Ултразвукова екстракция на полифеноли от странични продукти от производството на зехтин: история на успеха

Маслиновото кюспе вече не е просто агропромишлен страничен продукт – то е ценен източник на високоефективни естествени антиоксиданти. В това изследване Natural Phenolics оптимизира водната екстракция на полифеноли, богати на хидрокситирозол, с помощта на ултразвуковия апарат UP400St на Hielscher. Резултатите показват стабилен, възпроизводим и мащабируем процес, при който при оптимизирани условия на ултразвукова обработка се постига прогнозна концентрация на хидрокситирозол от 1609,5 mg/L. Тази работа показва как прецизната ултразвукова технология може да превърне отпадъците от производството на зехтин в първокласни суровини на биологична основа за хранителната промишленост, селското стопанство и устойчивата индустрия.

Маслиновото кюспе – не страничен продукт, а ресурс, богат на антиоксиданти

Маслиновото кюспе (alperujo) е основният страничен продукт от извличането на зехтин; годишното му производство в световен мащаб достига между 13 и 18 милиона тона. Полифенолите са вторични метаболити, които присъстват във високи концентрации в този агропромишлен остатък. Въпреки че тези съединения проявяват изключителна антиоксидантна активност, присъствието им в околната среда без предварителна обработка представлява значително токсикологично предизвикателство. Като пионер в оползотворяването на отпадъци, Natural Phenolics се заема с решаването на този проблем, превръщайки тази екологична тежест в устойчив икономически актив. Чрез извличането на тези метаболити с висока стойност испанската компания Natural Phenolics произвежда първокласни суровини на биологична основа. Понастоящем научноизследователската и развойната дейност на Natural Phenolics е в челните редици на производството на усъвършенствани биостимуланти за растения и антиоксидантни консерванти за храни с чист етикет.

 
За Natural Phenolics
Natural Phenolics е компания в областта на зелената химия, която е в челните редици на кръговата икономика и е специализирана в пълномащабното оползотворяване на маслиново кюспе (alperujo). Чрез усъвършенствани устойчиви процеси на екстракция ние превръщаме този сложен агропромишлен остатък в първокласни химически суровини на биологична основа.
 

Natural Phenolics, компания със седалище в Каталуния, Испания, произвежда висококачествени биостимуланти от селскостопански странични продукти

Необходимостта от ефективни и стандартизирани технологии за екстракция

На този фон изборът на подходяща технология за екстракция е от решаващо значение за получаването на стандартизирани екстракти. Екстракцията с помощта на ултразвук (UAE) се утвърди като мощна техника, която осигурява възпроизводими резултати, съкращава времето за екстракция и намалява разхода на разтворител, наред с други експлоатационни предимства.
Тук Natural Phenolics представя резултатите от оптимизацията за получаване на стандартизирани водни екстракти, богати на хидрокситирозол (HT) и други полифеноли. Като експериментален модел е избран централен композиционен план. Оценяваните параметри са амплитудата и времето на екстракция, а откликът е измерван чрез концентрацията на хидрокситирозол. За тази цел е използван ултразвуковият апарат UP400St на Hielscher Ultrasonics, избран заради лесната си употреба и високата прецизност при контрола на амплитудата.

Експериментален план за ултразвукова екстракция: оптимизиране на амплитудата и времето за екстракция

Този прецизен контрол е от основно значение за разграничаването на ефектите на акустичната енергия от вариабилността на суровината. Всички екстракции са извършени със сушено маслиново кюспе (20% съдържание на влага, 1 mm размер на частиците) и вода като разтворител. Суспензията е приготвена при съотношение твърда фаза към течност от 40%, а всички експерименти са проведени при постоянна температура от 35°C. Таблица 1 обобщава експерименталните условия, оценени чрез CCD матрица с 12 опита.

Таблица 2 показва оценките на качеството на модела за оптимизацията. Математическият модел обяснява 72,02% от общата вариабилност (R2 = 0,7202), което представлява изключително задоволително съответствие предвид сложния и по същество хетерогенен характер на матрицата на маслиновото кюспе. Въпреки че значимостта на модела (P = 0,101) е малко над традиционния праг на доверие от 95% поради силно ограничените степени на свобода в матрицата с 12 опита, големите по абсолютна стойност отрицателни квадратични коефициенти b11 = -61,61 и b22 = -71,61 потвърждават физически обоснована параболична кинетика на екстракцията.

Ултразвукова екстракция на полифеноли от маслиново кюспе: вляво – модел на повърхнината на отклика на метода; вдясно – контурна диаграма

Стабилно извличане на хидрокситирозол чрез ултразвукова екстракция

Фигура 1A илюстрира графиката на повърхнината на отклика на оптимизирания модел. Широката червена зона при максимума на платото потвърждава стабилността на процеса, тъй като измененията на амплитудата в диапазона 50– 60% не предизвикват големи колебания в концентрацията на хидрокситирозол. При анализа на ефектите на отделните фактори увеличаването на амплитудата от 22% до 50% оказва решаващо въздействие, водейки до рязко подобрение на добива при екстракцията. Обратно, времената за екстракция над 20 минути стабилизират добива, което предполага насищане на разтворителя на този етап. В крайна сметка тази архитектура успешно определя категоричен работен оптимум при 61,5% амплитуда и 24,2 минути ултразвукова обработка, осигуряващ максимална прогнозна концентрация на хидрокситирозол от 1609,5 mg/L.

В заключение, използването на технологията на Hielscher Ultrasonics е основополагащо за постигането на високо възпроизводим и енергийно оптимизиран процес за екстракция на хидрокситирозол. Изключителната прецизност при контрола на амплитудата и стабилните механични характеристики на сонотрода UP400St гарантират, че тези постижения в лабораторен мащаб могат безпроблемно да бъдат пренесени в промишлени системи с непрекъснат поток. Освен това успехът на тази фаза на оптимизация е значително ускорен от изключителната техническа помощ и местната поддръжка, предоставени от Jover Labtech, представители на Hielscher в Каталуния, Испания. Тази синергия между най-съвременно акустично оборудване и експертна инженерна поддръжка на място установява ясен, жизнеспособен път към устойчиво пълномащабно търговско оползотворяване на агропромишлената биомаса.

Литература / Източници

• Cánovas, Jaime; Barrajón-Catalán, Enrique; Micol, Vicente; Cárcel, J.; Garcia-Perez, Jose V. (2013): Kinetic and compositional study of phenolic extraction from olive leaves (var. Serrana) by using power ultrasound. Innovative Food Science & Emerging Technologies 17, 2013. 120–129.
• M. Rashidipour and R. Heydari (2018): Ultrasonic-Assisted Matrix Solid-Phase Dispersion and High-Performance Liquid Chromatography as an Improved Methodology for Determination of Oleuropein from Olive Leaves. Analytical and Bioanalytical Chemistry Research 52, 2018. 307-316.
• Rodríguez, Ó.; Bona, S.; Stäbler, A.; Rodríguez-Turienzo, L. (2022): Ultrasound-Assisted Extraction of Polyphenols from Olive Pomace: Scale Up from Laboratory to Pilot Scenario. Processes 2022, 10, 2481.
• Tamborrino, A., Romaniello, R., Perone, C. et al. (2021): Development of a Pressure Control System According to Paste Rheology for Ultrasound Processing in Industrial Olive Oil Extraction. Food Bioprocess Technol 14, 1897–1908 (2021).