laboratorium przemysłowe
dr inż. Tomasz Tarko, dr Aleksandra Duda-Chodak, mgr inż. Małgorzata Ignacok
Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej, Uniwersytet Rolniczy im. H. Kołłątaja w Krakowie
Metody odzysku
związków aktywnych
z surowców roślinnych
Streszczenie Summary
Surowiec roślinny zawiera wiele składników aktywnych wykorzy- Plant raw material contains a large amount of active components
stywanych w różnych gałęziach gospodarki. Ważnym zadaniem used in different types of production. It is very important to sepa-
jest ich oddzielenie bez utraty cennych właściwości. W artykule rate these ingredients without losing their valuable features. In
omówiono różne metody ekstrakcji oraz rozpuszczalniki, które są this dissertation, different methods of extraction are discussed,
stosowane do ich odzysku w zależności od oddzielanego związku in tandem with a variety of solvents applied for the recovery of
lub grupy związków. those compounds.
SÅ‚owa kluczowe Key words
metody odzysku, ekstrakcja, składniki aktywne, surowiec ro- methods of recovery, extraction, active components, plant raw
ślinny material
Surowiec roślinny (owoce, liście, korzenie, kłącza, kwiaty) zawiera nie oddzielony od ekstraktu. W zależności od temperatury i czasu,
wiele cennych składników aktywnych wykorzystywanych w róż- w ramach maceracji, można wyróżnić digestię (wytrawienie w temp.
nych dziedzinach życia, m.in. w medycynie, farmacji, kosmetyce, 30-40°C), infuzjÄ™ (naparzanie w gorÄ…cej wodzie) i dekokcjÄ™ (wyÅ‚u-
a także w technologii żywnoÅ›ci. Jednak w wielu przypadkach za- gowanie w temp. powyżej 60°C). W perkolacji natomiast wykorzy-
chodzi konieczność oddzielenia tych cennych związków z tkanki stuje się siły ciężkości wymuszające ciągły przepływ rozpuszczalni-
roślinnej. Najpowszechniejszą formą jest ekstrakcja. Czynność ka przez materiał ekstrahowany. Metoda immersyjna (dyfuzyjna)
ta polega na wyodrębnieniu związku lub grupy związków fazy z kolei odznacza się tym, że rozpuszczalnik, w którym zanurzony
ciekłej lub stałej przy pomocy rozpuszczalnika. W zależności od jest surowiec, znajduje się w ciągłym przepływie. Ekstrakcja może
stanu skupienia substancji uczestniczących w procesie rozróżnia być także prowadzona w sposób wielostopniowy, gdzie materiał
się ekstrakcję w układzie ciecz  ciecz lub ciało stałe  ciecz (1). przemywany jest kilkakrotnie ekstraktem, a na końcu  przeciw-
Najczęściej w tym procesie używa się wody, rozpuszczalników or- prądowo czystym rozpuszczalnikiem (1).
ganicznych, rozpuszczalników neutralnych lub gazów obojętnych, Inną klasyczną metodą jest ekstrakcja przy użyciu aparatu Soxh-
działając na rozdrobniony surowiec stały. W czasie takiej ekstrakcji leta, która efektywnością przewyższa wcześniej wymienione techni-
w układzie ciało stałe  ciecz najpierw rozpuszczalnik wnika w po- ki. Wyjątek stanowią próby uzyskania związków termolabilnych ze
ry nośnika substancji ekstrahowanej, rozpuszczając go i transpor- względu na ogrzewanie materiału. Konwencjonalny system Soxhleta
tując do powierzchni rozdziału faz, a następnie do głównej masy (rys. 1) polega na tym, że przez materiał ekstrahowany, umieszczony
rozpuszczalnika (2). w gilzie, przepływają w sposób ciągły świeże porcje przedestylowa-
Czynnikami wpływającymi na efektywność procesu ekstrakcji nego rozpuszczalnika. System ten można jednak doskonalić po-
są: temperatura, ciśnienie oraz stosunek rozpuszczalnika do fazy przez zastosowanie dodatkowych urządzeń, jak: pompa próżniowa,
stałej. Im wyższa temperatura i wyższy stosunek fazy stałej do roz- membrany separacyjne, z
ródło dz
więku czy mikrofal (5).
puszczalnika, tym wydajność ekstrakcji jest większa. Wydajność Metody klasyczne wiążą się ze stosunkowo dużym nakładem
ekstrakcji zależy też od stopnia rozdrobnienia surowca i wielkości czasu. Ekstrakcja tymi technikami związków wrażliwych na dzia-
cząsteczek substancji ekstrahowanych. Istotne są także właściwości łanie światła, tlenu czy wysokiej temperatury może przyczyniać
i sposób przepływu rozpuszczalnika (3) oraz czas i liczba cykli eks- się do częściowego ich rozkładu i utraty cennych właściwości ak-
trakcji. Wraz ze wzrostem czasu trwania procesu i liczby jego cykli tywnych (6).
uzyskuje się większą wydajność, ale tylko do pewnego momentu
efekty te są zauważalne i działanie takie jest opłacalne (4). Inne metody ekstrakcji
W celu skrócenia czasu ekstrakcji, ograniczenia zużycia rozpusz-
Ekstrakcje klasyczne czalników, kosztów i ze względu na większą dbałością o środowisko
Najprostszą techniką ekstrakcyjną jest maceracja, w której materiał opracowuje się nowe techniki separacji związków aktywnych. Do
zalany jest rozpuszczalnikiem w temperaturze pokojowej, a następ- metod tych zaliczają się m.in.: wspomagana ekstrakcja ultradz
wiÄ™-
Laboratorium | 9/2008
28
laboratorium przemysłowe
Wylot
Separator 2 Separator 1
chłodnicy Piec
Azot do
Chłodnica oczyszczania
systemu
Wlot
chłodnicy
Ekstraktor
Ekstraktor
Materiał
Produkt 2 Produkt 1
Soxhleta
ekstrakcyjny
lub odpad
Odbieralnik
Pompa
Zbiornik
Grzałka
rozpuszczalnik
Kolba
ekstrakcyjna
Pompa
Rys. 1. Aparat Soxhleta (5) Rys. 2. Schemat przebiegu ekstrakcji nadkrytycznej (5) Rys. 3. Schemat systemu ASE (5)
kowa, ekstrakcja mikrofalowa, ekstrakcja w stanie nadkrytycznym goryczkowe (wykorzystywane w browarnictwie) oraz kofeina z ka-
i przyspieszona ekstrakcja rozpuszczalnikiem, które pozwalają na wy bądz
herbaty (7).
pracę w podwyższonej temperaturze i przy zwiększonym ciśnieniu, W systemie SFE (rys. 2) surowiec ulokowany jest w ekstrakto-
jednocześnie skracając czas trwania procesu (5). rze, który znajduje się pod ciśnieniem wytwarzanym przez pom-
pÄ™. Rozpuszczalnik i wyekstrahowane zwiÄ…zki przekierowywane
Ekstrakcja w warunkach nadkrytycznych są do separatorów, w których na skutek obniżania ciśnienia lub
(supercritical fluid extraction, SFE) podwyższania temperatury są rozdzielane (5). Ekstrakcja nadkry-
Ze względu na stosunkowo wysokie koszty wykorzystywana jest tyczna jest metodą charakteryzującą się szybkim transferem masy
ona do pozyskiwania wyjątkowo wartościowych związków. Stoso- ze względu na wysoką dyfuzyjność i niską lepkość rozpuszczalni-
wana jest do oddzielenia m.in.: olejków eterycznych, aromatów, ka nadkrytycznego oraz dużą rozdzielczość. Poprzez temperaturę
witamin, ²-karotenu i malwidyny, jednak najbardziej popularnymi i ciÅ›nienie możliwa jest kontrola wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci rozpuszczalnika nad-
produktami uzyskiwanymi tym sposobem są chmielowe związki krytycznego, często będącego gazem, co ułatwia proces separacji
Laboratorium | 9/2008
29
29
Kondensator
2
Zbiornik CO
stanowi zasadniczy element procesu.
laboratorium przemysłowe
substancji ekstrahowanej z rozpuszczalnika (7). Ekstrakt uzyskany w sieci surowca oraz znacząco modyfikuje przenikalność rozpusz-
w warunkach nadkrytycznych występuje w postaci pary o wysokiej czalnika (6). Współdziałanie ciśnienia i temperatury powoduje
temperaturze i ciśnieniu; ekstrakt ten może być dalej frakcjonowa- wzmocnienie ekstrakcji, gdyż rozpuszczalnik szybciej penetruje
ny na składniki (1). materiał ekstrahowany i przyspiesza kinetykę dyfuzji. W badaniach
przeprowadzonych przez Luthria i in. (10) wykazano, iż ekstrak-
Ekstrakcja ultradz
więkowa cja ciśnieniowa rozpuszczalnikiem PLE charakteryzuje się większą
Ekstrakcja ultradz
więkowa wykorzystuje zjawisko wzbudzania wydajnością niż przy użyciu konwencjonalnych metod ekstrakcji,
drgań mechanicznych przez fale dz
więkowe o częstotliwości a przy tym jest szybsza.
większej niż 20 kHz. Ultradz
więki w trakcie ekstrakcji z mate-
riałów roślinnych mogą prowadzić do destrukcji ściany komór- Przyspieszona ekstrakcja rozpuszczalnikiem
kowej i uwolnienia ekstrahowanych składników. Duże znaczenie (accelerated solvent extraction, ASE)
odgrywają zastosowana częstotliwość i sposób dystrybucji fal Jest to odmiana PLE przypominająca ekstrakcję w warunkach
w ekstraktorze. Istnieją dwa rodzaje aparatów ekstrakcyjnych: nadkrytycznych (SFE). Przeprowadzana jest w podwyższanej tem-
Å‚az
nia ultradz
wiÄ™kowa lub zamkniÄ™ty ekstraktor z przetworni- peraturze, 50-200°C, oraz pod ciÅ›nieniem w zakresie 10-15 MPa,
kiem ultradz
więkowym (5). co zapewnia, iż rozpuszczalnik znajduje się w stanie ciekłym,
W porównaniu z ekstrakcją klasyczną ten sposób jest szybki nadal poniżej warunków krytycznych (5). Typowy schemat
i wydajny. Ponadto nie jest drogi i umożliwia pozyskanie bardzo systemu ASE przedstawia rysunek 3, str. 29. Poza rozpuszczal-
różnorodnych związków w zależności od użytego rozpuszczalnika. nikami organicznymi, które są zazwyczaj używane w ekstrakcji
Ekstrakcja może służyć do odzysku związków termolabilnych (5). ciśnieniowej, wykorzystuje się także nietoksyczne rozpuszczal-
System ten znalazł zastosowanie do oddzielenia olejów i olej- niki, jak woda lub ditlenek węgla. ASE stosuje się do ekstrakcji
ków eterycznych z ziół (np. mięty, kopru, chmielu), polifenoli związków organicznych, które są odporne na działanie wysokiej
(w tym antocyjanin), karotenoidów, kwasu winowego, związków temperatury (5).
aromatycznych, polisacharydów i związków funkcjonalnych,
ekstrakcji białek soi oraz związków bioaktywnych pochodzenia Ekstrakcja do fazy stałej SPE
zwierzęcego (8). (solid phase extraction)
Zwykle stosowana jest w celu oczyszczenia i usunięcia niepo-
Ekstrakcja mikrofalowa żądanych związków (4). Polega ona na zaadsorbowaniu odzy-
Inną techniką wykorzystującą fale jest ekstrakcja mikrofalowa skanych składników w fazie stałej, a następnie ich wypłukaniu
(microwave-assisted extraction, MAE). Są to jednak fale elektroma- rozpuszczalnikiem (11). Technika ta umożliwia selektywny od-
gnetyczne z zakresu 0,3-300 GHz, a zwykle zysk związków aktywnych, regulowany ich
w przemyśle i gospodarstwie domowym różnym powinowactwem do ekstrahenta
Właściwy dobór rozpuszczalników do warunków
o częstotliwości 2,45 GHz. Mikrofale pe- oraz temperaturą procesu. Zaletą tej me-
ekstrakcji i rodzaju surowca stanowi zasadniczy
netrują surowiec i oddziałują z polarny- tody jest przede wszystkim ograniczenie
element procesu.
mi cząsteczkami (np. wodą), wytwarzając zużycia rozpuszczalników i skrócenie pro-
ciepło i ogrzewając materiał. MAE oferu- cesu w stosunku do klasycznej maceracji.
je szybkie, wydajne i równomierne dostarczenie energii do całej Ponadto zastosowanie ekstrakcji SPE ogranicza problemy konta-
objętości rozpuszczalnika i surowca. Ponieważ woda zawarta minacji i zautomatyzowania procesu. Technika ta sprawdza się
w materiałach roślinnych absorbuje energię mikrofal, następu- dobrze w czasie prób ekstrakcji cukrów, kwasów organicznych
je rozerwanie tkanek przez wewnętrzne przegrzewanie, które i polifenoli w winie (12).
sprzyja desorpcji związków chemicznych i poprawia ich odzysk.
Wydajność ekstrakcji mikrofalowej zależy od przewodności elek- Rozpuszczalniki w ekstrakcji
trycznej rozpuszczalnika i materiału, więc im więcej wody, tym Właściwy dobór rozpuszczalników do warunków ekstrakcji i ro-
większy odzysk. Jednak w przypadku związków termolabilnych dzaju surowca stanowi zasadniczy element procesu. Poprzez
korzystniejsza jest mniejsza zawartość wody, by doprowadzić do poznanie właściwości rozpuszczalników i składników rozpusz-
dużego podgrzania. Zaletami techniki mikrofalowej są: krótszy czalnych, a także interakcji zachodzących między nimi można
czas, niewielkie zużycie rozpuszczalnika, wysoka wydajność oraz osiągnąć wysoką skuteczność w odzysku związków aktywnych
prostota zastosowania (5). z roślin (13). Podczas ekstrakcji używa się różnych roztworów,
Znane są dwa rodzaje ekstraktorów handlowych: zamknięte np. n-heksanu chloroformu, acetonu, metanolu, etanolu, aceto-
naczynie ekstrakcyjne działające przy kontrolowanej temperaturze nitrylu, wody, CO2, kwasów fosforowych. Ważnym czynnikiem
i ciśnieniu oraz generatory mikrofalowe pod ciśnieniem atmosfe- jest charakter cząsteczek substancji ekstrahowanej. W zależności
rycznym (5). od tego, czy substancja ta jest rozpuszczalna w wodzie, alkoho-
Ekstrakcja MAE wykazuje wyższość nad ekstrakcją konwencjo- lach czy tłuszczach, dobiera się rozpuszczalniki o odpowiednim
nalnÄ… i ultradz
więkową w ilości uzyskanych polifenoli np. z liści charakterze  polarnym lub niepolarnym. Komponenty zawiera-
herbacianych (9). jące np. kwasy karboksylowe i grupy hydroksylowe będą łatwiej
ekstrahowane wodÄ… (14). Ketony i zwiÄ…zki z grupami estrowymi
Ekstrakcja pod ciśnieniem wykazują właściwości nukleofilowe (donory elektronu) i reagują
W czasie ciśnieniowej ekstrakcji ciekłej PLE (pressurized liquid extrac- zarówno z wodą, jak i alkoholami, a zastosowanie eteru jako roz-
tion) czynnikami umożliwiającymi jej przebieg są wysoka tempera- puszczalnika będzie uzasadnione w przypadku wyekstrahowania
tura i wysokie ciśnienie. Temperatura powoduje rozerwanie wiązań substancji o charakterze niepolarnym (15).
Laboratorium | 9/2008
30
procesu.
laboratorium przemysłowe
Liczne badania i doświadczenia potwierdzają, iż odpowiedni 7. A
ukaszyński D.: Zastosowanie technologii nadkrytycznych do ekstrakcji i ana-
lizy produktów spożywczych oraz substancji aktywnych biologicznie.  Postępy
dobór metody odzysku substancji aktywnych z roślin zapew-
Nauk Rolniczych , 1995, 6, 91-99.
nia wysoką wydajność procesu i dobrą jakość produktu. Ciągłe
8. Vilkhu K., Mawson R., Simons L., Bates D.: Application and opportunities
prace prowadzone nad optymalizacją warunków ekstrakcji mają
for ultrasound assisted extraction in the food industry. A review.  Innovative
na celu zmniejszenie zużycia potrzebnych składników, a przez
Food Sci. Emerg. Technol. , 2008, 9, 161-169.
to zmniejszenie kosztów produkcji. Użycie standardowych me-
9. Pan X., Guoguang N., Liu H.: Microwave-assisted extraction of tea polyphe-
tod znanych od wielu lat w połączeniu z różnymi innowacjami
nols and tea caffeine from green tea leaves.  Chem. Eng. Process. , 2003,
(ultradz
więki, wysokie ciśnienie i temperatura, maceracja obiego- 42, 129-133.
10. Luthria D., Mukhopadhyay S., Kwansa A.: A systematic approach for
wa i inne) pozwala na uzyskanie coraz lepszych wyników. W go-
extraction of phenolic compounds using parsley (Petroselinum Crispim) flakes
spodarce rynkowej istniejÄ…ca konkurencja wymusza na produ-
as a model substrate.  J. Sci. Food Agric. , 2006, 86, 1350-1358.
centach ciągłe doskonalenie metod produkcji i zmniejszanie jej
11. Dopico-Garcia M.S., Lopez-Vilarino J.M., Gonzalez-Rodriguez M.V.:
kosztów przy jednoczesnym zachowaniu jak najwyższej jakości
Determination of antioxidants by solid-phase extraction method in aqueous
produktu (16).
food simulants.  Talanta , 2005, 66, 1103-1107.
12. de Villers A., Lynen F., Crouch A., Sandra P.: Development of the solid
phase extraction procedure for the simultaneous determination of polyphenols,
Piśmiennictwo
organic acids and sugars in wine.  Chromatographia , 2004, 59, 403-
1. Pijanowski E., Dłużewski M., Dłużewska A., Jarczyk A.: Ogólna techno-
-409.
logia żywności. WNT, Warszawa 2004, 200-208.
13. Brüggemanna O., Visnjevski A., Burch R., Patel P.: Selective extraction
2. Lewicki P.: Inżynieria procesowa i aparatura przemysłu spożywczego. WNT,
of antioxidants with molecularly imprinted polymers.  Anal. Chim. Acta ,
Warszawa 1999, 393-395, 400.
2004, 504, 81-88.
3. Bucić-Kojić A., Planicić M., Srećko T., Bilić M., Velić D.: Study of so-
14. Yang D.Y., Kakuda Y., Subden R.E.: Higher alcohols, diacetyl, acetoin and
lid-liquid extraction kinetics of total polyphenols from grape seeds.  J. Food
2,3-butanediol biosynthesis in grapes undergoing carbonic maceration.  Food
Eng. , 2007, 81, 236-242.
Res. Internat. , 2006, 39, 112-116.
4. Naczk M., Shahidi F.: Extraction and analysis of phenolics in foods.  J.
15. Markoma M., Masitah H., Wan R., Wan D., Harcharan S., Jamaliah
Chromatogr. A , 2004, 1054, 95-111.
M.J.: Extraction of hydrolysable tannins from Phyllanthus niruri Linn.: Ef-
5. Wang L., Weller C.: Recent advances in extraction of nutraceutical from
fects of solvents and extraction methods.  Sep. and Purif. Techn. , 2007, 52,
plants.  Trends Food Sci. Tech. , 2006, 17, 300-312. 487-496.
6. Palma M., Pineiro Z., Barroso C.: Stability of phenolic compounds du- 16. Lingyun W., Wang J., Zheng X., Teng D., Yang Y., Cai Ch., Feng T.,
ring extraction with superheated solvents.  J. Chromatogr. , 2001, 921, Zhang F.: Studies on the extracting technical conditions of inulin from Jeru-
169-174. salem artichoke tubers.  J. Food Eng. , 2007, 79, 1087-1093.
Laboratorium | 9/2008
31
31