Estudo sobre tecnologia ultrassônica na extração de ingredientes ativos da planta

Impulsionados pelo objetivo industrial de alcançar a extração verde, surgiram novas tecnologias de extração, como extração de microondas, extração supercrítica do fluido e extração ultrassônica. Essas novas tecnologias promoveram bastante o desenvolvimento comercial de culturas de caixa. Nos últimos anos, a tecnologia de extração ultrassônica se desenvolveu rapidamente no campo da indústria de alimentos. Essa tecnologia pode não apenas melhorar a qualidade dos produtos, mas também reduzir os custos de produção e melhorar a eficiência e a segurança da produção. As ondas ultrassônicas podem efetivamente impedir que substâncias sensíveis ao calor sejam destruídas em ambientes de alta temperatura no processo de aumento das taxas de transferência de massa. Ele estimula continuamente as glândulas intracelulares através de efeitos de cavitação, efeitos mecânicos etc., promovendo assim a liberação rápida de ingredientes ativos. Essa tecnologia pode reduzir o uso de solventes orgânicos, melhorar a pureza dos compostos bioativos e economizar tempo de processamento e custos operacionais. Portanto, a tecnologia de extração assistida por ultrassom atende às necessidades humanas em produção verde, desenvolvimento sustentável e proteção ambiental. A aplicação de ultrassom na extração de ingredientes ativos da planta atraiu crescente atenção devido às suas vantagens únicas. Os pesquisadores também estão constantemente tentando combinar tecnologia ultrassônica com vários outros equipamentos de extração, a fim de obter um melhor desempenho de extração. Além do método de extração de solvente ultrassônico mais comum, também existem extração ultrassônica-soxhet, extração ultrassônica-homogênea, extração de destilação de água ultrassônica, extração por microo owave ultrassônica e extração de carbono-supercrítica ultrassônica.

1 Princípio da extração ultrassônica

O ultrassom é definido como uma onda sonora com uma frequência superior a 20 kHz, o que excede o limite da detecção auditiva humana. O ultrassom é uma onda mecânica com alta densidade de energia. Sua fonte de saída de energia sonora é geralmente um objeto vibratório, que pode fazer com que o meio circundante vibre e depois transfira energia para outras partículas adjacentes. Quando o ultrassom passa pelo meio, causa o deslocamento longitudinal das partículas. Esses densos efeitos moleculares causam danos à parede celular e aceleram a taxa de transferência de massa de substâncias efetivas no meio, alcançando assim o objetivo de melhorar a taxa de extração. A extração ultrassônica não depende de um único mecanismo de ação, mas funciona de forma contínua ou simultaneamente através de múltiplos mecanismos físicos, como fragmentação mecânica, efeito térmico e efeito de cavitação. No homogenato da mistura sólida-líquido, os micro-vigas e micro-turbulência gerados por cavitação acústica no meio líquido causarão fortes distúrbios mecânicos, intensificando assim a colisão entre partículas, o que pode facilmente levar à decomposição e à ruptura local de alguns materiais quebradiços. Por outro lado, devido à redução no tamanho das partículas, a taxa de transferência de massa de partículas sólidas e a área de contato entre fases sólidas e líquidas são aumentadas, que são propícios para acelerar a dissolução do conteúdo na matriz da amostra.

O efeito de cavitação é um fenômeno físico único e complexo causado pela propagação e vibração do ultrassom em líquido. Geralmente se refere ao processo de formação, expansão e ruptura das bolhas de cavitação em líquido. Simplificando, quando o ultrassom de alta intensidade é aplicado, a atração entre moléculas médias pode exceder o valor crítico, gerando alta tensão de cisalhamento no líquido e subsequentemente formando bolhas de cavitação. 1 bolha de cavitação é formada perto da superfície da matriz. Depois de passar por ciclos contínuos de compressão-efação, a bolha da cavitação se rompe durante o ciclo de compressão e gerará energia térmica de curto prazo, formando assim o fluido de microjato de alta velocidade na superfície da matriz e gerando fortes ondas de choque. Esse processo pode tornar a temperatura local circundante até cerca de 5.000 k, e a pressão instantânea pode atingir 50 ~ 1000 atm. O ambiente de alta pressão e alta temperatura formado destruirá a parede celular da matriz da planta, liberando assim substâncias intracelulares na solução. A partir das imagens do microscópio eletrônico de varredura de folhas de manjericão tiradas por Chemat e outros antes e depois da extração de petróleo, ela pode ser observada com mais vividamente: antes da extração, as glândulas nas folhas são lisas e cheias; Após a extração, eles começam a encolher, mas a estrutura da glândula permanece intacta; E após a extração assistida por ultrassom, as glândulas estão completamente quebradas e todo o seu conteúdo é liberado.

2 Aplicação de tecnologia combinada ultrassônica na extração de substâncias ativas de plantas

Método de extração de solvente combinado ultrassônico

O método de extração de solvente ultrassônico geralmente usa solventes orgânicos como meios de transmissão de energia, ou seja, os solventes de polaridade diferentes são selecionados de acordo com as propriedades do composto alvo a ser extraído, o solvente é totalmente misturado com a matriz da amostra e, em seguida, é aplicada uma intervenção ultrassônica. Este método não requer a participação de outros equipamentos. A mistura sólida-líquido é colocada diretamente em um dispositivo ultrassônico para extração. A onda ultrassônica transfere energia uniformemente para a matriz da amostra através do meio líquido, alcançando assim o objetivo de melhorar a taxa de extração. Este é o método mais tradicional, simples e econômico em extração ultrassônica.

Existem dois tipos de equipamentos de extração ultrassônica, como banho de água ultrassônica e equipamentos ultrassônicos de sonda. Ambos os sistemas são baseados em transdutores como fontes ultrassônicas. Os banhos de água ultrassônica geralmente operam com uma frequência de cerca de 40 kHz e estão equipados com dispositivos de controle de temperatura. O equipamento é relativamente barato e pode processar um grande número de amostras ao mesmo tempo. No entanto, a água contida no banho ultrassônico e os copos utilizados enfraquecerão bastante a energia ultrassônica transmitida. Os sistemas ultrassônicos do tipo sonda são geralmente a primeira escolha para aplicações de extração. Como a energia ultrassônica é transmitida através de uma pequena superfície (a ponta da sonda imersa sob a superfície líquida), a energia ultrassônica gerada é transmitida diretamente no meio de extração, a perda de energia ultrassônica é pequena. A intensidade das ondas ultrassônicas transmitidas pelo sistema da sonda para o meio líquido fará com que a temperatura da mistura de líquido sólido aumente rapidamente, por isso é necessário usar vidro condensado por casca de camada dupla para extração.

Muitos estudiosos domésticos usaram esse método simples e econômico para extrair várias substâncias ativas de amostras de plantas e alcançaram bons resultados. Liu Yanyan usou a extração assistida por ultrassom de polissacarídeos de Huoshan Dendrobium. Sob os parâmetros ideais de extração, o rendimento de polissacarídeos pode atingir 19. 96 mg/g; A NIU Sikun usou extração assistida por ultrassom de cumarinas de orelha dourada, e a taxa de extração de cumarinas totais em micélio da orelha dourada atingiu um máximo de 0. 85%. Comparado com a extração de solvente, a extração de solvente ultrassônica pode melhorar significativamente a eficiência da extração do produto alvo, reduzir o consumo de solventes orgânicos e não é fácil de destruir a atividade do extrato. No entanto, esse método ainda consome uma certa quantidade de solventes orgânicos, o que causará um certo grau de poluição ambiental, e os resíduos orgânicos no extrato obtido afetarão bastante a qualidade do produto. Portanto, nos últimos anos, alguns estudiosos começaram a tentar usar solventes eutéticos baixos para substituir solventes de extração convencionais, combinados com métodos de assistência ultrassônica para extrair vários ingredientes ativos das plantas e alcançaram bons resultados. Solventes eutéticos baixos são um novo tipo de líquido iônico ambientalmente amigável, uma mistura eutética formada pela combinação de aceitadores de ligação de hidrogênio e doadores de ligação de hidrogênio, com um ponto de fusão mais baixo do que um único componente. Solventes eutéticos baixos são não tóxicos, baratos, simples de preparar e têm boa biodegradabilidade. São solventes ideais para extrair ingredientes ativos da planta. Wang et al. utilizou solvente eutético baixo assistido por ultrassom para extrair glicosídeos echinacea e oleuropeína de pequenos cravo-de-folhas. When choline chloride/glycerol (1:2, molar ratio) was used as the low eutectic solvent, the solid-liquid ratio was 20 g/mL, the temperature was 68 ℃, the water content was 20%, and the ultrasonic wave was 200 W for 45 min, the extraction rates of echinacea glycosides and oleuropein were 80.04% and 86.21%, respectively, which were significativamente melhor do que os resultados da extração dos reagentes orgânicos tradicionais. Ni Yujiao et al. Utilizou solvente eutético baixo assistido por ultrassom para obter substâncias fenólicas da refeição de sementes de espinheiro do mar. Os resultados mostraram que, no mesmo tempo de extração, o rendimento de polifenol desse método foi 1,6 vezes o do rendimento de polifenol da extração de refluxo a quente.