روغن هاي اسانسی يا اسانس ها تركيبات معطّري مي باشند كه بطور گسترده اي در صنايع عطر سازي،صنايع دارويي و غذايي مورد استفاده واقع مي شوند. پس از تحقيقات كلي روي شيوه هاي استخراج اسانس ها، آنها را مي توان به شيوه هاي مرسوم (بر اساس تقطير بخار آب يا استخراج با حلال آلي) و شيوه هاي جدید (شامل استخراج با حلال كمك شده با امواج صوتي (Sonication) استخراج با حلال كمك شده با امواج ماكرویو  (MAE) استخراج با دي اكسيد كربن فوق بحراني  (SC­Co2) و استخراج با آب فوق گرم (SWE)تقسيم بندي كرد. فوايد و معايب هر شيوه گزارش شده است.

استخراج با تقطير بخار آب

يكي از روش هاي معمول استخراج اسانس ها تقطير با بخار آب است.بر پايه ي روش تقطير با آب يا بخار
سه سيستم تقطير با آب، تقطير با آب و بخار و تقطير با بخار تا كنون طراحي و ساخته شـده اسـت كـه در مقيـاس
صنعتي عموماً از سيستم تقطير با بخار استفاده مي شود. در اين سيستم اندام گياه مورد نظر صرفاً تحت تاثير بخـار

آب با فشار كم (۱٫۰ bar)قرار مي گيرد و بخار پس از عبور از توده گياه اسانس آن را در قسمت سـردكن سيسـتم
جمع مي كند.
معايب تقطير با بخار آب

استفاده از اين شيوه مرسوم ضررهاي زيادي را (يعني خطر اتلاف تركيبات نا پايدار در برابر حرارت) و دو ضـرر قابل ملاحظه (يعني غير عملي بودن فرآيند بصورت خودكار و زمان طـولاني بـراي اسـتخراج) را دارد. تـلاش بـراي جلوگيري از اتلاف تركيبات ناپايدار در برابر حرارت با استفاده از تقطير تحت خلاء كه فرآيند تقطير بخار آبي اسـت كه در فشار پائين انجام مي شود، صورت گرفته است. اما اين شيوه هنوز دو ضرر قابل ملاحظه ذكـر شـده در بـالا را دارد.

استخراج با حلال آلي

استخراج با حلال آلي براي مدت زيادي براي جداسازي اسانس ها از محصولات طبيعـي اسـتفاده شـده اسـت. يكي از تجهيزاتي كه بيشترين استفاده را در شيوه استخراج با حلال آلي دارد و نام استخراج هم به همين نـام اسـت دستگاه سوكسله است .شيوه استاندارد و مرجع اصلي براي ارزيـابي كـردن كـاركرد شـيوه هـاي اسـتخراج جامد- مايع است.

در دستگاه سوكسله ماده گياهي داخل فيلتري در لوله بالايي قرار مي گيرد و بالون تقطيـر از حـلال استخراج پر مي شود. بالون تا حدود نقطه جوش حلال حرارت داده مي شود، حلال تبخير مي شود و توسط لوله اي به كندانسور هدايت مي شود و بستر گياه با حلال تازه كندانس شده از بالن تقطير پر مي شود. هنگامي كه مايع بـه سطح سرريز شدن برسد، سيفون محلول لوله را بيرون مي كشد و در حالي كه ماده استخراج شده حل شـده داخـل توده مايع است آن را به بالن تقطير مي برد. در بالن ماده حل شده از حلال با استفاده از تقطير جدا مي شود و حلال تازه به داخل بستر جامد گياه بر مي گردد. اين عمليات تا استخراج كامل به دست آيد تكرار مي شود. اسانس خالص در اين شيوه در نهايت پس از تبخير حلال استخراج محلول بدست آمده، جمع آوري مي شود

فوايد و معايب استخراج سوكسله

فوايد اين شيوه عبارتند از

1. جابجايي تعادل انتقالي با آوردن مكرّر حلال تازه براي تماس با شـبكه جامـد
2. رقرار كردن دماي استخراج نسبتاً بالا با حرارت بالن تقطير
3. هيچ صاف كردني بعد از ليچينگ نياز نيست
4. شيوه سوكسله بسيار ساده و ارزان است.

معايب آن عبارتند از

1. زمان استخراج طولاني
2.  قدار زيـاد حلال استفاده شده
3. عدم مهيا شدن آشفتگي (همزدن)، كه مي توانـد در دسـتگاه سوكسـله در صـورت وجـودداشتن باعث تسريع فرآيند شود،
4.  مقدار زياد حلال استفاده شده، به شيوه تبخير يـا تغلـيظ كـردن نيـاز دارد
5. مكان تجزيه حرارتي تركيبات هدف كه نمي تواند ناديده گرفته شود چـون اسـتخراج معمـولاً در دمـاي ذوبحلال براي مدت طولاني رخ مي دهد

استخراج با حلال كمك شده با امواج صوتي

امواج صوتي كه فركانس بيشتر از ۲۰ KHzدارند، در واقع ارتعاشات مكانيكي در جامد، مايع، گاز هسـتند. بـر خلاف امواج الكترومغناطيسي، امواج صوتي بايد در ماده حركت كنند و آن ها شامل سيكل هاي انبساط و انقباض در طول حركتشان در محيط مي شوند. انبساط مي تواند حباب هايي را در مايع ايجاد كند و باعث توليـد فشـار منفـي شود. حباب ها تشكيل مي شوند، رشد مي كنند و سرانجام متلاشي مي شوند و توليد جت هاي مايع (جريـان هـاي  سريع ) با سرعت بالا را مي كنند. جت هاي مايع ضربه شديدي را به سطح جامد مي زنند. همچنين هنگام متلاشـي شدن حباب در مركز آن گراديان دمايي ايجاد مي شود و باعث بالا رفتن دما و در نتيجه افـزايش ضـريب نفـوذ مـي شود كه در نهايت باعث افزايش انتقال جرم مي شود. عوامل مكانيكي فراصوت نفوذ بيشتر حلال داخل بافت سـلولي ماده را القا مي كند و باعث بهبود انتقال جرم مي شود. امـواج صـوتي در اسـتخراج مـي توانـد ديـواره هـاي سـلولي بيولوژيكي را تخريب كند و آزاد شدن محتويات دروني آن ها را آسان كند. بنابراين تخريب كارآمد سـلولي و انتقـال جرم مفيد به عنوان دو فاكتور اصلي هستند كه ما را در جهت استخراج با قدرت امواج صوتي هدايت مي كند با بررسي كردن گرافهاي زير الكتروني دليل اثرات مكانيكي فراصوت مهيا مي شود، كه بيشتر تخريـب ديـوارههـاي سلولي و آزاد شدن محتويات سلول نشان داده مي شود. در مقايسه با شيوههاي مرسوم، امواج صوتي باعـث تخريـب ديواره سلولي در يك مدت زمان کوتاه می شود و عصاره گياهي در طول ديواره سـلولي نفـوذ مـي كنـد. مشخصـات گياهي مثل مقدار رطوبت، اندازه ذره و حلال استفاده شده به منظور بدست آوردن اسـتخراج كارآمـد و مـوثر، مهـم هستند . به علاوه فاكتورهاي زيادي از اثر امواج صوتي شامل فركانس، فشار، دما و زمان امواج صوتي نيز وجود دارنـد

فايدهها و معايب استخراج كمك شده با امواج صوتي

اين استخراج در مقايسه با شيوه هاي مرسوم ارزان، ساده و كارآمد است. مزيت اصلي استفاده امواج صـوتي در استخراج جامد-مايع شامل افزايش بازده استخراج و سينتيك سريع تر است. امواج صوتي مي توانند دماي فرآينـد را كاهش دهند و اجازه استخراج تركيبات ناپايدار در برابر حرارت را دهند. در مقابل شيوه هاي جديـد اسـتخراج مثـل استخراج با حلال كمك شده با امواج ماكروويو، دستگاه هاي امواج صوتي ارزان تر و عملياتش ساده تر است. به علاوه استخراج كمك شده با امواج صوتي، شبيه استخراج سوكسله مي تواند با هر حلالي براي اسـتخراج محـدوده وسـيع

استخراج با حلال كمك شده با امواج ماكروويو

امواج ماكروو هاي الكترومغناطيسي بـا فركـانس ۰٫۳ – ۳۰۰ GHz هسـتند. فركـانس امـواج مـاكروويو صنعتي بطور معمول ۲٫۴۵ GHzاست. امواج ماكروويو به عنوان امواجي كه مي توانند داخـل مـواد زيسـتي نفـوذ و ايجاد حرارت كنند استفاده مي شوند. در نتيجه امواج ماكروويو مي توانند همه ماده را براي نفوذ بيشتر در يك زمان گرم كنند. استخراج كمك شده با امواج ماكروويو تحويل سريع انرژي به كل حجم حـلال و بافـت گيـاه جامـد را بـا گرمايش متعاقب حلال و بافت جامد به صورت كارآمد و همگن پيشنهاد مي كند. چون آب در بافت گياه انرژي امواج ماكرويو را جذب مي كند بنابراين تخريب سلول با گرمايش زياد داخلي كه واجذبي مواد شـيميايي از بافـت گيـاه را آسان مي كند انجام مي شود و بازده استخراج بهبود مي يابد.

خلوط دوغاب حلال و گياه داخل محفظه امواج مـاكروويو مـي شوند. پس از مدت زمان لازم تابش، مخلوط دوباره با حلال تازه تماس پيدا مي كند و بعد وارد جداكننده مي شـود. اندام هاي گياهي زايد به خشك كن مي روند تا حلال باقي مانده در آن ها بازيافـت شـود و مـاده اسـتخراج شـده و حلال به يك صافي مي روند تا حلال از ماده استخراج شده جدا شود و براي استفاده مجـدد برگشـت داده شـود. در سال ۲۰۰۴كراتچانوا و همكارانش با استفاده از گرافهاي ريـز الكترونـي مشـاهده كردنـد كـه اسـتخراج بـا امـواج ماكروويو پوست پرتقال تازه به تغييرات تخريب در بافت منجر مي شود. اين تغييرات در بافت گياه ناشي از گرمايش امواج ماكروويو، افزايش قابل توجه در بازده تركيبات استخراج شدني را مي دهد. به علاوه مهاجرت يـون هـاي حـل شده افزايش مي يابد. نفوذ حلال داخل بافت و آزاد شدن مواد شيميايي نيز آسان ميشود. اثر انرژي امواج مـاكروويو بستگي قوي به قابليت دي الكتريك هم حلال و هم بافت گياه جامد دارد

فايده ها و معايب استخراج كمك شده با امواج ماكروويو

اين شيوه به دلايل زير براي استخراج از گياهان استفاده مي شود:

• كاهش زمـان اسـتخراج
• كـاهش ميزان حلال مصرفي
• بهبود بازده استخراج

. با در نظر گرفتن جنبـه هـاي عملـي و اقتصـادي ،MAEشـيوه توانمندي براي استخراج جامد-مايع تركيبات مورد نظر از گياهان اسـت. ايـن شـيوه قابـل مقايسـه بـا شـيوه هـاي استخراج جديد مثل استخراج با سيال فوق بحراني است و فرآيند به سـادگي انجـام مـي شـود و هزينـه كمـي دارد. هرچند كه اين شيوه به يك فيلتر يا قوهگريز از مركز براي حذف كردن جامد باقي مانده در طول فرآيند نياز دارد. به

استخراج با دي اكسيد كربن فوق بحراني

سيال فوق بحراني مشخصات هم گاز و هم مايع را دارد و در مقايسه با حلالهاي مايع فايده هاي زير را دارد:

·         قابليت حلاليت سيال فوق بحراني به دانسيته اش بستگي دارد كه با تغييرات دما يا فشار قابل تنظيم است.

·         سيال فوق بحراني ضريب نفوذ خيلي بالاتر و ويسكوزيته و كشش سطحي خيلي پائين تر از حلال مايع دارد كه منجر به انتقال جرم مطلوبي ميشود

انتخاب حلال براي پيشرفت فرآيند استخراج با سيال فوق بحراني خيلي مهم است. دياكسيد كربن بـه دليـل  ارزان بودن و محدودیت هاي استفاده از حلال هاي آلي ديگر براي حالت استخراج فوق بحراني بيشترين استفاده را دارد. حالت بحراني دي اكسيد كربن در دماي ۳۱/۲ °cو فشار ۷۲/۹ atmاست. دي اكسيدكربن اشتعال نـاپـذير و غير سمي است و حلال خوبي براي استخراج تركيبات غير قطبي مثل هيدروكربن هاست. تركيبات موجـود در گيـاه مثل فنوليك ها، آلكالوئيدها و تركيبات گليكوزيدي قابليت انحلال كمي در دي اكسيد كربن دارنـد و از ايـن جهـت غير قابل استخراج از اين طريق هستند. روش هايي قصد غلبه بر قابليت انحلال كم تركيبـات قطبـي در دي اكسـيد كربن را مورد بررسي قرار دادهاند. به علاوه اضافه كردن حلال هاي كمكي قطبي (اصلاح كننده هـا) بـه دي اكسـيد كربن فوق بحراني قابليت انحلال تركيبات قطبي را افزايش ميدهد.

اساساً سيستم مقدماتي در طراحي مقياس پايلوت شامل يك پمپ حلال كه سيال را به سيستم مـي دهد، يك سلول يا ستون استخراج، بر اساس پيكر بندي سيستم(كه به ترتيب براي جامدات يا مايعات است)، و يك يا چند جدا كننده (سلول هاي جز به جز كننده ناميده مي شوند) كه در آن فشار حلال برداشـته مـي شـود و مـاده استخراج شده جمع آوري مي شود. حذف مواد از حلال بدون بر جاماندن باقي مانده بدست مي آيـد و يـك عصـاره بدون حلال حاصل مي شود. سلول يا ستون استخراج و جدا كننده ها معمولاً با كنترل كننـده هـاي مسـتقل دمـا و فشار مجهز مي شوند و در چنين شرايطي جزء به جزء شدن تركيبات استخراج شده با مرحله برداشتن فشار بدسـت مي آيند. بنابراين تركيبات مختلف مي توانند در هر جدا كننده كه بستگي به ميزان حلاليت در سيال فوق بحرانـي دارد بدست آيند. محصول از طريق دريچه اي كه در قسمت پائين جداكننده ها قرار داده شده جمع آوري مي شـود. سيال مجدداً احيا ميشود و به چرخش در مي آيد

فوايد و معايب استخراج با سيال فوق بحراني

SC­Co2 و تقطير بخار آب بطور وسيعي به عنوان شيوه هائي براي جدا سازي اسانس هـايي مثـل رزمـاري ، پونه كوهي، نعنا و گشنيز مقايسه شده اند. مقايسه بين اسـتخراج SC­Co2و تقطيـر بخـار آب و سوكسـله بـراي اسانس هايي مثل اسطوخودوس، ريحان، ميخك ، زنجبيل و زنبق (سوسن) نيـز گـزارش شـده اسـت از ايـن مطالعات مي توان استنباط كرد كه استفاده از استخراج SC­Co2براي جدا سازي اسانس ها چندين فايـده مهـم را در قبال شيوه هاي مرسوم از جمله سرعت بيشتر و استفاده از دماي پائين كه امكان جلـوگيري از اتـلاف و تخريـب تركيبات فرّار و ناپايدار در برابر حرارت را مي دهد، را پيشنهاد مي كند. اين شيوه به صورت خودكار، عملـي اسـت و امكان اتصال به دستگاه كروماتوگرافي و آناليز ماده هاي استخراج شده اي كه غلظتشان در گياه كم است را مي دهد. به علاوه چون قدرت حلال سيال فوق بحراني متناسب با دانسته اش است، يك استخراج انتخابي مي تواند با استفاده از گراديان فشار يا دما بدست آيد و سرانجام ماده هاي استخراج شده بدون حلال بعد از مرحله برداشتن فشار بدست مي آيند. بنابراين استخراج SC­Co2در مقابل شيوه هاي مرسوم براي جداسازي اسـانس هـا از گياهـان بـا آينـده روشن در نظر گرفته شده است . متأسفانه بعضي از مشكلات مثل اينكه SC­Co2يك ميل تركيبي زيادي را نه تنها براي تركيبات اسانس بلكه براي دسته هاي زياد ديگري از تركيبات با دانسيته كم كه در سـبزي هـا هسـتند ماننـد واكس هاي پوستي، اسيد هاي چرب، ماده هاي رنگي و رزين ها نشان مي دهد. بجز واكس هاي پوسـتي، محتويـات اين تركيبات نا خواسته مي تواند با انتخاب شرايط استخراج مناسب كنترل شود. در يك مرحله استخراج باهم واكس هاي پوستي غير قابل اجتناب است، چون آن هـا قابـل حـل در SC­Co2هسـتند و بنـابرين بـه صـورت مطلـوبي استخراج مي شوند با اين وجود ممكن است با استخراج SC­Co2اسانس هاي خالصي بـا اختيـار كـردن طـرح  فرآيند پيچيده، بدست آيد. اين شيوه شامل يك جداسازي جزء به جزء به دنبال مرحله استخراج انجام شده اسـت و در عمل دو محفظه استخراج به صورت سري در جريان پائين دستي استخراج كننده قرار گرفته و عمل مي كنـد. در اين شيوه اسانس در دو مرحله به دست مي آيد بنابراين اين شيوه حذف انتخابي تركيبات غيرقطبي مثل واكس هاي پوستي را ممكن مي سازد. ضرر ديگر استفاده از SC­Co هزينه خريد و تعمير و نگهداري بـالاي دسـتگاه هـا مـي باشد

استخراج با آب فوق گرم

آب به دليل ساختار پيوند هيدروژني قوي، در دماي محيط، نقطه جوش بالائي (بي تناسب با جرمش)، ثابـت دي الكتريك و قطبيت بالايي دارد و اين باعث شده كه آب حلال منحصر بفـردي باشـد. وقتـي آب گـرم مـي شـود خواص آب بطور قابل ملاحظه اي تغيير مي كند چون شبكه پيوندهاي هيدروژني آن به دليل افزايش حركات گرمائي شكسته مي شود. هنگامي كه دما افزايش مي يابد كاهش سيستماتيك و قابل ملاحظـه اي در ثابـت دي الكتريـك و  قطبيت داريم . افزايش دما علاوه بر تغييرات قطبيت آب، باعث كاهش ويسكوزيته و كشش سطحي كه هـر دو عامـل باعث افزايش توانايي آب براي استخراج تركيبات آلي است مي شود ] .[۱۱براي مثال افزايش دماي آب مـايع بـه oc ۲۵۰كشش سطحي را از  ۰٫۸۹ cp (در دماي اتاق) به ۰٫۱۱ cp مي رسـاند. بنـابراين آب در دماهـاي بـالا توانـايي بيشتري به خيس كردن سطح ها دارد. بعلاوه با افزايش مشابه دما، ويسكوزيته آب بطور قابل ملاحظه اي در دماهاي بالا كاهش مي يابد، بنابراين انتقال جرم حلال )سرعت نفوذ( در دماهاي بالا افزايش مي يابد. اگر فشار افـزايش يابـد بطوريكه آب در حالت كندانس باقي بماند، اين تغييرات در دماهاي بالاي نقطه جوش اتمسـفريك و بـالاتر از آن تا قبل از نقطه بحرانی ۳۷۴ درجه سانتی گراد و ۲۱۸بار ادامه مي يابد. در بيشتر محدوده هاي دمايي دانسيته تقريبـاً ثابـت اسـت و  اثرات فشار روي خواص آب كم ترين مقدار است. استخراج با آب فوق گرم شيوه اي بر اساس استفاده از آب به عنوان استخراج كننده در دماي بين۱۰۰-۳۷۴ درجه سانتی گراد (نقطه بحراني آب ۳۷۴ و فشار ۲۲ MPa ) و فشار تا انـدازه اي بـالا كه حالت مايع آن نگه داشته شود است. طرح كلي استخراج با آب فوق گرم در شكل نشان داده شده است.

محققین: مريم خواجه نوري ، علي حقيقي اصل، فرامرز هرمزي