استخراج به کمک امواج مایکرویو در صنایع غذایی

چکیده :
در سالهای اخیر استفاده از امواج مایکرویو در صنایع غذایی مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از تکنیکهای سنتی در استخراج ترکیبات از منابع گیاهی مستلزم صرف زمان و حلال می باشد، همچنین از لحاظ دمایی ایمن نیستند و باعث تجزیه تعدادی از ترکیبات موجود می گردند. در این گفتار، توانایی انجام سریع استخراج در مقادیر زیاد با مصرف کمتر حلال و محافظت از ترکیبات حساس به حرارت که از جنبه های جالب استخراج با امواج مایکروویو می باشد پرداخته شده است. همچنین اصول و طرز کار استخراج با امواج مایکروویو، شرایط انجام آن، فواید، مضرات و عوامل موثر بر اجرای آن شرح داده شده است.

 .1  مقدمه :
در گذشته استخراج با حلال متداولترین روش استخراج بود. از معایب این روش :

 (1) طولانی بودن زمان استخراج

 (2) استفاده از مقادیر زیاد حلال که مستلزم صرف هزینه و وقت برای بازیافت و تبخیر بود

(3) استفاده از حرارت زیاد که جهت افزایش محلولیت ترکیبات مورد نظر و بهبود انتقال جرم و در عوض تجزیه حرارتی برخی ترکیبات می باشد [1و2]. در سالهای اخیر استفاده از امواج مایکرویو در استخراج نتایج ارزنده ای را ارائه داده است. این روش باعث افزایش بازده استخراج در زمان کمتر و با استفاده از حلال کمتر، افزایش مقدار ترکیبات استخراج شده و آسیب کمتر به محیط زیست می گردد [2و3].


2. استخراج با امواج مایکروویو(MAE)

استخراج با امواج مایکرویو یکی از انواع استخراج است که بر مبنای گرم شدن یک حلال آلی می باشد. اصول آن بدینگونه است که یک نمونه و حلال مناسب آن ( یا مخلوطی از حلال ها) در یک ظرف قرار داده می شوند و سپس بوسیله امواج مایکرویو تحت فشار قرار گرفته و گرم می شوند. بعد از حدود 5 تا 20 دقیقه استخراج به اتمام می رسد و اجازه داده می شود تا سرد گردد. سپس مخلوط نمونه و حلال برداشته شده و فیلتر می گردد. ظرفیت گرم شدن نیز بستگی به خصوصیات حلال در جذب امواج مایکرویو دارد. حلالهای قطبی مانند استن انرژی مایکروویو را بهتر جذب می کنند. زیرا آنها ملکولهایی با دوقطبی ثابت دارند. اما حلالهای غیر قطبی مانند هگزان وقتی در معرض مایکروویو قرار می گیرند گرم نمی شوند اما می توانند در ترکیب با حلالهای قطبی بکار روند تا ویژگی گرم شدن آنها بهبود یابد. مخلوطی از حلالها که در MAE استفاده می گردند شامل استونیتریل/متانول، هگزان/استن، اتیل استات/سیکلوهگزان و ایزواکتان/ استن می باشند.

 مایکرویو امواج الکترو مغناطیسی با فرکانس 3/0 تا 300 گیگاهرتز هستند. مایکرویوهای خانگی و صنعتی معمولا در فرکانس 45/2 گیگاهرتز کار می کنند. در استخراج با امواج مایکرویو امواج جذب شده توسط نمونه موجب تولید گرما می گردد که این گرما موجب تبخیر آب نمونه و اعمال فشار روی دیواره سلولی نمونه می گردد که منجر به تخریب دیواره و رهایی ترکیبات درون سلول می گردد [1و5]. بنابراین استفاده از امواج مایکرویو مقدار ترکیبات استخراج شده را بهبود می بخشد اما با حلال آب مقدار ترکیبات فنولی استخراج شده با امواج مایکرویو نسبت به روش سنتی کاهش یافت که دلیلش این است که اگرچه آب ضریب دی الکتریک بالایی دارد اما فاکتور اتلاف آن پایین است و منجر به تخریب حرارتی برخی ترکیبات حساس می گردد {3}

3. دستگاه MAE

دو نوع سامانه تجاری MAE در دسترس می باشد: سیستم محفظه بسته و مایکرویوهای متمرکز. سیستم محفظه بسته تحت فشار و دمای کنترل شده انجام می گیرد. در مایکرویوهای متمرکز فقط بخشی از محفظه استخراج حاوی نمونه در معرض تابش امواج مایکرویو قرار می گیرد. از سیستم محفظه بسته برای استخراج تحت شرایط شدید مانند استخراج در دماهای بالا استفاده می گردد. اصولا فشار در محفظه به حجم و نقطه جوش حلالها بستگی دارد. سیستم مایکرویو متمرکز می تواند در دمای ماکزیمم تعیین شده توسط نقطه جوش حلالها در فشار اتمسفری انجام گیرد. یک سامانه مایکرویو از اجزای زیر تشکیل شده است:

(1) ژنراتور مایکرویو: ماگنترون، که انرژی مایکرویو را تولید می کند.
(2) هدایت کننده امواج: که امواج مایکرویو را از منبع به محفظه منتشر می کند.
(3) محفظه: کهنمونه در آن قرار می گیرد.
(4) انتشار دهنده: که مایکرویو را فقط درمسیر مستقیم منتشر می کند
توسعه MAE شامل بهینه سازی ترکیب حلال، حجم حلال، دمای و زمان استخراج می باشد. دمای مخلوط نمونه و حلال معمولا بالای دمای جوش حلال (حلالها) می باشد

4. نوع حلال و حجم آن

در زمان انتخاب حلال باید به خصوصیات جذب مایکرویو توسط حلال، برهم کنش حلال با ماتریکس و حلالیت آنالیت در حلال توجه شود. کارایی و انتخابگری MAE بستگی به ثابت دی الکتریک حلال دارد. حلال باید دارای ثابت دی الکتریک بالا باشد.و به مقدار فراوان انرژی مایکرویو را جذب کند. حلالهایی مانند اتانول، متانول و آب به مقدار کافی قطبی اند و توسط مایکرویو گرم می شوند. اما حلالهای غیر قطبی با ثابت دی الکتریک پایین مانند هگزان و تولوئن حلالهای مناسبی برای MAE نیستند. افزودن مقداری آب به این حلالها (حدود 10%) سرعت گرم شدن این حلالها را بهبود مبی بخشد. حجم حلال مورد نیاز برای یک نمونه تنها در محدوده 10-30 میلی لیتر می باشد.
حجم حلال باید تا حدی باشد که نمونه در آن غوطه ور شود بخصوص در نمونه هایی که در حین استخراج متورم می گردند. معمولا حجم بیشتر حلال ، بازیافت را بهبود می بخشد.

5. دما و زمان

از پارامترهای مهم در MAE دماست که فاکتور مهمی در بازیابی کمی است. در MAE محفظه بسته، دما ممکن است به بالای دمای جوش حلال برسد. زمان استخراج در MAE معمولا از 30 دقیقه تجاوز نمی کند که در مقالات 10 دقیقه و 30 ثانیه هم گزارش شده است. با وجود اینکه دمای بالاتر بازده استحصال را بهبود می بخشد، اما برای استخراج ترکیبات حساس به حرارت دماهای بالا منجر به تجزیه عصاره می گردد که در این حالت باید توان مایکرویو به خوبی تنظیم گردد تا از دماهای اضافی اجتناب گردد .



6. تاثیر ویژگیهای ماتریکس

در بسیاری از حالتها بافت مرطوب بازده استخراج را بهبود می بخشد. البته اثر این فاکتور بستگی به حلال استفاده شده دارد. برای افزایش قطبیت حلال آب اضافه می گردد که توانایی جذب مایکرویو یک نمونه و در نتیجه گرم شدن آن را تحت تاثیر قرار می دهد. آب همچنین ماتریکس را متورم می کند و یا برهم کنش ماتریکس- آنالیت را تحت تاثیر قرار می دهد و موجب می گردد آنالیت در دسترس حلال قرار گیرد. همچنین ذرات ریز موجب نفوذ عمیق تر امواج مایکرویو می گردد. سایز ذرات و نحوه توزیع آن نیز روی کارایی MAE موثر است. سایز ذرات باید در محدوده 100 میکرومتر تا 2 میلی متر باشد. پودر ریز به علت مساحت سطحی بالاتر ، برهم کنش ماتریکس و حلال را بهبود می بخشد

7. توان مایکرویو
توان و زمان اشعه دهی دو فاکتوری هستند که روی هم تاثیر می گذارند. ترکیبی از توان پایین یا متوسط با زمان طولانی تر یک روش عاقلانه در استخراج می باشد. بطور کلی کارایی استخراج بوسیله افزایش توان از 30 به 150 وات بهبود یافت. با افزایش توان مایکرویو استخراج در زمان کوتاهتر (1 تا 2 دقیقه) انجام می گیرد .

8. فواید و مضرات MAE

از مزایای این روش بدین شرح است.

 (1) کاهش زمان استخراج

(2) کاهش حلال مصرفی

 (3) افزایش بازده استخراج

. همچنین MAE قابل مقایسه با سایر روشهای نوین استخراج می باشد که دلیل آن ساده تر بودن فرایند و کم هزینه بودن آن می باشد. از MAE می توان برای استخراج انواع اسانسها، ترکیبات فنلی، روغن های خوراکی، رنگیزه ها ، پکتین و بسیاری از متاولیتهای دیگر استفاده کرد. با این حال در مقایسه با استخراج با سیال فوق بحرانی نیاز به یک مرحله اضافی فیلتراسیون یا سانتریفیوژ به منظور حذف بقایای مواد جامد باقیمانده دارد.

9. نتیجه گیری

استخراج با امواج مایکرویو به سرعت در حال پیشرفت می باشد. بسیاری از مزیت های این نوع استخراج نسبت به روشهای سنتی استخراج ثابت شده است. کاهش مقدار حلال مصرفی، کوتاه تر شدن زمان فرایند ، افزایش راندمان وبهبود کیفیت محصولات استخراج شده می تواند MAE را جایگزین روشهای سنتی استخراج کند و حتی با فرایندهای نوین نیز قابل رقابت سازد.

10. فهرست منابع
[1] Wang, L. and C. Weller, Recent advances in extraction of nutraceuticals from plants. Trends in food Science and Technology, 2006. 17: p. 300-312.

[2] Mandal, V., Y. Mohan, and S. Hemalatha, Microwave-assisted extraction- an innovative and promising extraction tool for medicinal plant search. Pharmacognosy reviews, 2007. 1(1): p.7-18.

[3] Proestos, C. Komaitis, M, Application of microwave-assisted extraction to the fast extraction of plant phenolic compounds. LWT, 2008. 41: p. 652-659.

[4] Turner, C.2006. Modern extraction techniques food and agriculture.p.4-20.

[5] Kaufman, B., Christen, P., Veuthey, J. L, Parameters affecting microwave-assisted extraction of withanolides. Phytochemical Analysis, 2001a. 12. p: 327-331.

[6] Garcia, L. E., Castro, M. D, Focused microwave assisted soxhlet extraction. Chhromatographia. 2000. 18(11) p: 571-577.

[7] Brachet, A., Christen, P., Veuthey., J. L. Focused microwave-assisted extractin of cocaine and benzoylecgonine from coca leaves. Phytochemical Analysis, 2002. 13. P: 162-169

[8] Spar Eskilsson, S., Bjorklund, E. Analysis-scale microwave assisted extraction. Journal of Chromatography A, 2000, 902. P: 227-250.

[9] Letellier, M., Budzinski, H, Microwave assisted extraction of organic compounds. Analysis, 1999, 27: p. 259-271.

[10] Font, N., Hernandez, F., Hogendoorn, E. A., Baumann, R. A., Vanzoonen, P. Microwave assisted solvent extraction and reserved-phase liquid chromatography herbicides. Journal of chromatography A, 1998, 798. P: 179-186.

نوشته شده توسط :

سمیه رضایی ارمی – سمانه رضایی ارمی

دانشجوی کارشناس ارشد گروه زیست شناسی، دانشگاه تربیت معلم تهران

دانشجوی کارشناسی ارشد گروه

علوم و صنایع غذایی ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

Views: 206