1.2 Экстракции биологических веществ сжиженным газами
Одним из наиболее чувствительных методов разделения и определения чистоты небольших (миллиграммовых) количеств природных и синтетических органических соединений является противоточное распределение[4]. Новые методы противоточной экстракции с большой разделительной способностью в настоящее время непосредственно связаны с развитием хроматографических методов: экстракция твердого вещества жидкостью - с адсорбционной хроматографии, экстракция жидкости жидкостью - с распределительной хроматографии. Очень часто между этими процессами нельзя провести четкой границы. Для некоторых видов экстракции исторически возникли названия, которые постоянно пополняются новыми, отражая специфику или нюансы конкретного метода экстракции. Наиболее часто применяют простые в исполнении и результативные методы: мацерация, дигерировання, перколяции, перфорация и экстрагирования.
Метод мацерации заключается в том, что вещество в твердой фазе в измельченном растительном источнике извлекает многократно при нормальной температуре небольшими порциями растворителя. Дигерирование отличается от мацерации тем, что экстракция производится при нагревании. При использовании метода перколяции вещество в твердой фазе экстрагируют растворителем при нормальной температуре противоточным методом. Простое экстрагирования заключается в том, что вещество екстрагуюе в растворе одной порцией растворителя. Если экстракция повторяется несколько раз, то это повторное (фракционное) экстрагирования. Если вещество непрерывно экстрагируется растворителем в растворе, то такой метод носит название перфорация.
Эффективность любого вида экстракции твердого вещества жидкостью зависит прежде всего от его растворимости и скорости перехода из одной фазы в другую [3]. Растворимость можно изменить, подбирая соответствующий растворитель, в который переходит преимущественно необходимую вещество, а присутствующие загрязнения остаются в твердой фазе. Скорость перехода вещества из твердой фазы в раствор определяется, в основном, скоростью проникновения жидкости в твердую фазу, скоростью диффузии вещества в жидкости и скоростью удаления вещества с поверхности раздела фаз[4]. В отличие от системы двух жидких фаз равновесие на границе твердой и жидкой фаз наступает очень медленно. Ускорить приближение к равновесному состоянию можно путем увеличения поверхности твердой фазы за счет измельчения. Кроме того, можно ускорить достижение равновесия с помощью простого перемешивания (при мацерации и дигерировании) или с помощью противотока (при перколяции).
Для выделения биологически активного вещества из растительного сырья используют весь спектр методов экстракции. Как правило, первым этапом при подготовке сырья к экстракции является удаление липидов[4]. Чаще всего для этих целей используют нейтральные растворители, спирты и их смеси. Одновременно с липидами при обработке растения, богатой хлорофиллом, удаляют большую часть зеленых и желтых пигментов, что значительно облегчает дальнейшее выделение искомых соединений.
Однако, если липиды является искомым объектом исследования, то для полноты их извлечения используют различные растворители или смеси растворителей: хлороформ, гексан, диэтиловый эфир, ацетон, спирты и их смеси.
Известно, что липиды являются важнейшими биологическими эффекторами, регуляторами и медиаторами, которые участвуют практически во всех физиологических процессах. Поэтому внимание к липидов лекарственных и других полезных растений, их функциям и биологическими свойствами в последнее время растет.
Большое влияние на процесс экстрагирования влияет измельчения растительного сырья, где происходит уменьшение размера частиц и увеличения удельного разрушенности клеток[2]. Измельчения сырья проводят на разных дробилках ударяют, режут, стирают и раздавливают обьэкты. В зависимости от способа измельчения изменяются параметры измельченного сырья. Поэтому сырье одного и того степени измельчения, но подвергнуто механической обработке на разных дробилках, где будет иметь различные свойства. Сырье, клеточная структура которого будет разрушена больше, экстрагируется быстрее вследствие его большей поверхности, а ускорение процесса вымывания жидкости из разрушенных клеток.
Обычно качество подготовки растительного сырья для извлечения оценивается ситовым анализом (гранулометрическим составом). Однако гранулометрический состав является только количественной характеристикой фракционного состава полидисперсной смеси измельченного сырья, характерным параметром которого является средневзвешенный размер частиц (диаметр)[1]. Размер частиц сырья, измельченного различными способами, не отражает в полной мере качества подготовки сырья для извлечения. Поэтому при выборе способа измельчения необходимо учитывать не только размер частиц, но и такой технологический параметр, как степень разрушенности растительной ткани, которая дает более объективную оценку качества измельчения.
Степень разрушенности растительной ткани Xзруйнов (%). Является отношение количества добытого сырья (М), которые находятся на поверхности измельченного сырья, которое свободно переходит в растворитель при смешении твердой и жидкой фаз, в количестве этого сырья (М0).
(1.1)
Сравнительный анализ различных способов измельчения на молотковой, дисковой и валковой дробилках, а также комбинированного способа (сначала на молотковой или дисковой дробилках о последующим вальцовкой и наоборот) показал, что сырье, измельченная комбинированным способом, имеет наиболее высокую степень разрушенности растительной ткани. При этом установлено, что оптимальный размер частиц находится в промежутке от 0,1 до 0,2 мм. Такое измельчения сырья позволяет увеличить поверхность контакта фаз и обеспечить более полнее извлечение природных веществ.
Другой фактор, который влияет на процесс экстрагирования - влажность сырья. С увеличением влажности ухудшаются условия измельчения сырья, а при экстрагировании гидрофобных веществ уменьшается выход.
Авторами установлено, что при экстрагировании хладоном -12 влажность сырья не должна превышать 7% [3]. Это объясняется тем, что наличие влаги в растительных и биологических тканях блокирует доступ растворителя к веществам, снижая при этом эффективность экстракции в целом.
Эксперименты показали, что хладоны имеют разные уборочные свойства по отношению к природным сырьевых. Итак, уже на стадии экстрагирования, подвергаясь последовательной обработки, больничная растительное сырье с различными хладонами, может получать отдельные фракции биологически активных веществ. Также установлено, что хладоны не вытягивают водорастворимых веществ. (Полисахариды, белки и другие). Поэтому после обработки хладоном целесообразно использовать полярные растворители для получения вторых биологически активных веществ. Последовательная обработка сырья хладонами, затем более полярными растворителями (вода, вода и спирт, ацетон и другие) позволяет комплексно использовать ценную растительное сырье.
Применение хладонов, в качестве растворителей для извлечения эфирных и жирных масел и ароматических веществ, предложено во Франции, США, Германии и Великобритании. Наиболее селективным растворителем эфирных масел оказался хладон С318, практически не извлекает жирных масел. Очистка селективным и растворителями основано на избирательном растворении отдельных групп углеводородов, входящих в состав масел[5]. Для получения масел с высокими эксплуатационными свойствами необходимо проводить очистку при оптимальном соотношении сырья и фенола. Непременным условием процесса является наличие двух фаз. Разделение фаз происходит вследствие разности плотностей обеих фаз, обусловленной различием плотности растворителя и сырья. В верхней фазе рафинадных находится масло с небольшим количеством растворителя. В нижней фазе экстрактивных находится основная масса растворителя с небольшим количеством нежелательных компонентов масла, которые в основном состоят из полициклических ароматических углеводородов с отрицательными значениями индекса вязкости смолистых веществ. Важным фактором, определяющим ход процесса, критическая температура растворения. Критической температурой растворения (КТР) - называется такая температура, при которой и выше которой происходит полное взаеморозчинення сырья и растворителя с образованием одной фазы. Обычно очистку проводят при температуре на (8-10) ° С ниже КТР сырья очищается.