1. Obţinerea aromatizanţilor cu ajutorul microorganismelor

Aroma unui produs alimentar poate fi consecinţa singulară sau combinată a următoarelor procese.

- procese biochimice produse de enzimele proprii ţesuturilor vegetale şi animale (aroma naturală a fructelor şi legumelor proaspete, a cărnii crude maturate);

- procese biochimice iniţiate, în principal de enzimele micoorganismelor adăugate drept culturi starter, cu participarea enzimelor proprii substratului (produse lactate fermentate, produse vegetale fermentate, băuturi cum ar fi berea şi vinul);

- procese biochimice iniţiate de enzimele adăugate, de enzimele proprii substratului, precum şi de enzimele elaborate de culturile starter (accelerarea maturării cărnii cu enzimele de origine vegetală, coagularea laptelui şi maturarea brânzeturilor prin intermediul enzimelor de coagulare adăugate, a enzimelor proprii laptelui, a celor elaborate de microflora adăugată, cum ar fi lipazele proteazele);

- procese biochimice iniţiate de enzimele proprii ţesuturilor vegetale şi animale precum şi de enzimele microflorei spontane sau adăugate sub formă de culturi starter (fermentarea ceaiului, boabelor de cacao, boabelor de cafea, tutunului, salamurilor crude şi germinarea orzului);

- procese biochimice iniţiate de enzimele substratului precum şi de enzimele elaborate de microorganisme, precum şi procese biochimice ca urmare a aplicării unui tratament termic (fabricarea pâinii unde reacţionează enzimele făinii, enzimele drojdiei şi cele ale bacteriilor de contaminare, în principal lactice, precum şi coacerea);

- procese chimice iniţiate de tratamente fizice (fierberea, coacerea, frigerea, sterilizarea cărnii, peştelui şi produselor vegetale, precum şi coacerea produselor de panificaţie şi patiserie).

1.1. Arome produse de -Glucozidaze

Numeroase produse de origine vegetală conţin glucozide cianogenice (nitrilglucozizii care eliberează acid clorhidric (coponenta neglucidică, agliconul)) toxic, deoarece acţionează asupra citocromoxidazei, producând anoxie tisulară şi, deci, asfixiere. Leguminoasele şi seminţele mai importante care conţin glucozide cianogenice sunt cele menţionate în tabelul 1.1.

1

Tabelul 1.1.Conţinutul în HCN al unor leguminoase

Produsul vegetal HCN, mg/100 gPhaseoolus lunalus 14,4 – 16,7

Sorg 250Cassava (manioc) 113

Pisum salivum (mazăre) 2,3Phaseolus vulgaris (fasole) 2,0

cicorarietium 0,8

Nu conţin glucozide cianogenice sâmburii de caise, migdale, prune, pere. Prin hidroliza enzimelor glucozizilor cianogenici se realizează două scopuri : formarea de aromă şi detoxifierea produsului ce conţine glucozidul cianogen

De exemplu, prin hidroliza amigdalinei din sâmburi de caise, migdale , prune etc., în stare zdrobită şi umectată, sub influenţa -glucozidazei se eliberează în prima etapă agliconul respectiv – mandelonitrilul. Sub influenţa unei a doua enzime – madelo-nitril-liaza – se formează benzaldehida din mandelonitril. Ambele enzime se găsesc în sâmburii amintiţi sub numele de emulsină.

Aplicaţia practică a acestor reacţii constă în folosirea sâmburilor de migdale şi de caise la fabricarea marţipanului, în care caz sâmburii respectivi sunt zdrobiţi în crupe care se înmoaie în apă timp de 24 – 48 de ore. În acest timp are loc hidroliza enzimatică a amigdalinei cu formarea de glucoză sau genţibioză, benzaldehidă şi HCN. Benzaldehida (substanţă odorantă) se solubilizează în uleiul din crupe (miez), iar HCN rămâne în apa de înmuiere. Eventualele urme de HCN rămase în miez pot fi eliminate de organism printr-un proces ce implică, cistenia, sulfurtransferaza sau rodanaza (fig. 1.1).

3-Mercaptopiruvat Sulfurtransferază

S2O32- SCN- + Piruvat Rodanază

SCN- + SO2-3

Fig. 1.1. Căile de detoxifiere ale HCN în organismul animal

O altă aplicaţie practică a utilizării -glicozidazelor sub formă de preparate enzimatice este cea de obţinere a cetonei 4-(4’-hidroxifenil)-butan 2-onă, care se găseşte în mod natural în unele fructe.

2

HCN

Cisteină

Pentru obţinerea acestei cetone ordonate se pleacă de la heterozidul denumit betulozidă, care se găseşte în Betula alba. Acest heterozid este hidrolizat de -glicozidaza preparatului enzimatic în betuligenol. În etapa următoare a procesului biotehnologic, betuligenolul este transformat în cetona respectivă şi microbiană a acestei cetone este .

Casava (făina de manioc) conţine glucozidul cianogenic denumit linamarină, care este hidrolizat de linamaraza endogenă. Pentru făina de manioc se pune numai problema detoxifierii, în care caz făina cu glucozidul hidrolizat se supune spălării cu apă în vederea îndepărtării substanţelor cu acţiune toxică (se obţine tapioca) precum şi unui tratament termic (fierbere, toastare) sau uscării, ceea ce conduce în continuare la eliminarea acidului cianhidric, respectiv a acetonei formate precum şi la inactivarea linamarazei.

Lima beans (Phaseolus lunatus) conţine glucozidul cianogenic faseolunatina, care se îndepărtează prin aducerea fasolii la 20 – 25 % umiditate, care favorizează degradarea autocatalitică a glucozidului. Prin tratament termic ulterior HCN este îndepărtat în mare măsură, astfel încât la un consum normal de fasole este imposibil să se atingă nivelul toxic de HCN, care este de 50 mg/zi.

1.2. Arome produse de -Tioglicozidaze

Numeroase fructe şi legume conţin fioglicozizi care stau la originea formării unor compuşi cu gust picant, arzător, atunci când structura celulară este distrusă mecanic. În cazul muştarului alb, tioglucozidul este sinalbina, iar în cazul muştarului negru trioglicozidul este sinigrina. Cei doi tioglicozini sunt hidrolizaţi de mirozinaza proprie seminţelor de muştar, atunci când acestea sunt umectate şi zdrobite. Produsul eliberat de mirozinază (care nu mai conţine glucidul = glucoza) este transformat neenzimatic până la izotiocianaţi, nitrili, tiocianaţi, conform schemei prezentate în figura 1.2, izotiocianatul de alil intervenind în aroma muştarului, fiind constituentul principal al uleiului esenţial de muştar. Pentru a obţine făina de muştar liberă de izotiocianat şi nitril se aplică tehnologia menţionată în figura 1.3.

S – Glucoza Mirozinază SHR – C R – C + Glucoză

N – OSO2O-K+ H2O N – OSO2O-K+

KHSO4

S - R - C

N -

3

S

S

R – N = C = S N = C – R R – S – C = N Izotiocianat Nitril Tiocianat

Fig. 1.2. Produşii obţinuţi la degradarea enzimatică / neenzimatică a sinigrinei şi respectiv gluconasturtinei, în care :

R = CH 2 pentru sinigrină şi R = CH2 în cazul gluconasturtinei

Umezire până la 30 % umiditate

Mărunţire

Autoliză(Hidroliză enzimatică 15 – 45 min la 550 C)

Fierbere şi distilare la 1000 C

AlilizotiocianatExtracţie cu hexan

Făină de muştar cuAcid erucic 50 % proteină care

conţine < 0,01 %alilizoticianat

Fig. 1.3. Schema tehnologică de obţinere a făinii de muştar liberă de alilizotiocianat

4

Seminţe de muştar

Seminţele de rapiţă conţin o cantitate mare de proteine cu o compoziţie aminoacidică asemănătoare proteinelor din soia, dar conţin şi tioglucozizi care, prin hidroliză, conduc la produşi cu acţiune greşogenă. Principalul tioglucozid din seminţele de rapiţă este progoitina, care este descompusă sub influenţa microzinazei în sulfat, glucoză şi izotiocianat, acesta din urmă fiind ciclizat în mod spontan la goitrină (viniloxazolidintionă) toxică.

Toxicitatea seminţelor de rapiţă poate fi redusă la un nivel netoxic prin aşa numitul “RPC-Process” patentat în Suedia de Compania Karlshamns, tehnologie care conduce la obţinerea unui concentrat proteic caracterizat prin PER = 3 – 3,5; NPU = 87 – 90; BV = 90 – 92 şi TD = 95 – 100 (PER = Protein Efficiency Ratio, NPU = Net Protein Utilization; BV = Biological Value; TD = Digestibilitate adevărată).

Acest concentrat proteic se obţine după schema tehnologică prezentată în fig. 1.4, din care se observă că mirozinaza este inactivată prin tratamentul termic care asigură şi o insolubilizare a proteinelor, fapt ce conduce la diminuarea pierderilor de substanţă uscată utilă la operaţia de “spălare” cu apă, care are drept scop îndepărtarea tioglucozizilor nehidrolizaţi. O dată cu îndepărtarea tioglucozizilor se extrag şi unele glucide nedorite precum şi cantităţi de substanţe azotoase şi ulei, acesta din urmă fiind recuperat. Materialul “spălat” este apoi uscat în condiţii controlate şi supus extracţiei cu hexan. Şrotul obţinut, după desolvenizare, este măcinat, constituind concentratul de rapiţă care poate fi transformat în texturat proteic.

Curăţire

Sfărâmare în crupe

Cernere

Separare coajăCoajă

Inactivare enzimăPresare

Ulei Particule fine degresare Spălare cu apă

Uscare

Extracţie cu hexan

Miscelă Desolventizare Hexan (vapori)

5

Seminţe de rapiţă

Făină brută

Particule fine

Făină uscată

Ape de spălare uzuale cu:- tioglucazizi- glucide- substanţe cu

azosolubile

Distilare Condensare

Ulei brut Vapori de hexan Măcinare

Condensare

Hexan lichid

Fig. 1.4. Obţinerea de concentrat din rapiţă fără tioglucozizi.

De remarcat că particulele fine, împreună cu cojile şi apa de spălare, după uscare constituie un furaj excelent pentru animale, fără pericolul intoxicării, deoarece acestea au posibilitatea să transforme progoitina în 5-viniltiazolidină-2-onă lipsită de toxicitate. Bilanţul de materiale în procesul RSC este următorul : coji, 17 %; particule fine presate, 6 %; substanţă uscată din apa de spălare, 15 %; ulei, 37 %; concentrat proteic, 25 %.

Producerea de substanţe de aromă din precursori care conţin sulf, din alcool cinamic şi acid mevalonic – pirofosfat. Enzimele pot fi utilizate şi la obţinerea aromei de ceapă. Astfel, precursorul S-(1-propenil)-Lcisteină-sulfoxid cu ajutorul alinazei produce într-o primă etapă acid sulfuric, amoniac şi piruvat.

O OH O

H3C – CH = CH – S – CH2 – C – COOH [H3C – CH – SH]

H

S-(1 propenil) L-cisteină-sulfoxid NH3 + CH3 – CO – COOH

O

[H3C – CH = CH – SH] R – SS – S – R + R – SH – R – S – S – R + CH3- -CH3

Acid 1-propenil-sulfenic

H3C – CH2 – CH = S = O STiopropanal – S - oxid

(R = CH3; - CH2 – CH2 – CH3; - CH = CH – CH3)

O NH2 O

CH2 – CH – CH2 – S – CH2 – C – COOH CH2 = - CH – CH2 – S – S – CH2 – CH = CH2

6

Făină degresată

Concentrat proteic

Hexan lichid

S 2 – Propenil – L – cisteină – sulfoxid Dialil-liosulfinat (alicină)

NH3 + CH3 – CO – COOH

Fig. 1.3. Reacţiile de degradare a S-(1-propenil – sulfenic), cu formare de dialil-tiosulfinat (alicină)

Acidul sulfuric suferă în continuare diferite rearanjamente de natură chimică cu formare de tiopropanol – 5 – oxidul. O parte din acidul sulfenic este transformat în mercaptan, disulfuri, trisulfuri şi tiofeni, în urma tratamentului termic aplicat cepei mărunţite. În cazul usturoiului, mecanismele sunt aceleaşi dar precursorul este S – (2 propenil) – L – cisteina – sulfoxidul.

Din precursori ai acidului shikimic se formează pe cale enzimatică într-o primă etapă eugenol, vanilină şi un polimer ligninic, ultimul produs putând fi degradat pe cale chimică în p-crezol şi p-vinilguaiacol.

Terpenele care intervin în aroma fructelor citrice, plante condimentare şi condimente pot fi sintetizate pe cale enzimatică, având ca substrat acidul mevalonic – pirofosfat. Se pot forma monoterpene (cu 10 atomi de carbon) şi sesquiterpene (cu 15 atomi de carbon).

În cazul ciupercilor Litinus edodes (care cresc în Japonia), acestea au un precursor de aromă care este acidul lentinic, legat de -glutamilpeptid. Prin intermediul -glutamiltranspeptidazei se eliberează acidul lentinic. Acidul lentinic în prezenţa S-alkil – L – cisteină – sulfoxid liază se transformă în lentionină – compus de aromă foarte activ. Aceste reacţii sunt iniţiate când şesuturile respective sunt distruse, iar aroma se dezvoltă după uscare / rehidratare sau în condiţiile menţinerii maceratului proaspăt pentru o perioadă scurtă de timp. O O Enzimă

Acid lentilic H3C – S – (C3H6O2S2) - SH

O Reacţie S - S chimică S CH2 CH2 H2C

S S S S

Fig. 1.4. Reacţiile de transformare a acidului lentinic în lentionină

1.3. Folosirea lipazelor pentru obţinerea de arome.

7

Lipazele catalizează, la interfaţa apă/lipide, hidroliza legăturilor ester între acizii graşi şi glicerină. Aceste enzime acţionează, deci, asupra substraturilor lipidice care se organizează în contact cu apa în filme monomoleculare, strat bimolecular, micele, lipozomi sau emulsii. Lipazele diferă între ele prin specificitate şi stabilitate. Există diferenţe de comportare între lipaze şi esteraze. În cazul lipazelor, activitatea lor creşte foarte mult când concentraţia substratului depăşeşte concentraţia micelară critică (CMC), ceea ce se explică prin modificarea conformaţională a enzimei la interfaţă. În cazul esterazelor, comportamentul este tip Michaelis – Menton (fig. 1.5).

Enzimele lipolitice pot cataliza următoarele tipuri de reacţii: hidroliza esterilor, esterificare (alcool şi acid), transesterificare (alcool şi ester), interesterificare (ester şi acid).

Hidroliza esterilor glicerolului de către enzimele endogene sau exogene conduce la eliberarea de acizi graşi cu lanţ scurt sau lung în funcţie de tipul de trigliceridă. Acizii graşi cu lanţ scurt au rol important în aroma produselor lactate, în special la brânzeturi. De exemplu, prin folosirea lipazei de Mucor miehei, care acţionează asupra gliceridelor ce conţin acizi graşi C4 şi C6 sau C8 se obţin arome de tip “unt”. Hidraliza trigliceridelor având acizi graşi cu lanţ scurt poate fi îmbunătăţită prin folosire de lipaze imobilizate obţinute din Candida cylindracea şi Rhizopus arhizus (imobilizarea se face pe polipropilenglicol).

- Activitate enzimatică

-

-

-

CMC

Fig. 1.5. Hidroliza triacetinei de către esterază şi lipază

EsterificareRCH2OH + R’COOH RCOOH2R’

8

Substrat solubil Substrat agregat

Esterază Lipază

Hidroliză

+ R’’COCH2R’’’ + R’’COOCH2R’’’’ Transesterificare Interesterificare

R’’COOH2R + R’’’’CH2OH R’’COOCH2R’ + RCOOCH2R’’’’

Fig. 1.6. Reacţii catalizate de lipazeLa hidroliza lipolitică a gliceridelor din lapte se pot forma acizi graşi din care se

constituie ca substanţe de aromă, cum ar fi acidul butiric iar alţii devin substraturi pentru formarea de lactone şi cetone.

Enzimele pot fi utilizate pentru obţinerea de aromatizanţi pentru industria laptelui. Ca substrat se poate folosi : o emulsie pe bază de grăsime de unt, lapte integral concentrat, smântână în prealabil fermentată cu Lactobacillus bulgaricus. În cazul grăsimii de unt se realizează o emulsie de 50 % folosind tampon fosfat. Substraturile menţionate se inoculează cu 0,5 – 1,5 % esterază pregastrică de viţel şi se incubează până se eliberează 20 % din acizii graşi ai gliceridelor.

Substraturile hidrolizate sunt apoi pasteurizate la 700 C/10 min pentru inactivarea enzimei. Se pot lipoliza chiar emulsii pe bază de grăsime de unt cu 60 şi 80 % grăsime. Asemenea emulsii se pot utiliza în proporţie de 0,3 – 3 % la fabricarea ciocolatei cu lapte, margarinei, produselor lactate de imitaţie, pizzei etc.

Esterificarea se poate realiza de către lipaze în condiţiile în care apa este înlocuită parţial cu un solvent organic. Cataliza enzimatică de esterificare va fi influenţată de natura solventului caracterizată prin valoarea lui P (P = coeficientul de partiţie al unui compus în sistemul bifazic solvent / apă). Activitatea biocatalitică este bună dacă log P > 4. Valoarea log. P pentru solvenţi sunt hexan 3,5; heptan 4,0; octan 4,5; decan 5,6; dodecan 5,5; apa din mediul reacţional trebuie să fie între 5 şi 8; temperatura optimă 30 … 400 C; concentraţia în acizi între 0,6 M şi 1,0 M; raportul molar între acid / alcool = 0,2 -–1,0 (Valori de 0,2 – 0,3 sunt favorabile pentru obţinerea de esteri ai acidului acetic şi a esterilor terpenici).

În tabelul 1.2 sunt prezentate diferite surse microbiene de lipaze, condiţiile operatorii, substratul folosit şi produşii obţinuţi.

Reacţii enzimatice, amestecuri recemice efectuate de lipaze. Lipazele au proprietatea de a efectua hidroliză şi esterificare enantioselectivă şi această proprietate a lipazelor este folosită pentru producerea de L (-) metanol, identic cu cel natural. Sinteza mentolului începe cu hidrogenarea timolului, în care caz se obţin patru diasteri – izomeri, dintre care izomerul L (-) metanol are aromă caracteristică de mentă. Esterificarea amestecului racemic, urmată de hidroliza stereospecifică de către lipază, conduce la obţinerea de L (-) metanol cu o puritate optică de 85 %. Esterificarea enantioselectivă a metanolului realizată de lipază poate să conducă la obţinerea de esteri ai L (-) metanolului cu o puritate optică > 90 %.

Tabelul 1.2.

9

Parametrii pentru reacţii de esterificare

Sursa de lipază

Condiţii operatorii

Substratul Raport molar

acid/alcool

Produşii obţinuţi

Grad de conversie

1 2 3 4 5 6Candida cylindracea

Enzimă imobilizată; n-heptan; 300 C

Acid butiric;etanol;alcool izoamilic

0,62

Butriat de etilButriat de izoamil

100g1

Candida antarctica

Enzimă imobilizată; apă 2%;fără solvent; 600 C

Acid butiric; geraniol;

0,87

Butriat de geraniol

100

Candida rugosa

Enzimă liberă;apă 2%;n-heptan;300C

Acid butilic;etanol;geraniol 1,0

Butrial de etilButriat de geranil

75

40

Aspergillus (specii)

Enzimă liberă;apă 2%;n-heptan;370C

Acid acetic; acid butilic; etanol; geraniol; alcool izoamilic 1,0

1,0

Butrial de etilButriat de geranil

70

10

Mucor miehei Enzimă liberă;apă 2%;n-heptan;370C

Acid acetic; alcool izoamilic 1,0

Butrial de etilButriat de seramilButriat de geranil

98

65

25

1 2 3 4 5 6Mucor miehei Enzimă Acid acetic; Acetat de

10

liberă;apă 0,1%;n-heptan;450C

alcool izoamilic 0,25

izoamil80

Mucor miehei Enzimă liberă;apă 0,4%;n-heptan;400C

Acid acetic; alcool izoamilic 0,33

Acetat de izoamil

92

Mucor miehei Enzimă liberă;450C

Acid caproic; izobutanol -

Caproat de izobutil 80

Rhizopus arrhizus

Enzimă liberă;apă 0,2%;n-heptan;370C

Acid butilic; geraniol

1,0

Butirat de etilButirat de geranil

73

55

Pseudomona s fluorescens

Enzimă liberă;apă 0,25%;n-heptan;200C

Acid octanoic; butanol 1,0

Octanoat de butil 75

Staphyloco-ccus wamery

Enzimă liberă;apă 0,2%;n-heptan;370C

Acid decanoic ; etanol -

Decanoat de etil 89

Reacţii de lactonizare. Aceste reacţii sunt realizate de lipaze din Mucor miehel, care realizează esterificarea intramoleculară a acizilor graşi hidrolizaţi în lactone – aromatizanţi eficace. Astfel, din acid ricinoleic, prin biotransformare microbiană se formează acid 4-hidroxidecanoic, iar acesta este transformat în - decalactonă de către o lipază. Lipazele pot efectua şi ciclizări. De exemplu, plecând de la acidul 4-hidroxibutiric se obţine - butirolactonă iar plecând de la 15-hidroxipentodecanoic se poate obţine ciclopentadecanolid. Lipazele pot efectua şi reacţii de condensare cu formare de lactone macrociclice.

2. Prezentarea principiilor active

11

Principiile active ale condimentelor sunt substanţe chimice foarte variate: uleiuri eterice, aldehide, cetone, alcool superior, hidrocarburi, baze organice, răşini, lucozizi, etc. caracterizând însăşi gustul şi mirosul specific al fiecărui condiment. Afară de aceste principii active, condimentele conţin şi diferite alte substanţe ca celuloza, hemiceluloză, pigmenţi vegetali, grăsimi, apă, etc. care sunt indicate în descrierea fiecărui condiment sau produs condimentar.

Condimentele în general nu pot fi folosite la conservarea alimentelor deşi unele uleiuri eterice pe care le conţin au o acţiune antiseptică însemnată. Aceste uleiuri eterice aflându-se în cantităţi mici în condimente ar fi necesar pentru realizarea unei acţiuni conservante practice să se adauge cantităţi foarte mari de condimente ceea ce ar face alimentele de neconsumat.

Condimentele trebuie folosite numai pentru a da gust şi miros plăcut alimentelor dar nici un caz pentru a acoperi defectele provenite din alterarea incipientă a produselor alimentare.

Ţinând seama de clasificările făcute în unele lucrări de specialitate considerăm mai logică următoarea clasificare a aromatizanţilor:

aromatizanţi naturali aromatizanţi sintetici aromatizanţi de prelucrare tehnică (aromatizanţi de prelucrare tehnologică)

Y Produse condimentare 100000 - Sucuri concentrate de fructe 10000 - Arome de prelucrare 1000 -

100 -

10 - b Substanţe Substanţe chimice 1 - chimice

c 0,1 - a

0,01 ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

O X 0 20 40 60 80 100

OX- Contribuţie miros la aromă (%) OY- Concentraţia în produs (mg / kg)Fig. b. Contribuţia mirosului la total aromă în funcţie de concentraţia

aromatizantului

2.1. Principiul activ al piperului

12

Uleiuri esenţiale

Oleazine

Condimente

Principiul condimentar slab aromatic al piperului este uleiul eteric care este compus în special din felandren, conţinând şi sesqviterpene: Principiul activ condimentar care dă gustul iute, arzător al piperului este piperina care se găseşte în proporţie de 7,3% (5 – 10%) în celulele secretoare ale bobului de piper, fiind dizolvata, împreună cu o răşină, în uleiul eteric al piperului. Piperina este o bază azotoasă având formula brută C17H19NO3, fiind o combinaţie a piridinei, adică a pentametilimidei.

Piperina poate fi extrasă cu alcool sau eter, din piperul rafinat şi, în stare pură, este o pulbere cristalină albă cu punctul de topire 28 129°C. Piperina şi apoi piperina nu au fost obţinute sintetic din piridină; piperidina sintetică a fost utilizată la prepararea unui surogat de piper, denumit piper “artificial”

Compoziţia chimicăHidrocarburi monoterpenice, reprezentând 70 – 80% din compoziţie: -pinen (10

20%), -pinen (10 25%), şi -felandren (circa 10%), , şi -terpinen, -tujen, -cimen, terpinolen, -mircen, ()–limonen (10 25%), 3 şi 4-caren (circa 10%) şi alloocimen.

Compuşi monoterpenici oxigenaţi, într-o cantitate totală de aproximativ 5% din compoziţie: dihidrocarveol, linalool, terpineol, citronelal, ()–terpmen-4-ol şi piperonal (1).

Sesqviterpene, reprezentând 20 – 30% din compoziţie: -humulen, şi -selinen, şi -elemen, -copaen, -bisabolen, -santalen (2), -cadinen, calamenen, -farnesen, şi -cubeben, -cariofilen (până la 20%), cariofilen oxid şi epoxi-dihidrocariofilen (3).

Utilizări

13

CHO

OO

CH2

O

2

2

2CH NH2

CH CH2

CH CH2

6 3HOOC CH CH CH CH C H CH2

O

O

C H N CO CH CH CH CH C H CH2

O

O6 35 10

Uleiul volatil de piper este în primul rând utilizat ca aromatizant în produse alimentare, individual sau în amestec cu alte produse condimentare. în ultimii ani, numeroase aplicaţii m domeniul alimentar a că-pătat oleorezina, obţinută prin extracţii cu solvenţi şi care, pe lângă principiile aromatice, conţine şi alcaloizi care dau iuţeala condimentului.

Cantitatea maximă de ulei volatil utilizată în produse alimentare este de 40 ppm, iar de oleorezină de 0,2%.

În domeniul parfumeriei, uleiul volatil de piper conferă note caracteristice compoziţiilor de tip oriental, roze, garoafe şi bazelor ambrate. Nota piperată se obţine prin utilizarea unor cantităţi foarte mici de ulei volatil de. piper negru, producând efecte interesante compoziţiilor de tip aldehidic. De asemenea, conferă o notă proaspătă evidentă unor anumite compoziţii cu caracter lemnos, evocând uleiurile de elemi sau cubeba.

Oleorezina şi alte extracte din piper negru sînt utilizate în preparate farmaceutice cu acţiune tonică şi rubefiantă. Este cunoscută şi acţiunea sa de creştere reflexă a secreţiei gastrice.Aprecierea calităţii piperului boabe se poate face nu numai prin analiza chimică şi microscopică, ci şi pe baza unor criterii tehnice şi organoleptice:

a) Procentul de boabe seci poate fi evaluat prin imersia boabelor de piper în apă (boabele seci plutesc pe apă). La calităţile superioare de piper boabele seci reprezintă 5 1,5%; iar la cele inferioare se urcă până la 29 37%. Prin aceasta probă se pot identifica şi segmentele (cojile) libere, care reprezintă, uneori până la 3% din greutatea boabelor. Boabele seci pot fi uşor identificate şi prin strivire cu degetul.

b) Greutatea a 100 boabe este un criteriu util pentru aprecierea. calităţii piperului, cu condiţia să se ţină seama şi de stadiul de maturitate a boabelor, deoarece cele mature sînt mai grele decât cele imature. Greutatea: boabelor variază şi cu uniformitatea mărimii lor; astfel, la boabele nesortate după mărirme, 100 boabe de piper negru cântăresc 2,05 435 g şi de piper alb 4,64 5,27 g la boabele de 5 mm , 100 boabe de piper negru cântăresc 2,87 4,70 g şi de piper alb 3,34 5,32 g. Ca indice de control se arată că 100 g boabe seci cântăresc numai 1 1,65 g.

Se recomandă ca la efectuarea acestei probe, simple dar concludente, să se ţină seamă, la piperul negru, de culoarea boabelor (cele mai negre sînt mai mature) şi să se aleagă totdeauna boabele de aceeaşi mărime, operaţie care se poate efectua prin cernere.

2.2. Uleiurile eterice şi oleo-rezinele condimentare

Principiile active ale condimentelor naturale şi ale plantelor condimentare, pot fi grupate în trei categorii principale: uleiuri eterice, oleo-rezine şi anu-mite substanţe chimice care dau gustul iute specific al unor condimente.

Reacţiile chimice continue care au loc în protoplasma vie a celulelor vegetale dau naştere la doua categorii de produse: unele care pot fi utilizate ulterior de planta pentru funcţiunile sale vitale şi altele, aşa-numite “inutile”, care rămân depozitate în regiuni determinate sau în anumite organe ale plantei. Secreţiile plantei sunt, de obicei, împărţite în două grupe, după locul pe care îl ocupă după ce au fost elaborate de protoplasmă: unele rămân închise în celulele care le-au dat naştere, acestora fiind secreţiile propriu-zise, iar altele care scapă din celulele care le-au produs şi se acumulează, în canale

14

anumite, în spaţiile intercelulare; acestea sunt excreţiile. Din punct de vodere botanic, principiile active ale condimentelor sunt excreţii.

Principalele produse de extraţie, cu valoare condimentară sunt: uleiurile eterice, oleo-rezinele, glucozizii şi substanţele iuţi. În acest capitol vor fi descrise uleiurile eterice şi oleo-rozinele condimentare; principalii glicozizi (sinigrina şi sinalbina) şi substanţele iuţi cele mai însemnate (piperina, capsaicina, curcumina, gingerina, disulfura de propil şi alil) au fost indicate în descrierea condimentelor naturale şi a plantelor condimentare.

Principiile active ale condimentelor naturale şi ale plantelor condimentare, descrise în Cap. I şi II pot fi grupate în trei categorii principale: uleiuri eterice, oleo-rezine şi anu-mite substanţe chimice care dau gustul iute specific al unor condimente.

Reacţiile chimice continue care au loc în protoplasma vie a celulelor vegetale dau naştere la doua categorii de produse: unele care pot fi utilizate ulterior de planta pentru funcţiunile sale vitale şi altele, aşa-numite “inutile”, care rămân depozitate în regiuni determinate sau în anumite organe ale plantei. Secreţiile plantei sunt, de obicei, împărţite în două grupe, după locul pe care îl ocupă după ce au fost elaborate de protoplasmă: unele rămân închise în celulele care le-au dat naştere, acestora fiind secreţiile propriu-zise, iar altele care scapă din celulele care le-au produs şi se acumulează, în canale anumite, în spaţiile intercelulare; acestea sunt excreţiile. Din punct de vodere botanic, principiile active ale condimentelor sunt excreţii.

Principalele produse de excreţie, cu valoare condimentară sunt: uleiurile eterice, oleo-rezinele, glucozizii şi substanţele iuţi. În acest capitol vor fi descrise uleiurile eterice şi oleo-rozinele condimentare; principalii glicozizi (sinigrina şi sinalbina) şi substanţele iuţi cele mai însemnate (piperina, capsaicina, curcumina, gingerina, disulfura de propil şi alil) au fost indicate în descrierea condimentelor naturale şi a plantelor condimentare.

Oleo-rezinele condimentare Oleo-rezinele sunt produse naturale, elaborate de plante şi constau din soluţii sau

emulsii de răşini în uleiuri eterice, având o valoare condimentară însemnată. După modul lor de obţinere se aseamănă cu esenţele concrete, dar se deosebesc de acestea prin faptul că conţin componente răşinoase, în loc de ceruri. Oleo-rezinele sunt solubile în alcool şi pe lângă valoarea lor condimentară au şi o acţiune de fixare a aromei condimentare, datorită răşinilor pe care le conţin.

Sunt obţinute din diferite plante aromatizante şi din condimente (în acest caz se numesc oleorezine) cu ajutorul solvenţilor organici.Oleorezinele sunt produse cu consistenţă vâscoasă, puternic colorate, care se obţin din condimentele şi plantele aromatizante uscate şi măcinate, prin percolare cu un solvent organic, care, de regulă, este o hidrocarbură clorurată. Miscela obţinută este distilată sub vid pentru recuperarea solventului. reziduul rămas reprezentând oleorezina respectivă. Se consideră de către numeroşi specialişti că oleorezinele posedă toate caracteristicile condimentului ca atare. Oleorezinele pot fi şi mai uşor standardizate în comparaţie cu uleiurile volatile. Ele pot fi uşor amestecate cu un suport de sare, dextroză, lactoză, în care caz trebuie să se adauge şi substanţe antiaglomerante, cum ar fi silicatul de calciu, fosfatul etc. Randamentele în oleorezine pentru unele condimente sunt următoarele: piper 8%; nucşoară 12%; coriandru 2,5%; ţelină 4%; scorţişoară 6%; usturoi 2%; ghimber 5%; salvie 5%; cimbru 4%; ardei 6%.

15

Oleorezinele contribuie cu mirosul lor în proporţie de 40-70% la total aromă. dozele de utilizare fiind cuprinse între 10 şj 100 mg/kg. Sunt solubile în polialcooli (glicerină, etilen glicol, propilen glicol).

Conţinutul de principii aromatizante din complecşii aromatizanţi.

Principiu aromatizant Conţinut încomplexul β-CD

(%)Vanilină (sintetică) 6.20Ulei de mărar (Anethum graveolens) 6.92Ulei de coriandru (Coriandrum sativum L.) 7.72Ulei de măghiran (Majorana hortensis) 8.00Ulei de salvie (Salvia officinalis L.) 8.20Ulei de zmeură (Rubus idaeus L.) 8.66Benzaldehidă 8.70Ulei de lămâie (Citrus medica) 8.75Ulei de scorţişoară (Cinnamonum casia Blume) 8.76Ulei de morcov (Daucus carota) 8.82Ulei de anis (Illicum verum Hook fil.) 9.00Ulei de portocale (Citrus arantium) 9.20Ulei de thym (Thymus sp.) 9.60Ulei de mentă (Mentha piperita) 9.70Ulei de cumin dulce (Foeniculum dulce) 10.00Ulei de ţelină (Apium cepa L.) 10.00Ulei de usturoi (Allium sativum) 10.20Ulei de ceapă (Allium cepa L.) 10.20Ulei de tarhon (Artemisia dracunculus) 10.23Ulei de chimen (Carum carvi L.) 10.50Ulei de busuioc (Ocinum basilicum) 10.72Ulei de dafin (Laurus nobilis) 10.80Ulei de muştar (Sinapis alba) 10.92Aromă de fum (sintetică) 12.20

3. Extracţia, odorantelor şi aromatizantelor naturale

Substanţele cu caracter odorant şi aromantizant se găsesc din abundenţă în natură, în primul rând în regnul vegetal şi mai puţin în regnul animal.

Procedeul folosit pentru obţinerea acestor substanţe depinde de natura lor chimică şi de proprietăţile lor.

Procedeele aplicate industrial se bazează pe două dintre proprietăţile fizice ale acestora şi anume: proprietatea de a fi antrenabile cu vapori de apă şi solubilitatea lor în anumiţi solvenţi ca de exemplu: hidrocarburi, compuşi organici halogenaţi, grăsimi, bioxid de carbon etc.

Principalele procedee aplicate practic sunt următoarele:Antrenarea cu vapori de apă.

16

Extracţia cu grăsimi naturale.Extracţia cu solvenţi organici.Extracţia cu gaze lichefiate.Extracţia prin presare.Adsorbţia pe un material adsorbant.Procedee fizice de obţinere a aromelor din sucuri de fructe.

ANTRENAREA CU VAPORI DE APĂUleiurile volatile, produse la scară industrială se obţin prin antrenarea cu vapori de

apă. Această proprietate a uleiurilor volatile a fost cunoscută şi aplicată încă în urmă cu milenii.

Fenomenul fizic care are loc este următorul: Toate substanţele componente ale unui ulei volatil au puncte de fierbere superioare celui al apei, dar au o volatilitate la temperaturi inferioare temperaturii de fierbere, fapt care face ca ele să fie antrenate uşor de vaporii de apă la temperatura de fierbere a acesteia. Faptul că sunt insolubile în apă şi au densitate diferită de a apei uşurează separarea lor.

Antrenarea uleiului volatil este precedată de difuzia lui din celulele vegetale ce îl conţin. Acest proces durează mai mult sau mai puţin în funcţie de natura materiei prime, influenţând în final timpul necesar antrenării. Mai uşor difuzează din plante verzi decât din cele uscate, sau din flori decât din rădăcini, seminţe, lemn.

Pentru uşurarea acestui proces de difuziune, materiile prime sunt în primul rând tocate, zdrobite sau măcinate.

Timpul necesar antrenării uleiului volatil este determinat şi de debitul de vapori fiind invers proporţional cu acesta.

În general plantele aromatice se prelucrează în stare proaspătă, uscarea ducând la pierderi de ulei volatil. La uscare pot avea loc şi procese fermentative care influenţează negativ calitatea.

Antrenarea cu vapori de apă se practică în patru variante:Antrenare la foc direct;Antrenare în curent de vapori;Antrenare cu abur sub presiune;Antrenare la presiune redusă.Fiecare din aceste variante prezintă avantajele şi dezavantaje, neputând insista

asupra lor în această lucrare.

EXTRACŢIA CU GRĂSIMI ANIMALEUtilizarea grăsimilor ca mediu de extracţie a substanţelor odorante din flori se

bazează pe proprietatea uleiurilor volatile de a fi solubile în grăsimi şi pe afinitatea care o au grăsimile faţă de mirosuri.

Acest procedeu permite extragerea uleiurilor volatile fără alterarea compoziţiei naturale, păstrând cel mai fidel mirosul florilor. Se aplică în cazurile când substanţele odorante sunt foarte sensibile şi în cantitate foarte mică, cazuri în care antrenarea cu vapori este exclusă. Procedeul se aplică în două variante:Enfleurage sau absorbţie la rece;Maceraţie sau extracţie la cald.

17

EXTRACŢIA CU SOLVENŢI ORGANICIExtracţia cu solvenţi se aplică în special pentru obţinerea acelor odorante naturale

care sunt uşor alterabile sub influenţa temperaturii.Procesul constă în tratarea materiei prime vegetale cu un solvent şi apoi separarea

substanţelor odorante prin evaporarea solventului prin distilare.Solvenţii folosiţi trebuie să fie hidrofobi, selectivi pentru principiile odorante,

inerţi din punct de vedere chimic, suficient de puri şi lipsiţi de toxicitate.Cei mai apropiaşi de aceste cerinţe sunt: esterul de petrol, benzenul, toluenul,

dicloretanul, tricloretilena.

EXTRACŢIA CU GAZE LICHEFIANTEGazele comprimate, în stare lichidă sau supercritică sunt considerate ca potenţiali

solvenţi pentru odorante din produse vegetale. Acest procedeu devine aplicativ la scară industrială.

Avantajele sunt următoarele: consumul termic redus, posibilitatea excluderii contactului cu oxigenul, lipsa reziduurilor de solvenţi în extract.

Se utilizează gaze netoxice: CO2, freonii, azot, gaze inerte etc.Puterea de solubilizare creşte cu presiunea. Parametrii folosiţi în cazul CO2 sunt:

t=55oC până la 31oC şi p=5 până la 73 atm. Aceşti parametrii sunt în aria lichidelor subcritice.

Pentru creşterea în continuare a puterii de solubilizare este necesară nu numai creşterea presiunii ci şi a temperaturii la valori superioare celei critice. Se ajunge în acest caz în zona supercritică.

Fluidele în stare supercritică au următoarele proprietăţi:Puterea de solvatare creşte cu densitatea la o temperatură dată;Puterea de solvatare creşte cu temperatura la o densitate dată.O creştere a puterii de solvatare are drept consecinţă creşterea solubilităţii a mai

multor componenţi. Extracţia nu mai este selectivă.Procesul de extracţie cu gaze lichefiate are 4 faze:Comprimarea gazului;Extracţia propriu-zisă;Destinderea;Separarea extractului.Gazul solvent se comprimă din nou şi se refoloseşte.

EXTRACŢIA PRIN PRESAREAcest procedeu se aplică în puţine cazuri, şi anume în acele plante în care uleiul

volatil se găseşte în cantitate mare, în glande secretoare la suprafaţă. Industrial se aplică la obţinerea uleiurilor volatile din fructe citrice.

Procesul constă în presarea mecanică cu diferite dispozitive, a cojilor fructelor. Împreună cu uleiul volatil se elimină din coajă şi alte substanţe: mucilagii, pectine, proteine, coloranţi liposolubili, apă etc.

Uleiul volatil se separă prin decantare şi filtrare.O altă cale este centrifugarea cojilor tocate.

18

Sunt procedee, prin care uleiul volatil este extras din fructul întreg cu ajutorul unui dispozitiv prevăzut cu numeroase ace care practică înţepături superficiale în coaja fructului, concomitent cu preluarea lui cu un jet cu apă.Uleiurile volatile obţinute pe această cale au calităţi superioare celor obţinute prin antrenare cu vapori de apă, deoarece nu au loc degradări termice.

ADSORBŢIA PE UN MATERIAL ADSORBANTAplicarea industrială a acestui procedeu, sub numele de adsorbţie dinamică, se

practică în ultimele decenii la unele flori din care odorantele nu se pot obţine decât prin enfleurage (iasomie, tuberoze etc.) sau (narcise, zambile, liliac).

Instalaţia constă din camere în care sunt depozitate florile pe rame suprapuse şi distante. În plafonul acestor încăperi sunt dispuse coloane umplute cu adsorbant. Pe la partea inferioară se insuflă aer iniţial purificat. Şi cu umiditate de 95 – 98%, temperatură 22 – 28oC, pentru a întreţine procesul de supravieţuire a florilor. Timp de insuflare a aerului – 24 ore.

Adsorbţia se face pe cărbune de lemn de mesteacăn. (150 – 200g parfum pentru un KG cărbune)

Desorbţia se realizează prin extracţie cu eter de petrol.Florile descărcate de pe rame sunt extrase cu eter de petrol pentru obţinerea

absolutului. Acest absolut se amestecă cu extractul din prima fază.Procedeul prezintă unele avantaje faţă de extracţia pe grăsimi sau cu solvenţi

deoarece:materia primă nu vine în contact cu absorbantul;în timpul procesului se continuă procesele enzimatice de producere a substanţelor odorante, deci randamente mai mari;adsorbantul se poate regenera – economic de solvenţi.

Dezavantajul constă în faptul că nu sunt extraşi componenţi cu volatilităţi scăzute, fapt pentru care se continuă extracţia cu solvenţi.

4. Studiul proceselor neconvenţionale de separare a produselorobţinute prin procedee de biosinteză

Concret, pe plan mondial, în domeniul biotehnologiei există, în prezent,patru direcţii principale de cercetare [136]: biosinteza caracterizarea şi controlul structurii controlul proceselor chimice şi biochimice separarea şi purificarea produselor de biosinteză.

În principiu, nu există diferenţe în ceea ce priveşte separarea produşilorobţinuţi pe cale chimică şi separarea produşilor obţinuţi pe cale biochimică. Totuşi,din acest punct de vedere, procesele de biosinteză prezintă o serie de particularităţi,cum ar fi:

- produşii biosintetizaţi se găsesc într-o diluţie foarte mare;- sunt necesare etape multiple de separare, ceea ce determină creşterea

costului, acesta putând atinge ca. 90% din costul total al procesului tehnologic;- comportarea reologică nenewtoniană a lichidelor de fermentaţie;

19

- labilitatea chimică, termică, la forţele de forfecare şi la tensiunileinterfaciale ridicate ale compuşilor biosintetizaţi, în special a compuşilor cu masămoleculară mare;

- în lichidele rezultate în urma proceselor biochimice, alături de produsulutil, există o serie de compuşi secundari cu caracteristici fizice şi chimiceasemănătoare cu ale produsului de bază.

Studiile întreprinse la nivel mondial privind separarea produselor obţinuteprin biosinteză sunt axate pe următoarele direcţii majore: separarea prin extracţie cu solvenţi utilizarea membranelor sintetice; utilizarea membranelor lichide; adsorbţia selectivă; separări înalt selective, prin legături de tip afinitate; utilizarea cîmpurilor intense (centrifugal, magnetic).

În acest context, cercetările efectuate în cadrul lucrării au avut drept scopanaliza separării unor antibiotice şi a precursorilor utilizaţi în biosinteza acestoraprin procedee moderne de extracţie lichid-lichid, cum ar fi: extracţia reactivă,extracţia şi transportul prin membrane lichide şi extracţia directă din lichidele defermentaţie. Posibilităţile de aplicare a acestor procedee de extracţie, precum şilocul acestora într-un proces biotehnologic sunt redate schematic în figura de mai jos

Redarea schematică a procedeelor neconvenţionale de extracţiea produselor de biosinteză.

20

5. Tehnica experimentală

În funcţie de scopul urmărit, determinările experimentale s-au realizat pe trei tipuri de instalaţii: coloana de extracţie cu agitare vibratorie a fazelor, care permite atingerea unor grade de extracţie ridicate, celula de extracţie tip Lewis, adecvată studiului mecanismului şi cineticii extracţiei reactive, şi celula de extracţie şi transport prin membrane lichide, de concepţie originală.

5.1. Coloana de extracţie cu agitare vibratorie

Pentru obţinerea unei arii interfaciale de contact dintre faza apoasă şi fazaorganică, respectiv a unor viteze şi eficienţe ridicate ale extracţiei, s-a utilizat agitarea vibratorie. Instalaţia experimentală, prezentată în figura 4.1, constă dintr-o coloană de sticlă cu diametrul interior de 56 mm şi înălţimea de 180 mm, prevăzută cu o manta de termostatare, prin care circulă etilenglicol menţinut, cu ajutorul unui termostat, la o temperatură prestabilită.

Amestecarea intensă a fazelor se realizează cu ajutorul unui agitator vibrator, confecţionat dintr-un disc perforat cu un diametru de 45 mm şi o secţiune liberă de 17%, vibraţiile având frecvenţa de 50 Hz şi amplitudinea de 4 mm.

Poziţia agitatorului s-a menţinut pe interfaţa de contact dintre faza apoasă şi fazaorganică.Emulsia rezultată este evacuată pe la baza coloanei de extracţie, fiind separată într-un separator centrifugal, la o turaţie de 4 - 5000 rot/min.

Figura 4.1. Coloana de extracţie cu agitare vibratorie(1 - coloană de sticlă, 2 - manta de termostatare, 3 - agitator, 4 - pH-metru digitalic,

5 - termostat)

5.2. Celula de extracţie tip Lewis

Celula de extracţie tip Lewis este un echipament adecvat studiului mecanismului şi a cineticii extracţiei fizice şi reactive, fiind prevăzut cu alimentare, evacuare şi

21

amestecare individuală a fazelor. Instalaţia oferă posibilitatea funcţionării în regim discontinuu sau continuu, cu debite precis reglate (figura 4.2).

Elementul central al instalaţiei, celula de extracţie, redată în figura 4.3,este alcătuit din două compartimente cilindrice de sticlă, având fiecare capacitateade 750 ml, prevăzute cu cîte un agitator perforat cu diametrul de 15 mm şi lăţimeapaletei de 5 mm, care realizează amestecare independentă a fazelor cu o turaţievariabilă între 0 şi 1300 rot/min. Fiecare compartiment este prevăzut cu cîte treişicane perforate.

În experimentele care impun un regim continuu de operare, alimentareafazelor se realizează din vasele-rezervor. Compartimentul superior al celulei deextracţie conţine solventul organic (acetat de butil), iar cel inferior soluţia apoasă.Evacuarea continuă a celor două faze se realizează prin intermediul tuburilor desticlă gradate, montate pe traseu, care permit măsurarea debitelor.

Transferul de masă al solutului decurge prin interfaţa circulară liberăsituată în placa mediană, aria interfeţei de contact dintre faze fiind de 2,82.10-3 m2.Nivelul interfeţei poate fi reglat şi menţinut cu ajutorul unei bucle exterioare. Înintervalul de turaţii utilizat, interfaţa a rămas plană.

Pentru acţionarea agitatoarelor se folosesc două motoare cu turaţie variabilă măsurată de câte un tahometru.

Figura 4.2. Instalaţia experimentală pentru studiul mecanismului şicineticii extracţiei reactive

(1 - vas de alimentare, 2 - celula de extracţie Lewis, 3 - buclă de reglare a niveluluiinterfeţei, 4 - tahometru, 5 - vas de colectare)

22

Figura 4.3. Celula de extracţie tip Lewis(1 - agitator,2 - compartiment cilindric, 3 - şicană).

Prelevarea probelor s-a efectuat din soluţiile iniţiale şi de pe traseul deevacuare al fazei apoase.

5.3. Celula de extracţie şi transport prin membrane lichidePentru studiul extracţiei şi transportului printr-o membrană lichidă a diferiţilor

componenţi, în literatura de specialitate sunt prezentate diferite tipuri de instalaţii care au ca element central un tub în formă de U [98,102,137]. Aceste instalaţii au dezavantajul unei funcţionări discontinue, care afectează precizia determinărilor, ca efect al variaţiei concentraţiilor în timp.

Instalaţia utilizată în studiile experimentale, prezentate în această lucrare, este de concepţie originală, se află în curs de brevetare şi reprezintă un echipament de laborator pentru extracţie şi transport prin membrane lichide îmbunătăţit [138].

În acest sens, instalaţia oferă posibilitatea funcţionării în regim continuu, în condiţii de staţionaritate, reglarea precisă a debitelor realizându-se similar sistemului cucare este prevăzută celula de extracţie Lewis.

Celula de extracţie şi transport prin membrane lichide este alcătuită dintr-un tub de sticlă în formă de U, având diametrul interior de 45 mm şi volumul total de 400 ml (figura 4.4).

23

Figura 4.4. Celula de extracţie şi transport prin membrane lichide(1 - vas de sticlă, 2 - agitatoare, 3 - motor, 4 - tahometru).

Ramurile laterale ale celulei conţin cele două faze apoase, respectiv cea dincare se face extracţia solutului şi cea în care are loc reextracţia, solventul, cu densitatea mai mare decît a apei (1,2-dicloretan) şi care constituie membrana lichidă, găsindu-se la partea inferioară.

Soluţiile apoase sunt amestecate independent cu ajutorul unor agitatoare cupalete cu diametrul de 6 mm şi lăţimea paletei de 3 mm, turaţia acestora fiind cuprinsă între 0 şi 1000 rot/min. Pentru obţinerea unor viteze de difuzie ridicate prin membrana lichidă, stratul de solvent organic este amestecat cu un agitator similar, cu o turaţie constantă de 500 rot/min.

Transferul solutului dinspre faza apoasă iniţială către solvent şi dinspre solvent către faza apoasă finală se realizează prin cele două interfeţe de contact dintre faze, fiecare măsurând 1,59.10-3 m2. În domeniul de turaţie ales, interfeţele au rămas plane pe parcursul desfăşurării experimentelor.

Prelevarea probelor s-a efectuat din soluţiile iniţiale şi de pe traseele deevacuare ale fazelor apoase.

6. Extracţia compuţilor aromatici volatili cu ajutorul CO2

Rezultate bune se obţin prin folosirea de coloane de pulsaţie solvenţii utilizaţi sunt: benzen, hexan, cetone şi solvenţi cloraţi (pentru condimente), alcooli (pentru cafea, vanilie), apă (pentru cafea şi ceai) împreună cu solvenţi cloraţi, când se doreşte îndepărtarea alcaloizilor, cafeinei şi teobromiei.

Dezavantajele extracţiei cu solvenţi organici implică:- toxicitatea eventuală a solventului (benzen);- acţiunea termică asupra extractului; de aceea, alegerea solventului trebuie făcută

în funcţie de temperatura de fierbere a acestuia. Produsul trebuie extras la o temperatură sub temperatura de fierbere a solventului, care pentru benzen este de 80 oC, 65…70 oC, pentru hexan şi pentru clorura de metilen 40 oC.

24

La extracţia cu Co2 se pot utiliza următoarele variante:- extracţia cu Co2 lichefiat la o temperatură inferioară valorii de 31,1oC şi o

presiune mai mică decât 73,84 bar deci sub condiţiile punctului critic (5oC < t < 15oC şi ≡ 50 bar);

- extracţie cu CO2 supercritic la temperatură şi presiune superioară punctului critic (33oC < t < 50oC şi = 400 bar).

În domeniul supercritic, temperatura maximă admisă poate să se apropie de punctul critic ( 31oC); în acest caz aveam de-a face cu o extracţie la rece, la care efectul temperaturii asupra componentelor termolabile este minimalizat. Selectivitatea solventului de extracţie în domeniul supercritic poate varia considerabil în funcţie de temperatură/presiune. Variaţiile acestor parametri pot fi folosite pentru obţinerea de extracte diferite pornind de la aceeaşi materie primă sau poate influenţa calitatea produsului finit. Îndepărtarea CO2 este uşoară, realizându-se prin simpla evaporare a acestora.

Instalaţia de extracţie cu CO2 supercritic. Se utilizează pentru obţinerea de extracte florale extracte condimentare etc.. pentru industria uleiurilor, folosirea CO2

supercritic este încă în fază de cercetare.

Fig. Instalaţie de extracţie pentru CO2 supercritic;1 – extractor; 2 – separator faze; 3 – schimbător de căldură (rece); 4 – concentrator (lichefiator); 5 – rezervor CO2; 6 – debitmetru; 7 – pompă; 8 – schimbător de căldură (cald).

25

Instalaţia pilot de extracţie cu Co2 supercritic (fig. ??- firma Supercritical Processing Co.). este formată din vase de extracţie cu capacitate de 50 litri sau coloană extracţie în contracurent şi vase de separare de 10 litri

Fig. Instalaţia pilot de extracţie cu CO2 supercritic – firma Supercritical Processig Company:

1 – extractor; 2, 3, 4 – separatoare faze; 5 – schimbătoare de căldură; 6 – pompă; 7 – analizator – culegere date.

7. Ecuaţiile transferului de substanţă în procesul de extracţie al principiilor active ale aromatizanţilor

Transferul de substanţă se realizează pe principii analoage transferului de căldură. Transferul de substanţă decurge de la concentraţia mai mare a componentului în

sistemul dat, spre concentraţia cea mai mică, analog cu transferul de căldură care se realizează de la corpul cu temperatura mai mare spre cel cu temperatura mai mică. Factorul motor al transferului de substanţă este gradientul de concentraţie (dC/dx) care reprezintă variaţia concentraţiei pe unitatea de grosime de strat prin care trebuie să difuzeze substanţa. Gradientul de concentraţie este analog gradientului de temperatură.

Legea lui Fick pentru transferul de substanţă se enunţ în modul următor: cantitatea de substanţă care trece în unitatea de timp prin unitatea de suprafaţă sub influenţa gradientului de concentraţie este proporţională cu un coeficient D denumit coeficient de difuziune:

sau pusă sub forma:

unde:M reprezintă cantitatea de substanţă (în unităţi de masă – kg); - durata operaţiei, în s;

26

A - suprafaţa prin care se realizează transferul de substanţă (normală la direcţia de transfer) în m2.

termenul din stânga unităţii exprimă viteza transferului de substanţă sau viteza de difuziune. Din relaţia de mai sus reiese că viteza de difuziune este cu atât mai mare cu cât gradientul de concentraţie este mai mare şi cu cât coeficientul de difuziune este mai mare.

Dacă se consideră că substanţa dM difuzează într-un volum V variaţia de concentraţie dC va fi dM/V şi se exprimă în kg/m3, iar gradientul de concentraţie dc/dx va fi exprimat în kg/m4. În aceste condiţii coeficientul de difuziune D va fi exprimat în m2/s şi este analog cu coeficientul de difuzivitate termică a pentru transferul de căldură şi cu vâscozitate cinematică (m2/s) în cazul cantităţii de mişcare.

Forţa motrice în procesele de transfer de substanţă este diferenţa concentraţiei fazelor, înţelegând prin aceasta diferenţa între concentraţiile de lucru şi de echilibru ale fazelor care participă la acest transfer. Debitele de component transferat între faze pot fi exprimate prin ecuaţii de bilanţ de materiale ţinând seama variaţia concentraţiei în componentul care difuzează în fazele respective şi ţinând seama că ceea ce difuzează dintr-o fază ajunge în faza cealaltă, schimbându-i concentraţia. Sub formă de bilanţ ceea ce trece dintr-o fază în alta se poate exprima prin relaţia:

în care: MA, MB sunt cantităţile dintre fazele respective (cantităţi de masă sau debite de masă);

c - concentraţiile în componentul care se schimbă între faza A şi faza B. indicele AB, se referă la fază iar indicele if, se referă la începutul, respectiv sfârşitul transferului.

Componentul care trece dintr-o fază în alta va trece din faza în care se găseşte în concentraţie mai mare spre faza în care se găseşte în concentraţie mai mică.

Procesul fizic de transfer de substanţă decurge în timp cu aceeaşi viteză sau cu viteză diferită. În cazul general viteza transferului de substanţă definită prin ecuaţia lui Fick este direct proporţională cu forţa motrice (diferenţa de concentraţie) şi un coeficient de transfer de substanţă:

(1.4)

în care: CA=cAi – cAf; CB=cBf – cBi kA, kB este coeficientul de transfer de substanţă de la faza A, respectiv de la faza B.Ecuaţia (1.4.) pentru fiecare fază poate fi pusă şi sub forma:

Unităţile în care se exprimă coeficientul de transfer de substanţă depind de unităţile în care se exprimă cantitatea de substanţă difuzată şi concentraţiile respective.

În sistemul de transfer cu două faze este posibilă desfăşurarea procesului pe două direcţii: atât de la faza A către faza B, cât şi de la faza B către faza A. Forţa motrice a procesului poate fi exprimată prin concentraţia componentului realizat între faze.

27

Dacă dintr-u aparat în care se realizează transferul de substanţă continuu în contracurent, se ia o suprafaţă elementară dA, cantitatea de component care trece prin faze în unitatea de timp este conform relaţiei de mai jos:

(1.5)

Între compoziţia celor două faze în procesul de transfer de substanţă trebuie să existe un echilibru acre poate fi exprimat prin relaţia:

În faza MB cantitatea de substanţă difuzată dM în timpul va atrage diferenţa de concentraţie dCB care este:

Ţinând seama de condiţia de echilibru variaţia concentraţiei de echilibru în faza A este dată de relaţia:

iar variaţia forţei motrice a procesului în elementul de suprafaţă considerat este:

(1.6)

dacă:

şi dacă în (1.6)se introduce valoarea lui dM din (1.5) luată pentru timpul se obţine:

(1.7)

sau prin integrare

sau:

(1.8)

Considerând şi ecuaţia (1.8) poate fi pusă sub forma:

Ţinând seama de ecuaţia de bilanţ de materiale transpusă la timpul

28

(1.9)şi

(1.10)

Înlocuind valorile lui MA din (1.9) şi lui MB din (1.10 ) în valoarea lui n şi apoi în (1.7) se obţine:

(1.11)

Înlocuind valoarea lui n în 13.36 se obţine:

(1.12)

sau dacă rel. (1.12) devine:

(1.13)

rel. (1.13) se poate exprima şi în funcţie de faza B. În acest caz ea devine

Ţinând seama de cele de mai sus pentru transferul de substanţă continuu în contracurent trebuie satisfăcută relaţia:

Bibliografie

29

www.rf.cncsis.ro/documente/421AT235.docwww.bio.unibuc.ro/old/biochemistry/Enzimology/Nb/06-nb.pdfwww.parfumurishop.ro/5.php?osCsid=9aeb7048f4b41715080079971f4e70f8 - 29k -www.pilot-plant.com/images/pilot-setup-extrac..www.pilot-plant.com/images/project-extraction...www.liquid-extraction.com/images/typical-extr...www.petrometrix.com/images/extraction.gif

K. SCHUEGERL, R. HANSEL, R. SCHLICHTING, W. HALWACHS - I. Ch.E., 1988, 28(3), 393.

M.T.H. BAIRD - Can. J. Chem. Eng., 1991, 69(2), 1287.

H. ITOH, M.P. THIEN, T.A. HATTON, D.I.C. WANG - Biotechnol. Bioeng.,1990, 35(9), 853.

K. SCHUEGERL - Solvent Extraction În Biotechnology, Springer-Verlag,Berlin, 1994.

T. HANO, M. MATSUMOTO, T. OHTAKE, F. HARE - J. Chem. Eng. Jpn.,1992, 25(3), 293.

J.B. CHANDHURI, D.L. PYLE - Chem Eng. Sci., 1992, 47(1), 41.

H.J. REHM, G. REED (Ed.) - Biotechnology, vol. 3, VCH Weinheim, 1993.

E. HAUER, R. MARR - Chem. Ing. Tech., 1991, 63(8), 809.

30