عصاره گیری سیر بدون حلال توسط دستگاه هموژنایزر اولتراسونیک صنعتی

سیر (Allium sativum) سرشار از ترکیبات ارگانوسولفور (مانند آلیسین، گلوتاتیون) است که فواید زیادی برای سلامتی دارد. عصاره گیری اولتراسونیک یک روش قابل اعتماد و کارآمد برای تولید عصاره سیر با غلظت بالا است. با استفاده از امواج فراصوت (التراسونیک) می توان با بازده بسیار بالا، عصاره های با کیفیت بالا و طیف کامل در مدت زمان بسیار کوتاه عصاره گیری نمود.

عصاره گیری با استفاده از دستگاه هموژنایزر التراسونیک صنعتی

اصل کار عصاره گیری اولتراسونیک (همچنین به عنوان عصاره گیری صوتی شناخته می شود) بر اساس پدیده کاویتاسیون آکوستیک است. کاویتاسیون تولید شده به صورت اولتراسونیک باعث ایجاد نیروهای برشی بالا، ریز آشفتگی ها، جت های مایع و تفاوت های شدید دما و فشار به صورت موضعی می شود. اثرات مکانیکی التراسونیک با کارایی بالا دیواره های سلولی را مختل می کند، باعث نفوذ حلال به داخل سلول و افزایش انتقال جرم می شود. به عنوان یک تکنیک عصاره گیری غیر حرارتی، فراصوت (التراسونیک) از تخریب حرارتی ترکیبات زیست فعال جلوگیری می کند. پارامترهای فرآیند اولتراسونیک را می توان دقیقاً با مواد خام و مواد هدف تنظیم کرد تا کیفیت عصاره برتر تضمین شود.

استخراج آلیسین بر پایه آب توسط دستگاه هموژنایزر التراسونیک صنعتی

آلیسین فراوان ترین مولکول تیوسولفینات موجود در عصاره سیر است. آلیسین دارای اثرات ضد باکتری، ضد ویروسی، ضد قارچی، ضد تک یاخته ای، ضد سرطان و کاهش قند خون است و همچنین به عنوان حمایت از سلامت قلب و عروق و سیستم ایمنی شناخته شده است. فعالیت های دارویی سیر بیشتر به واکنش های تبادل تیول-دی سولفید با پروتئین های حاوی تیول مربوط می شود.

برای تولید عصاره سیر بسیار غلیظ با مقادیر بالای ترکیبات آلی گوگردی، عصاره گیری اولتراسونیک یک روش مطمئن و کارآمد برای جداسازی تیول ها و سایر مواد فعال زیستی از سیر است. فراصوت (التراسونیک)، تیول‌ها را از داخل سلول‌های سیر آزاد می‌کند و امکان تهیه عصاره‌ای با طیف کامل از مولکول‌های زیستی سیر را فراهم می‌کند. برای عصاره گیری سیر با امواج فراصوت (التراسونیک)، می توان از آب به عنوان حلال استفاده کرد که غیر سمی، ارزان و سازگار با محیط زیست است.

پروتکل های استخراج آلیسین توسط دستگاه هموژنایزر التراسونیک صنعتی

ارزانلو و همکاران (2010) استخراج اولتراسونیک آلیسین از حبه های سیر را با استفاده از آب به عنوان حلال گزارش کردند. آنها از 20 گرم حبه سیر له شده به صورت دستی استفاده کردند. آنها سیر خیس شده را در 600 میلی لیتر آب مقطر به مدت 5 دقیقه با استفاده از یک دستگاه التراسونیک 200 وات در دامنه 100 درصد تحت تابش اولتراسونیک قرار دادند. برای دفع گرما از حمام یخ استفاده شد. پس از عصاره گیری اولتراسونیک، پوره سیر از طریق یک پارچه کتان پنج لایه فشرده شد. سوسپانسیون به یک لوله 50 میلی لیتری منتقل شد و در 1258 جی در دمای 4 درجه سانتیگراد به مدت 20 دقیقه سانتریفیوژ شد تا مادۀ باقیمانده از مایع جدا شود. مایع رویی به یک لوله استریل 50 میلی لیتری منتقل شد و برای ذخیره سازی مهر و موم شد.

اسماعیل و همکاران (2014) عصاره گیری کارآمد مولکول های زیستی حاوی گوگرد سیستئین و گلوتاتیون از سیر را با استفاده از التراسونیک بر پایۀ آب گزارش کردند. آنها دریافتند که غلظت بهینه سیر 10٪ (w/v) در عصاره گیری با بشر باز است. کمی سازی تیول ها با استفاده از روش معرف المن انجام شد. آنها بازده عصاره 0.170 میلی مولار تیول را به دست آوردند. محققان به این نتیجه رسیدند که عصاره گیری اولتراسونیک بر پایه آب روشی ساده، ایمن و مقرون به صرفه برای جداسازی تیول ها از سیر است.

بوز و همکاران (2014) عصاره گیری با استفاده از پروب اولتراسونیک را با خیساندن سنتی، استفاده از حمام فراصوت (التراسونیک) و عصاره گیری مایکروویو مقایسه کرد. نتایج نشان داد که عصاره گیری از نوع پروب اولتراسونیک بالاترین بازده آلیسین را داد.

مزایای عصاره گیری سیر اولتراسونیک

• بدون حلال / مبتنی بر آب

• بازده عصاره گیری بالا

• عصاره های با کیفیت بالا

• فرایند غیر حرارتی

• عصاره های طیف کامل

• فرآیند سریع

• سبز، سازگار با محیط زیست

• عملیات ساده و ایمن

• تعمیر و نگهداری کم

• بازگشت سرمایۀ سریع

استخراج کننده های اولتراسونیک با کارایی بالا

سیستم های عصاره گیری فراصوت (التراسونیک) شرکت دانش بنیان فناوری ایرانیان پژوهش نصیر (فاپن) در سراسر ایران در صنایع غذایی و داروسازی برای تولید تجاری عصاره های گیاهی با کیفیت بالا (برای استفاده به عنوان افزودنی های غذایی، مکمل های غذایی و درمانی)، استفاده می شود. خواه هدف شما تولید بچ های کوچکتر عصاره سیر باشد یا پردازش مقادیر زیادی از عصاره های گیاهی با کیفیت بالا، فاپن استخراج کننده اولتراسونیک ایده آل برای شما را در اختیار شما قرار خواهد داد.

مزایای رقابتی عصاره گیری اولتراسونیک

مزایای اصلی عصاره گیری ترکیبات زیست فعال با امواج فراصوت (التراسونیک) از مواد گیاهی مانند سیر شامل کاهش قابل توجه زمان عصاره گیری و فرآوری، سازگاری با محیط زیست به دلیل عصاره گیری مبتنی بر آب یا کاهش استفاده از حلال و انتشار ناچیز CO2، مقدار کم انرژی مصرفی، و همچنین عملکرد ساده و ایمن سیستم های اولتراسونیک هستند.

استانداردسازی فرآیند با اولتراسونیک فاپن

عصاره‌هایی که در مواد غذایی یا دارویی استفاده می‌شوند، باید مطابق با شیوه‌های تولید خوب (GMP) و تحت مشخصات پردازش استاندارد تولید شوند. سیستم‌های عصاره گیری التراسونیک دیجیتال فاپن دارای نرم‌افزار هوشمندی هستند که تنظیم و کنترل دقیق فرآیند فراصوت (التراسونیک) را آسان می‌کند. استحکام تجهیزات فراصوت (التراسونیک) فاپن امکان عملیات 24/7 در وظایف سنگین و در محیط‌های سخت را فراهم می‌کند.

برای مشاهده دستگاه های نصب و راه اندازی شده در صنایع غذایی لینک های زیر را ببینید:

نصب و راه اندازی سامانه عصاره گیری التراسونیک

https://www.aparat.com/v/agRAm

سامانه عصاره گیری التراسونیک

https://www.aparat.com/v/mcqux

تولید سس بالزامیک با التراسونیک

https://www.aparat.com/v/uxoVe

تولید نانوامولسیون با دستگاه التراسونیک هموژنایزر نیمه صنعتی

https://www.aparat.com/v/EMQDZ

نکات جالب توجه:

سیر و مزایای آن برای سلامتی

سیر سرشار از مولکول های زیستی است که به سیر به عنوان یک گیاه دارویی و مکمل غذایی قدرت می بخشد. 200 ترکیب مختلف باعث به وجود آمدن اثرات مفید سیر برای سلامتی می شوند. حبه های سیر دارای محتوای فوق العاده بالایی از ترکیبات ارگانوسولفور مانند آلیین، آلیسین و ترکیبات γ-گلوتامیل سیستئین مانند γ-گلوتامیل-S-آلیل سیستئین، γ-گلوتامیل-S-ترانس-1-پروپنیل سیستئین هستند. سیر حداقل چهار برابر بیشتر از سایر سبزیجات غنی از گوگرد مانند پیاز، کلم بروکلی و گل کلم گوگرد دارد. این ترکیبات حاوی گوگرد به سیر بوی و طعم تند می دهند.

بیومولکول های حاوی گوگرد، ترکیبات سولفیدریل نامیده می شوند و به گروه تیول ها تعلق دارند. آنها در تمام بافت ها و سلول های بدن انسان یافت می شوند و نقش مهمی در بسیاری از واکنش های بیوشیمیایی حیاتی دارند. سیستئین و گلوتاتیون (GHS) دو تیول مهم موجود در سیر هستند. سیستئین یک آمینو اسید حاوی گوگرد است که دارای یک گروه سولفیدریل بسیار فعال شیمیایی است. گلوتاتیون (GHS)، یک تری پپتید متشکل از اسیدهای آمینه گلوتامات، سیستئین و گلیسین، فراگیرترین ترکیب سولفیدریل با جرم مولکولی کم در بدن انسان است. گلوتاتیون به عنوان یک آنتی اکسیدان فوق العاده عمل می کند و یک عملکرد حیاتی در بدن انسان (به عنوان مثال در سیستم ایمنی) دارد.

آلیسین

آلیسین یکی از مهم ترین بیومولکول های موجود در سیر است که اثرات مثبت بسیاری را بر روی سلامت انسان نشان می دهد. آلیسین در حبه سیر دست نخورده وجود ندارد، اما زمانی که سیر بریده یا له می شود، سنتز می شود. با خیساندن بافت سیر، آنزیمی به نام آلیناز فعال می شود. آلیناز تبدیل اسید آمینه آلیین به آلیسین و سایر آلیل تیوسولفینات ها را آغاز می کند. تشکیل آلیسین فرآیندی سریع است که در عرض چند ثانیه پس از له کردن یک پیاز سیر تازه تکمیل می شود.

اهمیت تابش فراصوت:

تابش امواج فراصوت با مبدلی که معمولاً به شکل حمام فراصوت [ⁱ] یا پروب فراصوت [ⁱⁱ] است، انجام میشود. انتشار امواج فراصوت در محیط مایع سبب حفره‌سازی صوتی می‌گردد و نتیجة آن تشکیل، رشد و فروپاشی حباب‌ها همراه با انتشار جریان صوتی است. فروپاشی حباب می‌تواند منجر به غلظت بسیار زیاد انرژی ناشی از تبدیل انرژی جنبشی حرکت مایع به حرارت دادن محتویات حباب شود. دمای محلی 5000 کلوین و فشار 1000 اتمسفر همراه با خنک شدن فوق العاده سریع، وسیله‌ای برای انجام واکنش‌های شیمیایی در شرایط شدید فراهم می‌کنند[ⁱⁱⁱ]. با عبور امواج فراصوت از میان محیط مایع، امواج سینوسی در محیط پخش می‌شوند. در طول مرحلة رقیق شدن در نیم‌دورة فراصوت، هنگامی که فشار متراکم ‌شده در محیط به اندازة کافی زیر فشار هوا یا فشار استاتیک باشد، حباب‌های درون محیط رشد می‌کنند. هسته‌های احتمالی برای وقوع حفره‌سازی حباب‌های گازی هستند که در دیواره‌ها و شکاف‌های راکتور به دام افتاده‌اند و یا حباب‌های کوچکی هستند که از قبل در محیط حضور داشتند. اگر دامنة فشار امواج فراصوت به اندازة کافی بالا باشد، حباب‌ها به سرعت دچار انبساط می‌شوند (بیش از دو برابر اندازة اصلی). رشد حباب با تبخیر آب در سطح داخلی آن همراه است (فرض بر این است که محیط واکنش فقط آب است) و مولکول‌های بخار آب در حباب پخش می‌شوند[^iv]. تعدادی از حباب‌هایی که به حداکثر رشد خود می‌رسند، ناپایدارند و دچار فروپاشی می‌شوند. فروپاشی حباب‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و به‌همین دلیل این فرایند به‌صورت بی‌دررو اتفاق می‌افتد.

مولکول‌های بخار وارد شده به حباب در طول انبساط، در فاز فشرده‌سازی به طرف سطح داخلی حباب حرکت می‌کنند و در آنجا داخلی متراکم می‌شوند. لحظات نهایی فروپاشی حباب، حرکت شعاعی حباب سریع انجام می‌شود و همة مولکول‌های بخار آب قادر نیستند بر روی دیوارة حباب جایگزین شوند. پس همة مولکول‌های بخاری که به سطح حباب نزدیک می‌شوند نمی‌توانند به آن بچسبند و مجبور به تراکم می‌شوند. در نتیجه بخار آب در حباب به دام می‌افتد و در معرض دماهای شدید و شرایط فشار تولید شده در حباب در زمان فروپاشی قرار می‌گیرد. در نهایت مولکول‌های بخار آب دچار گسستگی می‌شوند و رادیکال‌ها تولید می‌شوند. سرعت تولید رادیکال‌ها وابسته به تعداد کل مولوکول‌های آب موجود در حباب در طول فروپاشی، شدت فروپاشی (یعنی مقدار دما و فشار موجود در حباب در لحظة فروپاشی) و تعداد حبابها در محیط است. رادیکال‌ها باعث سریع شدن واکنش‌های شیمیایی می‌شوند[^v].

نکتة قابل ذکر این است که خصوصیات پدیده‌هایی که در سونوراکتورها دخیل هستند برای طراحی بهینه فرایندهای شیمیایی مهم هستند [^vi].

اثرات شیمیایی:

اثر اصلی شیمیایی ناشی از انتشار امواج فراصوت در محیط مایع تولید رادیکال‌ها از طریق فروپاشی گذرای حفرة حباب است که واکنش‌ها را تسریع می‌کند[v].

اثرات فیزیکی:

اثرات فیزیکی ناشی از انتشار امواج فراصوت چندین مورد است. این اثرات عمدتا باعث جابجایی‌های قوی در محیط مایع از طریق مکانیسم‌های مختلف هستند که در زیر شرح داده شده اند:

جریان صوتی

انتشار امواج فراصوت در محیط مایع باعث ایجاد دامنة حرکت نوسانی کوچک عناصر مایع در اطراف موقعیت میانی می‌شود. این پدیده Microstreaming(ریز جریان) نامیده می‌شود[^vii]. سرعت آن به‌صورت = V داده می‌شود که فشار میدان نوسانی موج فراصوت، چگالی محیط و c سرعت صوت در محیط است.

ریز آشفتگی

حرکت شعاعی حفرة حباب باعث حرکت نوسانی مایع در مجاورت خودش می‌شود که Microturbulence (آشفتگی کوچک) نامیده می‌شود. این پدیده به شرح زیر است: در طول فاز انبساط، مایع از مرکز حباب جابجا می‌شود. درطول فاز فروپاشی مایع به طرف حباب کشیده می‌شود چنانکه آنرا پر می‌کند و در واقع خلأ ایجاد شده با کاهش سایز حباب با مایع پر می‌شود. متوسط سرعت آشفتگی کوچک وابسته به دامنة نوسان حباب است. با این حال باید توجه داشت که این پدیده تنها در ناحیه بسته مجاورت حباب اتفاق می‌افتد. سرعت آن در فاصله ای دور از حباب خیلی سریع کاهش می‌یابد[v].

موج شوک یا شاک ویو

همانطور که در بالا ذکر شد در طول حرکت شعاعی فشرده‌سازی ، عناصر مایع مجاور حباب، به سمت دیوارة حباب همگرا می‌شوند. برای یک حباب گاز (حاوی گاز غیر متراکم مانند هوا) فشرده‌سازی بی‌دررو اتفاق می‌افتد. در نقطة حداقل شعاع (حداکثر فشرده‌سازی) دیوارة حباب دچار توقف ناگهانی و برگشت پذیر با سرعت بالا می‌شود[v]. این بازتاب موج شوک را می‌سازد که در محیط پخش می‌شود. در واقع موج شوک ناشی از حرکت مایع اطراف حباب تولید میشود که در انتهای فاز فشرده‌سازی تمایل به حرکت به سمت خارج از مرکز حباب دارد.

اولین تحقیقات مربوط به تاثیر ویسکوزیته برای وقوع موج شوک اولیه در مایعات بیش از 50 سال پیش توسط پوریتسکی، زباباخین و20 سال پیش توسط برنن انجام شد. در نتیجه نشان داده‌شد که موج شوک در مایعات با ویسکوزیتة به اندازة کافی بالا مانند گلیسیرین ناپدید می‌شود. علاوه بر این، بررسی عددی و تجربی Hegedus و همکارانش نشان دادکه شکل گیری امواج شوک نه تنها وابسته به عدد ماخ لحظه‌ای است، بلکه به عدد Reynolds لحظه ای به صورت = (r(t) r ̇(t)) /ϑ نیز بستگی دارد ، که r(t) شعاع حباب وابسته به زمان و ϑ ویسکوزیته سینماتیک است[^viii].

با توجه به کاهش سریع ویسکوزیته در مایعات با افزایش دما، تاثیر ویسکوزیته به دمای پایین برای مایعات محدود می‌شود. از سوی دیگر، برنن دریافت که دینامیک حباب و موج شوک عمدتا تحت تاثیر فشار بخار است البته در صورتیکه دمای مایع حدود 70-80 درصد از دمای جوش خود باشد[^ix]. در کاربردهای واقعی، مانند زمینه‌های به سرعت در حال توسعه از تکنولوژی فراصوت، امواج شوک تولید شده از یک فروپاشی حباب می‌تواند به روش‌های مختلفی استفاده شود. به عنوان مثال برای کاهش وزن مولکولی پلیمرها، برای افزایش بازده کاتالیز ناهمگن و یا برای مخلوط کردن دو مایع ناپیوسته برای تولید امولسیون‌های بسیار پایدار[viii].

میکروجت

حباب در طول حرکت شعاعی هندسة کروی خود را تا زمانی که حرکت مایع در مجاورت آن متقارن و یکنواخت است نگه می‌دارد، در نتیجه گرادیان فشار وجود ندارد. اما اگر حباب نزدیک به مرز قرار بگیرد (جامد-مایع یا گاز-مایع یا مایع-مایع) از حرکت مایع در نزدیکی آن مرز ممانعت می‌شود و نتیجه رشد گرادیان فشار نزدیک آن است. این غیر یکنواختی فشار نتیجه‌اش از دست دادن هندسة کروی حباب است. در طول حرکت شعاعی نامتقارن بخشی از حباب که در معرض فشار بالاتر است زودتر از بقیة حباب دچار فروپاشی می‌شود که این باعث افزایش تولید جت مایع با سرعت بالا می شود. با این حال جهت این جت وابسته به خصوصیات مرزی است. برای یک مرز سخت میکروجت‌ها به سمت مرز هدایت می‌شوند درحالیکه برای یک مرز آزاد میکروجت‌ها به دور از مرز هدایت می‌شوند. سرعت میکروجت‌ها در محدودة m/s 120- 150 تخمین زده‌شده‌است. در مورد مرزهای سخت این جت‌ها می‌توانند باعث آسیب شدید در نقطة ضربه شوند و سطح را ساییده کنند[v].

i - Yadav, R. S., Mishra, P., & Pandey, A. C. (2008). Growth mechanism and optical property of ZnO nanoparticles synthesized by sonochemical method. Ultrasonics sonochemistry, 15(5), 863-868.

ii - Prasad, K., Pinjari, D. V., Pandit, A. B., & Mhaske, S. T. (2010). Synthesis of titanium dioxide by ultrasound assisted sol–gel technique: effect of amplitude (power density) variation. Ultrasonics sonochemistry, 17(4), 697-703.

iii - Suslick, K. S., & Price, G. J. (1999). Applications of ultrasound to materials chemistry. Annual Review of Materials Science, 29(1), 295-326.

iv - Atchley, A. A., & Prosperetti, A. (1989). The crevice model of bubble nucleation. The Journal of the Acoustical Society of America, 86(3), 1065-1084.

v - Kuppa, R., & Moholkar, V. S. (2010). Physical features of ultrasound-enhanced heterogeneous permanganate oxidation. Ultrasonics sonochemistry, 17(1), 123-131.

vi - Jüschke, M., & Koch, C. (2012). Model processes and cavitation indicators for a quantitative description of an ultrasonic cleaning vessel: Part I: Experimental results. Ultrasonics sonochemistry, 19(4), 787-795.

vii - Leighton, T. G. (1995). Bubble population phenomena in acoustic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry, 2(2), S123-S136.

viii - Garen, W., Hegedűs, F., Kai, Y., Koch, S., Meyerer, B., Neu, W., & Teubner, U. (2016). Shock wave emission during the collapse of cavitation bubbles. Shock Waves, 26(4), 385-394.

ix - Akhatov, I., Lindau, O., Topolnikov, A., Mettin, R., Vakhitova, N., & Lauterborn, W. (2001). Collapse and rebound of a laser-induced cavitation bubble. Physics of Fluids, 13(10), 2805-2819.