ultrazvucna ekstrakcija bioaktivnih spojeva

Download Ultrazvucna Ekstrakcija Bioaktivnih Spojeva

Post on 21-Sep-2014

121 views

Category:

Documents

7 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Croat. J. Food Sci. Technol. (2010) 2 (2) 22-33

Ultrazvuna ekstrakcija bioaktivnih spojevaHelena Drmi, Anet Reek Jambrak*Sveuilite u Zagrebu, Prehrambeno-biotehnoloki fakultet, Pierottijeva 6, 10000 Zagreb, Hrvatska pregledni rad

SaetakU dananje vrijeme, trae se alternative klasinim, toplinskim metodama procesiranja hrane. Jedna od novijih tehnika jest tehnika minimalnog procesiranja hrane, pod kojom podrazumijevamo i tretiranje ultrazvukom. Ultrazvuna tehnologija moe biti vrlo korisna kod minimalnog procesiranja hrane, jer je prijenos akustine energije kroz proizvod brz i cjelovit, to omoguava redukciju ukupnog vremena obrade, te niu potronju energije. Djelovanjem industrije nastaje sve vie otpadnih materijala, a u elji ouvanja globalnih resursa i poboljanja energetske efikasnosti, istrauju se naini ekstrakcije aktivnih tvari iz biolokih izvora sa ciljem primjene u prehrambenoj i farmaceutskoj industriji te medicini. Metodom ultrazvune ekstrakcije bioaktivnih tvari nastoji se smanjiti upotreba otapala ili potpuno izbjegavati njihova upotreba. Ograniava se povienje temperature tijekom tretmana te se dobiva vei prinos ekstraktivnih, bioaktivnih tvari. U ovom radu prikazan je mehanizam ultrazvuno inducirane ekstrakcije te primjeri ekstrakcije aktivnih tvari iz razliitih biljnih materijala. Ultrazvuk moe poboljati postojee mehanizme ekstrakcije te omoguiti nove mogunosti komercijalne ekstrakcije. Primjena (ultrazvune kemije) sonokemije nudi bolji prinos eljenih komponenti, poveanu stopu ekstrakcije te postizanje smanjenja vremena tretiranja. Kljune rijei: ultrazvuk, ultrazvuna kemija, ekstrakcija, bioaktivne tvari

Uvod Jedan od stalnih izazova s kojima se prehrambeni tehnolozi susreu jest razvoj tehnologije izrade novih prehrambenih proizvoda i razvoj funkcionalnih proizvoda. Danas se osobito razmatraju metode ne-toplinske obrade u koje spadaju primjena ultrazvuka, obrada visokim pritiskom, pulsirajuim elektrinim i magnetskim poljem itd. (Wan i sur., 2005; Lelas, 2006). Primjena ultrazvuka ranije je bila uglavnom ograniena na ienje i emulgiranje dok se danas otkrivaju prednosti uporaba ultrazvuka na razliitim podrujima, poput kristalizacije, suenja, ekstrakcije, filtracije, zamrzavanja, homogenizacije, sterilizacije, degradacije itd. (Fairbanks, 2001; Mason, 1992; Povey, 1998). U ovom radu istraivana je primjena ultrazvuka za ekstrakciju biokomponenti. Na taj nain eli se postii vei prinos eljenih supstanci, to je glavni interes sa strane industrije, uz smanjenje vremena ekstrakcije i redukcije u koritenju otapala (Albu i sur., 2004, Balachandran i sur., 2006). Novi pristup ekstrakciji, djelovanjem ultrazvuka omoguava poboljanu bioraspoloivost mikronutrijenata zadravajui pritom njihova izvorna svojstva. Mogue je izbjei nastajanje slobodnih radikala, osobito u vodenim sustavima kako bi se izbjegla degradacija bioaktivnih sastojaka. S druge strane radikali se mogu koristiti u

smislu postizanja ciljane hidroksilacije polifenola i karotenoida (Ashokkumar i sur., 2008), ime bi se omoguilo poveanje njihove bioloke aktivnosti. Metode koje su se donedavno koristile za ekstrakciju, poput ekstrakcije otapalima, vruom vodom, luinama i sl., mogu uzrokovati degradaciju eljenih komponenti zbog visokih temperatura, drugog vremena ekstrakcije ili loe odre enih sigurnosnih kriterija tijekom zraenja. Ekstrakcija bioaktivnih komponenti ultrazvukom (20-100 kHz) jedna je od novijih tehnika koje omoguuju visoku reproducibilnost u kraem vremenu (Caili i sur., 2006), jednostavnije rukovanje, nie temperature te koritenje manjih koliina otapala (Chemat, Tomao i Virot, 2008). Tijekom tretiranja ultrazvukom kavitacije uzrokuju bubrenje stanica te probijanje staninih stjenki (Vinatoru, 2001), to omoguuje visoke brzine difuzije kroz staninu stjenku te jednostavnije ispiranje sastojaka stanice. Uz otapalo, temperaturu i pritisak, za optimiziranje procesa potrebno je dobro posloiti faktore ultrazvunog tretiranja poput frekvencije, vremena tretiranja, snage ultrazvuka te distribucije ultrazvunih valova. Da bi se postigao maksimalan prinos potrebno je optimizirati uvjete temperature, snage ultrazvuka te izbor otapala (Wang i Weller, 2006).

*

Corresponding author: University of Zagreb, Faculty of Food Technology and Biotechnology, Pierottijeva 6, 10000 Zagreb, Croatia; arezek@pbf.hr

Helena Drmi et al. / Ultrazvuna ekstrakcija / Croat. J. Food Sci. Technol. / (2010) 2 (2) 22-33

UltrazvukU dananje doba istraivanje ultrazvuka se viestruko povealo zbog njegove potencijalne primjene u prehrambenoj industriji, za analizu i modifikaciju prehrambenih proizvoda. Ako je primijenjena frekvencija visoka, govorimo o dijagnostikom ultrazvuku niske energije, a ako je frekvencija niska, govorimo o ultrazvuku visoke energije. Dijagnostiki ultrazvuk, tj. ultrazvuk niskog intenziteta (intenzitet manji od 1 W cm-2) djeluje u frekvencijskom rasponu od 2 MHz na vie (Mason i Luche, 1996). On ne uzrokuje fizike niti kemijske promjene u svojstvima medija na koji je primijenjen te se zato smatra neinvazivnom tehnikom, a koristi se kao analitika tehnika za kontrolu obrade hrane, mjerenja teksture, sastava (Povey i Mason, 1998; Reek Jambrak i sur., 2010), viskoznosti, brzine protjecanja, kontrolu pakiranja, odre ivanja razine kapljevine u bavama ili tankovima, koncentracije tvari u hrani itd. Ultrazvuk visokog intenziteta sa rasponom frekvencija od 20 do 100 kHz (Povey i Mason, 1998, Villamiel i de Jong, 2000, Reek Jambrak i sur., 2010) te visokih intenziteta (u rasponu od 1 do 1000 W cm-2), moe uzrokovati fizike promjene materijala te odre ene kemijske reakcije u materijalima na kojima je primijenjen. Koristi se za ienje (Crawford, 1963), otplinjavanje tekuina, homogenizaciju tekuina (Villamiel i de Jong, 2000), suenje, omekavanje mesa, ekstrakciju, emulgiranje (Povey i Mason, 1998), destilaciju, kristalizaciju (Mason i sur., 1996), sterilizaciju itd. U prehrambenoj industriji bitan je potencijal za primjenu ultrazvuka kao metode ne-toplinske obrade hrane budui da moe uzrokovati inaktivaciju enzima i mikroorganizama (Lopez-Malo i sur., 2001), poboljavanje emulgiranja i dispergiranja ili ubrzavanje odre enih kemijskih reakcija. Frekvencije valova zraenja koje se najee koriste u svrhu ultrazvunog ienja, 18-120 kHz, lee odmah iznad ujnog spektra frekvencija. Zvuni val je odre en svojom amplitudom (A) i varijabilnom frekvencijom (f) te valnom duljinom (l) i koeficijentom priguenja (). Amplituda (A) je izravno proporcionalna elektrinoj energiji koja se primjenjuje na transduktor te se smanjuje s porastom udaljenosti zbog priguenja, a do priguenja dolazi zbog adsorpcije i rasprivanja. Koeficijent priguenja () je mjera smanjenja amplitude ultrazvunog vala nakon njegova prolaska materijalom te se moe definirati slijedeim izrazom: A= A0 (1)

Mehanizam i djelovanje ultrazvuka Ultrazvuk visokog intenziteta moe se stvoriti na razliite naine, pokretanjem tekuine, mlazom plina ili na najee upotrebljavan nain u sustavu prehrambene industrije pomou elektrine snage. Generator pretvara napon istosmjerne struje u visoke frekvencije od cca. 25 kHz (25000 ciklusa po sekundi) elektrine energije. Elektrina ili mehanika energija se pretvara u energiju zvuka pomou ultrazvunih pretvaraa. Takvi elektroakustini sustavi su uglavnom piezoelektrini (Mason, 1998), ili rijetko magnetnostriktivni pretvornici. Piezoelektrini kristali se ire i kontrahiraju u promjenjivom elektrinom polju. Uslijed privlaenja polariziranih molekula dolazi do pojave mehanikih vibracija koje se pojaavaju na pojaalu te se ultrazvuni valovi sondom emitiraju u medij. Prolaskom ultrazvunog vala kroz medij dolazi do nastanka longitudinalnih valova, to pak dovodi do stvaranja podruja promjenjivih kompresija i ekspanzija tlaka (Sala i sur., 1995, Povey i Mason, 1998). Dolazi do formiranja milijuna mikroskopskih mjehuria (upljina), koji se proiruju pod utjecajem negativnog tlaka, a potom naglo implodiraju pod utjecajem pozitivnog tlaka. Za pretvarae je bitno odsustvo zraka u sondi, zbog vrlo niske akustike impedancije i visoke akustine apsorpcije zraka, koji dovode do gubitka akustine energije (GallegoJuarez, 1998). Ultrazvune zrake mogu biti usmjerene geometrijski; primjerice pomou lea ili sa sfernim zakrivljenim sondama te elektronikim putem; podeavanjem relativne faze elemenata u podruje sonde ("faznom polju"). S dinamikim prilago avanjem elektronskih signala do elemenata u faznom polju, zrake mogu biti raspore ene na razliitim lokacijama, a odstupanja zbog strukture tkiva mogu se ispraviti.

Slika 1. Fotografski prikaz kavitacijskog mjehuria (Suslick, 1994) Fig. 1. Photograph of cavitational bubble (Suslick, 1994)

gdje je: A0 poetna amplituda zvunog vala, a x prije ena udaljenost (Reek Jambrak i sur., 2010).

23

Helena Drmi et al. / Ultrazvuna ekstrakcija / Croat. J. Food Sci. Technol. / (2010) 2 (2) 22-33

Kavitacija Prilikom irenja zvunog vala kroz tekui medij nastaju longitudinalni valovi to dovodi do izmjeninih ciklusa kontrakcije i ekspanzije te ekspanzivnih vrtloga. Kao rezultat oscilacija tlaka u mediju mjehurii osciliraju te uvijek u fazi ekspanzije malo vie narastu nego to se smanje tijekom faze kompresije (Suslick, 1990). U odre enom trenutku, kao to je prikazano na Slici 2, kada mjehuri dosegne odre enu kritinu veliinu ne moe vie uinkovito apsorbirati energiju, a bez ulazne energije upljina se ne moe samo odravati i mjehuri seKompresija Compression

uruava sam u sebe. Kritina veliina mjehuria ovisi o primijenjenoj frekvenciji i mediju koji se tretira, npr. pri frekvenciji ultrazvuka od 20 kHz, kritina veliina je okvirno 170 m (Suslick, 1994). Takve ciklusne fluktuacije tlaka dovode do formiranja velikog broja udubljenja, koje nastaju zbog poveane difuzije plina u mjehuriu tijekom ekspanzijskog ciklusa, uslijed poveanja povrine mjehuria. Kada energija ultrazvuka nije dostatna da se zadri plinska faza u mje

View more >