Konwencjonalna ekstrakcja składników bioaktywnych

Ekstrakcja polega na kontakcie dwóch cieczy, które nie mieszają się ze sobą. Ciecz zawierająca składnik ekstrahowany nazywana jest rozpuszczalnikiem pierwotnym i charakteryzuje się mniejszą rozpuszczalnością dla pozyskiwanego związku. Natomiast rozpuszczalnik wtórny, do którego składnik ekstrahowany przechodzi na skutek różnicy stężeń, charakteryzuje się większą rozpuszczalnością tego składnika. W ten sposób można odzyskać dużą część danego związku z rozpuszczalnika pierwotnego, a rozpuszczalnik wtórny poddać następnie destylacji w celu rozdzielenia go od składnika ekstrahowanego. Dzięki temu otrzymuje się pożądaną substancję, jednak ekstrakcja konwencjonalna ma wiele negatywnych aspektów. Jest to proces powolny, podczas którego zużywa się duże ilości rozpuszczalników, aby uzyskać niewielką ilość potrzebnej substancji. Istnieje również duże ryzyko niedokładnego usunięcia rozpuszczalnika wtórnego, który często jest substancją toksyczną zarówno dla ludzi, jak i środowiska. Właśnie dlatego opracowane zostały metody ekstrakcji, które ograniczają zużycie rozpuszczalników, są szybsze i wydajniejsze, a także umożliwiają zastosowanie rozpuszczalników nietoksycznych. Jedną z takich metod jest ekstrakcja płynem w stanie nadkrytycznym, uważana przez naukowców za najlepszą w przypadku pozyskiwania składników bioaktywnych z roślin.

Płyny w stanie nadkrytycznym

W warunkach naturalnych różnica między cieczą a gazem jest zauważalna gołym okiem, jednak dla każdej substancji różnica ta zanika przy odpowiednio dużej temperaturze i ciśnieniu, nazywanych krytycznymi. W tym stanie płyn przyjmuje niektóre właściwości gazowe, a niektóre cieczowe. Charakteryzuje się niską lepkością jak gaz, dużą gęstością jak ciecz, a przy tym zachowuje wysoki współczynnik dyfuzji, co oznacza, że wymiana masy jest szybsza i łatwiejsza, a to z kolei jest kluczowe w procesie ekstrakcji. Najpopularniejszym związkiem wykorzystywanym w stanie nadkrytycznym jest dwutlenek węgla, ale jako rozpuszczalnik wtórny w procesach przemysłowych stosowane są również: alkohole (metanol, izopropanol), alkany oraz węglowodory aromatyczne. Ekstrakcja w stanie nadkrytycznym przeprowadzana jest w kolumnie ekstrakcyjnej, wypełnionej najczęściej ciałem stałym, z którego odzyskiwane są pożądane substancje. Płyn w stanie nadkrytycznym przepływa przez złoże w kolumnie i rozpuszcza substancje, które następnie wypływają wraz z nim z kolumny. W kolejnym etapie płyn jest poddawany separacji za pomocą podwyższonej temperatury lub obniżonego ciśnienia i w ten sposób otrzymywany jest składnik ekstrahowany o dużej czystości.

Ekstrakcja nadkrytyczna składników bioaktywnych

Do ekstrakcji składników bioaktywnych wykorzystuje się dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym. Aby dwutlenek węgla osiągnął stan nadkrytyczny, należy w układzie zapewnić ciśnienie 73.8 barów oraz temperaturę 31.1°C. Dzięki tak niskiej temperaturze ekstrakcji można poddawać składniki bioaktywne wrażliwe na temperaturę. Ekstrakcję nadkrytyczną stosuje się do pozyskiwania: kwasów tłuszczowych, pigmentów, antyoksydantów, substancji zapachowych i smakowych oraz olejków eterycznych. Dwutlenek węgla jest sklasyfikowany jako rozpuszczalnik bezpieczny, a ponieważ w warunkach normalnych występuje w formie gazowej, łatwo jest go oddzielić od produktu. Główną wadą dwutlenku węgla jest jednak jego niepolarność, co oznacza, że rozpuszczają się w nim jedynie substancje o małej polarności i masie. Związki, takie jak cukry, karotenoidy czy białka, które mają dużą masę cząsteczkową oraz są silnie spolaryzowane, nie będą ulegać rozpuszczeniu w nadkrytycznym dwutlenku węgla, a zatem nie można stosować go do ich ekstrakcji. Możliwe jest jednak dodanie drugiego rozpuszczalnika polarnego – wody lub alkoholu – aby zapewnić odpowiednią ekstrakcję nadkrytycznym dwutlenkiem węgla substancji polarnych. Wówczas zmianie ulegną jednak parametry, w jakich taka mieszanina osiągnie stan nadkrytyczny.

Ważną grupą substancji bioaktywnych, które można ekstrahować z roślin, są alkaloidy, takie jak: kofeina, kodeina, morfina lub nikotyna. To właśnie za pomocą ekstrakcji nadkrytycznej można otrzymać napoje bezkofeinowe. Kofeina wypłukiwana jest z ziaren kawy, kakaowca czy liści herbaty podczas przepływu dwutlenku węgla w stanie nadkrytycznym. Za pomocą ekstrakcji nadkrytycznej z roślin wydzielić można również terpeny, czyli substancje zapachowe występujące najczęściej w kwiatach. Dzięki zastosowaniu nadkrytycznego dwutlenku węgla możliwe jest zachowanie aromatu, który w przypadku konwencjonalnej ekstrakcji, uległby rozproszeniu. Terpeny wydzielane są również z konopi, wraz z kannabidiolem (CBD). Są to nietoksyczne składniki konopi, które nie mają właściwości psychoaktywnych, ale charakteryzują się działaniem terapeutycznym. Ponieważ są słabo rozpuszczalne w cieczach, coraz częściej pozyskuje się je właśnie za pomocą nadkrytycznego dwutlenku węgla. Wydajność takiego procesu sięga powyżej 90%. Ostatnią grupą związków, pozyskiwaną poprzez ekstrakcję nadkrytyczną, są związki fenolowe, które odpowiadają w roślinach za wzrost, pigmentację oraz ochronę przed szkodnikami. Badacze dowiedli, że spożywanie tych związków może odgrywać kluczową rolę w zdrowiu człowieka poprzez kontrolowanie metabolizmu, wagi, chorób przewlekłych i proliferacji komórek.