حلال‌های استخراج فراصوتی از گیاهان

• استخراج فراصوتی مزایای متعددی مانند بازده بالا، سرعت بالای استخراج، سازگاری با محیط‌زیست و مصرف کم انرژی دارد.
• یکی از مهم‌ترین مزایا، استفاده از آب به‌عنوان محیط استخراج است. بااین‌حال، می‌توان فراصوت‌دهی را با سامانه‌های حلال گوناگون به کار برد تا برای عصاره موردنظر نتایج بهتری به دست آید.
• حلال بهینه برای استخراج فراصوتی ترکیبات زیست‌فعال گیاهی با توجه به ماده اولیه انتخاب می‌شود.

استخراج فراصوتی

فراصوت به‌دلیل تخریب ساختارهای سلولی و بهبود انتقال جرم شناخته شده است و از این طریق استخراج‌پذیری ترکیبات زیستی (مانند ترکیبات فنولی و کاروتنوئیدها) را افزایش می‌دهد.
ازآنجاکه اثرات مکانیکی فراصوت‌دهی با بهبود انتقال جرم، فرایند استخراج را به‌طور چشمگیری تقویت می‌کنند، استفاده از حلال‌های آلی اغلب ضرورتی ندارد. این بدان معناست که برای استخراج فراصوتی، آب اغلب محیط استخراج کافی و مناسبی است و مزایای متعددی مانند ارزان‌بودن، بی‌خطر بودن، دسترسی آسان و سازگاری با محیط‌زیست دارد.
بااین‌حال، برای برخی ترکیبات زیست‌فعال مشخص، ممکن است بهترین نتایج با استخراج فراصوتی همراه با یک حلال فرّار حاصل شود.
برای انتخاب حلال مناسب، باید ماده اولیه (مانند ماده گیاهی تازه یا خشک، خیسانده/آسیاب‌شده یا پودرشده) و مواد هدف (مانند مواد چربی‌دوست یا آب‌دوست) را در نظر گرفت.
 

جدول زیر چند حلال جاافتاده در فرایندهای استخراج را معرفی می‌کند که برای استخراج فراصوتی از مواد گیاهی به کار می‌روند.

امواج قدرتمند فراصوت، ماتریس سلولی ساختارهای زیستی را تخریب می‌کنند و ترکیبات زیست‌فعال را آزاد می‌سازند. انتقال جرم میان ماده گیاهی و حلال تشدید می‌شود. به‌واسطه این سازوکارها، استخراج فراصوتی برای استخراج ترکیبات گیاهی کارایی بسیار بالایی دارد.

دستگاه‌های فراصوت برای استخراج

از دستگاه‌های فراصوت آزمایشگاهی و رومیزی گرفته تا سامانه‌های استخراج فراصوتی تمام‌صنعتی، Hielscher Ultrasonics شریک باسابقه شما در تأمین دستگاه‌های فراصوت قدرتمند و قابل‌اعتماد برای اجرای موفق فرایندهای استخراج است.
سامانه‌های فراصوت ما به‌طور گسترده در آزمایشگاه‌های بیوشیمی و کارخانه‌های تولید دارو استفاده می‌شوند. سونوتْرودها و راکتورهای فراصوتی قابلیت اتوکلاو شدن دارند و استانداردهای تولید دارو را برآورده می‌کنند.

سونیکاتورهای صنعتی Hielscher می‌توانند دامنه‌های نوسان بسیار بالایی ایجاد کنند تا ماتریس‌های سلولی را تخریب و مواد هدف را آزاد کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌های نوسان تا 200µm در عملیات 24/7 به‌آسانی امکان‌پذیر است. توان و استحکام دستگاه‌های فراصوت Hielscher، بازده بالا، سرعت بالای استخراج و استخراج کامل‌تر را تضمین می‌کند و عملکردی برتر از فرایندهای متداول استخراج ارائه می‌دهد.
پردازشگرهای فراصوت ما را می‌توان با روش‌های متداول استخراج ترکیب کرد، مانند استخراج سوکسله یا استخراج با CO2 فوق‌بحرانی. نصب و ادغام این تجهیزات در خطوط تولید موجود به‌آسانی امکان‌پذیر است.

منابع علمی / مراجع

• Dent M., Dragović-Uzelac V., Elez Garofulić I., Bosiljkov T., Ježek D., Brnčić M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound Assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q. 29(3), 2015. 475–484.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk(2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.

نکات دانستنی

استخراج فراصوتی با کاویتاسیون

امواج فراصوت با شدت بالا موجب ایجاد کاویتاسیون آکوستیکی در مایعات می‌شوند. نیروهای برشی ناشی از کاویتاسیون، دیواره و غشاهای سلولی را می‌شکنند و درنتیجه مواد درون‌سلولی آزاد می‌شوند. استخراج فراصوتی باعث نفوذ بیشتر حلال به بافت گیاهی و بهبود انتقال جرم می‌شود. به‌این‌ترتیب، استخراج فراصوتی فرایند استخراج را به‌طور چشمگیری تشدید می‌کند و به بازده بالاتر، سرعت بیشتر استخراج و استخراج کامل‌تر می‌انجامد.

سامانه‌های حلال

برای استخراج ترکیبات زیست‌فعال از مواد گیاهی، سامانه‌های حلال گوناگونی در دسترس هستند. برای استخراج ترکیبات آب‌دوست، عمدتاً حلال‌های قطبی مانند متانول، اتانول یا اتیل استات انتخاب می‌شوند؛ درحالی‌که برای استخراج ترکیبات چربی‌دوست (مانند لیپیدها)، سامانه‌های حلالی مانند دی‌کلرومتان یا دی‌کلرومتان/متانول (v/v 1:1) ترجیح داده می‌شوند. هگزان اغلب به‌عنوان حلال استخراج کلروفیل استفاده می‌شود.

ترکیبات زیست‌فعال چیستند؟

ترکیبات زیست‌فعال یا مواد شیمیایی گیاهی، موادی تعریف می‌شوند که بر جانداران، بافت‌ها یا سلول‌ها اثر می‌گذارند. مواد دارای فعالیت زیستی شامل آنتی‌بیوتیک‌ها، آنزیم‌ها و ویتامین‌ها هستند. مواد زیست‌فعال مانند کاروتنوئیدها و پلی‌فنول‌ها را می‌توان برای مثال از میوه‌ها، برگ‌ها و سبزیجات استخراج کرد، درحالی‌که فیتواسترول‌ها در روغن‌های گیاهی یافت می‌شوند.
ترکیبات زیست‌فعال با منشأ گیاهی شامل فلاونوئیدها، کافئین، کاروتنوئیدها، کولین، دی‌تیول‌تیون‌ها، فیتواسترول‌ها، پلی‌ساکاریدها، فیتواستروژن‌ها، گلوکوزینولات‌ها، پلی‌فنول‌ها و آنتوسیانین‌ها هستند. بسیاری از مواد زیست‌فعال به‌دلیل عملکرد آنتی‌اکسیدانی ارزشمند هستند و ازاین‌رو برای سلامت مفید در نظر گرفته می‌شوند.

چگونه بهترین حلال استخراج را انتخاب کنم؟

راهنمای زیر به شما کمک می‌کند حلال مناسبی برای استخراج فراصوتی ترکیبات گیاهی انتخاب کنید. ازآنجاکه فراصوت‌دهی با هر حلال متداولی سازگار است، می‌توانید مناسب‌ترین حلال را با توجه به ماده اولیه گیاهی، مواد شیمیایی گیاهی هدف و صرفه اقتصادی انتخاب کنید.

• گزینش‌پذیری: حلالی را انتخاب کنید که ترکیبات موردنظر را به‌طور اختصاصی حل کند و اجزای ناخواسته را باقی بگذارد. برای مثال، برای ترکیبات قطبی مانند آلکالوئیدها و فلاونوئیدها از اتانول استفاده کنید.
• حلالیت: بر اساس اصل «مشابه، مشابه را حل می‌کند»، حلالی را انتخاب کنید که قطبیت آن مشابه قطبیت ماده حل‌شونده باشد. حلال‌های قطبی (مانند آب و اتانول) ترکیبات قطبی را حل می‌کنند، درحالی‌که حلال‌های غیرقطبی (مانند هگزان) ترکیبات غیرقطبی مانند لیپیدها و روغن‌ها را حل می‌کنند.
• هزینه: صرفه اقتصادی حلال را در نظر بگیرید. برخی حلال‌ها ممکن است گران‌تر باشند، اما بازده بالاتر یا گزینش‌پذیری بهتری ارائه دهند و از این طریق هزینه کلی استخراج را متعادل کنند.
• ایمنی: اطمینان حاصل کنید که حلال برای استفاده و کار با آن ایمن است. عواملی که باید در نظر گرفته شوند شامل سمیت، اشتعال‌پذیری و اثرات زیست‌محیطی هستند. برای مثال، آب و اتانول در مقایسه با کلروفرم یا تولوئن گزینه‌های ایمن‌تری هستند.

قطبیت و انتخاب حلال
بر اساس قانون تشابه و امتزاج‌پذیری متقابل، حلال‌هایی که میزان قطبیت آن‌ها به قطبیت ماده حل‌شونده نزدیک است، احتمالاً عملکرد بهتری دارند. چند نمونه در ادامه آمده است:

• حلال‌های قطبی: آب، اتانول، متانول – برای استخراج ترکیبات قطبی مانند آلکالوئیدها، فلاونوئیدها، گلیکوزیدها و پروتئین‌ها استفاده می‌شوند.
• حلال‌های با قطبیت متوسط: استون، اتیل استات، ایزوپروپانول – برای استخراج طیف گسترده‌ای از ترکیبات، ازجمله ترکیبات فنولی و برخی آلکالوئیدها مناسب هستند.
• حلال‌های غیرقطبی: هگزان، تولوئن، پترولیوم اتر – برای استخراج ترکیبات غیرقطبی مانند لیپیدها، موم‌ها، ترپن‌ها و اسانس‌ها ایدئال هستند.

نمونه‌هایی از کاربرد حلال‌ها

• اتانول: یکی از رایج‌ترین حلال‌ها برای استخراج ترکیبات گیاهی است. اتانول به‌عنوان یک حلال قطبی، ترکیبات قطبی مانند آلکالوئیدها و فلاونوئیدها را حل می‌کند.
• آب: حلال عمومی که اغلب برای استخراج ترکیبات آب‌دوست مانند پلی‌ساکاریدها، پروتئین‌ها و برخی گلیکوزیدها استفاده می‌شود.
• متانول: حلالی بسیار قطبی که در استخراج طیف گسترده‌ای از ترکیبات گیاهی، ازجمله ترکیبات فنولی، فلاونوئیدها و برخی آلکالوئیدها مؤثر است.
• هگزان: حلالی غیرقطبی که عمدتاً برای استخراج ترکیبات غیرقطبی مانند لیپیدها، موم‌ها و اسانس‌ها استفاده می‌شود.
• استون: استون حلالی قطبی و آپروتیک است که برای استخراج طیف گسترده‌ای از ترکیبات گیاهی مؤثر است؛ به‌ویژه ترکیباتی که قطبیت آن‌ها کمتر از ترکیبات استخراج‌شده با آب یا متانول است.
• ایزوپروپانول: حلالی قطبی مشابه اتانول که معمولاً برای استخراج اسانس‌ها، رزین‌ها و برخی آلکالوئیدها استفاده می‌شود.
• کلروفرم: حلالی غیرقطبی که در استخراج آلکالوئیدها، ترپنوئیدها و برخی گلیکوزیدها مؤثر است. به‌دلیل سمی‌بودن، کمتر استفاده می‌شود.
• اتیل استات: حلالی با قطبیت متوسط که برای استخراج طیفی از ترکیبات، ازجمله فلاونوئیدها، آلکالوئیدها و ترکیبات فنولی استفاده می‌شود.
• تولوئن: حلالی غیرقطبی که برای استخراج ترکیبات غیرقطبی مانند اسانس‌ها، ترپن‌ها و موم‌ها استفاده می‌شود.
• بوتانول: حلالی با قطبیت متوسط که در استخراج ترکیبات با قطبیت متوسط، ازجمله برخی گلیکوزیدها و ساپونین‌ها مؤثر است.
• پترولیوم اتر: حلالی غیرقطبی که عمدتاً برای استخراج چربی‌ها، روغن‌ها و سایر ترکیبات غیرقطبی از مواد گیاهی استفاده می‌شود.

حلال‌های زیر در پژوهش‌هایی آزمایش شده‌اند که استخراج فراصوتی مواد گیاهی و مواد شیمیایی گیاهی مشخصی را بررسی کرده‌اند.

حلال‌های آلی چیستند؟

حلال آلی نوعی ترکیب آلی فرّار (VOC) است. ترکیبات آلی فرّار، مواد شیمیایی آلی هستند که در دمای اتاق تبخیر می‌شوند.
ترکیبات آلی مورد استفاده به‌عنوان حلال عبارت‌اند از:

• ترکیبات آروماتیک، مانند بنزن و تولوئن
• الکل‌ها، مانند متانول
• استرها و اترها
• کتون‌ها، مانند استون
• آمین‌ها
• هیدروکربن‌های نیتره و هالوژنه

بسیاری از حلال‌های آلی در دسته مواد سمی یا سرطان‌زا طبقه‌بندی می‌شوند. در صورت کارکردن نادرست با آن‌ها، ممکن است برای انسان خطرناک باشند و هوا، آب و خاک را آلوده کنند. به‌دلیل سازوکار قدرتمند استخراج فراصوتی، می‌توان با جایگزین‌کردن حلال‌های آلی با حلال‌های ملایم‌تر و غیرسمی، از مصرف آن‌ها اجتناب کرد.