Студија о ултразвучној технологији екстракције активних састојака биљака

Вођени индустријским циљем постизања зелене екстракције, појавиле су се нове технологије екстракције као што су микроталасна екстракција, екстракритична екстракција течности и ултразвучна екстракција. Ове нове технологије су у великој мери унапредиле комерцијални развој готовинских усева. Последњих година технологија ултразвучне екстракције се брзо развила у области прехрамбене индустрије. Ова технологија не само да може побољшати квалитет производа, већ и смањити трошкове производње и побољшати ефикасност и сигурност производње. Ултразвучни таласи могу ефикасно спречити уништавање супстанци осетљивих на топлоту у окружењима високе температуре у процесу повећања брзине преноса масе. Континуирано стимулише интрацелуларне жлезде кроз ефекте кавитације, механичке ефекте, итд., чиме промовише брзо ослобађање активних састојака. Ова технологија може смањити употребу органских растварача, побољшати чистоћу биоактивних једињења и уштедети време обраде и оперативне трошкове. Стога, технологија екстракције уз помоћ ултразвука задовољава људске потребе у зеленој производњи, одрживом развоју и заштити животне средине. Примена ултразвука у екстракцији биљних активних састојака привлачи све већу пажњу због својих јединствених предности. Истраживачи такође стално покушавају да комбинују ултразвучну технологију са разним другим уређајима за екстракцију како би постигли боље перформансе екстракције. Поред уобичајене ултразвучне методе екстракције растварачем, постоје и ултразвучно-Сокхлет екстракција, ултразвучно-хомогена екстракција, ултразвучна екстракција дестилацијом воде, ултразвучна микроталасна екстракција и ултразвучно-суперкритична екстракција угљен-диоксида.

1 Принцип ултразвучне екстракције

Ултразвук се дефинише као звучни талас са фреквенцијом већом од 20 кхз, која прелази границу детекције људског слуха. Ултразвук је механички талас са великом густином енергије. Његов извор звучне енергије је обично вибрирајући објекат, који може проузроковати вибрирање околног медијума, а затим пренети енергију на друге суседне честице. Када ултразвук пролази кроз медијум, изазива уздужно померање честица. Ови густи молекуларни ефекти изазивају оштећење ћелијског зида и убрзавају брзину преноса масе ефективних супстанци у медијуму, чиме се постиже сврха побољшања брзине екстракције. Ултразвучна екстракција се не ослања на један механизам деловања, већ ради континуирано или истовремено кроз више физичких механизама као што су механичка фрагментација, топлотни ефекат и ефекат кавитације. У хомогенату мешавине чврста и течна, микро-зраци и микро-турбуленција настали акустичном кавитацијом у течном медијуму ће изазвати јаке механичке поремећаје, чиме ће се интензивирати судар између честица, што може лако довести до распадања и локалног ломљења неких крхких материјала. С друге стране, услед смањења величине честица, повећава се брзина преноса масе чврстих честица и површина контакта између чврсте и течне фазе, што доприноси убрзању растварања садржаја у матрици узорка.

Ефекат кавитације је јединствен и сложен физички феномен узрокован ширењем и вибрацијом ултразвука у течности. Генерално се односи на процес формирања, ширења и пуцања кавитационих мехурића у течности. Једноставно речено, када се примењује ултразвук високог интензитета, привлачност између средњих молекула може премашити критичну вредност, чиме се стварају високи напони на смицање у течности и касније формирају мехурићи кавитације. 1 Кавитациони мехур се формира близу површине матрице. Након што се подвргне континуираним циклусима компресије-разређивања, кавитациони мехур ће пукнути током циклуса компресије и генерисати краткорочну топлотну енергију, на тај начин формирајући микромлазну течност велике брзине на површини матрице и генеришући јаке ударне таласе. Овај процес може учинити околну локалну температуру до око 5.000 К, а тренутни притисак може достићи 50 ~ 1000 атм. Формирано окружење под високим притиском и високом температуром ће уништити ћелијски зид биљног матрикса, ослобађајући на тај начин интрацелуларне супстанце у раствор. Са скенирајућих електронских микроскопских снимака листова босиљка које су снимили ЦХЕМАТ и други пре и после екстракције уља, може се видети сликовитије: пре екстракције, жлезде на листовима су глатке и пуне; након екстракције, почињу да се смањују, али структура жлезде остаје нетакнута; а после екстракције потпомогнуте ултразвуком, жлезде су потпуно разбијене и сав њихов садржај се ослобађа.

2 Примена ултразвучне комбиноване технологије у екстракцији биљних активних супстанци

Ултразвучна комбинована метода екстракције растварачем

Метода ултразвучне екстракције растварачем генерално користи органске раствараче као медије за пренос енергије, то јест, растварачи различитог поларитета се бирају према особинама циљног једињења које се екстрахује, растварач се у потпуности меша са матрицом узорка, а затим се примењује ултразвучна интервенција. Овај метод не захтева учешће друге опреме. Смеша чврста и течна се директно ставља у ултразвучни уређај за екстракцију. Ултразвучни талас преноси енергију равномерно на матрицу узорка кроз течни медијум, чиме се постиже сврха побољшања брзине екстракције. Ово је најтрадиционалнији, једноставан и најекономичнији метод ултразвучне екстракције.

Постоје две врсте ултразвучне опреме за екстракцију, а то су ултразвучно водено купатило и ултразвучна опрема сонде. Оба система су заснована на претварачима као ултразвучним изворима. Ултразвучна водена купатила обично раде на фреквенцији од око 40 кХз и опремљена су уређајима за контролу температуре. Опрема је релативно јефтина и може истовремено да обрађује велики број узорака. Међутим, вода садржана у ултразвучном купатилу и коришћеном стакленом посуђу ће у великој мери ослабити преношену ултразвучну енергију. Ултразвучни системи типа сонде су обично први избор за апликације екстракције. Пошто се ултразвучна енергија преноси кроз малу површину (врх сонде уроњен испод површине течности), генерисана ултразвучна енергија се директно преноси у медијум за екстракцију, тако да је губитак ултразвучне енергије мали. Интензитет ултразвучних таласа које систем сонде преноси на течни медијум довешће до брзог пораста температуре мешавине чврстог и течног, тако да је за екстракцију неопходно користити двослојно посуђе од кондензованог стакла.

Многи домаћи научници су користили ову једноставну и економичну методу за издвајање различитих активних супстанци из биљних узорака и постигли добре резултате. Лиу Ианиан је користио ултразвучну екстракцију полисахарида Хуосхан Дендробиум. Под оптималним параметрима екстракције, принос полисахарида може достићи 19,96 мг/г; Ниу Сикун је користио ултразвучну екстракцију кумарина златног уха, а стопа екстракције укупних кумарина у мицелијуму златног ува достигла је максимум од 0,85%. У поређењу са екстракцијом растварачем, ултразвучна екстракција растварачем може значајно побољшати ефикасност екстракције циљног производа, смањити потрошњу органских растварача и није лако уништити активност екстракта. Ипак, ова метода и даље троши одређену количину органских растварача, што ће изазвати одређени степен загађења животне средине, а органски остаци у добијеном екстракту у великој мери ће утицати на квалитет производа. Због тога су последњих година неки научници почели да покушавају да користе нискоеутектичке раствараче да замене конвенционалне раствараче за екстракцију, у комбинацији са ултразвучним методама за екстракцију различитих активних састојака из биљака, и постигли су добре резултате. Нискоеутектички растварачи су нова врста еколошки прихватљиве јонске течности, еутектичке мешавине формиране комбинацијом акцептора водоничне везе и донора водоничне везе, са нижом тачком топљења од једне компоненте. Нискоеутектички растварачи су нетоксични, јефтини, једноставни за припрему и имају добру биоразградљивост. Они су идеални растварачи за екстракцију биљних активних састојака. Ванг и др. користио је растварач ниске еутектике уз помоћ ултразвука за екстракцију гликозида ехинацее и олеуропеина из малих листова каранфилића. Када је холин хлорид/глицерол (1:2, моларни однос) коришћен као ниско еутектички растварач, однос чврста и течност је био 20 г/мЛ, температура је била 68 ℃, садржај воде је био 20%, а ултразвучни талас је био 200 В током 45 минута, брзина екстракције еутексида и европеикола је била 80,04% и 86,21%, респективно, што је значајно боље од резултата екстракције традиционалних органских реагенаса. Ни Иујиао и др. користио нискоеутектички растварач уз помоћ ултразвука за добијање фенолних супстанци из брашна семена морске кркавине. Резултати су показали да је при истом времену екстракције принос полифенола ове методе био 1,6 пута већи од приноса полифенола екстракције врућим рефлуксом.