Tratamentul în cascadă cu ultrasunete și microunde a deșeurilor de plante medicinale
Vasile Staicu, Cristina Luntraru, Ioan Calinescu, Ciprian Gabriel Chisega-Negrila, Mircea Vinatoru, Miruna Neagu, Adina Ionuta Gavrila, Ioana Popa
Biomasa reprezintă partea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor din agricultură, silvicultură și industriile conexe, precum și partea biodegradabilă a deșeurilor industriale și urbane. Biomasa lignocelulozică înglobează orice material regenerabil de natură organică, cuprinzând vegetalele terestre (culturi agricole de uz alimentar, pomi și culturi destinate producerii de energie, plante industriale, nutrețuri) și acvatice (algele, ierburile de mare), precum și ansamblul de deșeuri și rezidiuuri organice din agricultură, piscicultură, silvicultură, deșeuri municipale și alte deșeuri. Biomasa lignocelulozică este cea mai abundentă resursă regenerabilă. Structura lignocelulozei cuprinde celuloză, hemiceluloză și lignină, fiecare dintre acestea fiind resurse valoroase de biomateriale. În urma extracției, la nivel industrial, a principiilor active din plante medicinale, se generează reziduuri lignocelulozice care nu sunt indicate pentru a fi folosite ca hrană pentru animale. Așadar, aceste materii rezultate sunt considerate deșeu. În prezent, nu există o gestionare corespunzătoare pentru astfel de deșeuri de plante, cum sunt și lemnul dulce și salcia albă. Acestea sunt, de obicei, arse, îngropate sau utilizate pentru a obține biogaz. Totodată, aceste tipuri de deșeuri pot fi procesate termochimic ca o alternativă de conversie a acestora în combustibili sau diverși compuși chimici.
Odată cu creșterea prețului energiei și tendința de a reduce emisiile de CO₂ este necesară, pentru o economie sustenabilă, dezvoltarea de tehnologii și strategii noi care să reducă consumul de energie și să maximizeze valorificarea materiilor prime. Metodele convenționale utilizate pentru extracția compușilor valoroși din materii vegetale necesită un consum relativ mare de energie și solvenți, timpi lungi sau temperaturi ridicate de extracție, factori care ar putea conduce la degradarea compușilor țintă. În ultimii ani, s-au dezvoltat procese eficiente de extracție, cum ar fi extracția asistată de ultrasunte sau microunde. Fenomenul de cavitație poate genera distrugerea țesutului celular al plantei, conducând astfel la creșterea vitezei transferului de masă. Luând în considerare materialul vegetal și solventul de extracție, în timpul tratamentului cu microunde, materialul vegetal poate fi încălzit selectiv, astfel că presiunea osmotică creată în interiorul particulei vegetale va genera ruperea peretelui celular și, implicit, o eliberare mai ușoară a compusului bioactiv.
Rădăcina de lemn dulce conține o saponină triterpenică, glicirizina, care este de 50 de ori mai dulce decât zaharoza. Glicirizina constituie până la 10-25% din totalul de compuși bioactivi care se găsesc în rădăcina de lemn dulce. Extractele de lemn dulce prezintă proprietăți antibacterinene, antifungice, antioxidante, antivirale etc. Compușii bioactivi caracteristici salciei albe sunt derivații de salicină care reprezintă până la 10% din totalul de constituenți bioactivi. Extractele de scoarță de salcie prezintă proprietăți anti-inflamatorii, antioxidante, antimicrobiene etc. Pe lângă compușii bioactivi, rădăcina de lemn dulce și scoarța de salcie conțin lignoceluloză care, după îndepărtarea ligninei, poate fi convertită în pentoze și hexoze sau alți compuși valoroși.
În această lucrare s-a propus o strategie de valorificare a deșeurilor lignocelulozice rezultate de la extracția industrială a principiilor active cu apă. Primul pas al acestei strategii este reprezentat de extracția, cu ajutorul ultrasunetelor și microundelor, a compușilor bioactivi rămași în deșeu, utilizând ca solvent apa. Pentru această etapă s-au determinat, prin analiză HPLC, conținutul de acid glicirizic pentru extractele din rădăcină de lemn dulce și derivații de salicină pentru extractele din scoarța de salcie. Al doilea pas pentru valorificarea acestor deșeuri este pretratamentul cu ultrasunete și microunde (utilizând o soluție de hidroxid de sodiu) pentru a pregăti deșeul pentru hidroliza enzimatică a celulozei la zaharuri. Astfel, pentru această etapă, s-au determinat concentrația de lignină a amestecului pretratat cu ultrasunete și microunde (înaintea efectuării hidrolizei enzimatice) și concentrația de zaharuri a soluției hidrolizate.
În urma cercetărilor efectuate s-a concluzionat că deșeurile de rădăcină de lemn dulce și scoarță de salcie încă conțin o cantitate semnificativă de principii active după extracția industrială. În urma tratamentelor cu ultrasunete și microunde aplicate s-au recuperat din deșeu încă 18% acid glicirizic și 22% derivați de salicină (față de conținutul inițial). Totodată, în urma testelor de degradabilitate, constituenții țintă au arătat o stabilitate bună în timpul aplicării unor tratamente cu ultrasunete și microunde. Pretratamentul cu ultrasunete și microunde a fost foarte eficient pentru îndepărtarea ligninei din deșeu, ceea ce a permis o conversie a biomasei lignocelulozice în zaharuri de 250 mg/g deșeu uscat pentru rădăcina de lemn dulce și de 350 mg/g deșeu uscat pentru scoarța de salcie.
