Ультразвуковая экстракция полисахаридов льна (стр. 2 из 7)

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;

- 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.