Metody odzysku związków aktywnych z surowców roślinnych.pdf

laboratorium przemysłowe

dr inż. Tomasz Tarko, dr Aleksandra Duda-Chodak, mgr inż. Małgorzata Ignacok

Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej, Uniwersytet Rolniczy im. H. Kołłątaja w Krakowie

Metody odzysku

związków aktywnych

z surowców roślinnych

Streszczenie

Surowiec roślinny zawiera wiele składników aktywnych wykorzy-

stywanych w różnych gałęziach gospodarki. Ważnym zadaniem

jest ich oddzielenie bez utraty cennych właściwości. W artykule

omówiono różne metody ekstrakcji oraz rozpuszczalniki, które są

stosowane do ich odzysku w zależności od oddzielanego związku

lub grupy związków.

Summary

Plant raw material contains a large amount of active components

used in different types of production. It is very important to sepa-

rate these ingredients without losing their valuable features. In

this dissertation, different methods of extraction are discussed,

in tandem with a variety of solvents applied for the recovery of

those compounds.

Słowa kluczowe

metody odzysku, ekstrakcja, składniki aktywne, surowiec ro-

ślinny

Key words

methods of recovery, extraction, active components, plant raw

material

Surowiec roślinny (owoce, liście, korzenie, kłącza, kwiaty) zawiera

wiele cennych składników aktywnych wykorzystywanych w róż-

nych dziedzinach życia, m.in. w medycynie, farmacji, kosmetyce,

a także w technologii żywności. Jednak w wielu przypadkach za-

chodzi konieczność oddzielenia tych cennych związków z tkanki

roślinnej. Najpowszechniejszą formą jest ekstrakcja. Czynność

ta polega na wyodrębnieniu związku lub grupy związków fazy

ciekłej lub stałej przy pomocy rozpuszczalnika. W zależności od

stanu skupienia substancji uczestniczących w procesie rozróżnia

się ekstrakcję w układzie ciecz – ciecz lub ciało stałe – ciecz (1).

Najczęściej w tym procesie używa się wody, rozpuszczalników or-

ganicznych, rozpuszczalników neutralnych lub gazów obojętnych,

działając na rozdrobniony surowiec stały. W czasie takiej ekstrakcji

w układzie ciało stałe – ciecz najpierw rozpuszczalnik wnika w po-

ry nośnika substancji ekstrahowanej, rozpuszczając go i transpor-

tując do powierzchni rozdziału faz, a następnie do głównej masy

rozpuszczalnika (2).

Czynnikami wpływającymi na efektywność procesu ekstrakcji

są: temperatura, ciśnienie oraz stosunek rozpuszczalnika do fazy

stałej. Im wyższa temperatura i wyższy stosunek fazy stałej do roz-

puszczalnika, tym wydajność ekstrakcji jest większa. Wydajność

ekstrakcji zależy też od stopnia rozdrobnienia surowca i wielkości

cząsteczek substancji ekstrahowanych. Istotne są także właściwości

i sposób przepływu rozpuszczalnika (3) oraz czas i liczba cykli eks-

trakcji. Wraz ze wzrostem czasu trwania procesu i liczby jego cykli

uzyskuje się większą wydajność, ale tylko do pewnego momentu

efekty te są zauważalne i działanie takie jest opłacalne (4).

nie oddzielony od ekstraktu. W zależności od temperatury i czasu,

w ramach maceracji, można wyróżnić digestię (wytrawienie w temp.

30-40°C), infuzję (naparzanie w gorącej wodzie) i dekokcję (wyłu-

gowanie w temp. powyżej 60°C). W perkolacji natomiast wykorzy-

stuje się siły ciężkości wymuszające ciągły przepływ rozpuszczalni-

ka przez materiał ekstrahowany. Metoda immersyjna (dyfuzyjna)

z kolei odznacza się tym, że rozpuszczalnik, w którym zanurzony

jest surowiec, znajduje się w ciągłym przepływie. Ekstrakcja może

być także prowadzona w sposób wielostopniowy, gdzie materiał

przemywany jest kilkakrotnie ekstraktem, a na końcu – przeciw-

prądowo czystym rozpuszczalnikiem (1).

Inną klasyczną metodą jest ekstrakcja przy użyciu aparatu Soxh-

leta, która efektywnością przewyższa wcześniej wymienione techni-

ki. Wyjątek stanowią próby uzyskania związków termolabilnych ze

względu na ogrzewanie materiału. Konwencjonalny system Soxhleta

(rys. 1) polega na tym, że przez materiał ekstrahowany, umieszczony

w gilzie, przepływają w sposób ciągły świeże porcje przedestylowa-

nego rozpuszczalnika. System ten można jednak doskonalić po-

przez zastosowanie dodatkowych urządzeń, jak: pompa próżniowa,

membrany separacyjne, źródło dźwięku czy mikrofal (5).

Metody klasyczne wiążą się ze stosunkowo dużym nakładem

czasu. Ekstrakcja tymi technikami związków wrażliwych na dzia-

łanie światła, tlenu czy wysokiej temperatury może przyczyniać

się do częściowego ich rozkładu i utraty cennych właściwości ak-

tywnych (6).

Inne metody ekstrakcji

W celu skrócenia czasu ekstrakcji, ograniczenia zużycia rozpusz-

czalników, kosztów i ze względu na większą dbałością o środowisko

opracowuje się nowe techniki separacji związków aktywnych. Do

metod tych zaliczają się m.in.: wspomagana ekstrakcja ultradźwię-

Ekstrakcje klasyczne

Najprostszą techniką ekstrakcyjną jest maceracja, w której materiał

zalany jest rozpuszczalnikiem w temperaturze pokojowej, a następ-

Laboratorium | 9 /2008

laboratorium przemysłowe

Wylot

chłodnicy

Separator 2

Separator 1

Piec

Chłodnica

Azot do

oczyszczania

systemu

Wlot

chłodnicy

Ekstraktor

Soxhleta

Produkt 2

lub odpad

Produkt 1

Materiał

ekstrakcyjny

Pompa

Odbieralnik

Zbiornik

rozpuszczalnik

Grzałka

Kolba

ekstrakcyjna

Pompa

Rys. 1. Aparat Soxhleta (5)

Rys. 2. Schemat przebiegu ekstrakcji nadkrytycznej (5)

Rys. 3. Schemat systemu ASE (5)

kowa, ekstrakcja mikrofalowa, ekstrakcja w stanie nadkrytycznym

i przyspieszona ekstrakcja rozpuszczalnikiem, które pozwalają na

pracę w podwyższonej temperaturze i przy zwiększonym ciśnieniu,

jednocześnie skracając czas trwania procesu (5).

goryczkowe (wykorzystywane w browarnictwie) oraz kofeina z ka-

wy bądź herbaty (7).

W systemie SFE (rys. 2) surowiec ulokowany jest w ekstrakto-

rze, który znajduje się pod ciśnieniem wytwarzanym przez pom-

pę. Rozpuszczalnik i wyekstrahowane związki przekierowywane

są do separatorów, w których na skutek obniżania ciśnienia lub

podwyższania temperatury są rozdzielane (5). Ekstrakcja nadkry-

tyczna jest metodą charakteryzującą się szybkim transferem masy

ze względu na wysoką dyfuzyjność i niską lepkość rozpuszczalni-

ka nadkrytycznego oraz dużą rozdzielczość. Poprzez temperaturę

i ciśnienie możliwa jest kontrola właściwości rozpuszczalnika nad-

krytycznego, często będącego gazem, co ułatwia proces separacji

Ekstrakcja w warunkach nadkrytycznych

( supercritical fluid extraction, SFE)

Ze względu na stosunkowo wysokie koszty wykorzystywana jest

ona do pozyskiwania wyjątkowo wartościowych związków. Stoso-

wana jest do oddzielenia m.in.: olejków eterycznych, aromatów,

witamin, β -karotenu i malwidyny, jednak najbardziej popularnymi

produktami uzyskiwanymi tym sposobem są chmielowe związki

Laboratorium | 9 /2008

stanowi zasadniczy element procesu.

laboratorium przemysłowe

substancji ekstrahowanej z rozpuszczalnika (7). Ekstrakt uzyskany

w warunkach nadkrytycznych występuje w postaci pary o wysokiej

temperaturze i ciśnieniu; ekstrakt ten może być dalej frakcjonowa-

ny na składniki (1).

w sieci surowca oraz znacząco modyfikuje przenikalność rozpusz-

czalnika (6). Współdziałanie ciśnienia i temperatury powoduje

wzmocnienie ekstrakcji, gdyż rozpuszczalnik szybciej penetruje

materiał ekstrahowany i przyspiesza kinetykę dyfuzji. W badaniach

przeprowadzonych przez Luthria i in. (10) wykazano, iż ekstrak-

cja ciśnieniowa rozpuszczalnikiem PLE charakteryzuje się większą

wydajnością niż przy użyciu konwencjonalnych metod ekstrakcji,

a przy tym jest szybsza.

Ekstrakcja ultradźwiękowa

Ekstrakcja ultradźwiękowa wykorzystuje zjawisko wzbudzania

drgań mechanicznych przez fale dźwiękowe o częstotliwości

większej niż 20 kHz. Ultradźwięki w trakcie ekstrakcji z mate-

riałów roślinnych mogą prowadzić do destrukcji ściany komór-

kowej i uwolnienia ekstrahowanych składników. Duże znaczenie

odgrywają zastosowana częstotliwość i sposób dystrybucji fal

w ekstraktorze. Istnieją dwa rodzaje aparatów ekstrakcyjnych:

łaźnia ultradźwiękowa lub zamknięty ekstraktor z przetworni-

kiem ultradźwiękowym (5).

W porównaniu z ekstrakcją klasyczną ten sposób jest szybki

i wydajny. Ponadto nie jest drogi i umożliwia pozyskanie bardzo

różnorodnych związków w zależności od użytego rozpuszczalnika.

Ekstrakcja może służyć do odzysku związków termolabilnych (5).

System ten znalazł zastosowanie do oddzielenia olejów i olej-

ków eterycznych z ziół (np. mięty, kopru, chmielu), polifenoli

(w tym antocyjanin), karotenoidów, kwasu winowego, związków

aromatycznych, polisacharydów i związków funkcjonalnych,

ekstrakcji białek soi oraz związków bioaktywnych pochodzenia

zwierzęcego (8).

Ekstrakcja mikrofalowa

Inną techniką wykorzystującą fale jest ekstrakcja mikrofalowa

( microwave-assisted extraction , MAE). Są to jednak fale elektroma-

gnetyczne z zakresu 0,3-300 GHz, a zwykle

w przemyśle i gospodarstwie domowym

o częstotliwości 2,45 GHz. Mikrofale pe-

netrują surowiec i oddziałują z polarny-

mi cząsteczkami (np. wodą), wytwarzając

ciepło i ogrzewając materiał. MAE oferu-

je szybkie, wydajne i równomierne dostarczenie energii do całej

objętości rozpuszczalnika i surowca. Ponieważ woda zawarta

w materiałach roślinnych absorbuje energię mikrofal, następu-

je rozerwanie tkanek przez wewnętrzne przegrzewanie, które

sprzyja desorpcji związków chemicznych i poprawia ich odzysk.

Wydajność ekstrakcji mikrofalowej zależy od przewodności elek-

trycznej rozpuszczalnika i materiału, więc im więcej wody, tym

większy odzysk. Jednak w przypadku związków termolabilnych

korzystniejsza jest mniejsza zawartość wody, by doprowadzić do

dużego podgrzania. Zaletami techniki mikrofalowej są: krótszy

czas, niewielkie zużycie rozpuszczalnika, wysoka wydajność oraz

prostota zastosowania (5).

Znane są dwa rodzaje ekstraktorów handlowych: zamknięte

naczynie ekstrakcyjne działające przy kontrolowanej temperaturze

i ciśnieniu oraz generatory mikrofalowe pod ciśnieniem atmosfe-

rycznym (5).

Ekstrakcja MAE wykazuje wyższość nad ekstrakcją konwencjo-

nalną i ultradźwiękową w ilości uzyskanych polifenoli np. z liści

herbacianych (9).

Przyspieszona ekstrakcja rozpuszczalnikiem

( accelerated solvent extraction , ASE)

Jest to odmiana PLE przypominająca ekstrakcję w warunkach

nadkrytycznych (SFE). Przeprowadzana jest w podwyższanej tem-

peraturze, 50-200°C, oraz pod ciśnieniem w zakresie 10-15 MPa,

co zapewnia, iż rozpuszczalnik znajduje się w stanie ciekłym,

nadal poniżej warunków krytycznych (5). Typowy schemat

systemu ASE przedstawia rysunek 3, str. 29. Poza rozpuszczal-

nikami organicznymi, które są zazwyczaj używane w ekstrakcji

ciśnieniowej, wykorzystuje się także nietoksyczne rozpuszczal-

niki, jak woda lub ditlenek węgla. ASE stosuje się do ekstrakcji

związków organicznych, które są odporne na działanie wysokiej

temperatury (5).

Właściwy dobór rozpuszczalników do warunków

ekstrakcji i rodzaju surowca stanowi zasadniczy

element procesu.

Ekstrakcja do fazy stałej SPE

(solid phase extraction)

Zwykle stosowana jest w celu oczyszczenia i usunięcia niepo-

żądanych związków (4). Polega ona na zaadsorbowaniu odzy-

skanych składników w fazie stałej, a następnie ich wypłukaniu

rozpuszczalnikiem (11). Technika ta umożliwia selektywny od-

zysk związków aktywnych, regulowany ich

różnym powinowactwem do ekstrahenta

oraz temperaturą procesu. Zaletą tej me-

tody jest przede wszystkim ograniczenie

zużycia rozpuszczalników i skrócenie pro-

cesu w stosunku do klasycznej maceracji.

Ponadto zastosowanie ekstrakcji SPE ogranicza problemy konta-

minacji i zautomatyzowania procesu. Technika ta sprawdza się

dobrze w czasie prób ekstrakcji cukrów, kwasów organicznych

i polifenoli w winie (12).

Rozpuszczalniki w ekstrakcji

Właściwy dobór rozpuszczalników do warunków ekstrakcji i ro-

dzaju surowca stanowi zasadniczy element procesu. Poprzez

poznanie właściwości rozpuszczalników i składników rozpusz-

czalnych, a także interakcji zachodzących między nimi można

osiągnąć wysoką skuteczność w odzysku związków aktywnych

z roślin (13). Podczas ekstrakcji używa się różnych roztworów,

np. n-heksanu chloroformu, acetonu, metanolu, etanolu, aceto-

nitrylu, wody, CO 2 , kwasów fosforowych. Ważnym czynnikiem

jest charakter cząsteczek substancji ekstrahowanej. W zależności

od tego, czy substancja ta jest rozpuszczalna w wodzie, alkoho-

lach czy tłuszczach, dobiera się rozpuszczalniki o odpowiednim

charakterze – polarnym lub niepolarnym. Komponenty zawiera-

jące np. kwasy karboksylowe i grupy hydroksylowe będą łatwiej

ekstrahowane wodą (14). Ketony i związki z grupami estrowymi

wykazują właściwości nukleofilowe (donory elektronu) i reagują

zarówno z wodą, jak i alkoholami, a zastosowanie eteru jako roz-

puszczalnika będzie uzasadnione w przypadku wyekstrahowania

substancji o charakterze niepolarnym (15).

Ekstrakcja pod ciśnieniem

W czasie ciśnieniowej ekstrakcji ciekłej PLE ( pressurized liquid extrac-

tion ) czynnikami umożliwiającymi jej przebieg są wysoka tempera-

tura i wysokie ciśnienie. Temperatura powoduje rozerwanie wiązań

Laboratorium | 9 /2008

procesu.

laboratorium przemysłowe

Liczne badania i doświadczenia potwierdzają, iż odpowiedni

dobór metody odzysku substancji aktywnych z roślin zapew-

nia wysoką wydajność procesu i dobrą jakość produktu. Ciągłe

prace prowadzone nad optymalizacją warunków ekstrakcji mają

na celu zmniejszenie zużycia potrzebnych składników, a przez

to zmniejszenie kosztów produkcji. Użycie standardowych me-

tod znanych od wielu lat w połączeniu z różnymi innowacjami

(ultradźwięki, wysokie ciśnienie i temperatura, maceracja obiego-

wa i inne) pozwala na uzyskanie coraz lepszych wyników. W go-

spodarce rynkowej istniejąca konkurencja wymusza na produ-

centach ciągłe doskonalenie metod produkcji i zmniejszanie jej

kosztów przy jednoczesnym zachowaniu jak najwyższej jakości

produktu (16).

7. Łukaszyński D.: Zastosowanie technologii nadkrytycznych do ekstrakcji i ana-

lizy produktów spożywczych oraz substancji aktywnych biologicznie . „Postępy

Nauk Rolniczych”, 1995, 6, 91-99.

8. Vilkhu K., Mawson R., Simons L., Bates D.: Application and opportunities

for ultrasound assisted extraction in the food industry. A review. „Innovative

Food Sci. Emerg. Technol.”, 2008, 9, 161-169.

9. Pan X., Guoguang N., Liu H.: Microwave-assisted extraction of tea polyphe-

nols and tea caffeine from green tea leaves . „Chem. Eng. Process.”, 2003,

42, 129-133.

10. Luthria D., Mukhopadhyay S., Kwansa A.: A systematic approach for

extraction of phenolic compounds using parsley (Petroselinum Crispim) flakes

as a model substrate . „J. Sci. Food Agric.”, 2 006, 86, 1350-1358.

11. Dopico-Garcia M.S., Lopez-Vilarino J.M., Gonzalez-Rodriguez M.V.:

Determination of antioxidants by solid-phase extraction method in aqueous

food simulants . „Talanta”, 2005, 66, 1103-1107.

12. de Villers A., Lynen F., Crouch A., Sandra P.: Development of the solid

phase extraction procedure for the simultaneous determination of polyphenols,

organic acids and sugars in wine . „Chromatographia”, 2004, 59, 403-

-409.

13. Brüggemanna O., Visnjevski A., Burch R., Patel P.: Selective extraction

of antioxidants with molecularly imprinted polymers . „Anal. Chim. Acta”,

2004, 504, 81-88.

14. Yang D.Y., Kakuda Y., Subden R.E.: Higher alcohols, diacetyl, acetoin and

2,3-butanediol biosynthesis in grapes undergoing carbonic maceration . „Food

Res. Internat.”, 2006, 39, 112-116.

15. Markoma M., Masitah H., Wan R., Wan D., Harcharan S., Jamaliah

M.J.: Extraction of hydrolysable tannins from Phyllanthus niruri Linn.: Ef-

fects of solvents and extraction methods . „Sep. and Purif. Techn.”, 2007, 52,

487-496.

16. Lingyun W., Wang J., Zheng X., Teng D., Yang Y., Cai Ch., Feng T.,

Zhang F.: Studies on the extracting technical conditions of inulin from Jeru-

salem artichoke tubers. „J. Food Eng.”, 2007, 79, 1087-1093.

Piśmiennictwo

1. Pijanowski E., Dłużewski M., Dłużewska A., Jarczyk A.: Ogólna techno-

logia żywności. WNT, Warszawa 2004, 200-208.

2. Lewicki P.: Inżynieria procesowa i aparatura przemysłu spożywczego . WNT,

Warszawa 1999, 393-395, 400.

3. Bucić-Kojić A., Planicić M., Srećko T., Bilić M., Velić D.: Study of so-

lid-liquid extraction kinetics of total polyphenols from grape seeds . „J. Food

Eng.”, 2007, 81, 236-242.

4. Naczk M., Shahidi F.: Extraction and analysis of phenolics in foods . „J.

Chromatogr. A”, 2004, 1054, 95-111.

5. Wang L., Weller C.: Recent advances in extraction of nutraceutical from

plants . „Trends Food Sci. Tech.”, 2006, 17, 300-312.

6. Palma M., Pineiro Z., Barroso C.: Stability of phenolic compounds du-

ring extraction with superheated solvents. „J. Chromatogr.”, 2001, 921,

169-174.

Laboratorium | 9 /2008

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: