В настоящее время для экстракции натуральных растительных экстрактов используется множество методов, каждый из которых адаптирован к конкретным потребностям и предлагает определенные преимущества. Распространенные методы включают экстракцию растворителем, ультразвуковую экстракцию, микроволновую экстракцию и ферментативную экстракцию. Между тем, передовые методы, такие как сверхкритическая флюидная экстракция и микроволновая экстракция, все чаще применяются из-за их эффективности, масштабируемости и экологических преимуществ. Эти методы позволяют изолировать биоактивные соединения, такие как флавоноиды, эфирные масла и антиоксиданты, которые широко используются в таких отраслях, как фармацевтика, косметика и производство продуктов питания.
Метод экстракции растворителем
Экстракция растворителем — это основополагающий метод, который использует растворители для растворения и извлечения активных ингредиентов из твердых растительных материалов. Растворитель должен быть совместим с целевыми соединениями, то есть он должен смешиваться с растворенным веществом для обеспечения эффективной экстракции. Обычно используемые растворители включают воду для полярных соединений, таких как сахара и аминокислоты, этанол для полифенолов и флавоноидов и метанол или ацетон для более широкого спектра фитохимических веществ. Процесс начинается с измельчения растительного материала для увеличения его площади поверхности, затем его помещения в подходящий контейнер и добавления в несколько раз большего его объема растворителя. Экстракцию можно проводить различными методами: погружение (замачивание материала), перколяция (пропускание растворителя через материал), отваривание (кипячение), рефлюкс (рециркуляция растворителя путем конденсации) или непрерывная экстракция (с использованием специального оборудования). Например, экстракт шалфея Бако и многие эфирные масла производятся с помощью экстракции растворителем, что демонстрирует его универсальность для разных типов растений.
Несколько факторов влияют на эффективность экстракции растворителем. Концентрация растворителя влияет на то, насколько хорошо растворяются целевые соединения, в то время как соотношение твердого вещества к жидкости определяет степень контакта между растительным материалом и растворителем — слишком малое количество растворителя может оставить соединения неизвлеченными, а слишком большое может разбавить выход. Температура экстракции повышает растворимость, но рискует деградировать термочувствительные вещества, и время экстракции должно быть сбалансировано, чтобы максимизировать выход без избыточного продления. Исследование Кристины Хуан и др. продемонстрировало это путем экстракции охратоксина А (ОТА) из риса, оптимизировав условия для достижения максимального содержания ОТА 4,17 нг/г, подтвержденного с помощью флуоресцентного обнаружения и жидкостной хроматографии. Аналогичным образом Монте Д. Холт и др. экстрагировали алкилрезорцины из сырой и вареной пшеницы, обнаружив, что экстракция растворителем сокращает время обработки по сравнению с альтернативными методами, подчеркивая ее практические преимущества.
Метод ультразвуковой экстракции
Ультразвуковая экстракция использует высокочастотные звуковые волны для ускорения высвобождения соединений из растительных клеток в растворитель. Процесс основан на кавитации, где ультразвуковые волны создают пузырьки, которые схлопываются, производя микроструи, которые разрывают клеточные стенки, что усиливает диффузию, сохраняя структуру и биологическую активность деликатных соединений, таких как витамины и ферменты. Этот низкотемпературный метод идеально подходит для чувствительных к теплу веществ и в последние годы набирает популярность как высокоэффективный физический процесс, часто превосходящий традиционную экстракцию растворителем за счет сокращения времени и использования растворителя, а также повышения выхода.
Ключевые переменные в ультразвуковой экстракции включают тип и концентрацию растворителя, соотношение твердого вещества и жидкости, температуру и продолжительность. Лин Чжоу и др. исследовали это с Schisandra chinensis, обнаружив, что более высокие температуры и мощность ультразвука увеличивают скорость экстракции из-за улучшенного проникновения растворителя. Хонг Ван Ле и др. сравнили ультразвуковую и ферментативную экстракцию витамина Е и фенольных соединений из вишни, отметив, что ультразвуковая экстракция была в шесть раз быстрее и давала в 2–3 раза больше экстракта благодаря ее механическому разрушению. Чжун Айго и др. извлекли хлорофилл из свежих листьев бамбука, достигнув более высоких выходов при комнатной температуре по сравнению с методами с органическим растворителем, экономя энергию и сохраняя стабильность соединения, что количественно определено с помощью спектрофотометрии.
Сверхкритическая флюидная экстракция (СФЭ)
Сверхкритическая флюидная экстракция (SFE) — это инновационная технология, обычно использующая диоксид углерода (CO2) в качестве экстрагента. CO2 становится сверхкритическим выше своей критической точки (31,1 °C и 73,8 бар), сочетая газообразную диффузию с жидкоподобной сольватирующей способностью. Это позволяет проводить точную экстракцию, регулируя температуру и давление, после чего сброс давления отделяет экстракт, не оставляя остатков растворителя. Низкая рабочая температура SFE сохраняет термочувствительные соединения, а его экологичность — использование нетоксичного CO2 — делает его экологичным выбором для пищевых, фармацевтических и косметических применений.
С середины 1980-х годов сверхкритическая экстракция CO2 продвинула экстракцию растительных соединений. Руэй Чи Сю и др. извлекли активные ингредиенты из Ганодермы (гриб рейши) с использованием CO2 и этанола, обеспечив текучесть без температурной деградации. Моника Вальдебэк и др. оптимизировали экстракцию сквалена и α-токоферола из оливок при 190 °C в течение 10 минут с этанолом, продемонстрировав точность SFE. И Цян Гэ и др. извлекли натуральный витамин Е из зародышей пшеницы, достигнув пикового выхода при размере частиц 30 меш, давлении 4000–5000 фунтов на квадратный дюйм, температуре 40–50 °C и потоке CO2 2,0 мл/мин, подчеркнув роль предварительной обработки и условий.
Микроволновая экстракция (МАЭ)
Микроволновая экстракция (МАЭ) использует микроволновую энергию для внутреннего нагрева растительных клеток, разрывая их посредством термического стресса, чтобы высвободить соединения в растворитель. Микроволны воздействуют на полярные молекулы, такие как вода, нагревая растительный материал быстрее, чем окружающий растворитель, что повышает скорость и эффективность экстракции. Этот метод сокращает время экстракции с часов до минут, экономит растворитель и сводит к минимуму деградацию ценных соединений, что делает его идеальным для полифенолов и эфирных масел.
Для MAE требуются полярные растворители (например, вода, этанол, метанол), которые поглощают микроволны, и растительные материалы с достаточной влажностью. Тин Чжоу и др. извлекли флавоноиды и кумарины из лекарственных растений, достигнув скорости экстракции 98,7% в оптимизированных условиях с помощью ортогональных экспериментов. Ли Хайбин и др. извлекли могрозиды из сушеных плодов монаха, достигнув выхода 70,5% — на 45% выше, чем при водной экстракции — с сокращением времени на 50%, что демонстрирует превосходство MAE для определенных применений.
Метод синергической экстракции с использованием микроволн и ультразвука
Объединение микроволновых и ультразвуковых технологий создает синергетический метод экстракции. Микроволны обеспечивают быстрый нагрев, но имеют ограниченную проникающую способность, в то время как ультразвуковые волны обеспечивают механическое разрушение посредством кавитации с минимальным нагревом. Вместе они усиливают разрыв клеток и высвобождение соединений, повышая эффективность и сокращая потребление энергии. HeJT и др. извлекали водорастворимые компоненты из традиционной китайской медицины, в то время как Luo Feng и др. нацелились на флавоноиды из солодки. Ma Lihua и др. превзошли традиционную дистилляцию по каротиноидам лопуха, а Bai Hongjin и др. протестировали антиоксидантное действие экстрактов алоэ на масла, подтвердив широкую применимость метода.