (UAE), cu avantajele sale unice ale efectului de cavitație care perturbă structura celulară și îmbunătățește procesele de transfer de masă, a devenit o tehnologie ecologică și eficientă pentru a înlocui extracția tradițională cu solvent.

Studiile au arătat că, prin optimizarea puterii ultrasonice (250-400 W), a temperaturii de extracție (45-72℃), a timpului de extracție (8-40 min) și a compoziției solventului (50%-77,6% etanol sau noi solvenți verzi), rata de extracție a polifenolilor de ceai poate ajunge la 21,78-44,82 mg GAE/g uscat. Cercetările viitoare se vor concentra pe extinderea proceselor, dezvoltarea sistemelor de nanolivrare și evaluarea durabilității ciclului de viață.

Ceaiul (Camellia sinensis) este originar din China și este una dintre cele mai consumate băuturi la nivel global. Ceaiul verde este bogat în compuși polifenolici, reprezentând 25%-40% din greutatea sa uscată, printre care catechinele și derivații lor (cum ar fi galatul de epigalocatechină, EGCG) sunt principalele componente bioactive. Acești compuși posedă diferite funcții fiziologice, inclusiv efecte antioxidante, antiinflamatorii, anticancerigene și anti-obezitate și sunt utilizați pe scară largă în alimente funcționale, suplimente nutritive și produse cosmetice.

Cu toate acestea, complexitatea matricelor de plante, termosensibilitatea compușilor polifenolici și limitările metodelor tradiționale de extracție ridică provocări pentru extracția eficientă a polifenolilor de ceai. Metodele tradiționale de extracție cu solvenți (cum ar fi macerarea, extracția cu reflux și extracția Soxhlet) suferă de un consum mare de solvenți, consum mare de energie, timpi lungi de extracție și riscul de degradare a ingredientelor active din cauza temperaturilor ridicate. Odată cu popularizarea conceptelor de chimie ecologică, dezvoltarea tehnologiilor de extracție ecologice, eficiente și economisitoare de energie a devenit un punct fierbinte de cercetare.

Extracția asistată cu ultrasunete (UAE), ca tehnologie de extracție verde emergentă, utilizează efectul de cavitație al ultrasunetelor pentru a genera temperaturi ridicate localizate, presiune înaltă și microjet, perturbând eficient pereții celulelor plantelor și promovând transferul de masă al substanțelor țintă intracelulare către solvent. În comparație cu metodele tradiționale, Emiratele Arabe Unite pot scurta semnificativ timpul de extracție, pot reduce consumul de solvenți, pot crește rata de extracție și pot evita degradarea componentelor termosensibile.

2. Principii și avantaje ale tehnologiei de extracție asistată cu ultrasunete

2.1 Efectul cavitației cu ultrasunete și mecanismul său de acțiune

Mecanismul de bază al extracției asistate cu ultrasunete este efectul de cavitație. Când ultrasunetele se propagă într-un mediu lichid, undele de compresie și expansiune alternante generează bule minuscule de vid (bule de cavitație). Aceste bule se formează în faza de presiune negativă a undelor sonore și se prăbușesc rapid în faza de presiune pozitivă. Prăbușirea instantanee a acestor bule generează temperaturi ridicate localizate (până la 5000 K) și presiuni mari (aproximativ 1000 atm), însoțite de microjeturi intense și unde de șoc. Aceste efecte fizice au efecte multiple asupra celulelor plantelor:

Perturbarea peretelui celular: Microjeturile și undele de șoc perturbă fizic peretele celular și structura membranei celulare, reducând rezistența la transferul de masă.

Reducerea dimensiunii particulelor: energia mecanică a ultrasunetelor rafinează particulele de plante, crescând suprafața specifică și promovând penetrarea solventului.

Transfer de masă îmbunătățit: Turbulențele și micro-tulburările generate de efectul de cavitație accelerează difuzia compușilor țintă din matrice la solvent.

Studiile au arătat că tratamentul cu ultrasunete modifică semnificativ microstructura celulelor de ceai, provocând pori și rupturi în pereții celulelor, ceea ce este benefic pentru dizolvarea polifenolilor.

2.2 Comparație cu metodele tradiționale de extracție

Mai multe studii au comparat sistematic extracția asistată cu ultrasunete cu metodele tradiționale de extracție. Folosind 50% etanol-apă ca solvent, extracția asistată cu ultrasunete (UAE) a produs un conținut total de fenolic de 21,52-36,42 mg GAE/g ceai uscat, semnificativ mai mare decât 18,43-32,29 mg GAE/g ceai uscat obținut prin extracție asistată de microunde și extracție (28,25) mg-28,29 mg (MAE). GAE/g ceai uscat obtinut prin macerare traditionala. Microscopia electronică cu scanare a confirmat în continuare că structura celulară a probelor de ceai tratate cu EAU a fost perturbată cel mai bine.

În ceea ce privește eficiența extracției, un studiu asupra ceaiului verde Ziyang a arătat că procesul optimizat din Emiratele Arabe Unite (raport solid-lichid 1:35,8, fracțiunea volumului de etanol 77,6%, timp ultrasonic 37,6 min, temperatura ultrasonică 72,1 ℃, putere ultrasonică 248,4 W) a atins o rată de extracție a polifenolilor tradiționale cu 78,6%,21 mai mare decât cea tradițională. macerarea cu etanol, iar timpul de extracție se scurtează semnificativ.

2.3 Avantajele tehnologiei ecologice

Din perspectiva dezvoltării durabile, tehnologia EAU oferă multiple avantaje ecologice:

Consum redus de energie: Tehnologia avansată de extracție poate reduce consumul de energie cu 30%-50%.

Economie de solvenți: în comparație cu extracția tradițională a apei, EAU combinate cu solventul eutectic profund (DES) poate reduce consumul de solvenți cu 40%.

Reducerea emisiilor de carbon: Intensitatea emisiilor de carbon din procesul UAE+DES (0,5 kg CO₂/kg produs) este mai mică decât cea a extracției tradiționale cu apă (0,8 kg CO₂/kg produs).

Evitați degradarea termică: poate funcționa la temperaturi mai scăzute, protejând bioactivitatea catechinelor sensibile la căldură.

3 parametri cheie ai procesului și strategii de optimizare

3.1 Principalii factori de influență

Eficacitatea extracției asistate cu ultrasunete este influențată de parametrii multipli ai procesului, incluzând în principal:

3.1.1 Tipul de solvent și concentrația

Selectarea solventului este un factor cheie care afectează eficiența extracției. Deoarece polifenolii de ceai sunt molecule polare, solvenții polari, cum ar fi apa, etanolul, metanolul și amestecurile lor sunt alegeri utilizate în mod obișnuit. Studiile au arătat că un solvent mixt 50% etanol-apă dă cea mai bună eficiență de extracție, cu conținutul total de fenolici atingând 22,69-36,42 mg GAE/g ceai uscat; urmat de 50% acetonitril-apă (18,47-33,49 mg GAE/g ceai uscat); apa pură are cea mai scăzută eficiență de extracție. Un alt studiu a optimizat fracția de volum de etanol la 77,6%.

În ultimii ani, sistemele de solvenți verzi au primit o atenție pe scară largă. Solvenții eutectici profund (DES), compuși din donatori și acceptori de legături de hidrogen, prezintă avantaje precum biodegradabilitatea, toxicitatea scăzută și capacitatea de proiectare. Un studiu a folosit DES acetat-glicerol de sodiu pentru a extrage componente bioactive din frunzele de ceai, obținând un conținut fenolic total de 24,76 mg GAE/g greutate uscată în condiții de amplitudine ultrasonică de 90%, timp de 10 minute și un raport lichid-solid de 30 ml/g. În schimb, sistemul glicerol-apă (hidroglicerol) a prezentat o eficiență de extracție mai mare, realizând un conținut total de fenolic de 90,68 mg GAE/g greutate uscată în condiții de 86% amplitudine ultrasonică, timp de 8 minute și un raport lichid-solid de 24 ml/g.

O altă inovație ecologică este extracția asistată de un promotor de creștere solubil în apă. Folosind subtilizat de sodiu (NaCuS) ca promotor de creștere solubil în apă, combinat cu extracția cu ultrasunete a polifenolilor de ceai într-un mediu apos, a fost obținută o eficiență de extracție de 68,429% în condițiile unui raport lichid-solid de 0,05, un timp ultrasonic de 3,2 ore și o temperatură de 49,9 ℃.

3.1.2 Putere cu ultrasunete

Puterea ultrasunetelor afectează direct intensitatea efectului de cavitație. O putere prea mică duce la cavitație insuficientă; o putere prea mare poate duce la degradarea ingredientelor active. Studiile au arătat că intervalul optim de putere ultrasonică este de 250-400 W. Un studiu folosind metodologia suprafeței de răspuns a determinat puterea optimă să fie de 250 W; un studiu privind extracția ceaiului verde Jingshan a folosit 400 W, realizând o rată de extracție de 33,81%; un alt studiu de optimizare a constatat că puterea optimă este de 248,4 W.

3.1.3 Temperatura de extracție

Temperatura afectează coeficientul de difuzie al solventului, solubilitatea și stabilitatea compusului țintă. Polifenolii din ceai sunt sensibili la căldură; temperaturile excesiv de ridicate pot duce la degradare și izomerizare. Studiile arată că intervalul optim de temperatură de extracție este de 45-72℃. Un studiu a optimizat extracția la 72,1 ℃, în timp ce un alt studiu a obținut o rată ridicată de extracție de 44,82 mg GAE/g ceai uscat la 45 ℃. Pentru sistemul glicerol-apă, temperaturile mai scăzute (aproximativ 50℃) dau rezultate bune.

3.1.4 Timpul de extragere

Timpul cu ultrasunete trebuie să echilibreze eficiența extracției și păstrarea activității. Un timp prea scurt are ca rezultat extracția incompletă; un timp prea lung poate duce la efecte de căldură acumulată și la degradarea componentelor. Studiile arată că timpul optim de ultrasunete variază de la 8 la 40 de minute. Extragerea ceaiului verde Jingshan necesită 40 de minute; un sistem glicerol-apă poate atinge o viteză mare de extracție în doar 8 minute.

3.1.5 Raportul solid-lichid Raportul solid-lichid afectează gradientul de concentrație și forța motrice a transferului de masă. Un raport prea mic are ca rezultat un solvent insuficient și o extracție incompletă; un raport prea mare crește costurile ulterioare de concentrare și consumul de solvenți. Studiile de optimizare arată că raportul optim solid-lichid este concentrat în intervalul 1:24-1:36 g/mL. Un studiu a determinat o valoare optimizată de 1:35,8; valoarea optimizată pentru sistemul glicerol-apă este 1:24.

Extracția asistată cu ultrasunete, ca tehnologie verde și eficientă, a demonstrat avantaje semnificative în extracția polifenolilor de ceai din ceaiul verde. Prin optimizarea parametrilor cheie de proces - puterea ultrasunetelor (250-400 W), temperatura de extracție (45-72℃), timpul de extracție (8-40 min) și compoziția solventului - rata de extracție a polifenolilor de ceai poate atinge 21,78-44,82 mg GAE/g ceai uscat. Dezvoltarea sistemelor de solvenți verzi (solvent eutectic profund, glicerol-apă, promotor de creștere solubil în apă) îmbunătățește și mai mult respectarea mediului înconjurător a procesului. Metodologia suprafeței de răspuns este în prezent instrumentul principal de optimizare, în timp ce metodele de inteligență artificială, cum ar fi învățarea automată, devin noi frontiere de cercetare. Activitățile funcționale antioxidante, de îngrijire a pielii și antibacteriene ale extractelor pun bazele aplicării lor în industria alimentară, cosmetică și farmaceutică. Cercetările viitoare ar trebui să se concentreze pe extinderea procesului, construcția sistemului de standardizare, evaluarea siguranței și sustenabilitatea ciclului de viață, promovând aplicarea industrială a tehnologiei de extracție asistată cu ultrasunete pentru polifenoli de ceai.