کاربرد میدان الکتریکی پالسی برای استخراج ترکیبات زیست فعال

چکیده :

روش‌های سنتی استخراج ترکیبات زیست فعال گیاهی دارای معایبی از جمله مصرف حلال زیاد، زمان طولانی فرایند و بازده استخراج کم بوده و برخی از ترکیبات زیست فعال در اثر حرارت اعمال شده در طول فرایند تخریب می شوند. برای غلبه بر محدودیت‌های این روش ها، تکنیک‌های نوآورانه استخراج غیر حرارتی متعددی ارزیابی شده‌اند. میدان الکتریکی پالسی (PEF) در چند سال گذشته توجه زیادی را برای استخراج مواد مفید از ضایعات/محصولات جانبی غذایی به خود جلب کرده است. PEF از میدان الکتریکی متوسط تا زیاد، انرژی کم، حلال کم و زمان کمتر استفاده می‌کند و بازده استخراج بالایی برای جداسازی ترکیبات فعال زیستی مختلف از میوه‌ها، سبزیجات، گیاهان، ادویه‌ها، برگ‌ها و ضایعات آنها ارائه می‌کند. علاوه بر این، استخراج به کمک PEF سبب افزایش راندمان آزادسازی روغن از دانه‌های روغنی در مقایسه با سایر تکنیک‌های مرسوم شده است. از نظر صنعتی، فناوری استخراج پیوسته PEF نتایج امیدوارکننده‌ای را در زمینه استخراج ترکیبات گیاهی نشان داده است. کارایی سیستم استخراج PEF نه تنها به پارامترهای فرایند بلکه به ماهیت حلال و ترکیب نمونه نیز بستگی دارد با این حال، اندازه و موقعیت جزء استخراج شده در سیتوپلاسم یا واکوئل سلولی نیز از عوامل مهم هستند. شایان ذکر است که PEF بازدهی بالقوه ای از اقلام بسیار با ارزش مانند آنزیم ها، رنگدانه ها و مواد مغذی از میکروارگانیسم هایی مانند باکتری ها، مخمرها و جلبک ها را نشان می دهد. در این مقاله به بررسی اصول فرایند PEF، تجهیزات، عوامل موثر بر فرایند و کاربردهای آن در صنایع مختلف پرداخته شده است.

واژگان کلیدی: میدان الکتریکی پالسی، ترکیبات زیست فعال، استخراج، رنگدانه، دانه های روغنی.

1- مقدمه

گیاهان با ساختار پیچیده در واکوئل های سلولی خود حاوی ترکیبات فنلی و یک لایه لیپوپروتئینی هستند. پوشش غشایی حرکت ترکیبات درون سلولی را در سلول های سالم کنترل می کند (ندیم و همکاران، 2021؛ رانجا و همکاران، 2021؛ یمینه و همکاران، 2021). از فرهنگ های قرون وسطایی، محصولات طبیعی و مواد غذایی به عنوان منبعی ضروری برای استخراج مواد معنوی، آرایشی و مغذی بکار برده می شد. تمدن فراعنه (بیش از 4000 سال پیش) اولین تمدنی بود که از استخراج جامد-مایع برای جداسازی عطرها، رنگ ها و سایر مواد از گیاهان استفاده کرد (چمات و همکاران، 2020). سوکسله، رفلاکس حرارتی، خیساندن، نفوذ آب، غوطه ور کردن، همزن مغناطیسی، جوشاندن و آسیاب کردن روش‌های سنتی هستند که برای به دست آوردن ترکیبات گیاهی استفاده می‌شوند اما معایب این روش ها شامل مصرف حلال زیاد، زمان طولانی فرایند، بازده استخراج کم بوده و برخی از ترکیبات زیست فعال در اثر حرارت اعمال شده در طول فرایند تخریب می شوند. . برای غلبه بر محدودیت‌های این روش های سنتی، تکنیک‌های نوآورانه استخراج غیر حرارتی متعددی ارزیابی شده‌اند.

میدان الکتریکی پالسی (PEF) در چند سال گذشته توجه بیشتری را برای استخراج مواد مفید از ضایعات/محصولات جانبی غذایی به خود جلب کرده است. در این فرایند از مکانیسم های مختلف شامل انتشار، اسمز، فشار دادن و خشک کردن برای استخراج استفاده می شود (بانسال و همکاران، 2015). این فرایند اثرات مضر ناشی از فرآیندهای حرارت دهی را که در روش های سنتی بکار برده می شود، به حداقل می رساند. فناوری PEF، به عنوان جایگزینی امیدوارکننده برای سایر روش‌ها (جوشاندن، استخراج با مایکروویو و اولتراسوند و غیره) جهت جداسازی، تغلیظ، تثبیت و خشک کردن ترکیبات مهم بدون تأثیر بر خواص تغذیه ای آنها استفاده شده است. جدا از بهبود راندمان استخراج، PEF اخیراً به عنوان ابزاری برای القای استرس در سلول‌های گیاهی پیشنهاد شده است؛ بنابراین بیوسنتز ترکیبات فعال را تحریک می‌کند (لوپز-گومز و همکاران، 2020؛ آرشاد و همکاران، 2020).

با توجه به توانایی این فرایند در الکتروپوراسیون غشای سلولی، PEF به عنوان یک پیش تیمار جهت تسهیل بازیابی مواد فعال زیستی بکار برده می شود؛ پس از اعمال این پیش تیمار، از یک فرایند استخراج سنتی یا جدید استفاده می شود. روش PEF، زمانی که روی آب اعمال شد، سبب کاهش دمای محیط استخراج شده و حلال کمتری نیز مصرف شد و متعاقبا سرعت استخراج ترکیبات افزایش پیدا کرد PEF .همچنین برای استخراج ترکیبات با ارزش از ضایعات غذایی و محصولات جانبی استفاده شده است (لوپز-گومز و همکاران، 2020). این روش هزینه های انرژی را کاهش داد، بازده استخراج را بهبود بخشید، تخریب مواد حساس به حرارت را کاهش داد و خالص سازی را بدون تاثیر بر زیست محیطی انجام داد (تزیما و همکاران، 2021). این مقاله آخرین تحقیقات در مورد استخراج به کمک PEF را با تمرکز بر انواع، مکانیسم و کاربردهای آن در صنایع غذایی ارائه داده است.

2- اصول استخراج به کمک PEF

تکنیک PEF از میدان الکتریکی با شدت متوسط تا بالا (EFS) استفاده می‌کند. شدت میدان از 100 تا 300 ولت بر سانتی‌متر در حالت فرایند استخراج غیرپیوسته و 20 تا 80 کیلوولت بر سانتی‌متر در حالت استخراج پیوسته متغیر است. دو دیدگاه در میان فرضیه های مختلف در مورد مکانیسم PEF مشترک است. در غشای سلول بیولوژیکی، یکی تسریع واکنش های شیمیایی برای افزایش حلالیت حلال (شی و همکاران، 2021) و دیگری فرآیند الکتروپوراسیون است. نفوذپذیری الکتریکی یا الکتروپوراسیون شامل یک نیروی الکتریکی خارجی است که باعث افزایش نفوذپذیری غشای سلولی می شود (پانجا، 2018). غذا یا هر ماده دیگری بین الکترودها و میدان الکتریکی با ولتاژ بالا قرار می گیرد. غشای سلولی بواسطه ایجاد منافذ آبدوست، سوراخ می شود که سبب باز شدن کانال های پروتئینی می شود. هنگامی که پالس های الکتریکی با ولتاژ بالا از طریق الکترودها اعمال می شود، سلول نیرویی به نام میدان الکتریکی را تجربه می کند. نهایتا غشاء عملکرد ساختاری خود را از دست می دهد و مواد گیاهی استخراج می شود. این مکانیسم در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1- مکانیسم الکتروپوریشن برای استخراج.

میدان الکتریکی را می توان بصورت امواج مربعی نوسانی، مثلثی تک قطبی یا دوقطبی در حال فروپاشی نمایی اعمال کرد. الکتروپوریشن به دو صورت برگشت پذیر یا غیرقابل برگشت است، اما بسته به کاربرد، این اثر قابل کنترل می باشد. به طور کلی، برای فرایند استخراج سیکل های پالسی با انرژی ویژه کم (1-10 کیلوژول بر کیلوگرم) و زمان (نانوثانیه تا میلی ثانیه) کارآمد هستند [26]. الکتروپوراسیون سلولهای یوکاریوتی و پروکاریوتی و تشکیل منافذ غیرقابل برگشت (دائمی) و برگشت پذیر (موقت) در غشای سلولی آنها در طول فرآیند استخراج مشاهده شده است (تولاسیداس و همکاران، 2019). الکتروپوریشن برگشت ناپذیر کارایی فرآیند استخراج را افزایش می دهد. با این حال،EFS نفوذپذیری غشای سلولی را افزایش می دهد که مقدار آن به اندازه و هندسه سلول بستگی دارد (پورتولاس و همکاران، 2016). قدرت میدان الکتریکی از 0.1 تا 10 کیلوولت بر سانتی متر برای بافت های ظریف گیاهی کافی است (به عنوان مثال، پریکارپ یا مزوکارپ چند میوه). با این حال، مواد سخت مانند دانه‌ها برای استخراج کارآمد نیاز به شدت بالا (یعنی 10 تا 20 کیلوولت بر سانتی‌متر) دارند. این فرایند برخی از مزایای اضافی مانند حفظ ویژگی های تغذیه ای و حسی غذاهای مایع را فراهم می کند (باربا و همکاران، 2016).

سلول‌هایی که تحت یک میدان الکتریکی خارجی قرار می‌گیرند، به دلیل تجمع بار روی سطح غشاء، پتانسیل گذرنده بالایی از خود نشان می‌دهند. برای محافظت از غشاء، یک سلول دارای یک حد استقامت الکتریکی است؛ یعنی غشاهای سلولی می توانند یک شدت خاص از میدان الکتریکی را بدون آسیب قابل توجه تحمل کنند. میدان الکتریکی بحرانی (EC) کوچکترین مقدار قابل تحمل برای سلول است (شکل 2). این امر توسعه منافذ را در مناطق آسیب پذیر غشاء تسهیل می کند که بسته به شدت میدان الکتریکی می توانند برگشت پذیر یا دائمی باشند. EFS مستقیماً با میزان آسیب متناسب است. هنگامی که شدت میدان کم تا متوسط (نه خیلی بیشتر از مقدار بحرانی) باشد، آسیب قابل برگشت (موقت) است. یک میدان الکتریکی با شدت بالا باعث آسیب غیرقابل برگشت (دائمی) به غشای سلولی می شود. بر این اساس، PEF انتقال جرم را با تخریب ساختار غشای سلولی افزایش می‌دهد. افزایش نفوذپذیری غشاء منجر به تجزیه سلولی شده در حالیکه افزایش سرعت انتقال جرم به تخلیه مواد داخل سلولی کمک می کند [32]. درجه الکتروپوراسیون به EFS، نوع و تعداد پالس‌های موج، زمان فرایند و مواد گیاهی مورد نظر بستگی دارد (موریرا و همکاران، 2019). با این حال، EFS ویژه به هندسه و فاصله الکترودها بستگی دارد.

شکل 2- ارتباط بین شدت میدان الکتریکی (E) و میدان الکتریکی بحرانی (EC) و تاثیر آن بر ساختار سلولی.

3- تجهیزات استخراج به کمک PEF

یک واحد PEF از یک ژنراتور پالس با ولتاژ بالا، یک محفظه فرایند با قابلیت مدیریت سیال و یک سیستم نظارت و کنترل تشکیل شده است. علاوه بر این، تجهیزات PEF دارای یک شارژر (برای تبدیل AC بهDC) و دستگاهی که انرژی را در ژنراتور ذخیره می کند، می باشد. یک مدار ولتاژ بالا برای تولید پالس های الکتریکی روشن و خاموش می شود. در حین تخلیه انرژی الکتریکی با شدت بالا، بالا بودن ولتاژ و کوتاه بودن پالس های زمان این فرآیند را پیچیده تر می کند در حالی که خازن به طور مداوم کنترل می شود و در صورت قطع ولتاژ، ظرفیتش افزایش می یابد (الکساندر و همکاران، 2017). محفظه فرایند از دو الکترود مجزا (یک الکترود متصل به ژنراتور ولتاژ بالا و دیگری به زمین) و یک شکاف تشکیل شده است که با ماده غذایی مورد نظر پر شده است. پتانسیل الکتریکی متفاوت در دو طرف غشا یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که شدت آن به نوع الکترودها و فاصله بین آنها و نمونه بستگی دارد. عوامل تاثیرگذار دیگر عبارتند از ماهیت پالس های الکتریکی، پیکربندی محفظه فرایند و رسانایی محصول. پارامترهای فرایند PEF مورد نیاز برای افزایش راندمان استخراج پلی فنل ها، بر اساس تجربیات تجربی، به صورت زیر طبقه بندی شده است (ریسی و همکاران، 2018).

• میدان الکتریکی با شدت بالا= بیشتر از 1 کیلوولت بر سانتی‌متر

• میدان الکتریکی با شدت متوسط= بین 1-1/0 کیلوولت بر سانتی‌متر

• میدان الکتریکی با شدت پایین= کمتر از 1/0 کیلوولت بر سانتی‌متر

به طور کلی، فرآیند استخراج PEF را می توان به دو دسته کلی استخراج غیرپیوسته و پیوسته دسته بندی کرد .

3-1- استخراج غیرپیوسته PEF

یک واحد استاندارد استخراج غیرپیوسته شامل ...

برای دریافت متن کامل، میتوانید درخواست خود را به ایمیل زیر ارسال کنید. پاسخگویی طی 24 ساعت انجام خواهد شد:

[email protected]