استخراج فراصوتی ساپونین‌های Quillaja
- عصاره‌های ساپونینی درخت Quillaja saponaria Molina منبع اصلی ساپونین‌ها برای کاربردهای صنعتی هستند.
- استخراج فراصوتی ساپونین‌های Quillaja به تولید ساپونین‌هایی با کیفیت بالا منجر می‌شود.
- استخراج فراصوتی روشی بسیار کارآمد برای تولید عصارهٔ ساپونین Quillaja با بازده بالا در زمانی کوتاه است.
عصارهٔ ساپونین Quillaja
عصارهٔ ساپونین Quillaja (نام‌های مترادف: عصاره‌های quillaia، چوب پاناما، عصاره‌های پوست پاناما، عصاره‌های quillai، عصاره‌های پوست Quillay، عصاره‌های پوست درخت صابون) ماده‌ای است که از درخت Quillaja Saponaria Molina (Q. saponaria) استخراج می‌شود. عصارهٔ Quillaja از بیش از 100 ساپونین تری‌ترپنوئیدی تشکیل شده است. ساپونین‌های اصلی موجود در آن، گلیکوزیدهای اسید کویلائیک هستند. سایر اجزای اصلی شامل پلی‌فنول‌ها و تانن‌ها و نیز مقادیر اندکی نمک و قند هستند. عصارهٔ Quillaja از طریق استخراج آبیِ پوست داخلی یا چوب آسیاب‌شدهٔ ساقه‌ها و شاخه‌های هرس‌شدهٔ درخت Quillaja saponaria به دست می‌آید. ازآنجاکه عصاره‌های ساپونین Quillaja هم حاوی مواد فعال سطحی و هم ترکیبات فنولی هستند، برای فرمولاسیون مواد اولیهٔ حساسِ غذاهای فراسودمند و محافظت از آن‌ها در برابر اکسیداسیون بسیار مورد توجه‌اند.
استفاده از ساپونین‌ها به‌عنوان امولسیفایرهای طبیعی، به دلیل افزایش تقاضا برای محصولات سالم و طبیعیِ فاقد افزودنی‌های سنتزی، به‌طور چشمگیری رو به افزایش است. ساپونین‌های Quillaja امولسیفایرهایی عالی برای امولسیون‌های روغن در آب (O/W) و نانوامولسیون‌ها هستند و در فرمولاسیون‌های مختلف، مانند نوشیدنی‌ها و مخلوط‌های روغنی، عملکرد بسیار خوبی نشان داده‌اند. یکی از کاربردهای رایج عصارهٔ ساپونین Quillaja، امولسیون‌سازیِ روغن‌های CBD، نوشیدنی‌های نیمه‌شفاف و محصولات غذایی کف‌دار است. ساپونین‌های Quillaja را می‌توان به‌تنهایی یا در ترکیب با سایر عوامل امولسیون‌کننده استفاده کرد.
Q-Naturale® یک افزودنی غذایی بر پایهٔ ساپونین‌های پوست Quillaja است که FDA آن را به‌عنوان امولسیفایری مؤثر برای مواد غذایی و نوشیدنی‌ها تأیید کرده است. ساپونین‌های Quillaja علاوه بر کاربرد به‌عنوان عامل امولسیون‌کننده، به دلیل خواص ضدباکتریایی، ضدویروسی، ضدقارچی، ضدانگلی، ضدتوموری، محافظت‌کنندهٔ کبد و تقویت‌کنندهٔ پاسخ ایمنی، در فرمولاسیون‌های دارویی نیز استفاده می‌شوند.
- بازده برتر
- استخراج با سرعت بالا – در عرض چند دقیقه
- عصاره‌های باکیفیت – فرایند ملایم و غیرحرارتی
- حلال سبز (یعنی آب)
- مقرون‌به‌صرفه
- کاربری آسان و ایمن
- هزینه‌های پایین سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری
- کارکرد 24/7 در شرایط کاری سنگین
- روشی سبز و سازگار با محیط‌زیست
استخراج فراصوتی ناپیوستهٔ مواد گیاهی در حجم 120L با UIP2000hdT و همزن
مطالعهٔ موردی استخراج فراصوتی ساپونین‌ها از Quillaja
برای تهیهٔ عصارهٔ باکیفیت Quillaja با عملکردهای مطلوب به‌عنوان افزودنی غذایی و دارویی، باید ترکیبات گیاهی فعال، یعنی ساپونین‌ها، جداسازی شوند. ساپونین Quillaja یک ساپونین تری‌ترپنی است که از پوست درخت صابون جداسازی می‌شود. کاویتاسیون فراصوتی با بهبود تماس میان جامدات و مایع و افزایش انتقال جرم، استخراج را تقویت می‌کند.
Cares et al. در مطالعهٔ خود به‌روشنی نشان می‌دهند که استخراج به کمک فراصوت (UAE) می‌تواند فرایند استخراج مواد مؤثرهٔ زیست‌فعال از Quillaja Saponaria Molina را بهبود دهد. آن‌ها از تراشه‌های چوب و پوست Quillaja استفاده کردند و ساپونین‌ها را با فراصوت‌دهی در آب استخراج کردند، به‌گونه‌ای که محصول نهایی فقط حاوی مواد تشکیل‌دهنده و مواد اولیهٔ طبیعی باشد و بتوان از آن در فرایندهای تولید مواد غذایی استفاده کرد. در این روش استخراج غیرحرارتی، دمای استخراج طی فراصوت‌دهی همواره در 20ºC (68ºF) ثابت نگه داشته شد. با افزایش مدت فراصوت‌دهی از 10 به 30 دقیقه، بازده استخراج به‌طور چشمگیری افزایش یافت. بازده حاصل از 20 دقیقه استخراج به کمک فراصوت در 20ºC، با بازده حاصل از 3 ساعت استخراج به روش متداول در 60ºC قابل‌مقایسه بود.
دستگاه‌های فراصوتی برای تهیهٔ امولسیون‌های روغن در آب (o/w) با پایداری بلندمدت به کار می‌روند؛ در این فرایند، از عصارهٔ ساپونین Quillaja برای پایدارسازی فیزیکی و شیمیایی امولسیون استفاده می‌شود. برای اطلاعات بیشتر دربارهٔ امولسیون‌سازی فراصوتی، اینجا کلیک کنید!
دستگاه‌های استخراج فراصوتی با عملکرد بالا
Hielscher Ultrasonics در ساخت پردازشگرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای تولید عصاره‌های باکیفیت از مواد گیاهی تخصص دارد.
سبد گستردهٔ محصولات Hielscher، از دستگاه‌های فراصوتی آزمایشگاهی کوچک و قدرتمند تا سامانه‌های رومیزی مستحکم و کاملاً صنعتی را در بر می‌گیرد که فراصوت با شدت بالا را برای استخراج و جداسازی کارآمد ترکیبات زیست‌فعال فراهم می‌کنند (برای مثال، کوئرستین, کافئین, کورکومین, ترپن‌ها و غیره). همهٔ دستگاه‌های فراصوتی از 200W تا 16٬000W دارای نمایشگر رنگی برای کنترل دیجیتال، کارت SD یکپارچه برای ثبت خودکار داده‌ها، کنترل از راه دور از طریق مرورگر و بسیاری امکانات کاربرپسند دیگر هستند. سونوتْرودها و سلول‌های جریان (قطعاتی که با محیط فرایند در تماس‌اند) قابلیت اتوکلاو شدن دارند و به‌آسانی تمیز می‌شوند. همهٔ دستگاه‌های فراصوتی ما برای کارکرد 24/7 ساخته شده‌اند، به نگهداری کمی نیاز دارند و کار با آن‌ها آسان و ایمن است.
نمایشگر رنگی دیجیتال، کنترل کاربرپسند تجهیزات فراصوتی را امکان‌پذیر می‌کند. سامانه‌های ما قادر به تأمین دامنه‌های ارتعاشی کم تا بسیار زیاد هستند. برای استخراج ترکیبات شیمیایی مانند آستاگزانتین، سونوتْرودهای فراصوتی ویژه‌ای (که پروب یا هورن فراصوتی نیز نامیده می‌شوند) ارائه می‌کنیم که برای جداسازی ملایم مواد فعال باکیفیت بهینه شده‌اند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher، کارکرد 24/7 را در شرایط کاری سنگین و محیط‌های دشوار امکان‌پذیر می‌کند.
کنترل دقیق پارامترهای فرایند فراصوتی، تکرارپذیری و استانداردسازی فرایند را تضمین می‌کند. سامانه‌های خودکار استخراج فراصوتی Hielscher در مقیاس صنعتی، برای تولید عصاره‌های با کیفیت برتر با ظرفیت بالا طراحی شده‌اند و هم‌زمان نیروی کار موردنیاز، هزینه و مصرف انرژی را کاهش می‌دهند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
منابع و مراجع
- M. G. Cares, Y. Vargas, L. Gaete, J. Sainz, J. Alarcón (2009): Ultrasonically assisted Extraction of bioactive principles from Quillaja Saponaria Molina. International Congress on Ultrasonics, Universidad de Santiago de Chile, January 2009.
- J. Deise Fleck, A. Heemann Betti, F. Pereira da Silva, E. A. Troian, C. Olivaro, F. Ferreira, S. Gasparin Verza (2019): Saponins from Quillaja saponaria and Quillaja brasiliensis: Particular Chemical Characteristics and Biological Activities. Molecules. 2019 Jan; 24(1): 171.
- K. Kaur, R. Kumar, S.K. Mehta (2015): Formulation of saponin stabilized nanoemulsion by ultrasonic method and its role to protect the degradation of quercitin from UV light. Ultrasonics Sonochemistry 31, 2015.
- R.R.T. Majinda (2012): Extraction and Isolation of Saponins. In: Satyajit D. Sarker and Lutfun Nahar (eds.), Natural Products Isolation, Methods in Molecular Biology, Vol. 864, 2012.
- N. Riquelme, R.N. Zúñiga, C. Arancibia (2019): Physical stability of nanoemulsions with emulsifier mixtures: Replacement of tween 80 with quillaja saponin. LWT – Food Science and Technology 111, 2019. 760-766.
دانستنی‌های مفید
دربارهٔ درخت Quillaja و ساپونین‌های آن
درخت Quillaja Saponaria Molina که با نام درخت صابون آمریکای جنوبی نیز شناخته می‌شود، به‌طور طبیعی و گسترده در شیلی می‌روید. درخت Quillaja Saponaria (از خانوادهٔ Rosaceae)، درختی بزرگ و همیشه‌سبز با پوستی ضخیم است که بومی چندین کشور آمریکای جنوبی، به‌ویژه بولیوی، شیلی و پرو است.
عصارهٔ ساپونین Quillaja عمدتاً حاوی ساپونین‌هاست، اما پلی‌فنول‌ها، تانن‌ها و نیز مقادیر اندکی نمک و قند هم دارد. ساپونین‌های Quillaja مولکول‌هایی هستند که از یک هستهٔ تری‌ترپنی با دو زنجیرهٔ قندی ساخته شده‌اند. این زنجیره‌های قندی به ساپونین‌ها خاصیت آب‌دوستی (= قابلیت حل شدن در آب) می‌دهند، درحالی‌که هستهٔ تری‌ترپنی آب‌گریز (= دفع‌کنندهٔ آب) است. به این دلایل، این ماده یک عامل فعال سطحی آمفی‌فیلیک است که ساپونین‌ها را به مواد فعال سطحی غیریونی تبدیل می‌کند و کاهش کشش سطحی، حل‌پذیرسازی محصولات آب‌گریز در محلول‌های آبی و نیز تشکیل میکروامولسیون‌ها/نانوامولسیون‌ها را امکان‌پذیر می‌سازد.
در درخت Quillaja، پوست با حدود 5%، بیشترین مقدار ساپونین را دارد، درحالی‌که میزان ساپونین چوب حدود 2% است.
ازآنجاکه ساپونین‌ها موادی طبیعی با خواص کف‌کنندگی و امولسیون‌کنندگی خوب هستند، اغلب به‌عنوان عوامل کف‌زا در صنایع غذایی، نوشیدنی و آبجو، به‌عنوان مواد فعال سطحی در محصولات آرایشی، به‌عنوان افزودنی در مواد شیمیایی کشاورزی و خوراک دام و به‌عنوان ادجوانت در واکسن‌ها استفاده می‌شوند.
عصاره‌های Quillaja با استخراج آبی تولید می‌شوند؛ هیچ حلال دیگری در تولید آن‌ها استفاده نمی‌شود. محصول نهایی، چه عصارهٔ خام و چه تصفیه‌شده، در فرمولاسیون مایع یا پودری، فقط حاوی مواد تشکیل‌دهنده و مواد اولیهٔ طبیعی است که استفاده از آن‌ها در فرایندهای تولید مواد غذایی مجاز است. (Cares et al. 2009)
ساپونین‌ها چه هستند؟
واژهٔ ساپونین از واژهٔ لاتین sapo به معنای صابون گرفته شده است. ساپونین‌ها ترکیبات فیتوشیمیایی هستند که عمدتاً، اما نه منحصراً، در گیاهان یافت می‌شوند، خاصیت کف‌کنندگی دارند و از آگلیکون‌های چندحلقه‌ای متصل به یک یا چند زنجیرهٔ جانبی قندی تشکیل شده‌اند. بخش آگلیکونی که ساپوژنین نیز نامیده می‌شود، یا یک استروئید (C27) است یا یک تری‌ترپن (C30). توانایی کف‌کنندگی ساپونین‌ها از ترکیب یک ساپوژنین آب‌گریز (محلول در چربی) و یک بخش قندی آب‌دوست (محلول در آب) ناشی می‌شود. [Majinda, 2012: p. 515] مواد گیاهی با مقدار زیاد ساپونین، به‌طور سنتی به‌عنوان عوامل امولسیون‌کننده استفاده شده‌اند. از نمونه‌های شاخص گیاهان غنی از ساپونین می‌توان به درخت صابون (Quillaja saponaria; Rosaceae)، گیاه صابونی (Saponaria officinalis; Caryophyllaceae) و پودر شیکاکای (Gleditsia sinensis; Leguminosae) اشاره کرد. ساپونین‌ها گلیکوزیدهای آمفی‌پاتیک با وزن مولکولی بالا هستند که در ساختار خود یک یا چند بخش گلیکوزیدی آب‌دوست دارند که با یک مشتق تری‌ترپنی چربی‌دوست ترکیب شده‌اند. ساپونین‌ها به‌ویژه در صنعت داروسازی، به دلیل طیف خواص زیستی خود، از جمله توانایی تحریک پاسخ ایمنی، توجه زیادی جلب کرده‌اند؛ این ویژگی آن‌ها را به گزینه‌هایی برجسته برای استفاده به‌عنوان ادجوانت تبدیل می‌کند.
هرآنچه باید دربارهٔ استخراج فراصوتی بدانید
استخراج به کمک فراصوت (UAE)، که استخراج صوتی نیز نامیده می‌شود، روشی سبز و بسیار کارآمد برای جداسازی مواد زیست‌فعال مانند پروتئین‌ها، ویتامین‌ها، پلی‌فنول‌ها، رنگدانه‌های طبیعی، لیپیدها و غیره از ماتریس‌های گیاهی است. استخراج فراصوتی بر اصل عملکرد کاویتاسیون آکوستیکی استوار است.
هنگامی که امواج فراصوت شدید به سامانه‌های مایع اعمال می‌شوند، کاویتاسیون آکوستیکی رخ می‌دهد؛ پدیده‌ای که شامل تشکیل، رشد و در نهایت فروپاشی حباب‌های خلأ است (تصویر زیر را ببینید). هنگام انتشار امواج فراصوت، حباب‌های خلأ نوسان می‌کنند و رشد می‌یابند تا به نقطه‌ای برسند که دیگر نتوانند انرژی بیشتری جذب کنند. در اوج رشد حباب‌ها، آن‌ها به‌شدت فرو می‌پاشند و آثار حرارتی، مکانیکی و شیمیایی موضعی ایجاد می‌کنند. آثار مکانیکی شامل فشارهای بالای تا 1000atm، آشفتگی جریان و نیروهای برشی شدید است. این نیروها دیواره‌های سلولی را تخریب می‌کنند و انتقال جرم میان فضای داخلی سلول و حلال را افزایش می‌دهند و در نتیجه، ترکیبات زیست‌فعال را در مایع پیرامون (یعنی حلال) آزاد می‌کنند.
استخراج فراصوتی بر کاویتاسیون آکوستیکی و نیروهای برشی هیدرودینامیکی آن استوار است
استخراج فراصوتی جامد–مایعِ ترکیبات از مواد گیاهی و بافت سلولی به‌خوبی بررسی شده است. به‌کارگیری امواج فراصوت با شدت بسیار بالا، فرایندهای استخراج را به‌طور چشمگیری تقویت می‌کند. علاوه بر تشدید فرایند – که به بازده بالاتر و زمان استخراج کوتاه‌تر منجر می‌شود – از تخریب حرارتی و از دست رفتن اجزای حساس به دما نیز جلوگیری می‌شود، زیرا فراصوت‌دهی یک تیمار غیرحرارتی است. افزون بر این، استخراج فراصوتی هزینه‌های سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری پایینی دارد، مصرف حلال‌ها را کاهش می‌دهد و/یا امکان استفاده از حلال‌های سبزتر را فراهم می‌کند؛ ازاین‌رو، روشی اقتصادی و سازگار با محیط‌زیست برای استخراج به شمار می‌رود. استخراج به کمک فراصوت، با عملکردی برتر از روش‌های متداول استخراج (UAE) در صنعت غذا برای تولید مواد زیست‌فعال همراه با منافع اقتصادی به کار گرفته شده است.
استخراج فراصوتی از سلول‌های گیاهی: مقطع عرضی میکروسکوپی (TS)، سازوکارهای عمل را هنگام استخراج فراصوتی از سلول‌ها نشان می‌دهد (بزرگ‌نمایی 2000x) [resource: Vilkhu et al. 2011]
پردازشگرهای فراصوتی پرتوان از مقیاس آزمایشگاهی تا پایلوت و صنعتی.