Экстракция

Экстракция или диффузия — процесс извлечения одного или нескольких компонентов из сложного по составу сырья с помощью растворителя.

Ультразвук ускоряет процесс экстрагирования сырья, обеспечивая более полное извлечение нужных веществ. Ультразвуковые волны создают колебания давления, кавитацию и акустические течения. В результате быстрее происходит набухание материала и растворение содержимого клетки, увеличивается скорость обтекания частиц сырья, в пограничном диффузионном слое возникают турбулентные и вихревые потоки. Молекулярная диффузия внутри частиц материала и в пограничном диффузионном слое практически заменяется конвективной, что приводит к интенсификации массообмена. В результате кавитации происходит разрушение клеточных структур, что ускоряет процесс перехода полезных веществ в экстрагент за счет их вымывания.

В среде распространения звуковых волн наблюдается частотное, равнопеременное чередование зон сжатия и разрежения, в колебательное движение вовлекается всё содержимое экстрактора. При этом появляются сильные турбулентные течения, гидродинамические потоки, способствующие переносу масс, растворению веществ, происходит интенсивное перемешивание содержимого даже внутри клетки, чего невозможно достичь другими способами экстракции. Кроме того, изменение давления при сжатии и разряжении, может вызывать эффект губки, при котором улучшается проникновение экстрагента в материал.

На выход действующих веществ влияют интенсивность и продолжительность ультразвукового облучения, температура экстрагента, соотношение сырья и экстрагента. При ультразвуковом экстрагировании в производстве настоев и экстрактов необходимо учитывать общие требования, излагаемые далее:

1. Обеспечить необходимую дисперсность исходного сырья. Дисперсность сырья оказывает влияние на эффективность процесса экстрагирования, поэтому перед экстракцией сырье следует измельчать. Для растений, имеющих тонкую рыхлую листовую пластинку размер частиц не играет существенной роли и может колебаться от 2 до 8 мм. Для экстрагирования сырья с одеревеневшими клетками плотной структуры (корни или корневища) размер частиц должен быть 0,25—1,0 мм. Оптимальный размер частиц для экстрагирования коры, толстой кожуры составляет 0,5—1,5 мм.
2. После измельчения высушенное растительное сырье необходимо замочить. Процесс замачивания, на который тратится обычно от 4 до 10 часов, зависит от скорости вытеснения воздуха из клетки, удерживаемого до тех пор, пока не произойдет его растворение в экстрагенте. Кроме того, часть воздуха остается внутри клетки. При применении ультразвука имеет место звукокапиллярный эффект, который не только ускоряет вытеснение пузырьков воздуха, но и создает условия для их растворения в жидкости. В результате процесс замачивания резко ускоряется. Использование ультразвуковых колебаний в течение 10—30 минут позволяет значительно сократить время замачивания.
3. При проведении экстрагирования необходимо обеспечить доступ экстрагента и ультразвуковых волн к каждой частице. Это достигается перемешиванием во время обработки ультразвуком, а также уменьшением соотношения сырье/экстрагент.
4. Для интенсификации экстрагирования рекомендуется подогрев до 30—40 °C. Не следует перегревать экстрагент, поскольку с увеличением температуры начинается интенсивное образование газовых пузырьков и интенсивность передачи ультразвуковой энергии падает. Также необходимо учитывать нагрев экстрагента за счет поглощения ультразвуковой энергии и следить за тем, чтобы температура не превышала допустимых значений.
5. Длительность ультразвуковой обработки зависит от величины частиц экстрагируемого сырья.

Ультразвуковая обработка повторяется с интервалами 20—24 часа до достижения требуемых показателей. В промежутках между озвучиванием рекомендуется перемешивание в течение 1—2 часа. Не следует слишком долго проводить озвучивание, поскольку бoльшая продолжительность почти не повышает выход действующих веществ, но заметно влияет на их стабильность.

Сравнение различных методов экстракции подтверждает высокую эффективность ультразвукового экстрагирования природного сырья. Оптимальная частота — 21—22 кГц. Повышение интенсивности ведет к уменьшению выхода. Рекомендуемая плотность облучения — не более 2—2,2 Вт/см².