روش های نوین استخراج ترکیبات غذایی

روش استخراج با سیال فوق بحرانی یک روش جایگزین مناسب برای روش های معمولی است که یک روش نسبتا جدید است و مزایای زیادی نسبت به سایر روش های سنتی دارد. ازجمله این مزایا می توان به قدرت نفوذ بالا، جلوگیری از واکنش های نامطلوب، جلوگیری از دست رفتن مواد حساس به حرارت اشاره کرد. این روش استخراج در مقیاس های متفاوت ازمایشگاهی تا صنعتی میتوان استفاده کرد یک سیال فوق بحرانی خصوصیات مابین یک گاز و یک مایع را داراست ویژگی اصلی سیال فوق بحرانی برای استخراج، چگالی بالای آن است سیال فوق بحرانی نفوذ پذیری زیاد و ویسکوزیته کمتر نسبت به حلال های مایع دارد یک مایع یا گاز زمانی فوق بحرانی می گردد که دما و فشار آن به بالای نقطه بحرانی برسد که برای دی اکسیدکربن ۳۱ درجه سانتیگراد و ۷۲ بار می باشد. دی اکسید کربن به علت سمیت پایین، دما و فشار فوق بحرانی پایین انتخاب شده است. اساس این روش این است که SF (سیال فوق بحرانی) توسط پمپ از یک مجرای پر شده با نمونه عبور می کند . بنابراین محفظه استخراج از طریق پمپ با سیال موردنظر تحت فشار قرار می گیرد ]3[.

سپس در سپراتور با کاهش فشار یا افزایش دما ترکیبات استخراج شده رسوب کرده و جمع آوری گردند و سیال بازیافت می گردد. این سیستم همچنین مجهز یک مجرای فشار بالا برای نگهداری نمونه ، یک محدود کننده و ظرفی برای جمع آوری نمونه و کمک حلال در صورت نیاز می باشد [۲و۴]. از مزایای سیال های فوق بحرانی نسبت به حلال های دیگر بالاتر بودن قدرت انحلال و قابلیت تنظیم این ویژگی با تغییر فشار یا دما، ضریب نفوذ بالاتر و ویسکوزیته کمتر می باشد

استخراج با مایع تحت فشار(PLE)

اصول استخراج از طریق مابع تحت فشار تا حدودی ساده تر از روش های دیگر است و همچنین سریع تر و مقرون به صرفه تر می باشد. اصول PLE تا حدودی ساده تر از SFE می باشد. اما استخراج با آن سریعتر است که دلیل آن ضریب انتشار بالا، قابلیت حلالیت بالا، شکست موثر پیوند بین ماتریکس-آنالیت یک حلال مایع در دمای بالاتر از نقطه جوش آن می باشد. در این روش محفظه نمونه با حلال پر می گردد، سپس محفظه تا دمای مورد نظر گرم می شود و تحت فشار قرار می گیرد تا حلال در حالت مایع باقی بماند. حلال حاوی ماده حل شده در یک ظرف خالی جمع می گردد. از فواید این روش قابلیت استفاده مجدد از همان حلال می باشد

استخراج با آب داغ تحت فشار PHWE) Pressurized Hot Water Extraction )

آب به واسطه سطح وسیع پیوندهای هیدروژنی، حلالی منحصر به فرد به شمار می آید. بالا بودن نقطه جوش و ثابت دی الکتریک بالا و قطبیت شدید از دیگر خصوصیات آب به شمار می رود. همچنین افزایش دما باعث افزایش سرعت نفوذ و کاهش ویسکوزیته و کشش سطحی آب می شود. تغییر خواص آب با دما امکان استفاده از آن برای استخراج ترکیبات غیرقطبی یا با قطبیت کم در دماهای بالا میسر می سازد.
استخراج با آب داغ تحت فشار که با نام استخراج با آب فوق داغ هم شناخته شده است، فرآیندی است که در آن دما از ۱۰۰ تا۲۰۰ درجه سلسیوس تغییر می کند به نحوی که آب در فاز مایع بماند. در این دماها به طور موثری ترکبباتی با قطبیت کم نظیر هیدروکربنهای آروماتیک چندحلقه ای و … را در خود حل می کند و از سال ۱۹۹۴ در مقیاس صنعتی بکار گرفته شده است.
آشکار است که اگر فشار در هر دمایی از فشار نقطه جوش در آن دما پایین تر باشد بخار فوق داغ تولید خواهد شد که بطور حتم ضریب عبوردهی الکتریکی پایین تری نسبت به فاز مایع خواهد داشت و ضریب  نفوذ در آن مثل ضریب نفوذ در فاز گازخواهد بود. در نتیجه، حلالی با خواص متفاوت با آب فوق  داغ که در این روش مدنظر است تولید خواهد شد.
از آنجا که آب یک حلال ارزان، در دسترس و غیر سمی است و مواد مضر برای محیط زیست ایجاد نمی کند، روش استخراج با آب فوق داغ بسیار مورد توجه قرار گرفته است. باید به این نکته توجه داشت که به دلیل افزایش حلالیت مواد با دما، با افزایش دما احتمال وجود محصولات جانبی در محصولات حاصل از استخراج وجود دارد. همچنین به دلیل دمای بالا امکان تخریب ساختار بعضی مواد موجود در  گیاهان و مواد غذایی وجود دارد.

 استخراج با آب داغ تحت فشار (PHWE) تبدیل به یک روش محبوب استخراج سبز برای طبقات مختلف از ترکیبات موجود در انواع متعددی از ماتریس مانند محیط زیست، غذا و نمونه گیاه شناسی. PHWE نیز در آماده سازی نمونه مورد استفاده برای استخراج آلاینده های آلی از مواد غذایی برای تجزیه و تحلیل ایمنی مواد غذایی و خاک / رسوبات برای اهداف نظارت بر محیط زیست. پارامترهای اصلی موثر بر بازده استخراج آن هستند یعنی درجه حرارت، زمان استخراج، سرعت جریان و علاوه بر این از اصلاح / مواد افزودنی. در این میان پارامترهای مختلف مورد مطالعه، درجه حرارت به عنوان یکی از مهم ترین است. گزارش شده است که استخراج ترکیبات خاصی است و نه وابسته به آب تحت فشار با درجه حرارت های مختلف کاربردی. بنابراین، ثبات و کاهش حلالیت از ترکیبات خاص در دماهای بالا در این بررسی مشخص شده است. با برخی از تغییرات، یک PHWE کوچک تا می تواند یک مقدار بالاتر از ترکیبات مطلوب از نمونه های جامد و پودر مانند گیاه و مواد غذایی را استخراج کنید. عصاره PHWE از گیاهان غنی در ترکیبات شیمیایی و یا متابولیت های است که می تواند سرب بالقوه برای کشف مواد مخدر و یا توسعه محصولات غذایی مقاوم در برابر بیماری هستند.

استفاده از آب با دماهای بالا به عنوان حلال در استخراج ترکیبات قطبی یا نیمه قطبی موجه و عملی می باشد. در یک سیستم تحت فشار و در دمای بین ۱۰۰ و ۳۷۴ درجه سانتیگراد آب زیر نقطه بحرانی حاصل می گردد و در دمای بالای ۳۷۴ درجه ( و فشار ۲۱۸ اتمسفر) فوق بحرانی می گردد. در اینجا از واژه PHWE برای آب مایع با دمای بالا ۱۰۰ درجه و فشار نسبتا نسبتا پایین حدود ۲۰ اتمسفر استفاده می گردد. اصول PHWE مانند PLE می باشد. اما در اینجا از آب به عنوان حلال استفاده می گردد. آب یک حلال ویژه است. زیرا خصوصیات فیزیکی آن با افزایش دما تغییر می کند و در دماهای بالا شبیه یک حلال آلی عمل میکند ]۲[. در این سیستم محفظه تحت فشار قرار می گیرد تا آب به صورت مایع باقی بماند. آب حلالی سازگار با محیط زیست ، با خلوص بالا و هزینه کم می باشد. این استخراج در عرض یک ساعت انجام می گیرد و سیتستم توسط CO2 تحت فشار قرار میگیرد ]۶[.

مزایا:

شاید بتوان مهمترین مزیت استفاده از آب فوق داغ را کاهش به کارگیری حلال های آلی به شمار آورد.

معایب:

مانع جدی در بکار بردن آب فوق بحرانی، دما و فشار بالای آن است. علاوه بر محدودیتهایی که دما و فشار بالا ایجاد می کنند، مشکل خوردگی یکی از مسائل مهم است که باید موررد توجه قرار بگیرد. برای مثال، استیل ضد زنگ که بطور گسترده در ساخت تجهیزات استخراج بکار می رود در حضور آب فوق بحرانی خورده می شود و در نتیجه برای استفاده از آب فوق بحرانی نیاز به مواد خاصی است که گرانتر از موادی هستند که بطور معمول در صنعت استفاده می شوند.

استخراج با کمک امواج مایکروویو (MAE)

استخراج ترکیبات غذایی در این روش بر اساس حرارت دهی و استفاده از حلال های آلی می باشد. نمونه و حلال مناسب آن در یک ظرف ریخته می شوند، فشار تنظیم می گرددو با مایکروویو حرارت داده می شود . بعد از ۵ تا ۲۰ دقیقه استخراج کامل می گردد. اما ۴۰ ثانیه نیز در پژوهش ها دیده شده است. اجازه می دهیم تا مجرا سرد شود . سپس حلال می گردد. کارایی گرم شدن حلالهای مختلف به ضریب پراکنش آنها بستگی دارد که برابر است با اتلاف دی الکتریک به ثابت دی الکتریک. اتانول و متانول نسبت به آب مقدار کمتری از انرژی مایکروویو را جذب می کنند. از طرف دیگر هگزان و سایر حلال های غیر قطبی در مقابل مایکروویو خنثی هستند و حرارت ایجاد نمی کنند.

 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 بهینه سازی MAE بستگی به ترکیب حلال، حجم حلال، دما و زمان استخراج و ویژگی نمونه مورد نظر دارد.

روش های غشایی

غشاء به عنوان یك فاز كه اجزاي خوراك، به صورت انتخابي از آن عبور مي كنند، تعریف مي گردد. در این روش، معمولا تغییر فازي صورت نمي گیرد و محصولات نیز در ھمدیگر قابل امتزاج هستند. در فرایندھاي غشایي، جزئي از خوراك كه از غشاء عبور مي كند به نام جزء تراوش كرده و بخشي كه نتواند از غشاء عبور كند، جزء نگهداشته شده، نامیده مي شود كه بر اساس ھدف جداسازي، ھرکدام از آنھا مي توانند به عنوان محصول در نظر گرفته شوند. نیروي محركه لازم در فرآیندھاي غشایي مي تواند به صورت اختلاف غلظت، فشار، دما و پتانسیل الكتریكي باشد. ساده ترین نوع غشاھا، بر اساس اختلاف اندازه
ذرات عمل مي كنند كه از این نظر مشابه صافي ھا ھستند [7 .[

غشاء مایع یكي از اشکال ساده و جالب در جداسازي غشایي است که رشد پیوست ھاي داشته است. غشاء مایع، شامل حلال غیر قابل امتزاج بین دو فاز خوراک (دھنده) و محصول (گیرنده) مي باشد که اگر یكي از اجزاي مخلوط از درون غشاء مایع، سریع تر از جزء دیگر و یا به کمک عامل تسھیل کننده، عبور کند، فرآیند جداسازي انجام مي پذیرد. انواع روش ھاي انتقال مایع را مي توان با عنوان غشاي مایع تودهاي (BLM) ،غشاي مایع تثبیت شده ( SLM )و غشاي مایع امولسیوني (ELM)معرفي کرد

استخراج با حلال به کمک غشا(MASX)

از غشاهای بدون منفذ برای استخراج ترکیبات قطبی و غیر قطبی از نمونه های مایع با مقادیر کم حلال استفاده می گردد. این غشا یک فاز مایع یا جامد (پلیمری) است که بین دو فازی که معمولا آبی است قرار گرفته است. یکی از این دو فاز، فاز دهنده است که شامل ترکیباتی است که باید استخراج گردند و فاز دیگر فاز پذیرنده است که در این فاز ترکیبات استخراج شده جمع آوری می گردند. نیروی پیش برنده در فرایند استخراج از طریق غشا، شیب غلظت می باشد. از مزایای این روش استفاده از مقادیر کم حلال و همچنین مکانیزه شدن از طریق اتصال با HPLC می باشد. اما از معایب آن این است که حلال آلی (حتی در مقادیر کم) خطرناک است و فقط نمونه های مایع و گازی می تواند فرایند شوند. این روش شامل انواع زیر است:

استخراج غشایی محافظت شده مایع( SLM)

در SLM هم فاز دهنده و هم فاز پذیرنده آبی هستند و غشا یک حلال آلی است که بوسیله نیروهای موئینه در سوراخ های یک غشای متخلخل آبگریز نگهداری می شود. فاکتور اساسی در اینجا تنظیم PH است. PH فاز دهنده باید طوری تنظیم گردد که ترکیب غیر باردار گردد و نتواند از میان یک حلال آلی ساکن عبور کند و PH فاز پذیرنده طوری تنظیم گردد که ترکیب یونیزه و به دام افتد. این روش برای استخراج اسیدهای آلی کوچک از نمونه ها کاربرد دارد.

استخراج مایع مایع با غشایی با منافذ بسیار ریز (MMLLE)

فاز دهنده و پذیرنده هر دو آلی هستند و فاز دهنده آبی می باشد. محلول پذیرنده آلی تا حدی در منافذ غشا قرار دارد و تا حدی در فاز پذیرنده. آنالیت موجود در فاز آبی دهنده به درون منافذ غشا نفوذ می کند و به علت تفاوت غلظت در فاز پذیرنده منتشر می گردند. این روش برای استخراج ترکیبات غیر قطبی مناسب تر از SLM می باشد و می تواند با GC همراه شود.

استخراج با غشای پلیمری( PME)

دارای غشای آبگریز ( رزین سیلیکونی) هستند که فاز دهنده آلی یا آبی را از فاز پذیرنده جدا می کند. غشا کاملا جامد است و قابلیت نفوذ بالا برای ترکیبات آبگریز مانند لیپیدها دارد. امروزه استفاده از انواع پلیمرها در ساخت غشاها به دلیل ارزانتر بودن، شکل دهی مناسب و آسان و تغییر در ساختار غشاء هنگام ساخت آن، مورد توجه قرار گرفته است. پلیمرها بسته به آبدوست و آبگریز بودن از کاربردهاي مختلفی در صنایع غذایی برخوردار هستند. از این کاربردها می توان به تولید پودر تخم مرغ، افزایش پایداري و شفاف سازي آبمیوه ها، جداسازي ژلاتین از کلاژن، جداسازي فسفولیپیدها از روغن و غیره اشاره کرد.

ریز استخراج با فاز جامد(SPME)

روش ریز استخراج با فاز جامد (Solid Phase Microextraction = SPME) در اوایل دهه ۹۰ میلادی توسط Janusz Pawliszyn در دانشگاه Waterloo کانادا ابداع گردید.

در این روش همه مراحل معمول در روش استخراج مایع-مایع که شامل استخراج، تغلیظ و انتقال آنالیت ها به دستگاه می باشد به یک مرحله محدود شده است و در واقع SPME یک روش جذب/واجذب (adsorption/desorption) می باشد. در این روش یک فیبر سیلیکای گداخته که با یک جاذب مناسب پوشش داده شده است داخل نمونه مایع غوطه ور می شود و یا اینکه در فضای فوقانی نمونه جامد (مثلاً بافت گیاهی) یا مایع قرار می گیرد. ترکیبات مورد نظر بین بافت نمونه و ماده جاذب و یا بین فاز گازی فضای فوقانی نمونه و ماده جاذب توزیع شده و پس از مدت زمان مشخصی به تعادل می رسند. پس از گذشت این زمان فیبر به داخل محل تزریق دستگاه اندازه گیری (GC-MS یا HPLC) انتقال یافته و ترکیبات واجذب و سپس اندازه گیری می شوند.

درSPME از یک فیبر سیلیکا استفاده می گردد که در خارج با یک فاز ساکن مناسب به ضخامت ۵ تا ۱۰۰ میکرومتر از پلیمرهای مختلف مانند پلی دی متیل سیکلوکسان (PDMS) پوشانده شده اند. اندازه کوچک فیبر و حالت لوله ای آن این امکان را می دهد که درون سوزن یک وسیله سرنگ مانند جا گیرد. از فواید اصلی آن این است که نیازی به حلال ندارد یا مقادیر ناچیز حلال نیاز است و قابل اتوماسیون می باشد. از پارامترهای مهم موثر بر این روش می توان به نوع و ضخامت فیبر پوشاننده، زمان استخراج و ویژگی های نمونه اشاره کرد

مزایای این روش عبارتند از: ۱) عدم نیاز به حلال، ۲) سادگی، ۳) هزینه کمتر، ۴) نیاز به حجم کم نمونه، ۵) سازگار با محیط زیست، ۶) کوتاه تر شدن زمان استخراج (در حد چند دقیقه)، ۷) سهولت اتوماتیک کردن، ۸) دارای حساسیت بالاتر (قابلیت تشخیص آنالیت ها در مقادیر پی پی ام و پی پی بی، ۹) امکان نمونه برداری میدانی (نمونه برداری از یک محل با دستگاه قابل حمل مجهز به کلاهک و سپس انتقال آن به آزمایشگاه).

معایب این روش شامل موارد: ۱) محدود بودن به نمونه های گازی و مایع و ۲) دارای محدودیت استفاده در مورد آنالیت هایی با غلظت بالا می شود.

انواع فیبرهای جاذب مورد استفاده در روش ریز استخراج با فاز جامد

1. فیبرهای غیرقطبی مانند: Polydimethylsiloxane
2. فیبرهای قطبی مانند: Polyacrylate و Carbowax-divinylbenzene
3. فیبرهای دوقطبی مانند: PDMS-DVB و Carboxen-PDMS

حالت های استخراج و ویژگی آنالیت استخراجی

• استخراج مستقیم برای ترکیباتی با فراریت متوسط تا پائین
• روش فضای فوقانی برای ترکیباتی با فراریت بالا تا متوسط
• روش حفاظت غشایی برای ترکیباتی با فراریت پائین و نمونه های دارای آلودگی بالا

استخراج با لوله جاذب متحرک( SBSE)

کنیک استخراج با لوله جاذب متحرک در سال ۱۹۹۹ توسط گروه پت ساندرا و برای برطرف کردن برخی محدودیت های تکنیک های موجود به ویژه برای بهبود بازیافت آنالیت هایی با فراریت متوسط تا بالا ابداع شد. این تکنیک براساس روش های تجزیه قبلی توسعه یافته است. از اهداف دیگر این تکنیک بهبود در آنالیزهایUltra trace با استفاده از تکنیک ریزاستخراج با فاز جامد (SPME) به ویژه تحت شرایط نسبت های نامطلوب فازها می باشد. تکنیک SBSE  براساس جذب سطحی است. در این روش، جذب سطحی شکلی از جداسازی یا تفکیک بر اساس حل شدن در یک پلیمر مایع به شکل نمونه مایع یا بخار است که در نتیجه باعث جذب توده یا نگهداری توده می شود.
SBSE پیشرفت بزرگی برای نمونه گیری در فاز مایع می باشد و بر اساس جذب سطحی آنالیت های مورد بررسی بر روی غشایی از PDMS (پلی دی متیل سیلوکسان) می باشد.

مشابه SPME می باشد و از جاذب های مشابه استفاده می گردد. استخراج به کمک حرکت کردن لوله متحرک پوشانده شده با PDMS در زمان مشخص انجام می گیرد. لوله متحرک از نمونه بیرون آورده می شود و ترکیبات جذب شده توسط حرارت یا توسط یک مایع جدا می گردند. این روش نسبت به SPME حساسیت بالاتر و تکرار پذیری بهتری دارد. اما برخلاف SPME نمی تواند به صورت آن لاین به تکنیک های جداسازی مانند GC وصل گردند.

مزایا:
۱- این روش سریعتر از تکنیک های مرسوم می باشد.
۲- حذف مراحل آماده سازی نمونه از لحاظ زمان، هزینه و حلال ها از مهمترین مزایا است.
۳- حساسیت بیشتر از ۱۰۰۰ بار نسبت به SPME داراست.
۴- محدودیت های بسیار کمتر در تعیین ترکیبات دارد.
۵- تکرارپذیری بالایی دارد.
۶- استفاده چندین بار از ستونها امکان پذیر است.
۷- استخراج چندین نمونه به طور همزمان صورت می گیرد.
۸- کمی، با دامنه خطی وسیع است.
۹- انجام آنالیزهای واجذب حرارتی و کروماتوگرافی گازی به صورت اتوماتیک
۱۰- بازیافت آنالیت ها قابل پیش بینی است.

نتیجه گیری

همه تکنیک های شرح داده شده دارای فواید و مضراتی هستند. در همه این روش ها، مقدار حلال مصرفی کم است یا استفاده نمی گردد، سریعند، سمیت کمی دارند، حساسیت بالایی دارند، نسبت به روش های کلاسیک استخراج راحت است. با این حال با توجه به نمونه های مختلف و ملکول هایی که باید استخراج شوند متغیرند. نمونه های جامد و نیمه جامد ترجیحا با SFE، PLE، PHWE یا MAE فرایند می گردند. در حالیکه نمونه های گازی و مایع توسط MASX، SPME یا SBSE راحت تر فرایند می شوند. نوع ملکول قابل استخراج نیز مهم می باشد. SFE معمولا برای استخراج ترکیبات غیرقطبی یا قطبیت متوسط استفاده می گردد. در حالی که PLE و MAE می توانند برای ترکیباتی با قطبیت مختلف بکار روند. SPME و SBSE می توانند برای استخراج ترکیبات آلی فرار و ترکیبات آلی کوچک با فراریت کم بکار روند.

فهرست منابع

[۱] 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
[۲] Turner, C. Modern extraction techniques food and agriculture, 2006:p.4-20.
[۳] Japon-Lujan, R. and M.D. Luque de Castro, superheated liquid extraction of oleuropein and related biophenols from olive leaves. Journal of choromatography A, 2006. 1136: p. 185-191
[۴] Dunford, N. T., King, J.W., List, G.R,(2003).Supercritical fluid extraction in food engineering, Tzia, c, extraction optimization in food engineering.
[۵] Wang, L. and C. Weller, Recent advances in extraction of nutraceuticals from plants. Trends in food Science and Technology, 2006. 17: p. 300-312
[۶] Mamata, M., Panja, P, Recovery of phytochemicals from kokum ( Garcinia indica choisy) using pressurized Hot Water. International Journal of Food Engineering, 2008: p. 4(8).
[۷] Hemwimon, S., P. Pavasant, and A. Shotipruk, Microwave-assisted extraction of antioxidative anthraquinones from roots of Morinda citrifolia. Separation and Purification Technology, 2007. 54:p. 44-50
[۸] Ibanez, C., Sola,J. Optimisation of stir bar sorptive extraction (SBSE) for flavor analysis, Recent Advance and Trends, 2006. P:577-580