دراسة عن التكنولوجيا بالموجات فوق الصوتية في استخراج المكونات النشطة للنبات

مدفوعًا بالهدف الصناعي المتمثل في تحقيق الاستخراج الأخضر ، ظهرت تقنيات استخراج جديدة مثل استخراج الميكروويف ، واستخراج السوائل فوق الحرجة ، واستخراج الموجات فوق الصوتية. وقد عززت هذه التقنيات الجديدة بشكل كبير التطوير التجاري للمحاصيل النقدية. في السنوات الأخيرة ، تطورت تقنية الاستخراج بالموجات فوق الصوتية بسرعة في مجال صناعة الأغذية. لا يمكن لهذه التكنولوجيا تحسين جودة المنتجات فحسب ، بل تقلل أيضًا من تكاليف الإنتاج وتحسين كفاءة الإنتاج وسلامة الإنتاج. يمكن أن تمنع الموجات فوق الصوتية بشكل فعال المواد الحساسة للحرارة من تدميرها في بيئات درجة الحرارة المرتفعة في عملية زيادة معدلات نقل الكتلة. إنه يحفز بشكل مستمر الغدد داخل الخلايا من خلال تأثيرات التجويف ، والآثار الميكانيكية ، وما إلى ذلك ، مما يعزز الإفراج السريع عن المكونات النشطة. يمكن أن تقلل هذه التكنولوجيا من استخدام المذيبات العضوية ، وتحسين نقاء المركبات النشطة بيولوجيًا ، وتوفير وقت المعالجة وتكاليف التشغيل. لذلك ، تلبي تكنولوجيا الاستخراج بمساعدة الموجات فوق الصوتية الاحتياجات البشرية في الإنتاج الأخضر والتنمية المستدامة وحماية البيئة. اجتذب تطبيق الموجات فوق الصوتية في استخراج المكونات النشطة النباتية اهتمامًا متزايدًا بسبب مزاياه الفريدة. يحاول الباحثون أيضًا الجمع بين التكنولوجيا بالموجات فوق الصوتية مع مختلف معدات الاستخراج الأخرى من أجل تحقيق أداء أفضل للاستخراج. بالإضافة إلى طريقة استخراج المذيبات بالموجات فوق الصوتية الأكثر شيوعًا ، هناك أيضًا استخراج بالموجات فوق الصوتية والكوكسليت ، واستخراج الموجات فوق الصوتية ، واستخراج تقطير المياه بالموجات فوق الصوتية ، واستخراج الموجات فوق الصوتية-الميكروويف ، واستخراج ثاني أكسيد الكربون فوق الصوتية بالموجات فوق الصوتية.

1 مبدأ الاستخراج بالموجات فوق الصوتية

يتم تعريف الموجات فوق الصوتية على أنها موجة سليمة مع تردد أكبر من 20 كيلو هرتز ، مما يتجاوز حد اكتشاف السمع البشري. الموجات فوق الصوتية هي موجة ميكانيكية ذات كثافة عالية الطاقة. عادةً ما يكون مصدر إخراج الطاقة الصوتي هو كائن اهتزاز ، والذي يمكن أن يتسبب في اهتزاز الوسط المحيط ثم نقل الطاقة إلى جزيئات أخرى مجاورة. عندما تمر الموجات فوق الصوتية عبر الوسط ، فإنه يسبب الإزاحة الطولية للجزيئات. تسبب هذه الآثار الجزيئية الكثيفة تلف جدار الخلية وتسريع معدل نقل الكتلة للمواد الفعالة في الوسط ، وبالتالي تحقيق الغرض من تحسين معدل الاستخراج. لا يعتمد الاستخراج بالموجات فوق الصوتية على آلية عمل واحدة ، ولكنه يعمل بشكل مستمر أو متزامن من خلال آليات فيزيائية متعددة مثل التجزئة الميكانيكية ، والتأثير الحراري ، وتأثير التجويف. في متجانسة الخليط الصلبة السائلة ، فإن الحزم الدقيقة والضربات الدقيقة الناتجة عن التجويف الصوتي في الوسط السائل ستؤدي إلى اضطرابات ميكانيكية قوية ، وبالتالي تكثيف التصادم بين الجسيمات ، والتي يمكن أن تؤدي بسهولة إلى التحلل والتمزق المحلي لبعض المواد الهشة. من ناحية أخرى ، نظرًا لانخفاض حجم الجسيمات ، تزداد معدل نقل الكتلة للجزيئات الصلبة ومنطقة التلامس بين المراحل الصلبة والسائلة ، والتي تفضي إلى تسريع حل المحتويات في مصفوفة العينة.

تأثير التجويف هو ظاهرة مادية فريدة ومعقدة ناتجة عن انتشار واهتزاز الموجات فوق الصوتية في السائل. يشير عمومًا إلى عملية التكوين وتوسيع ودموع فقاعات التجويف في السائل. ببساطة ، عند تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة ، قد يتجاوز الجاذبية بين الجزيئات المتوسطة القيمة الحرجة ، وبالتالي توليد إجهاد القص العالي في السائل وتشكيل فقاعات التجويف لاحقًا. تتكون فقاعة التجويف 1 بالقرب من سطح المصفوفة. بعد خضوعه لدورات إعادة التدوير المستمرة ، ستنتهي فقاعة التجويف أثناء دورة الضغط وتولد طاقة حرارة قصيرة الأجل ، وبالتالي تشكيل سائل ميكرويه عالي السرعة على سطح المصفوفة وتوليد موجات صدمة قوية. يمكن أن تجعل هذه العملية درجة الحرارة المحلية المحيطة تصل إلى حوالي 5000 K ، ويمكن أن يصل الضغط الفوري إلى 50 ~ 1000 ATM. سوف تدمر البيئة ذات الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية جدار الخلية لمصفوفة النبات ، وبالتالي إطلاق المواد داخل الخلايا في المحلول. من الصور المجهر الإلكترون المسح الضوئي لأوراق الريحان التي يتم تناولها بواسطة Chemat وغيرها قبل استخراج الزيت وبعدها ، يمكن ملاحظتها بشكل أكثر وضوحًا: قبل الاستخراج ، تكون الغدد على الأوراق ناعمة وكاملة ؛ بعد الاستخراج ، يبدأون في الانكماش ، لكن بنية الغدة لا تزال سليمة ؛ وبعد الاستخراج بمساعدة الموجات فوق الصوتية ، يتم كسر الغدد تمامًا ويتم إطلاق جميع محتوياتها.

2 تطبيق التكنولوجيا المجمعة بالموجات فوق الصوتية في استخراج المواد النشطة النباتية

طريقة استخراج المذيبات مجتمعة بالموجات فوق الصوتية

تستخدم طريقة استخراج المذيبات بالموجات فوق الصوتية بشكل عام المذيبات العضوية كوسائط نقل الطاقة ، أي ، يتم اختيار المذيبات من قطبية مختلفة وفقًا لخصائص المركب المستهدف المراد استخلاصها ، ويتم خلط المذيب بالكامل مع مصفوفة العينة ، ثم يتم تطبيق التدخل بالموجات فوق الصوتية. لا تتطلب هذه الطريقة مشاركة المعدات الأخرى. يتم وضع الخليط السائل الصلب مباشرة في جهاز بالموجات فوق الصوتية للاستخراج. تنقل الموجات فوق الصوتية الطاقة بالتساوي إلى مصفوفة العينة من خلال الوسط السائل ، وبالتالي تحقيق الغرض من تحسين معدل الاستخراج. هذه هي الطريقة التقليدية والبسيطة والاقتصادية في الاستخراج بالموجات فوق الصوتية.

هناك نوعان من معدات الاستخراج بالموجات فوق الصوتية ، وهما حمام المياه بالموجات فوق الصوتية والمعدات بالموجات فوق الصوتية. يعتمد كلا النظامين على محولات الطاقة كمصادر بالموجات فوق الصوتية. تعمل حمامات المياه بالموجات فوق الصوتية عادة على تردد حوالي 40 كيلو هرتز ومجهز بأجهزة التحكم في درجة الحرارة. المعدات رخيصة نسبيا ويمكنها معالجة عدد كبير من العينات في نفس الوقت. ومع ذلك ، فإن المياه الموجودة في الحمام بالموجات فوق الصوتية والأواني الزجاجية المستخدمة ستضعف بشكل كبير الطاقة بالموجات فوق الصوتية المنقولة. عادة ما تكون الأنظمة بالموجات فوق الصوتية من نوع التحقيق هي الخيار الأول لتطبيقات الاستخراج. نظرًا لأن الطاقة بالموجات فوق الصوتية تنتقل عبر سطح صغير (طرف التحقيق مغمورة تحت السطح السائل) ، يتم نقل الطاقة بالموجات فوق الصوتية المولدة مباشرة في وسط الاستخراج ، وبالتالي فإن فقدان الطاقة بالموجات فوق الصوتية صغيرة. إن شدة الموجات فوق الصوتية التي تنتقل بواسطة نظام التحقيق إلى الوسط السائل ستؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الخليط السائل الصلب بسرعة ، لذلك من الضروري استخدام الأواني الزجاجية المكثفة قذيفة مزدوجة الطبقات للاستخراج.

استخدم العديد من العلماء المحليين هذه الطريقة البسيطة والاقتصادية لاستخراج مختلف المواد النشطة من عينات النباتات وتحقيق نتائج جيدة. استخدم Liu Yanyan استخلاص المدارس المدعومة بالموجات فوق الصوتية من عديد السكاريد Huoshan dendrobium. تحت معلمات الاستخراج الأمثل ، يمكن أن يصل عائد السكاريد إلى 19. 96 ملغ/جم ؛ استخدم Niu Sikun استخراج المداخن الموجات فوق الصوتية من الكومارينات الذهبية للأذن ، ووصل معدل استخراج الكومارينات الكلية في الفطريات الذهبية للأذن إلى 85 ٪ كحد أقصى. بالمقارنة مع استخراج المذيبات ، يمكن لاستخراج المذيبات بالموجات فوق الصوتية أن يحسن بشكل كبير من كفاءة الاستخراج للمنتج المستهدف ، ويقلل من استهلاك المذيبات العضوية وليس من السهل تدمير نشاط المستخلص. ومع ذلك ، لا تزال هذه الطريقة تستهلك كمية معينة من المذيبات العضوية ، والتي ستؤثر على درجة معينة من التلوث البيئي ، وستؤثر المخلفات العضوية في المستخلص الذي تم الحصول عليه بشكل كبير على جودة المنتج. لذلك ، في السنوات الأخيرة ، بدأ بعض العلماء في محاولة لاستخدام المذيبات المنخفضة المنخفضة لاستبدال المذيبات التقليدية للاستخراج ، بالإضافة إلى طرق بمساعدة الموجات فوق الصوتية لاستخراج مختلف المكونات النشطة من النباتات ، وحققت نتائج جيدة. تعد المذيبات المنخفضة المنخفضة نوعًا جديدًا من السائل الأيوني الصديق للبيئة ، وهو مزيج من القذف الذي يتكون من مزيج من مستقبلات رابطة الهيدروجين والمانحين لربط الهيدروجين ، مع نقطة انصهار أقل من مكون واحد. المذيبات المنخفضة المنخفضة غير سامة وغير مكلفة وبسيطة للتحضير ، ولديها تحلل حيوي جيد. إنها مذيبات مثالية لاستخراج المكونات النشطة للنبات. وانغ وآخرون. تستخدم المذيب المنخفض المذيع منخفضة الجهد لاستخراج جليكوسيدات Echinacea و Oleuropein من فصوص الأوراق الصغيرة. عندما تم استخدام كلوريد الكولين/الجلسرين (1: 2 ، نسبة المولي) كمذيب منخفض الانصهار ، كانت نسبة السائل الصلبة 20 جم/مل ، وكانت درجة الحرارة 68 ℃ ، وكانت محتوى الماء 20 ٪ ، وكانت الموجة بالموجات فوق الصوتية 200 وات لمدة 45 دقيقة ، وارسلت معدلات الخلاص من الجليكوسات. أفضل بكثير من نتائج استخراج الكواشف العضوية التقليدية. ني يوجيو وآخرون. تستخدم المذيب المنخفض المذيع المنخفضة بمساعدة الموجات فوق الصوتية للحصول على مواد الفينول من وجبة بذور البحر. أظهرت النتائج أنه في ظل نفس وقت الاستخراج ، كان عائد البوليفينول لهذه الطريقة 1.6 ضعف عائد البوليفينول لاستخراج الجزر الساخن.