Ультразвуковая экстракция – один из наиболее распространенных методов, используемых в процессе получения биологически активных веществ из растительного или животного сырья. Все процессы экстракции лимитирует диффузия на границе раздела фаз через диффузионный слой с градиентом концентраций экстрагируемого вещества (Лаптев, 2005). Традиционные методы экстракции продолжительны. Использование ультразвука позволяет значительно ускорить процесс экстракции, увеличить выход и снизить себестоимость экстрагируемого вещества, улучшить условия труда и повысить его производительность (Акопян, 2005; Хмелев, 2007).
Достаточно широко, например, изучена ультразвуковая экстракция полифенолов из отжимок красных сортов винограда в работах M. Gon—zálezи других (2006), при частоте 35 кГц и мощности ультразвукового воздействия 240 Вт (PalmaM. и др., 2002).
Установлено, что ультразвуковым облучением с частотой
19…44 кГц из растений с сокращением времени процесса экстракции на 1…2 порядка можно извлекать флавоноиды, дубильные вещества, фенолгликозиды, связанные кумарины, антоцианы, фенолкарбоновые кислоты. При этом имеет место не только значительное ускорение процесса извлечения из растений полезных веществ, но и увеличение, по сравнению с другими методами экстрагирования, выхода основного продукта. При применении ультразвука имеет место звукокапиллярный эффект, который не только ускоряет вытеснение пузырьков воздуха, но и создает условия для их растворения в жидкости. В результате имеет место резкое сокращение процесса замачивания (Носов, 1963; Eller, 1967; Брук, 1972; Молчанов, 2009). При воздействии ультразвука скорость экстракции возрастает в 3…20 раз (Литвинова, 1977).
Установлено, что характер воздействия ультразвука на процессы экстракции биологически активных веществ различен: одни вещества сохраняют свою активность, другие уменьшают, третьи теряют ее.Это связано с избирательным действием ультразвука на различные ткани, их строением, составом и функциями (Вайсман, 1962).
Известно применение ультразвука для экстракции масла семян корейской сосны (Pinus koraiensis) – частота ультразвукового воздействия 32 кГц, температура 80 °C, время 50 минут (ZhangYing, 2005) – и масла из семян табака (Nicotiana tabacum L.) (Stanisavljevića и др., 2006).
Под действием ультразвука ферменты или белки можно экстрагировать из клеток или межклеточных органелл в результате разрушения клетки (Mokkila и др., 2004).
Влияние ультразвука на коэффициент диффузии. Ультразвук оказывает влияние на коэффициент внутренней диффузии. Изменяя мощность ультразвукового поля при экстрагировании растительного сырья, можно регулировать скорость диффузии веществ из клеток, что имеет несомненное практическое значение (Семагина, 2000).
Влияние ультразвука на развитие черенков.В Ботаническом саду Одесского университета изучали влияние ультразвуковых колебаний на возможность ускорения корнеобразования и увеличения выхода укорененных черенков роз (RosaL.). Черенки нарезали из средней части однолетних полуодревесневших побегов. Связанные в пучки черенки помещали в ванну, дном которой служила излучающая пластинка, после чего ванну заполняли водой. Опытные черенки озвучивали в течение 15, 30, 45 секунд, 1, 3, 5, 12 и 20 минут при интенсивности
1 Вт/см2 и частоте колебаний 22 кГц, контрольные – выдерживали в водной среде. Для укоренения использовали смесь листовой земли, чернозема и речного песка в соотношении 2:2:1. Результаты опыта показали, что у всех сортов обработка в течение трех минут увеличивает укореняемость и ускоряет корнеобразование. Срок укоренения черенков в опыте составил 15 дней, в контроле 28 дней. Под действием ультразвука интенсивность трансприрации у опытных растений по сравнению с контролем увеличивалась на 20…25 %. Применение ультразвука позволяет проводить черенкование без специальных туманообразующих установок 2…3 раза в год (Николаева, 1987).
Экологические аспекты использования ультразвуковых технологий
Ультразвук и ультразвуковые технологии с точки зрения охраны окружающей среды и рационального природопользования, в соответствии с теоретическими законами, правилами, требованиями, а также с нормативными актами Российской Федерации при определенных обстоятельствах и в различных сферах использования могут рассматриваться, во-первых, как составляющая потоков информации в естественных природных системах. Во-вторых, как потенциальная опасность, связанная с возможностью разрушающих воздействий на живые организмы. В-третьих, ультразвук может быть нейтральным к природным составляющим экосистем.
Степень «опасности» ультразвука определяется техническим приложением или качеством проектирования технологического процесса его использования. Малогабаритные, маломощные, многофункциональные генераторы ультразвуковых колебаний, приборы, системы и технологические процессы на их основе экологически безопасны, экономически эффективны, обеспечивают сокращение потребления энергетических и сырьевых ресурсов при выпуске одинаковых объемов продукции в сравнении с традиционными технологиями, т.е. обеспечивают актуальное в настоящее время требование – рациональное природопользование (Хмелев, 1997). Ультразвук, используемый в данной работе, относится к низкочастотному (22 кГц) при разрешенной частоте 16…63 кГц, уровень шума на рабочем месте от прибора, работающего на частоте 22 кГц, не превышает предельно допустимый – 100 дБ согласно ГОСТ 12.1.001-83 и отвечает требованиям СанПиН 2.2.4./2.1.8.582-96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения».
Следует отметить, что ультразвуковое воздействие высокой мощности в течение 10…30 минут разрушает до 70 % пестицидов (Collings, 2009).