Ультразвуковая экстракция полисахаридов льна

Главным источником многих биологически активных соединений все еще остается натуральное сырье, как животного, так и растительного происхождения, несмотря на то, что современная химия достигла впечатляющих успехов в области синтеза большого числа таких веществ. Следовательно, особого внимания заслуживает изучение и интенсификация процесса экстрагирования разнообразных ценных компонентов из природного сырья.

К сожалению, традиционные методы экстрагирования являются достаточно длительными, трудоемкими и, что самое неприятное, довольно малоэффективными.

Сложившаяся на сегодняшний день довольно сложная экологическая обстановка диктует новые подходы к переработке природного сырья: необходимы пути его наиболее полного использования. В частности, возникает вопрос наиболее рационального выбора технологических аппаратов для осуществления процесса экстрагирования. Одним из новых и перспективных методов является использование ультразвукового воздействия в процессе экстракции разнообразных биологически активных веществ из природных материалов. Для достижения максимального выхода ценных компонентов в жидкую фазу при сохранении ими своей нативной структуры необходим индивидуальный подход к выбору оптимальных режимов ультразвуковой обработки для каждого вида сырья.

1. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В ПРОЦЕССАХ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ

1.1 Ультразвук в химической технологии. Общий обзор

Применение ультразвуковых колебаний в химической технологии является весьма перспективным: во многих случаях оно обеспечивает исключительно высокую интенсивность технологического процесса, не достижимую с помощью таких широко распространенных методов как механическое перемешивание, применение высоких температур и давлений и т.п. Поэтому проблема применения ультразвука в процессах химической технологии заслуживает серьезного внимания.

Началом работ в этой области можно считать двадцатые годы прошлого столетия, когда Р. Вудом была показана возможность ультразвуковой интенсификации ряда физико-химических процессов. В настоящее время трудно назвать область химической технологии, в которой б не находил применения ультразвук (1).

Ультразвуком принято называть колебания, распространяющиеся в упругой среде со сверхзвуковой частотой, иначе говоря, с частотой, превышающей верхний порог слышимости человеческого уха – 20 000 Гц.

Ультразвуковые волны могут распространяться в любых упругих телах: жидких, твердых и газообразных.

Акустические колебания воздействуют на химико-технологические процессы через так называемые эффекты первого порядка (частота, интенсивность, скорость акустических колебаний) и эффекты второго порядка, т.е. нелинейные эффекты, развивающиеся в жидкости при распространении мощных акустических волн. К эффектам второго порядка относятся кавитация (разрыв сплошности жидкости), акустические течения (звуковой ветер), пульсация газовых пузырьков и др.(2).

Раньше полагали, что для интенсификации технологических процессов необходимы колебания высоких частот (не менее 300-500 кГц). В последнее время успешно применяют акустические колебания как средней (от долей Вт/см до нескольких Вт/см), так и большой (10 Вт/см и выше) интенсивности.

Таким образом, современная техника практически использует упругие механические колебания весьма широкого диапазона и интенсивностей.

Сознательное изменение скорости процесса, в частности путем воздействия на него упругих колебаний, требует понимания механизма и кинетики этого процесса. Объектом воздействия должна быть, прежде всего, лимитирующая стадия процесса. Естественно, что для эффективного воздействия на нее необходимо располагать сведениями о зависимости направления и скорости этой стадии от параметров акустического поля. Поэтому, наряду с исследованием влияния ультразвука на разного рода сложные технологические процессы, необходимо глубокое изучение его влияния на «элементарные» явления, составляющие эти процессы.

В настоящее время применение ультразвуковых колебаний в химической технологии развивается в двух основных направлениях:

контроль технологических процессов и качества продукции;

интенсификация производства (1).

1.2 Экстрагирование в системе твердое тело – жидкость

1.2.1 Экстракция. Основные понятия

Экстракцией в широком смысле называют процессы извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов) (3).

Экстрагирование в системе твердое тело – жидкость - один из важнейших технологических процессов, нашедших широкое распространение в химической, химико-фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.

Движущей силой процесса экстракции является разница концентраций экстрагируемого вещества в жидкости, заполняющей поры твердого тела, и в основной массе экстрагента, находящегося в контакте с поверхностью твердых частиц. Механизм экстрагирования в общем случае включает следующие стадии:

проникновение экстрагента в поры твердого материала;

растворение целевых компонентов;

перенос экстрагируемого вещества из глубины твердой частицы к поверхности раздела фаз: в элементарных случаях с помощью молекулярной диффузии, а при осложнении этого механизма другими явлениями (растворением, набуханием) – помощью массопроводности;

перенос вещества от поверхности раздела фаз вглубь экстрагента с помощью конвективной диффузии (массоотдачи) (1).

При экстрагировании в системе твердое тело – жидкость процесс может лимитироваться следующими стадиями:

внешнедифузионной – скорость процесса определяется скоростью диффузии в объеме при условии, что концентрация растворителя в порах и на поверхности твердого материала меньше его концентрации в объеме;

внутридиффузионной – скорость процесса определяется скоростью диффузии в порах вещества;

внутренней кинетической – при условии, что пористый материал обладает относительно низкой химической активностью, а концентрация растворителя в порах равна концентрации в объеме;

внешней кинетической – реагент имеет относительно высокую химическую активность, вследствие чего реакция проходит на поверхности пористого материала при условии, что скорость реакции лимитирует скорость всего процесса (при малой пористости вещества) (4).

Эффективность процесса экстрагирования зависит от большого числа параметров, например, от формы нахождения извлекаемого компонента, характера взаимодействия твердого тела с извлекаемым компонентом, различия в избирательной способности экстрагента по отношению к компонентам, содержащимся в твердой фазе, от структуры пористого материала (5).

1.2.2 Экстрагирование биологически активных веществ из растительного сырья

Главная особенность процесса экстрагирования из пищевого и растительного сырья состоит в том, что физические свойства сырья в значительной степени изменяются в процессе экстрагирования, и это оказывает существенное влияние на все стадии процесса.

Экстрагирование БАВ – главная, но и наиболее продолжительная стадия переработки сырья. Сложность изучения процессов твердофазного экстрагирования обусловлена, во-первых, неопределенностью изменения структуры твердой фазы во время извлечения из нее целевых компонентов, во-вторых, полидисперсностью твердой фазы. Кроме того, возникают определенные трудности при выборе избирательного экстрагента (1).

На большинстве заводов экстрагирование ведется малоэффективными методами, такими как: мацерация, перколяция, выпаривание, настаивание, отваривание (4). Мацерация представляет собой обычное вымачивание, при котором происходит разрушение клеточных стенок растительного сырья и растворение экстрагируемых веществ. Длительность процесса достигает 14 дней. При перколяции, или просачивании, растворитель просачивается через слой измельченного сырья и «вымывает» целевые компоненты. Основные физические явления, обуславливающие процесс перколяции, - гравитация, вязкость, адгезия, трение, осмос, поверхностные, капиллярные явления и растворение (5).

Но все используемые в данное время методы экстракции довольно неэкономичны, что приводит к их ограниченному применению.

1.2.3 Интенсификация экстракционных процессов под действием ультразвука

Применение различных электрофизических методов (в частности, ультразвука) позволило по-новому построить технологический процесс, значительно ускорить его, повысить выход и улучшить качество продукции. Доказана целесообразность широкого применения ультразвука не только в пищевой и фармацевтической промышленности, но и для воздействия на различные технологические процессы (6).

Большое количество исследований в области ультразвуковой интенсификации различных гомо- и гетерогенных процессов посвящено выделению из смесей, сплавов необходимых веществ, а также очистке вод, почв и воздуха. Так, описаны ультразвуковая экстракция диметионата (7), экстракция антител из клеток (8), экстракция гербицидов из почвы с использованием ультразвука (9), эндоскопическая экстракция жировой массы с помощью ультразвукового скальпеля (10), жидкофазная экстракция полициклических ароматических углеводородов из загрязненных вод с помощью ультразвука (11), экстракция полициклических ароматических углеводородов из лесных почв (12). Ультразвуком также выделяют из микрооранизмов аминокислоты и белки с сырным вкусом для придания вкусовых качеств различным сырам (13), производят выделение из клеток фермента эндонуклеазы (14), осуществляют твердо-жидкостную ультразвуковую экстракцию селена из биологических образцов (15).

Показано, что ультразвуком из сырья растительного происхождения в диапазоне частот 19 кГц – 1 МГц возможно извлекать практически все известные соединения, продуцируемые растениями. Кинетика ультразвуковой экстракции биологически активных веществ зависит от принадлежности к определенной химической группе, а степень извлечения растет в ряду: масла, алкалоиды, фуранохромы, флавоноиды, сапонины, гликозиды (16). При использовании ультразвука наблюдается не только значительное ускорение процесса, но и увеличение по сравнению с другими способами экстрагирования выхода продукта (17).

Преимущества ультразвуковой экстракции по сравнению с другими способами:

минимальное применение ручного труда;

сокращение времени технологических процессов.

Однако недостатком этого метода является то, что ультразвуковое воздействие, используемое для обработки растительного сырья является, очень мощным и достаточно длительным. Проведение процесса в этих условиях вызывает мощный разогрев раствора, и, следовательно, разрушение некоторых классов БАВ (2).

Можно выделить несколько основных параметров, которые собственно и делают процесс ультразвукового экстрагирования более эффективным по сравнению с традиционными методами экстракции. К числу факторов, способствующих интенсификации, относятся:

увеличение скорости обтекания;

ускорение пропитки твердого тела жидкостью;

увеличение коэффициента внутренней диффузии;

кавитационный эффект, влияющий на структуру пористых тел и приводящий к появлению микротрещин;

свойства звуковых и ультразвуковых колебаний предотвращать экстракцию пористых частиц твердыми инертными примесями (17).

Под действием ультразвуковых колебаний происходит более быстрое и активное разрушение внутриклеточных тканей растительного сырья, что приводит к интенсификации процесса экстракции и дает возможность увеличить содержание биологически активных соединений в растворе.

В акустическом поле, наряду со снятием диффузионных ограничений, большое значение для интенсификации процесса экстракции имеют также другие процессы. Одним из таких важных процессов является диспергирование, другим - нарушение мицеллярной структуры экстрагируемого вещества как в воде, так и в органических растворах.

Показано действие акустических колебаний на увеличение межфазной удельной поверхности реагирующих компонентов. Диспергирование при этом идет как за счет разрушения частичек твердой фазы, так и за счет поверхностного трения между твердыми и жидкими фазами. Уменьшается толщина диффузионного пограничного слоя, увеличивая активацию молекул, в результате чего повышается количество результативных соударений молекул реагирующих компонентов. В результате использования вихревой экстракции в процессах экстракции веществ из корня валерианы привело к заключению, что сочетание механического воздействия (размол, разрыв клеток при ультразвуковой обработке) с турбулизацией среды по обе стороны клеточной перегородки положительно сказывается на изменении внутреннего сопротивления.

При экстрагировании растительного сырья рекомендуется предварительное замачивание, длительность которого зависит от скорости вытеснения воздуха из клетки. Однако многие капилляры заканчиваются в пачках и фибриллах, не выходя наружу. Ультразвук, создавая звукокапиллярный эффект, не только ускоряет вытеснение таких пузырьков воздуха, но и создает условия для растворения его в жидкостях. На концах капилляра возникает разность давлений в результате турбулентного движения пограничного слоя при наложении ультразвука. Протекая с большой скоростью мимо отверстия капилляра, слой проявляет отсасывающий эффект, то есть здесь формируется зона с пониженным давлением (2).

Решающим фактором ускорения процессов, протекающих в ультразвуковом поле, является кавитация, поэтому рассмотрим её подробнее.

При действии акустических волн происходит образование и рост парогазовых пузырьков в жидкости, которые колеблются, пульсируют и схлопываются (быстро сжимаются и могут растворяться в жидкости). Образование и движение такого рода пузырьков принято называть кавитацией – нарушением сплошности жидкости.

Давление внутри образовавшегося кавитационного пузырька в начальный момент весьма мало по сравнению с давлением в жидкости. Жидкость устремляется при этом к центру, и пузырек схлопывается. В этом случае, так же, как и при фокусировке сходящейся ударной волны, осуществляется концентрирование энергии. Радиальная скорость стенки пузырька и давление в нем возрастают по мере уменьшения радиуса пузырька. При схлопывании пузырька в момент достижения минимального размера в центральной области образуется пик давления и в направлении от центра формируется и распространяется в жидкости сферическая ударная волна. Результаты изучения динамики развития кавитационного поля показали, что при одновременном воздействии ультразвуковых волн двух различных частот (22-44 кГц и 1 МГц) наблюдается значительное повышение эффективности кавитации, гораздо большее, чем при линейном суммировании действия каждого из полей различных частот. Этот факт можно объяснить различием резонансных радиусов при высоких и низких звуковых частотах: существование крупных кавитационных пузырьков при низкой частоте приводит к их эффективному «размножению» при действии высоких частот, а образование вследствие этого большого числа зародышей кавитации способствует их эффективному росту при низкочастотных ультразвуковых колебаниях. Следовательно, низкие частоты увеличивают средний радиус пузырьков, а высокие частоты – их стационарную концентрацию (18). При рассмотрении звуковых волн приходится считаться с тем, что упругая среда, в которой происходят колебания, обладает вязкостью, т.е. в среде имеются вполне определенные потери энергии. Учитывая поглощение звука, обусловленное вязкостью среды, Стокс дал уравнение распространения плоской волны в следующем виде:

 = С+ ,                                   (1)

где  - коэффициент динамической вязкости;

С – скорость распространения звука;

- потенциал скорости;

       - температура.

Но поглощение звука может быть вызвано не только вязкостью, но и теплопроводность среды. Действительно, поскольку процесс распространения звуковых волн является адиабатическим, то температура среды не остается постоянной. Учитывая поглощение от вязкости и теплопроводности, будем иметь:

А = А+А,                                                        (2)

где А - поглощение звука, вызванное теплопроводностью;

А - поглощение звука, вызванное вязкостью(20).

Необходимо отметить, что использование ультразвука не всегда приводит к положительным результатам. Так, при озвучивании растительных клеток может происходить разрыв клеточных оболочек, свертывание протоплазм, переход в растворимую форму ряда веществ и др. Например, при воздействии ультразвука на свекловичную стружку происходит потеря сахара с жомом, соответственно снижается коэффициент извлечения, что может объясняться образованием оптически активных веществ, вращающих плоскость поляризации противоположно продуктам распада сахарозы. Эти обстоятельства заставляют более осторожно относиться к использованию ультразвука и тщательно изучать его действие на исследуемые объекты (6).

2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

2.2 Лен посевной (лен обыкновенный) (LinumunitatissimumL.)

Однолетнее травянистое растение с тонким стеблем. Листья многочисленные, очередные, узколанцетные, сидячие, покрыты восковым налетом. Цветки в рыхлом раскидистом соцветии (извилина). Венчик свободнолепестный с 5 лепестками голубого цвета с темносиними жилками; тычинки также синие. Плод - шарообразная коробочка с остающейся чашечкой с 10 семенами.

В России лен разводится с самого основания государства; особенно сильно льноводство развито в Псковской, Новгородской, Ярославской, Костромской, Тверской, Вологодской и других областях.

Лен имеет большое хозяйственное и лекарственное значение. Льняное масло считается ценным питательным продуктом. Из надземной части растения вырабатывают полотно, используемое на скатерти, постельное белье, а также батист, холст, технические ткани и бумаги. Из льняной пакли изготавливают шпагат и веревки. Льняное масло используется также для производства олифы, лаков, красок, линолеума, искусственной кожи, зеленого мыла и мыльного спирта, а льняной жмых, в котором до 30% протеина, считается хорошим кормом для скота и птицы.

2.2 Препараты и применение в медицине

2.2.1 Льняное семя (SemenLini)

Семена льна применяют наружно при различных местных воспалительных процессах в виде компрессов и припарок. Значение слизистых припарок состоит в том, что они замедляют испарение, препятствуют высушиванию тканей, смягчают и умеряют воспаление на месте приложения.

Свежие семена льна применяют также внутрь в качестве нежного слабительного. Разбухая в содержимом желудочно-кишечного тракта, они механически раздражают рецепторы стенки кишечника и тем самым усиливают перистальтику.

Употребление в пищу семени льна нормализует также функцию печени (20).

Основными нутриентами, определяющими биологическую активность льняного семени являются: жирное масло, белковые вещества, витамины, ферменты, слизь, углеводы, органические кислоты и др. жирное масло, в состав которого входят глицериды линоленовой (35-45%), линолевой (25-35%), олеиновой (15-20%), стеариновой (8-9%) , белок (18-33%), углеводы (12-26%), органические кислоты, витамин А (21).

В оболочках семян находятся высокомолекулярные соединения, дающие при гидролизе линокофеин, линоцимарин. Кроме того, семена включают макроэлементы (мг/л) – калий (до 15), кальций (до 5), магний (около 4), железо (около 0,1); микроэлементы – марганец, медь, цинк, хром, алюминий, селен, никель, йод, свинец, бор (20).

Углеводы льна образуют устойчивые коллоиды - слизи. Слизи образуются в растениях в процессе естественного развития и выполняют роль резерва углеводов, воды, а также защитного биоколлоида. В семенах они, по-видимому, играют роль резервуаров для удерживания воды, чтобы защитить семена от обезвоживания. В химическом отношении в слизях преобладают пентозаны (до 90%). Из физических свойств для слизей характерна их полная растворимость в воде. Слизистые вещества льняных семян представляют собой сложные химические соединения моносахаридов, показано, что они содержат цепи из чередующихся остатков D-галактуронововой кислоты и L-рамнозы, к которым присоединены боковые цепи, состоящие из остатков 3-О-метил-D-галактозы, D-галактозы, L-рамнозы и D-ксилозы, а также 4-О-метил-D- глюкуроновой кислоты: