CC BY
1443
УДК / UDC 664.1.033:534-8
ОБЗОР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭКСТРАГИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
USE OF ULTRASOUND FOR THE EXTRACTION OF COMPONENTS FROM PLANT
MATERIALS - A REVIEW
Мищенко Е.В., кандидат технических наук, доцент Mishchenko E.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor ФГБОУ ВПО Орел ГАУ, Орел, Россия Orel State Agrarian University, Orel City, Russia E-mail: art lena@inbox.ru
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассматриваются примеры применения ультразвука для повышения качества экстрагирования в пищевой и смежных с ней отраслях промышленности. Он применяется для извлечения жиров, белков, биологически активных веществ из растительного сырья с высоким содержанием экстрагируемых компонентов для повышения скорости экстрагирования и сокращения его времени. Представлены попытки математического описания процесса ультразвукового экстрагирования и ультразвуковой кавитации, но представленные модели не учитывают все имеющиеся факторы и требуют дальнейшего усовершенствования.
ABSTRACT
Examples of application ultrasonic extraction processes for improvement of quality of processing in food and allied industries are considered. It is applied for the extraction of fats, proteins, biologically active components from plant materials with high content of the extracted components to increase the extraction rate, and to reduce the extraction time. Attempts of the mathematical description of the ultrasonic extraction process and ultrasonic cavitation are presented, but the submitted models do not take into account all working factors and require the further improvement.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Ультразвуковые колебания, растительное сырье, процесс экстрагирования. KEY WORDS
Ultrasonic vibrations, vegetal raw materials, extraction process.
Растительные материалы являются ценным природным сырьем, используемым в по-вседневной жизни как пищевые продукты, пищевые добавки, ароматические компоненты, фармацевтические препараты и т.д. Использование растительных материалов имеет длинную историю, и за столетия человечество разработало большое количество методов их обработки. Растительные экстракты - это составы и/или составные смеси, полученные их сырых или высушенных растений или их частей (листьев, цветов, семян, корней). Извлечение компонентов из растительных материалов относится к пищевой технологии или к фитофармацевтике. Существует несколько методов получения экс-трактов из растительных материалов: перегонка; экстракция растворителем: процеживание, мацерация с растворителем, кипение с водой (настаивание), анфлераж; холодное прессование; нетрадиционные методы экстракции: суперкритическая жидкостная экстракция, вихревая (турбо-) экстракция, ультразвуковая экстракция. Среди современных методов извлечения компонентов из растительных материалов экстракция с помощью ультразвука занимает особое место. Использовать ультразвук, чтобы увеличить производительность экстракции, начали с 1950-х г.г. в исследовательских лабораториях, применяя простую ванну для ультразвуковой очистки [1]. В дальнейшем на базе этих исследований на лабораторных установках, представленных на рис. 1-4, были спроектированы промышленные ультразвуковые установки.
Рисунок 1 - Экспериментальная установка для косвенной экстракции в виде ванны для ультразвуковой очистки
Рисунок 2 - Экспериментальная установка для прямой экстракции в виде ванны для ультразвуковой очистки
Рисунок 3 - Экспериментальная установка для прямой экстракции, используя ультразвуковой горн
Рисунок 4 - Возможная схема реактора для ультразвуковой экстракции
Имеется достаточно большое количество исследований, в которых ультразвуковая экстракция проводится на лабораторных установках, в то время как промышленному применению ультразвука посвящено ограниченное количество публикаций. Большая часть работ является эмпирическими, в некоторых обсуждаются механизмы процесса ультразвуковой экстракции и проблемы, возникающие при этом. Имеется несколько литературных обзоров (Raymond Mawson, Mircea Vinatoru и др.), в которых сообщается о возможности применения ультразвуковых экстракционных процессов для повышения обработки в пищевой и смежных отраслях промышленности (включая клетчатку, жиры, белки и биоактивные компоненты из растительных и животных материалов) [2], о достоинствах ультразвуковых экстракционных технологий по сравнению с традиционными (увеличение содержания извлеченных компонентов, сокращение времени экстракции, увеличенный КПД оборудования, легкость установки и/или модификации системы, низкая стоимость обслуживания) [3], приведены примеры применения ультразвуковой экстракции различных компонентов. Хотя ультразвук использовался в течение многих лет в исследованиях и диагностике, главный прогресс был сделан за последние 5 лет, превратив эту лабораторную технологию в промышленную, широко используемую в Европе, США, Китае.
Повышение качества экстракции ультразвуком было объяснено распространению волн давления ультразвука и возникающих кавитационных явлений. Основное влияние ультразвука на сплошную жидкую среду оказывает наложение акустического давления (Pa) в дополнение к гидростатическому давлению, уже действующему на среду. Акустическое давление - это синусоидальная волна, зависящая от времени (t), частоты (f) и максимальной амплитуда давления волны (Pa, max): Pa = Pa, max sin (2nft).
Большая поперечная сила увеличивает массопередачу экстрагенту. Имплозия (взрыв, направленный внутрь) кавитационных пузырей производит макротурбулентность, высокоскоростные столкновения между частицами, которые ускоряют распространение вихря и внутреннюю диффузию. Кроме того, кавитация около поверхности раздела жидкость-твердое тело направляет быстро двигающийся поток жидкости через каверну к поверхности. Кавитация на поверхности изделия вызывается столкновениями микропотоков, которые имеют следствием расслоение поверхности и разрушение частицы. Этот эффект обеспечивает дефекты новых поверхностей, далее увеличивающих массопередачу.
V. S. Moholkar, A. B. Pandit и др. [4-6] и J.-L. Laborde, C. Bouyer, J.-P. Caltagirone, A. Gérard [7-8] исследовали кавитационные явления, возникающие под действием ультразвука. Сравнительное исследование гидродинамической и акустической кавитации было сделано в работе [4] на основе численных решений уравнения Рэлея-Плессета. Было изучено поведение пузыря/каверны при акустических и при гидродинамических кавитационных условиях. Изучалось влияние изменения областей давления на разрушение каверны (синусоидального для акустических и линейного для гидродинамических условий) и также на ее динамическое поведение. Изменения параметров (таких как начальный размер каверны, интенсивность акустического поля и частота колебаний в случае акустической кавитации; и начальный размер каверны, конечное давление выхлопа и время выхлопа в случае гидродинамической кавитации) имели существенное влияние на динамику каверны/пузыря. Моделирование показало, что поведение разрушения пузырь/каверна в случае гидродинамической кавитации сопровождается большим числом пульсаций давления относительно меньшей величины по сравнению с только одной или двумя пульсациями при акустической кавитации. Показано, что гидродинамическая кавитация предлагает больший контроль над рабочими параметрами и результирующей интенсивностью кавитации. Приводятся результаты экспериментов, выполненных в гидродинамической кавитационной установке, которые подтверждают выводы численного моделирования.
В работах [5-6] была сделана попытка моделировать поля акустического давления и пространственное распространение кавитационных явлений в двухчастотном звуковом процессоре. Представлено численное моделирование, позволяющая оптимизировать параметры двухчастотного акустического поля. Показано, что, управляя параметрами (то есть, отношением частот и отношением амплитуд давления двух акустических волн и разностью фаз между этими двумя волнами) двухчастотного акустического поля, возможно управлять состоянием (устойчивое или переходное) и пространственным распределением кавитационных явлений в звуковом процессоре. Показано, что два главных недостатка акустического реактора, то есть направленная восприимчивость кавитационных явлений и эрозия ультразвуковой поверхности, могут быть преодолены применением двухчастотного акустического поля. КПД системы с двухчастотной звуковой волной вдвое больше, чем полученный для одночастотной звуковой волны. Результаты моделирования подтверждаются экспериментальными исследованиями двухчастотного ультразвукового реактора.
Ультразвуковая химия, или химия при воздействии ультразвука, увеличила интерес к себе в последние несколько лет [7-8]. Распространение мощной ультразвуковой волны (от 20 до 800 кГц) через жидкость приводит к акустической кавитации. Образуются пузыри, которые разрушаются, давая начало экстремальным значениям температуры и давления (до 10 000 K и 500 атм.). Благодаря этим условиям начинаются и значительно ускоряются химические реакции. Важно знать, где находятся пузыри, и как образуется интенсивная кавитация в зависимости от геометрических и акустических факторов. Математическое моделирование может помочь предсказывать акустические кавитационные области. В статьях представлены две модели, первая основана на линейных уравнениях акустики, вторая основана на уравнениях гидрогазодинамики. Рассчитанные области давления получены в случае цилиндрического ультразвукового реактора. Сравнение с экспериментальными наблюдениями показывает хорошее согласование и с теорией, и с вычислениями.
Экстракция активных элементов или масел из растительных продуктов с использованием соответствующего растворителя является классической технологической операцией в пищевой технологии. Цель рассмотренных ниже работ -интенсификация процесса экстракции применением ультразвука.
C. Gourdon и др. [9] исследовали экстракцию в системе твердое тело-жидкость при воздействии ультразвука. Были проведены следующие опыты по экстракции: пиретринов из Chrysanthemum cineraria и масла из семян Isatis tinetoria. В первом случае ускорение кинетики и выхода экстракта связано с увеличением внутренней индивидуальной диффузии раствора, которая является ограничивающим фактором массопередачи. Во втором опыте (в случае семян Isatis tinetoria) ультразвук имел слабое влияние, вероятно, из-за структуры семян. Чтобы охарактеризовать различные эффекты, действующие на активацию ультразвуком, было проведено термоэлектрическое исследование, заключающееся в измерении профиля ультразвуковой интенсивности. Результаты исследования представлены на соответствующих графиках. Этим методом возможно исследовать влияние присутствия твердых частиц на распространении ультразвуковой волны.
T. J. Mason, L. Paniwnyk , J. P. Lorimer, M. Toma и др. [10-15] исследовали влияние ультразвука на растительные ткани во время экстракции растворителем. Были проведены исследования по экстракции биологически активных компонентов из более чем 50 видов растений. Экстракция из высушенного материала - это двухэтапный процесс: погружение растительных материалов в растворитель, чтобы облегчить набухание и процессы гидратации; массопередача растворимых компонентов от материала к растворителю диффузией и осмотическими процессами.
Использовались три метода оценки: контроль влияния ультразвука на степень набухания, контроль влияния ультразвука на ценность экстракта, микроскопическое исследование влияния ультразвуковых волн на растительные ткани. Экспериментальные исследования проводились с использованием ультразвуковой ванны, как лучшей лабораторной установки для моделирования процесса экстракции. Экспериментальные данные показали, что низкочастотное ультразвуковое воздействие увеличивает набухание высушенных растений на 20-60% в зависимости от вида растения. Сравнение ценности экстракта между спокойной (стандартной) и ультразвуковой экстракцией показывает, что для многих разновидностей растений даже короткое время ультразвукового воздействия увеличивает ценность экстракта. Таким образом, ультразвук выгоден в обеих стадиях процесса экстракции. Микроскопическое исследование растительных материалов показало, что обработка ультразвуком значительно затрагивает структуру растительных тканей. То есть самый вероятный механизм для ультразвукового повышения экстракции - это интенсификация массопередачи и более легкий доступ растворителя к растительной клетке. Разрушение кавитационных пузырей около стенок клеток производит разрушение клетки параллельно с хорошим проникновением внутрь нее растворителя, благодаря ультразвуковому высокоскоростному потоку. Проведены экспериментальные исследования экстракции при обработке поличастотным ультразвуком. Было найдено, что комбинированная обработка двух или более частотным ультразвуком может привести к существенному увеличению кавитации по сравнению с одночастотным облучением. Результаты этих исследований обеспечивают веское доказательство того, что основное преимущество ультразвуковой обработки при экстракции растворителем - усиленный процесс гидратации, который имеет место одновременно с дроблением растительного материала. Растворители, используемые в этих экспериментах, показали хорошее поведение при экстракции в ультразвуковой среде, практически без значительного разложения. Представлено сравнение с классическими методами экстракции и технологические аспекты экстракции с помощью ультразвука. Приведены различные схемы экстракционных установок.
В работах М. Ashokkumar и др. исследуется модификация компонентов пищи ультразвуком для улучшения функциональных возможностей [16] и влияние ультразвука на экстракцию ароматических компонентов из имбиря [17]. Использование ультразвука для обработки пищи или для экстракции из пищевых продуктов может
иметь следствием ухудшение функциональных показателей (качества) компонентов пищи из-за ультразвукового химического процесса гидроксилирования. Например, если ультразвуковая среда - вода, получаются H • и •OH радикалы: H2O ^ H • + ЮН.
Было найдено, что антиокислительная способность (удаляющая радикалы способность) была уменьшена приблизительно на одну пятую от исходной величины после 4 часов обработки ультразвуком при 358 кГц. Необходимо управлять/минимизировать производство •OH радикалов в течение процесса ультразвуковой обработки, вводя продукт, прекращающий реакцию, например, аскорбиновую кислоту, летучие поверхностно активные растворы и др. Ультразвуковое химическое гидроксилирование перспективно для того, чтобы увеличить антиокислительные свойства, хотя необходима дальнейшая исследовательская работа, чтобы расширить эту технологию для различных экстракционных процессов.
Для моделирования процесса ультразвуковой экстракции из имбиря была применена модель сжатия ядра, чтобы понять влияние ультразвука на коэффициент массопередачи. Неизвестные параметры в модели сжатия ядра - эффективный коэффициент диффузии ^е) и концентрация насыщения имбиря (Csat). Лучшая аппроксимация была получена, изменяя эффективный коэффициент диффузии и растворимость имбиря, используя метод нелинейной регрессии, пока сумма квадратов ошибок не была минимизирована. Когда применялся ультразвук, предсказанный эффективный коэффициент диффузии на первой стадии экстракции удваивался. Было предположено, что ультразвуковая вибрация или увеличила число разрушенных клеток и/или обеспечила более быстрый доступ для растворителя, чтобы удалить растворённое вещество из этих клеток. Эффективный коэффициент диффузии на второй стадии экстракции также увеличивается, когда применяется ультразвук, но повышение менее существенно. Происходит это из-за продолжающегося разрушения клеток в течение более длительного интервала времени или из-за повышения внутреннего коэффициента диффузии из-за увеличения турбулентности в пределах объема пор. Адекватность модели подтверждена экспериментальными исследованиями.
Ультразвуковая экстракция компонентов из винограда и продуктов виноделия рассматривается в работах [18-21].
Соплодие винограда содержит большое количество ресвератрола, который может использоваться как антиокислитель и антираковый компонент. Так как ресвератрол хорошо растворим в растворе этанол:вода 80:20%, этот растворитель часто используется, чтобы извлечь ресвератрол. Метод ультразвуковой экстракции [18] показал большую эффективность, чем обычная экстракция растворителем при температуре 60 °С. В новом методе восстановление ресвератрола увеличилось на 2430%, по сравнению с обычной экстракцией, он более безопасен, потому что его рабочая температура ниже. Ультразвуковая экстракция ресвератрола была смоделирована реакцией кинетики первого порядка с коэффициентом константы скорости реакции для экстракции и разложения ресвератрола. Результаты моделирования были статистически проанализированы. Константа скорости реакции для экстракции ресвератрола из соплодия винограда была в 10 раз больше, чем для его разложения в течение экстракции. В этом исследовании восстановление растворимого ресвератрола было 80% от общего количества ресвератрола, в то время как его разложение было 13%. Ультразвуковая экстракция ресвератрола в этом исследовании признана очень эффективной.
Работа [19] посвящена исследованию извлечения ароматических компонентов из виноградного сусла и вина при использовании ультразвука. Разработаны рабочие параметры процесса (типовой объем, температура и режимы экстракции), которые дали очень хорошие результаты (скорость, простота), по сравнению с традиционными способами, что позволяет методу быть примененным на винодельческих предприятиях. Результаты представлены в соответствующих таблицах и графиках.
В работе [20] показана оптимизация метода экстракции винной и яблочной кислот из винограда с помощью ультразвука. Экспериментальное проектирование учитывало определение влияния семи параметров экстракции (температура экстракции, вид растворителя, объем растворителя, время экстракции, размер ультразвукового зонда,
мощность ультразвука и время цикла). Были исследованы соотношения между всеми параметрами. Применяя графический анализ, были получены оптимальные условия экстракции. При оптимальных условиях максимальное восстановление получено для обеих кислот после 30 мин экстракции, предложенный метод имеет высокую воспроизводимость.
В статье [21] сравниваются два метода экстракции с ультразвуком в системе жидкость-жидкость и в системе жидкость-твердое тело, чтобы оценить их эффективность при извлечении 44 летучих компонентов из синтетического и пяти видов натуральных вин. Было сделано заключение, что экстракция в системе жидкость-жидкость приводит к более высокому восстановлению, чем твердофазная экстракция, для большего числа одорантов (ароматических веществ), что влияет на аромат вина. Однако экстракция в системе жидкость-твердое тело также имеет некоторые преимущества, такие как более высокая воспроизводимость, более низкое время экстракции и более низкое потребление растворителя, что говорит о возможности применения как одного, так и другого метода.
Авторы работ [22-23] занимались исследованием ультразвуковой экстракции гемицеллюлозы из растительного сырья. В работе [22] рассматривались одно- и двухступенчатые технологические процессы экстракции с и без краткого применения ультразвука в начале экстракции, чтобы исследовать влияние обработки ультразвуком на экстракционную способность компонентов гемицеллюлозы из оболочек гречки. Полисахариды, выделенные из экстрактов, характеризовались выходом, а также составом, определенным химическими и спектроскопическими методами. Полученные результаты указали на три важных преимущества экстракции с помощью ультразвука: краткая ультразвуковая обработка в разбавленной щелочи (3-5% NaOн) была очень эффективна при разрушении особо плотной и твердой структуры стенок клеток оболочек гречки; увеличенный выход выделенной в чистом виде гемицеллюлозы не был связан с существенными изменениями в ее структуре, молекулярных свойствах и иммунологической активности; при определенных условиях обработка ультразвуком облегчила отделение компонента ксилана от соизвлеченного крахмала и белка.
Исследование [23] было предпринято, чтобы изучить экстракционную способность гемицеллюлозы из багассы, полученной методами экстракции с помощью ультразвука. Результаты показали, что ультразвуковая обработка и последовательная экстракция со щелочью и пероксидом щелочи при данных условиях приводили к выделению более чем 90% исходной гемицеллюлозы и лигнина. Этот факт, а также состав сахара и структурные особенности выделенных семи фракций гемицеллюлозы указали, что обработка ультразвуком разрушает целостность стенок клеток, расщепляет эфирные связи между лигнином и гемицеллюлозой и увеличивает доступность и экстракционную способность гемицеллюлозы. Применение предобработки ультразвуком в течение последовательного отделения гемицеллюлозы от багассы имело не только положительное влияние на выход экстракта, но также и на чистоту полученной гемицеллюлозы.
Исследования ультразвуковой экстракции из растений и их частей представлены в работах [24-35]. В работе [24] рассматривается технологический процесс экстракции с помощью ультразвука флавоноидов из Herba Epimedii. Было исследовано влияние концентрации этанола, соотношения жидкость-твердое тело, времени ультразвуковой экстракции, температуры и числа циклов экстракции на выход экстракта. Были найдены оптимальные условия процесса экстракции. По сравнению с обычной экстракцией при кипении и экстракцией Сокслета, экстракция с помощью ультразвука -легкий, эффективный и недорогой метод с низкой токсичностью и высокой воспроизводимостью. Влияние ультразвука на разрушение клеток было исследовано с помощью растровой электронной микроскопии. Используя метод жидкостной хроматографии высокого разрешения, было определено содержание флавоноидов в листьях 20 разновидностей Epimedium после обработки ультразвуком.
Результаты изучения использования экстракции с помощью ультразвука для повышения эффективности экстракции классическими методами, типа мацерации и Сокслет экстракции, при извлечении активных антиокислительных компонентов, антрахинонов из корня Morinda citrifolia представлены в исследовании [25]. Было
определено влияние различных условий экстракции, то есть температуры, мощности ультразвука, типа растворителей и состава этанола в смесях вода-этанол, на характер протекания процесса. Результаты показали, что выход экстракта увеличивается с увеличением времени и температуры экстракции. Процентное содержание извлеченного антрахинона, используя ультразвук, значительно зависело от типа растворителей (ацетон > ацетонитрил > метанол > этанол). Кроме того, использование раствора вода-этанол, как экстрагента, увеличило выход антрахинона из-за относительной полярности, усилило эффект набухания матрицы растительной ткани -из-за воды и увеличило звукопоглощение. Чтобы достигать того же самого извлечения, какое достигнуто экстракцией с помощью ультразвука, Сокслет экстракция и мацерация требовали намного более длительного времени. Главный механизм для ускоренного извлечения антрахинонов ультразвуковой экстракцией - это акустической кавитация, явление, происходящее в жидкой среде под влиянием ультразвука, который вызывает разрушение ткани корня, таким образом, увеличивая массопередачу растворённого вещества в растворитель.
В статье [26] представлено исследование влияния ультразвука на процесс обессахаривания, при котором Geniposide выделяется из плода гардении деионизированной водой при температуре 20 °C. Были измерены фазовое равновесие и движущие силы в статике, при перемешивании и в условиях с помощью ультразвука, соответственно. Экспериментальные результаты показывают, что выход экстракта Geniposide с ультразвуком увеличен на 16,5% по сравнению с условиями без ультразвука. Предложена модель массопередачи, основанной на диффузии внутри частицы и внешней массопередачи. Динамические кривые, рассчитанные с помощью модели, находятся в хорошем согласовании с экспериментальными данными. В соответствии с экспериментальными данными были получены коэффициент внешней массопередачи и коэффициент диффузии внутри частицы. Получено, что коэффициент внешней массопередачи с ультразвуком в 1,63 раза выше, чем в статическом процессе, коэффициент диффузии внутри частицы с ультразвуком в 3,25 раза выше, чем в статическом процессе.
Работа [27] посвящена исследованию экстракции с помощью ультразвука xyloglucan из кожуры яблок. Xyloglucan является биологически активным олигосахаридом и может применяться как антиопухолевый компонент. Образцы кожуры яблок были экстрагированы при непрямой обработке ультразвуком в ультразвуковой ванне. Ультразвуковая экстракция была сравнена с обычным методом экстракции при производстве xyloglucan. Было найдено, что экстракция с помощью ультразвука xyloglucan была приблизительно в три раза быстрее, чем традиционный метод экстракции. Чтобы изучить влияние соотношения жидкость:твердое тело, концентрации KOH и времени экстракции с помощью ультразвука на выход xyloglucan из кожуры яблок использовался метод поверхности отклика. С использованием полученных данных был выполнен регрессионный анализ и найдены оптимальные параметры процесса экстракции.
Цель работы [28] состоит в том, чтобы сравнить обычные методы экстракции и экстракции с помощью ультразвука финикового сиропа. Было изучено влияние следующих переменных: соотношение финиковый плод/вода, мощность ультразвука и температура. Результаты показали, что обработка ультразвуком при оптимальных условиях может привести к более высокой степени экстракции за более короткое время при более низкой температуре с лучшим качеством готового продукта (цветность, вязкость и т.д.). Очень важно, что обработка ультразвуком значительно уменьшила количество вредных микроорганизмов по сравнению с классическим методом.
В работе [29] рассматриваются параметры, которые влияют на экстракцию при обработке ультразвуком листьев Ilex paraguariensis. Цель этой работы - оптимизация ультразвуковой экстракции листьев I. paraguariensis и определение химических характеристик полученных экстрактов. Показано, что главный параметр, влияющий на процесс экстракции, - это полярность растворителя. В меньшей степени температура и время экстракции также являются важными параметрами, в то время как другие параметры не оказывали существенное влияние на выход экстракта. Экстракты, полученные при оптимальных условиях, были сравнены с полученными мацерацией по
выходу и химическому составу. Главными компонентами, идентифицированными в экстрактах, были кофеин и пальмитиновая кислота, а также некоторые насыщенные углеводороды типа жирных кислот, сложных эфиров метиловых жирных кислот, фитостеролов и теоброминов. Сделан вывод, что использование ультразвука п намного более простой, более быстрый и более эффективный метод, чем обычное настаивание, при извлечении органических веществ из растительного сырья.
В работе [30] сравнивается эффективность извлечения четырех производных изофлавоноидов из высушенных сублимационным способом измельченных бобов сои для экстракции с перемешиванием и экстракции с помощью ультразвука, при использовании различных растворителей и разной температуре экстракции. Эффективность экстракции изофлавоноидов сои была повышена применением ультразвука, но зависела от использованного растворителя. Также была выполнена оптимизация соотношений размера образца к объему растворителя и продолжительности времени экстракции и найдены оптимальные параметры процесса.
В работе [31] показано, что экстракция с помощью ультразвука более простая и более эффективная альтернатива обычным методам экстракции для извлечения сапонинов из различных видов женьшеня. Образцы женьшеня были экстрагированы различными растворителями или под прямой обработкой ультразвуком, используя ультразвуковой рожок, или косвенной обработкой ультразвуком в ультразвуковой ванне. Ультразвуковая экстракция была сравнена с обычным методом орошающего кипящего растворителя в экстракторе Сокслета, выход общего количества извлеченного сапонина определен тонкослойной хроматографией, а отдельных сапонинов - высоко мощной жидкостной хроматографией. Найдено, что экстракция сапонинов женьшеня с помощью ультразвука была приблизительно в три раза быстрее, чем традиционный метод экстракции. Ультразвуковая экстракция была не только более эффективна, но также и удобна для извлечения и очистки активных компонентов растительных материалов. Кроме того, экстракция с помощью ультразвука может быть проведена при более низких температурах, которые являются благоприятными для теплонестабильных составов.
Исследованием влияния экстракции с помощью ультразвука на химические и органолептические свойства настойки чая занимались авторы работы [32]. Экстракция с помощью ультразвука оказалась более эффективной при экстракции главных химических компонентов из чая при более низких температурах. Содержание полифенолов чая, аминокислот и кофеина в настойке чая, полученном при воздействии ультразвука, было больше, чем в полученном обычной экстракцией. Кроме того, экстракция с помощью ультразвука задерживала извлечение белка и пектина, которые ухудшают вкусовые качества чая. Органолептическая оценка показала, что органолептические свойства настойки чая с экстракцией с помощью ультразвука были лучше, чем настойки чая с обычной экстракцией.
В исследованиях [33-34] изучалось использование мощного ультразвука для экстракции танинов (дубильных веществ). В настоящее время большое внимание уделяется экологичным методам обработки материалов, что делает растительное дубление перспективным методом при обработке кож, поэтому имеется потребность в более эффективных методах экстракции при изготовлении танинов. Ультразвук использовали при экстракции танинов из орехов [33], чтобы повысить эффективность экстракции, выполнять экстракцию при более умеренных условиях процесса и уменьшить время процесса. Было изучено влияние параметров процесса, таких как ультразвуковая выходная мощность, время и температура. Результаты показывают, что возможно увеличение выхода танинов в 3-5 раз при излучаемой мощности ультразвука от 20 до 100 W. Было найдено, что эффективность экстракции с ультразвуком 100 W без внешнего нагревания - 90% по сравнению с 77% для процесса при температуре 70Х в течение 4 ч и только 21% для процесса при комнатной температуре. Поэтому ультразвук может применяться и без дополнительных затрат на нагрев. Эффективность ультраакустически извлеченного раствора танина была также проверена в процессе дубления на его пригодность. Степень эффективности дубления была оценена измерением температуры усадки. Результаты показывают, что ультраакустически извлеченный раствор танина является подходящим для процесса дубления.
В работе [34] была разработана и смоделирована комбинированная система фильтрации-экстракции, использующая ультразвук. Чтобы показать эффективность ультразвука при экстракции авторами были выполнены соответствующие исследования. В этих экспериментах ультразвук высокой интенсивности использовался в извлечении танинов Salix phylicifolia различными растворителями.
В статье [35] предложен метод ультразвуковой экстракции ценных компонентов из растений и цветов (таких как лавр, розмарин, тимьян, ореган, тубероза). Динамический подход позволяет изучить циркуляцию экстрагента (этанола) через твердый образец, подвергнутый действию ультразвука, в прямом и в обратном направлениях, таким образом, уменьшая количество образцов и избегая избыточного давления. Проведенная многопараметрическая оптимизация и применение оптимальных величин переменных к исследованиям кинетики показывают, что 10 минут достаточно, чтобы получить КПД ультразвуковой экстракции, который превосходит КПД, полученные паровой дистилляцией для эфирных масел или экстракцией перегретой жидкостью для тех же масел и других ценных компонентов с более низкими затратами и более высоким качеством экстракции. Время экстракции предложенного метода в 18 раз меньше, чем паровой дистилляции, и в 2,5 раза меньше, чем экстракцией перегретой жидкостью. Метод ультразвуковой экстракции эффективнее, чем паровая дистилляция и экстракция перегретой жидкостью, в результате чего получают более ценные экстракты, благодаря более эффективному извлечению летучей фракции, которая дает аромат, подобный естественному аромату растений. Кроме того, использование этанола как экстрагента облегчает промышленное применение при использовании его человеком, из-за его низкой токсичности. Предложенный ультразвуковой метод - хорошая альтернатива обычным методам экстракции, поскольку не имеет их недостатков, таких как долгое время экстракции, высокая энергия и затраты на приобретение оборудования, присутствие остатков ядовитых органических экстрагентов в извлечениях. Он может использоваться для экстракции ценных компонентов из большого количества ароматических растений, которые широко применяются в пищевой, фармацевтической и косметической отраслях промышленности.
Ультразвуковой экстракцией масла занимались авторы работ [36-38]. В статье [36] исследовалось применение ультразвука высокой мощности при экстракции масла из сои, используя в качестве растворителя гексан, изопропиловый спирт и смесь гексан:изопропиловый спирт 3:2. Тип растворителя влияет на эффективность экстракции, то есть самый высокий выход был получен, используя ультразвук в комбинации со смешанным растворителем. Газовый хроматографический анализ обработанного ультразвуком масла сои не показал существенные изменения в составе жирных кислот. Результаты были приписаны механическим эффектам из-за ультраакустической кавитации, увеличивающей проницаемость растительных тканей. Сравнение изображений растровой электронной микроскопии исходного сырья и обработанных ультразвуком бобов сои указало на рост микроразрывов и разрушение стенок клеток в измельченных бобах сои. Был сделан вывод, что ультразвук высокой интенсивности может уменьшить время, требуемое, чтобы экстрагировать пищевые масла из растительных источников и, следовательно, повысить производительность процесса.
Aparna Sharma и M.N. Gupta [37-38] исследовали использование ультразвука при предварительной обработке перед водной экстракцией масла и водной ферментативной экстракцией масла из миндаля, абрикоса и Jatropha curcas L. Были проведены экспериментальные исследования экстракции при различных режимах, результаты которых представлены на соответствующих графиках. Влияние ультразвуковой предобработки на структуру пищевого сырья визуально отмечается на электронных микрофотографиях в виде развития микротрещин и разрушения стенок клеток сырья. Таким образом, ультразвуковой этап предоблучения может уменьшить время, требуемое для экстракции масла из растительных материалов и, следовательно, может увеличить производительность промышленного процесса производства масла.
Интерес к мощному ультразвуку в промышленности имеется из-за его значительного влияния на процессы обработки пищи, приводящий к более высокому
выходу экстракта, более короткой продолжительности обработки, уменьшению эксплуатационных затрат и затрат на техническое обслуживание, улучшению вкуса, структуры, аромата, цвета и сокращению болезнетворных микроорганизмов при более низких температурах. Как одна из более передовых пищевых технологий, ультразвук может быть применен не только, чтобы улучшить качество и безопасность обработанных пищевых продуктов, но имеет потенциал для того, чтобы создать новые изделия с уникальными функциональными возможностями. Однако в основном сейчас решаются только прикладные задачи. До сих пор не разработаны математические модели, учитывающие весь спектр факторов, и позволяющие наиболее полно описать процесс ультразвуковой экстракции. Таким образом, данное направление является весьма перспективным.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Vinatoru, M. An overview of the ultrasonically assisted extraction of bioactive principles from herbs. Ult. Sonochemistry, V. 8, № 3, 2001, р. 303-313.
2. Vilkhu, K., Mawson, R., Simons, L., Bates, D. Applications and opportunities for ultrasound assisted extraction in the food industry — A review. Innovative Food Science and Emerging Technologies, V. 9, № 2, 2008, р. 161-169.
3. Patist, A., Bates, D. Ultrasonic innovations in the food industry: From the laboratory to commercial production. Innovative Food Science and Emerging Technologies, V. 9, № 2, 2008, р. 147-154.
4. Moholkar, V.S., Kumar, P.S., Pandit, A.B. Hydrodynamic cavitation for sonochemical effects. Ult. Sonochemistry, V. 6, № 1-2, 1999, р. 53-65.
5. Moholkar, V.S., Rekveld, S., Warmoeskerken, M.M.C.G. Modelling of the acoustic pressure fields and the distribution of the cavitation phenomena in a dual frequency sonic processor. Ult., V. 38, № 1-8, 2000, р. 666-670.
6. Tatake, P.A., Pandit, A.B. Modelling and experimental investigation into cavity dynamics and cavitational yield: influence of dual frequency ultrasound sources. Chemical Engineering Science, V. 57, № 22-23, 2002, р. 4987-4995.
7. Laborde, J.-L., Bouyer, C., Caltagirone, J.-P., Gérard, A. Acoustic cavitation field prediction at low and high frequency ultrasounds. Ult., V. 36, № 1-5, 1998, р. 581-587.
8. Laborde, J.-L., Bouyer, C., Caltagirone, J.-P., Gérard, A. Acoustic bubble cavitation at low frequencies. Ult., V. 36, № 1-5, 1998, р. 589-594.
9. Romdhane, M., Gourdon, C. Investigation in solid-liquid extraction: influence of ultrasound. Chemical Engineering Journal, V. 87, № 1, 2002, р. 11-19.
10. Albu, S., Joyce, E., Paniwnyk, L., Lorimer, J.P., Mason, T.J. Potential for the use of ultrasound in the extraction of antioxidants from Rosmarinus officinalis for the food and pharmaceutical industry. Ult. Sonochemistry, V. 11, № 3-4, 2004, р. 261-265.
11. Feng, R., Zhao, Y., Zhu, C., Mason, T.J. Enhancement of ultrasonic cavitation yield by multi-frequency sonication. Ult. Sonochemistry, V. 9, № 5, 2002, р. 231-236.
12. Mason, T.J., Paniwnyk, L., Lorimer, J.P. The uses of ultrasound in food technology. Ult. Sonochemistry, V. 3, № 3, 1996, р. S253-S260.
13. Toma, M., Vinatoru, M., Paniwnyk, L., Mason, T.J. Investigation of the effects of ultrasound on vegetal tissues during solvent extraction. Ult. Sonochemistry, V. 8, № 2, 2001, р. 137142.
14. Salisova, M., Toma, S., Mason, T.J. Comparison of conventional and ultrasonically assisted extractions of pharmaceutically active compounds from Salvia officinalis. Ult. Sonochemistry, V. 4, № 2, 1997, р. 131-134.
15. Vinatoru, M., Toma, M., Radu, O., Filip, P.I., Lazurca, D., Mason, T.J. The use of ultrasound for the extraction of bioactive principles from plant materials. Ult. Sonochemistry, V. 4, № 2, 1997, р. 135-139.
16. Ashokkumar, M., Sunartio, D., Kentish, S., Mawson, R., Simons, L., Vilkhu, K., Versteeg, C. Modification of food ingredients by ultrasound to improve functionality: A preliminary study on a model system. Innovative Food Science and Emerging Technologies, V. 9, № 2, 2008, р. 155-160.
17. Balachandran, S., Kentish, S.E., Mawson, R., Ashokkumar, M. Ultrasonic enhancement of
the supercritical extraction from ginger. Ult. Sonochemistry, №6, 2006, p. 471-479.
18. Yong-Jin Cho, Ji-Young Hong, Hyang Sook Chun, Sang Kook Lee, Hye-Young Min. Ultrasonication-assisted extraction of resveratrol from grapes. Journal of Food Engineering, V. 77, № 3, 2006, p. 725-730.
19. Cocito, C., Gaetano, G., Delfini, C. Rapid extraction of aroma compounds in must and wine by means of ultrasound. Food Chemistry, V. 52, № 3, 1995, p. 311-320.
20. Palma, M., Barroso, C.G. Ultrasound-assisted extraction and determination of tartaric and malic acids from grapes and winemaking by-products. Analytica Chimica Acta, V. 458, № 1, 2002, p. 119-130.
21. Hernanz, D., Gallo, V., Recamales, Á.F., Meléndez-Martínez, A.J., Heredia, F.J. Comparison of the effectiveness of solid-phase and ultrasound-mediated liquid-liquid extractions to determine the volatile compounds of wine. Talanta, V. 76, 2008, p. 929-935.
22. Hromádková, Z., Ebringerová, A. Ultrasonic extraction of plant materials - investigation of hemicellulose release from buckwheat hulls. Ult. Sonochemistry, № 3, 2003, p. 127-133.
23. Jing-Xia Sun, RunCang Sun, Xiao-Feng Sun, YinQuan Su. Fractional and physicochemical characterization of hemicelluloses from ultrasonic irradiated sugarcane bagasse. Carbohydrate Research, V. 339, № 2, 2004, p. 291-300.
24. Hua-Feng Zhang, Tian-Shun Yang, Zuo-Zhou Li, Ying Wang. Simultaneous extraction of epimedin A, B, C and icariin from Herba Epimedii by ultrasonic technique. Ult. Sonochemistry, V. 15, № 4, 2008, p. 376-385.
25. Hemwimol, S., Pavasant, P., Shotipruk, A. Ultrasound-assisted extraction of anthraquinones from roots of Morinda citrifolia. Ult. Sonochemistry, V. 13, № 6, 2006, p. 543-548.
26. Jian-bing Ji, Xiang-hong Lu, Mei-qiang Cai, Zhi-chao Xu. Improvement of leaching process of Geniposide with ultrasound. Ult. Sonochemistry, V. 13, № 5, 2006, p. 455-462.
27. Caili Fu, Haijun Tian, Quanhong Li, Tongyi Cai, Wenjuan Du. Ultrasound-assisted extraction of xyloglucan from apple pomace. Ult. Sonochemistry, №6, 2006, p. 511-516.
28. Entezari, M.H., Nazary, S.H., Khodaparast, M.H.H. The direct effect of ultrasound on the extraction of date syrup and its micro-organisms. Ult. Sonochemistry, V. 11, № 6, 2004, p. 379-384.
29. Rosângela Assis Jacques, Lisiane dos Santos Freitas, Valéria Flores Pérez, Cláudio Dariva, Ana Paula de Oliveira, José Vladimir de Oliveira, Elina Bastos Caramâo. The use of ultrasound in the extraction of Ilex paraguariensis leaves: A comparison with maceration. Ult. Sonochemistry, V. 14, № 1, 2007, p. 6-12.
30. Rostagno, M.A., Palma, M., Barroso, C.G. Ultrasound-assisted extraction of soy isoflavones. Journal of Chromatography A, V. 1012, № 2, 2003, p. 119-128.
31. Jianyong Wu, Lidong Lin and Foo-tim Chau. Ultrasound-assisted extraction of ginseng saponins from ginseng roots and cultured ginseng cells. Ult. Sonochemistry, V. 8, № 4, 2001, p. 347-352.
32. Tao Xia, Siquan Shi, Xiaochun Wan. Impact of ultrasonic-assisted extraction on the chemical and sensory quality of tea infusion. Journal of Food Engineering, V. 74, № 4, 2006, p. 557-560.
33. Sivakumar, V., Verma, V.R., Rao, P.G., Swaminathan, G. Studies on the use of power ultrasound in solid-liquid myrobalan extraction process. Journal of Cleaner Production, №18, 2007, p. 1813-1818.
34. Mantysalo, M., Mantysalo, E. Extraction and filtering in ultrasonic field: finite element modelling and simulation of the processes. Ult., V. 38, № 1-8, 2000, p. 723-726.
35. Roldán-Gutiérrez, J.M., Ruiz-Jiménez, J., Luque de Castro, M.D. Ultrasound-assisted dynamic extraction of valuable compounds from aromatic plants and flowers as compared with steam distillation and superheated liquid extraction. Talanta, №5, 2008, p. 1369-1375.
36. Li, H., Pordesimo, L., Weiss, J. High intensity ultrasound-assisted extraction of oil from soybeans. Food Research International, V. 37, № 7, 2004, p. 731-738.
37. Shah, S., Sharma, A., Gupta, M.N. Extraction of oil from Jatropha curcas L. seed kernels by combination of ultrasonication and aqueous enzymatic oil extraction. Bioresource Technology, V. 96, № 1, 2005, p. 121-123.
38. Sharma, A., Gupta, M.N. Ultrasonic pre-irradiation effect upon aqueous enzymatic oil extraction from almond and apricot seeds. Ult. Sonochemistry, № 6, 2006, p. 529-534.
