Estudio sobre tecnología ultrasónica en la extracción de ingredientes activos de la planta

Impulsado por el objetivo industrial de lograr la extracción verde, han surgido nuevas tecnologías de extracción como extracción de microondas, extracción de fluidos supercríticos y extracción ultrasónica. Estas nuevas tecnologías han promovido enormemente el desarrollo comercial de los cultivos comerciales. En los últimos años, la tecnología de extracción ultrasónica se ha desarrollado rápidamente en el campo de la industria alimentaria. Esta tecnología no solo puede mejorar la calidad de los productos, sino también reducir los costos de producción y mejorar la eficiencia y la seguridad de la producción. Las ondas ultrasónicas pueden evitar que las sustancias sensibles al calor se destruyan en ambientes de alta temperatura en el proceso de aumentar las tasas de transferencia de masa. Estimula continuamente las glándulas intracelulares a través de efectos de cavitación, efectos mecánicos, etc., promoviendo así la rápida liberación de ingredientes activos. Esta tecnología puede reducir el uso de solventes orgánicos, mejorar la pureza de los compuestos bioactivos y ahorrar tiempo de procesamiento y costos operativos. Por lo tanto, la tecnología de extracción asistida por ultrasonic satisface las necesidades humanas en la producción verde, el desarrollo sostenible y la protección del medio ambiente. La aplicación de ultrasonido en la extracción de ingredientes activos de la planta ha atraído una atención creciente debido a sus ventajas únicas. Los investigadores también intentan constantemente combinar la tecnología ultrasónica con varios otros equipos de extracción para lograr un mejor rendimiento de extracción. Además del método de extracción ultrasónico-solvente más común, también hay extracción ultrasónica-soxhlet, extracción ultrasónica homogénea, extracción de destilación de aguas ultrasónicas, extracción ultrasónica-microwave y extracción ultrasónica-dioxida de carbono-supercritical-supercritical.

1 principio de extracción ultrasónica

El ultrasonido se define como una onda de sonido con una frecuencia superior a 20 kHz, lo que excede el límite de la detección de la audición humana. La ecografía es una onda mecánica con una alta densidad de energía. Su fuente de salida de energía de sonido suele ser un objeto vibratorio, que puede hacer que el medio circundante vibre y luego transfiera energía a otras partículas adyacentes. Cuando la ecografía pasa a través del medio, causa el desplazamiento longitudinal de las partículas. Estos densos efectos moleculares causan daño a la pared celular y aceleran la tasa de transferencia de masa de sustancias efectivas en el medio, lo que alcanza el propósito de mejorar la tasa de extracción. La extracción ultrasónica no se basa en un solo mecanismo de acción, sino que funciona continuamente o simultáneamente a través de múltiples mecanismos físicos, como fragmentación mecánica, efecto térmico y efecto de cavitación. En el homogeneizado de la mezcla sólida-líquido, las microbays y la micro-turbulencia generada por la cavitación acústica en el medio líquido causarán fuertes alteraciones mecánicas, intensificando así la colisión entre partículas, lo que puede conducir fácilmente a la descomposición y la ruptura local de algunos materiales frágiles. Por otro lado, debido a la reducción del tamaño de partícula, la velocidad de transferencia de masa de las partículas sólidas y el área de contacto entre las fases sólidas y líquidas aumentan, que conducen a acelerar la disolución de los contenidos en la matriz de muestra.

El efecto de cavitación es un fenómeno físico único y complejo causado por la propagación y vibración de la ecografía en el líquido. Generalmente se refiere al proceso de formación, expansión y ruptura de burbujas de cavitación en líquido. En pocas palabras, cuando se aplica ultrasonido de alta intensidad, la atracción entre las moléculas medianas puede exceder el valor crítico, generando así un alto esfuerzo cortante en el líquido y posteriormente formando burbujas de cavitación. 1 burbuja de cavitación se forma cerca de la superficie de la matriz. Después de someterse a ciclos continuos de compresión de rara de compresión, la burbuja de cavitación se romperá durante el ciclo de compresión y generará energía térmica a corto plazo, formando así fluido de microjet de alta velocidad en la superficie de la matriz y generando fuertes ondas de choque. Este proceso puede hacer que la temperatura local circundante sea tan alta como aproximadamente 5,000 K, y la presión instantánea puede alcanzar los 50 ~ 1000 atm. El entorno de alta presión y alta temperatura formado destruirá la pared celular de la matriz vegetal, liberando así sustancias intracelulares en la solución. A partir de las imágenes de microscopio electrónico de escaneo de hojas de albahaca tomadas por Chemat y otras antes y después de la extracción de aceite, se puede observar más vívidamente: antes de la extracción, las glándulas en las hojas son lisas y llenas; Después de la extracción, comienzan a encogerse, pero la estructura de la glándula permanece intacta; Y después de la extracción asistida por ultrasonic, las glándulas están completamente rotas y se liberan todos sus contenidos.

2 Aplicación de tecnología combinada ultrasónica en la extracción de sustancias activas de la planta

Método de extracción de solvente combinado ultrasónico

El método de extracción de solventes ultrasónicos generalmente utiliza solventes orgánicos como medios de transmisión de energía, es decir, los solventes de diferente polaridad se seleccionan de acuerdo con las propiedades del compuesto objetivo que se extraen, el disolvente se mezcla completamente con la matriz de muestra y luego se aplica la intervención ultrasónica. Este método no requiere la participación de otros equipos. La mezcla sólida-líquido se coloca directamente en un dispositivo ultrasónico para la extracción. La onda ultrasónica transfiere energía de manera uniforme a la matriz de muestra a través del medio líquido, logrando así el propósito de mejorar la tasa de extracción. Este es el método más tradicional, simple y económico en la extracción ultrasónica.

Hay dos tipos de equipos de extracción ultrasónica, a saber, el baño de agua ultrasónico y los equipos ultrasónicos de la sonda. Ambos sistemas se basan en transductores como fuentes ultrasónicas. Los baños de agua ultrasónicos generalmente funcionan a una frecuencia de aproximadamente 40 kHz y están equipados con dispositivos de control de temperatura. El equipo es relativamente barato y puede procesar una gran cantidad de muestras al mismo tiempo. Sin embargo, el agua contenida en el baño ultrasónico y la cristalería utilizada debilitará en gran medida la energía ultrasónica transmitida. Los sistemas ultrasónicos de tipo sonda suelen ser la primera opción para aplicaciones de extracción. Dado que la energía ultrasónica se transmite a través de una superficie pequeña (la punta de la sonda sumergida debajo de la superficie líquida), la energía ultrasónica generada se transmite directamente en el medio de extracción, por lo que la pérdida de energía ultrasónica es pequeña. La intensidad de las ondas ultrasónicas transmitidas por el sistema de la sonda al medio líquido hará que la temperatura de la mezcla sólida-líquido aumente rápidamente, por lo que es necesario usar cristalería condensada con carcasa de doble capa para la extracción.

Muchos académicos nacionales han utilizado este método simple y económico para extraer varias sustancias activas de muestras de plantas y lograron buenos resultados. Liu Yanyan utilizó la extracción asistida por ultrasonido de los polisacáridos Huoshan Dendrobium. Bajo los parámetros de extracción óptimos, el rendimiento de polisacárido puede alcanzar 19. 96 mg/g; NIU Sikun usó la extracción asistida por ultrasonido de las cumarinas de orejas doradas, y la tasa de extracción de las cumarinas totales en el micelio del oído dorado alcanzó un máximo de 0. 85%. En comparación con la extracción de solventes, la extracción de solventes ultrasónicos puede mejorar significativamente la eficiencia de extracción del producto objetivo, reducir el consumo de solventes orgánicos y no es fácil destruir la actividad del extracto. Sin embargo, este método aún consume una cierta cantidad de solventes orgánicos, lo que causará un cierto grado de contaminación ambiental, y los residuos orgánicos en el extracto obtenido afectarán en gran medida la calidad del producto. Por lo tanto, en los últimos años, algunos académicos han comenzado a tratar de usar solventes eutécticos bajos para reemplazar los solventes de extracción convencionales, combinados con métodos asistidos por ultrasónicos para extraer varios ingredientes activos de las plantas, y han logrado buenos resultados. Los solventes eutécticos bajos son un nuevo tipo de líquido iónico ecológico, una mezcla eutéctica formada por la combinación de aceptores de enlaces de hidrógeno y donantes de enlaces de hidrógeno, con un punto de fusión más bajo que un solo componente. Los solventes eutécticos bajos no son tóxicos, económicos, fáciles de preparar y tienen una buena biodegradabilidad. Son solventes ideales para extraer ingredientes activos de plantas. Wang et al. Usó un disolvente eutéctico bajo asistido por ultrasonido para extraer glucósidos de equinácea y oleuropeína de pequeños clavos de hojas. Cuando el cloruro de colina/glicerol (1: 2, la relación molar) se usó como solvente eutéctico bajo, la relación sólida-líquido fue de 20 g/ml, la temperatura fue de 68 ℃, el contenido de agua fue del 20%, y la onda ultrasónica fue de 200 W durante 45 minutos, las tasas de extracción de los cálculos glicósidos de la población y el 804%fueron 86. significativamente mejor que los resultados de extracción de los reactivos orgánicos tradicionales. Ni Yujiao et al. Utilizado solvente eutéctico bajo asistido por ultrasonido para obtener sustancias fenólicas de la harina de semillas de espino buclea. Los resultados mostraron que bajo el mismo tiempo de extracción, el rendimiento del polifenol de este método fue 1.6 veces mayor que el rendimiento del polifenol de la extracción de reflujo caliente.