بخشی از مقاله
چکیده:
استخراج یک مرحله مهم برای تحقیق در زمینه متابولیت های ثانویه گیاهی است. روش های مختلف استخراج به صورت گسترده ای برای به دست آوردن چنین ترکیبات طبیعی و با ارزشی از گیاهان بررسی شده اند. در طول استخراج به وسیله مایکروویو، انرژی مایکروویو به وسیله ی بعضی از ترکیبات موجود در ماده گیاهی، به خصوص مولکول های قطبی مثل آب، جذب می شود که در نتیجه آن دمای داخلی سلول های گیاهی افزایش پیدا می کند. از آن جا که بیشتر متابولیت های ثانویه گیاهی به صورت طبیعی در دیواره سلولی یا سیتوپلاسم قرار دارند، فوق گرم شدن داخلی می تواند باعث تبخیر مایع درون سلول ها و تخریب دیواره سلولی یا غشاء پلاسمایی شده و در نتیجه منجر به آزادسازی مواد گردد.
تکنیک های جدید بسیاری برای استخراج ترکیبات عملگرا از گیاهان، به منظور کاهش زمان استخراج و مصرف حلال، افزایش بازده استخراج و بهبود کیفیت مواد استخراج شده، گسترش پیدا کرده است. استخراج به وسیله مایکروویو، یکی از تکنیک های مهم برای استخراج ترکیبات گران بها از مواد گیاهی می باشد که در مقیاس های آزمایشگاهی و صنعتی کاملا مناسب شده است.
سیستم های تفطیر با آب و بخار و یا سیستم هایی که به کمک جاذبه زمین کار می کنند، انواعی از سیستم های استخراج با مایکروویو هستند. استخراج با مایکروویو دارای مزایایی بسیاری در مقایسه با دیگر روش های مرسوم استخراج است. گزارش های کمی درمورد جداسازی متابولیت های ثانویه گیاهی به کمک مایکروویو در مقیاس های بزرگ و صنعتی وجود دارد. بنابراین بیشتر تلاش ها باید در رابطه با مشکلات تکنیکی و تئوری و جهت آسان سازی استخراج با مایکروویو در صنعت غذا و دارو باشد.
مقدمه:
گیاهان تعداد زیادی از متابولیت های ثانویه را تولید می کنند که ورای نقش آن ها به عنوان واسطه در واکنش های گیاه با محیط زیست خود مثل واکنش گیاه - میکروب، گیاه - حیوان و گیاه - گیاه، نقش های بسیاری را در چرخه زندگی گیاه بر عهده دارند. این متابولیت های ثانویه در حاصل خیزی و جوانه زنی درخت های هرس کرده هم مؤثر هستند.
متابولیت های ثانویه گیاهی منبع مهمی از غذا، رنگ، دارو، مواد عطر و طعمی و غیره هستند. تقریبا بیشتر از 105 × 5 فلاوونوئید مختلف شناسایی شده اند که بسیاری از آن ها نقش های مهم دارویی و تغذیه ای دارند. بنابراین تمایلاتی برای استخراج این ترکیبات از گیاهان وجود دارد.
به دلیل این که فراوانی این متابولیت های ثانویه پایین است تلاش هایی برای جداسازی و خالص سازی این ترکیبات صورت گرفته است.
استخراج یک مرحله مهم برای تحقیق و پیشرفت در زمینه متابولیت های ثانویه گیاهی است. از مواد استخراج شده از گیاهان به صورت گسترده ای در صنایع غذایی، دارویی و آرایشی استفاده می شود. روش های مختلف استخراج به صورت گسترده ای برای به دست آوردن چنین ترکیبات طبیعی و با ارزشی از گیاهان بررسی شده اند.
تکنیک های جدید بسیاری مانند استخراج با مافوق صوت، اشعه مایکروویو، سیال فوق بحرانی و غیره برای استخراج ترکیبات عملگرا از گیاهان، به منظور کاهش زمان استخراج، کاهش مصرف حلال، افزایش بازده استخراج و بهبود کیفیت مواد استخراج شده، گسترش پیدا کرده است. روش های سنتی مثل روش استخراج سوکسله، که سال ها مورد استفاده بوده اند، بسیار زمان بر بوده و به مقدار زیادی حلال نیاز دارند.
بنابراین نیاز رو به افزایشی برای روش های نوین استخراج به منظور کاهش زمان استخراج، کاهش مصرف حلال های آلی جلوگیری از آلودگی وجود دارد. روش های نوین استخراج مثل استخراج با امواج مافوق صوت، استخراج با مایکروویو و استخراج با سیال فوق بحرانی، برای استخراج سریع تر و مؤثرتر ترکیبات شیمیایی از ماتریکس گیاهی مفید می باشند. روش های نوین استخراج پتانسیل کاربردی بالایی برای استخراج ترکیبات عملگرا از مواد گیاهی دارند.
استخراج به وسیله مایکروویو، یکی از تکنیک های مهم برای استخراج ترکیبات مفید و گران بها از مواد گیاهی می باشد که در مقیاس کوچک یا بزرگ - آزمایشگاه یا صنعت - کاملا مناسب شده است. در طول 25 سال گذشته نوشته های زیادی درمورد استخراج به وسیله مایکروویو منتشر شده و نتایج فوق العاده و برجسته ای به دست آمده است. به هر حال هنوز موانع تئوری و تکنیکی بسیاری در این راستا وجود دارد که باید بر آن ها غلبه شود.
مواد و روش ها:
مکانیسم استخراج با مایکروویو:
مایکروویو یکی از تابش های الکترومغناطیس با طول موج 0/001-1 متر و فرکانس 0/3-300 گیگاهرتز می باشد، که می تواند به صورت موج انتقال پیدا کند. حین عبور امواج مایکروویو از یک جسم ممکن است بخشی از انرژی آن به وسیله آب جذب شده و به انرژی حرارتی تبدیل شود. امواج مایکروویو به دلیل طبیعت الکترومغناطیسی که دارند می توانند میدان های الکتریکی و مغناطیسی را به صورت عمود بر هم ایجاد کنند. به صورت کلی حرارت دادن با استفاده از امواج مایکروویو بر اساس دو اصل چرخش دو قطبی و هدایت یونی استوار است.
هدایت یونی در ارتباط با انتقال الکتروفورتیک ذرات باردار - مثل یون ها و الکترون ها - تحت تأثیر میدان الکتریکی ایجاد شده به وسیله امواج مایکروویو است. در نتیجه، اصطکاک بین یون های در حال جریان و جسم می تواند باعث ایجاد حرارت شود.
چرخش دو قطبی زمانی اتفاق می افتد که مولکول های دو قطبی تمایل دارند میدان الکتریکی را در همان مسیر دنبال کنند. نوسان باعث تصادف بین دو قطبی ها و مولکول های اطراف و در نتیجه ایجاد حرارت می شود. - - 5 معمولا هدایت یونی و چرخش دو قطبی به صورت هم زمان رخ می دهند و به صورت مؤثری باعث تبدیل انرژی مایکروویو به انرژی حرارتی می شود. اثر حرارت دهی با مایکروویو به صورت پایه و اساسی برای استخراج با مایکروویو در نظر گرفته می شود. -
پارامتر های مؤثر بر استخراج با مایکروویو استخراج متابولیت های ثانویه گیاهی به وسیله مایکروویو تحت تأثیر فاکتور های مختلفی مثل قدرت و فرکانس مایکروویو، مدت زمان اشعه دهی با مایکروویو، نوع و غلظت حلال، محتوای رطوبتی و اندازه ذرات نمونه گیاهی، نسبت جامد به مایع، دما و فشار استخراج و تعداد سیکل های استخراج قرار می گیرد.
در این میان این فاکتور ها حلال به عنوان یکی از مهم ترین پارامتر ها برای استخراج با مایکروویو محسوب می شود که بر روی حلالیت ترکیب مدنظر و جذب انرژی مایکروویو تأثیر می گذارد.نسبت جامد به مایع، یکی دیگر از مهم ترین فاکتورها در استخراج با مایکروویو است. طبق روش های استخراج مرسوم حجم زیادی از حلال می تواند اجزای زیست فعال بیشتری را رد خود حل کند و بازده استخراج را افزایش دهد. طبق روش استخراج با مایکروویو، همین اثر به وسیله بعضی از نویسندگان ارائه شده است اما اثر متفاوت دیگری که بازده استخراج ابتدا افزایش پیدا کرده و در ادامه در اثر کاهش نسبت جامد به مایع، کاهش پیدا می کند هم به وسیله برخی از نویسندگان گزارش شده است.
اثر انرژی مایکروویو تا حد زیادی به ثابت دی الکتریک حلال و ماده گیاهی جامد وابسته است. حرارت دهی مایکروویو باعث انبساط و از هم گسیختگی دیواره سلولی می شود که به دنبال آن رها سازی ترکیبات شیمیایی به درون حلال اتفاق می افتد. - - 17 حلال اطراف می تواند یک ثابت دی الکتریک پایین داشته باشد و بنابراین در طول استخراج سرد باقی بماند، از این اصل می توان برای استخراج ترکیبات حساس به حرارت مثل اسانس های روغنی استفاده کرد.
اندازه ذرات گیاهی و توزیع اندازه آن ها معمولا تأثیر قابل توجهی بر کارایی استخراج در استخراج با مایکروویو دارد. اندازه ذرات مطالعه شده معمولا در محدوده 100 میکرومتر تا 2 میلی متر است. پودر های ریز و نرم می توانند استراج را بهبود ببخشند به دلیل این که در استخراج با مایکروویو، انتشار ترکیبات شیمیایی به بیرون ماده گیاهی یک مرحله محدود کننده است و در مورد پودرهای ریز سطح بیشتری بین ماده گیاهی و حلال فراهم می شود. - - 17 - استخراج با مایکروویو به صورت تحت خلأ استخراج با مایکروویو به صورت تحت خلأ، یک روش استخراج جدید است که از اوایل قرن 21 به وسیله متابولیت های ثانویه ای که از گیاهان در سیستم های تحت خلأ استخراج شده اند، گسترش یافته است.
معمو لترین تجهیزاتی که برای استخراج با مایکروویو به صورت تحت خلأ به کار می روند یک استخراج کننده بر پایه مایکروویو و پمپ خلأ است. هر دو نوع سیستم استخراج با مایکروویو به صورت باز و بسته می توانند برای استخراج با مایکروویو به صورت تحت خلأ تغییر داده شوند. خلأ درون محفظه به وسیله یک پمپ خلأ ایجاد می شود - - 9 همانطور که در قبل گفته شد یکی از محدودیت های استخراج با مایکروویو این است که برای بازیابی ترکیبات حساس به حرارت مناسب نمی باشد.
به دلیل این که نقطه جوش حلال در حالت خلأ نسبت به فشار اتمسفری کمتر است، سیستم استخراج با مایکروویو به صورت تحت خلأ می تواند در دماهای متوسط یا پایین عمل کند و زمینه ای را برای استخراج ترکیبات حساس به حرارت فراهم می کند. به منظور فهم بهتر مکانیسم استخراج با مایکروویو به صورت تحت خلأ، ساختار نمونه گیاهی قبل و بعد از استخراج به وسیله اسن روش با استفاده از میکروسکوپ الکترونی SEM مطالعه شده است. میکروگراف ها نشان می دهد که استخراج با مایکروویو به صورت تحت خلأ باعث آسان شدن تخریب نمونه گیاهی می شود.
به علاوه استخراج با مایکروویو به صورت تحت خلأ به دلیل غلظت پایین اکسیژن در محفظه خلأ، می تواند براس استخراج ترکیبات حساس به اکسیژن نیز مورد استفاده قرار گیرد. ویتامین C و ویتامین E - آلفا و گاما توکوفرول - در دانه سویا و چای به وسیله روش استخراج با مایکروویو به صورت تحت خلأ، جدا سازی شده اند. مشخص شده است که استخراج با مایکروویو به صورت تحت خلأ در مقایسه با استخراج با مایکروویو در فشار اتمسفری، بازده استخراج این سه ترکیب حساس به حرارت را بهبود می بخشد.
استخراج با مایکروویو به صورت بدون حلال نگرانی ها درمورد آسیب به محیط زیست، تمام شدن منابع و سالم بودن غذا تمایلاتی را برای استخراج متابولیت های ثانویه از گیاهان با استفاده از روش هایی بدون اضافه کردن حلال، به خصوص حلال هایی مثل متانول، ایجادکرده است.
کاربرد استخراج با مایکروویو به صورت بدون حلال برای استخراج اسانس های روغنی از پونه کوهی آزمایش شده است. استخراج با مایکروویو به صورت بدون حلال در مقایسه با روش تقطیر با آب بازده استخراج بسیار بالاتری دارد، اما تفاوت های قابل ملاحظه ای در ترکیبات شیمیایی و خصوصیات فیزیکی عصاره های به دست آمده با این دو روش، دیده شده است.
درمورد نمونه های گیاهی تازه در طول استخراج با مایکروویو به صورت بدون حلال، انرژی مایکروویو عمدتا به وسیله آبی که به صورت طبیعی در ماده گیاهی وجود دارد جذب می شود. اما در نمونه های گیاهی خشک شده مقدار آب کمی برای جذب انرژی مایکروویو وجود دارد. بنابراین نمونه ها باید قبل از استخراج مجددا به وسیله آب یا دیگر حلال ها مرطوب شوند یا با اضافه کردن یک ماده پیش فرایند شوند.
این سیستم ترکیبی از مایکروویو برای انتشار اسانس های روغنی از درون به بیرون ماده بیولوژیک، و جاذبه زمین در فشار اتمسفری، برای جمع آوری و جداسازی است. به صورت ساده می توان گفت این روش شامل قرار دادن نمونه گیاهی درون محفظه مایکروویو بدون اضافه کردن آب یا حلال است. گرم شدم داخلی آب طبیعی موجود در ماده گیاهی، سلول های گیاهی را منبسط می کند و باعث تخریب و از هم گسیختگی غده ها می شود. گرم شدن به وسیله مایکروویو باعث رها شدن اسانس های روغنی و آب طبیعی و انتقال آن ها از درون به بیرون ماده گیاهی می شود. پدیده ای فیزیکی که تحت عنوان انتشار با آب شناحته می شود اجازه می دهد که مواد استخراج شده - آب و اسانس روغنی - به بیرون ماده گیاهی منتشر شوند و سپس از طریق یک دیسک پیرکس مشبک و به کمک جاذبه زمین به بیرون محفظه مایکروویو انتقال پیدا می کند.
در ادامه یک سیستم خنک کننده بیرون آون مایکروویو ماده استخراج شده را خنک می کند و آب و اسانس های روغنی در یک فلاسک جمع آوری و جدا می شوند. اسانس روغنی از آب سبک تر بوده و در سطح نمونه غوطه ور می شود در حالی که آب به قسمت ته می رود و می تواند به آسانی جدا شود.
این سیستم یک روش سالم است که اجازه می دهد اسانس روغنی بدون تبخیر و تقطیر، که از پر انرژی مصرف ترین فرایندها بین واحدهای عملیاتی هستند، جدا شوند.
از این سیستم برای استخراج اسانس های روغنی از گیاهان معطر استفاده شده است. اسانس روغنی استخراج شده به وسیله این روش برای مدت زمان 15 دقیقه، از لحاظ کمی - بازده - و کیفی - پروفیل آروماتیکی - شبیه به اسانس های روغنی است که با روش تقطیر با آب مرسوم ولی در مدت زمان 90 دقیقه به دست آمده اند.
این روش بدون اضافه کردن آب یا هیچ گونه حلالی، یک روش جدید براس استخراج متابولیت های ثانویه از گیاهی خشک است. در این روش مقداری - حدود 20 گرم - از دانه های خشک زیره سیاه بدون اضافه گردن حلال یا آب درون دستگاه قرار گرفته و به وسیله امواج مایکروویو حرارت می بیند. واکنش مستقیم امواج مایکروویو با ترکیبات عطر و طعمی ماده گیاهی باعث رها سازی اسانس های روغنی به دام افتاده درون سلول های بافت گیاهی می شود. در ادامه اسانس روغنی استخراج شده به صورت طبیعی و به وسیله جاذبه زمین به سمت پایین حرکت می کند و در بیرون محفظه مایکروویو کندانس می شود. اسانس روغنی جمع آوری شده با سدیم سولفات بدون آب خشک شده وتا زمان مصرف در دمای 4 درجه سانتی گراد نگهداری می شود.
از این سیستم می توان برای استخراج اسانس های روغنی از گیاهان استفاده کرد. در یک آزمایش از این سیستم برای استخراج اسانس های روغنی از گل اسطو خودوس استفاده شده است. دستگاه می تواند از یک بدنه استوانه ای شکل از جنس پیرکس با یک شبکه تفلون در قسمت پایین آن، ساخته شده باشد. نمونه خشک شده همراه با مقداری آب درون سیستم پر می شود. بخار، در قسمت پایین دستگاه به وسیله حرارت دادن آب با اشعه مایکروویو تولید می شود. بخار تولید شده در پایین ترین قسمت دستگاه از بستر نمونه عبور و اسانس روغنی را تبخیر و جدا می کند و سپس به کندانسور که در بالای بدنه اصلی قرار گرفته است می رود. در ادامه مخلوط به آب و روغن جدا می شود. آب اضافی بازگشت داده شده و برای کاهش در آب مصرفی برای تولید بخار، به سیکل بر می گردد. اسانس روغنی هم به وسیله سدیم سولفات بدون آب خشک و تا زمان نیاز در 4 درجه سانتی گراد نگه داری می شود.
- سیستم های بهبود یافته مایکروویو- تقطیر با بخار از این سیستم برای استخراج اسانس های روغنی از گل های اسطو خودوس در مقایسه با روش تقطیر با آب مرسوم استفاده شده است. در این سیستم جدید جنبه مهم استخراج این است که فقط نمونه در مقابل اشعه مایکروویو قرار می گیرد و در اثر حرارت دادن انتخابی باعث ایجاد نقاط داغ می شود. به دلیل این که اسانس روغنی موجود درون گل ها نسبت به بخار اطراف افت دی الکتریک بسیار بیشتری دارند، بخار اشعه مایکروویو عبور کرده از نمونه را جذب نمی کند. تقریبا مشخص شده است که فقط آب در حالت مایع مایکروویو را جذب می کند اما بخار و یخ مایکروویو را جذب نمی کنند به علت این که در حالت گازی مولکول ها از یک دیگر بسیار دور هستند تا بتوانند اصطکاک داشته باشند، و در حالت جامد مولکول ها برای حرکت و چرخش و ایجاد حرارت آزاد نیستند. بنابراین در بخش هایی از نمونه که به صورت مداوم به وسیله مایکروویو حرارت می بینند استخراج انجام می شود و باعث افزایش دمای ناحیه ای و افزایش سرعت استخراج می شود.
