UNIVERSITY OF NIŠ УНИВЕРЗИТЕТ У НИШУ ДИГИТАЛНИ РЕПОЗИТОРИЈУМ УНИВЕРЗИТЕТА У НИШУ DIGITAL REPOSITORY OF THE UNIVERSITY OF NIŠ

Transcription

1 УНИВЕРЗИТЕТ У НИШУ Универзитетска Библиотека "Никола Тесла" UNIVERSITY OF NIŠ University Library "Nikola Tesla" ДИГИТАЛНИ РЕПОЗИТОРИЈУМ УНИВЕРЗИТЕТА У НИШУ DIGITAL REPOSITORY OF THE UNIVERSITY OF NIŠ Библиотека Дисертације Ph.D. Theses

2 UNIVERZITET U NIŠU TEHNOLOŠKI FAKULTET LESKOVAC Stanisavljević Ivana ULTRAZVUČNA EKSTRAKCIJA ULJA IZ SEMENA DUVANA (NICOTIANA TABACUM L.) TIPA OTLJA magistarski rad Leskovac i

3 UNIVERZITET U NIŠU TEHNOLOŠKI FAKULTET LESKOVAC Stanisavljević Ivana ULTRAZVUČNA EKSTRAKCIJA ULJA IZ SEMENA DUVANA (NICOTIANA TABACUM L.) TIPA OTLJA magistarski rad Kandidat: Stanisavljević Ivana Mentor: prof. dr Vlada Veljković Leskovac ii

4 Ovaj magistarski rad je realizovan kao deo projekta Razvoj tehnologije sinteze biodizela, ev. br. 6742B koji finansiraju Ministarstvo nauke i zaštite životne sredine Republike Srbije i NIS Rafinerija Pančevo iz Pančeva. Eksperimentalni deo magistarskog rada je urañen u laboratorijama Tehnološkog fakulteta u Leskovcu. Najiskrenije i od srca zahvaljujem se prof. dr Vladi Veljkoviću i prof. dr Miodragu Laziću na stručnoj i nesebičnoj pomoći, dragocenim savetima i vremenu koje su uložili u ovu, za mene, važnu i veliku stvar. Od njih sam naucila da znanje, racionalno razmisljanje i velika upornost daju rezultate, i hvala im sto su mi kao pioniru u ovoj oblasti omogucili da dam svoj skromni doprinos nauci. Takoñe se zahvaljujem dr Draganu Veličkoviću koji je svojim učešćem omogućio da se pojedini segmenti ovog rada realizuju, ali i svima onima koji su na bilo koji način doprineli tome da ovaj rad dobije svoj konačni izgled. Neizmernu zahvalnost dugujem i svojoj porodici bez čije pomoći i permanentnog podsticanja ne bih uspela, kao i na njihovom strpljenju i ukazanom poverenju tokom svih godina školovanja. Bez svih ovih ljudi moj magistarski rad ne bi bio isti. iii

5 SADRŽAJ SPISAK SIMBOLA 1 1. UVOD 2 2. TEORIJSKI DEO Ekstrakcija Ekstrakcija čvrsto-tečno Kinetika ekstrakcije čvrsto-tečno Ekstrakcija po Soxhlet-u Ultrazvuk Primena ultrazvuka Dejstvo ultrazvuka na proces ekstrakcije Intenziviranje prenosa mase Razaranje ćelije Poboljšanje penetracije rastvarača Kapilarni efekat Mehanizam i kinetika ultrazvučne ekstrakcije Akustična snaga Merenje efektivne akustične snage Biljna ulja Ulje semena duvana Duvan Nicotiana tabacum L Morfološke karakteristike duvana Struktura zrelog semena duvana Sastav ulja semena duvana Fizičke i hemijske osobine ulja semena duvana Primena ulja semena duvana EKSPERIMENTALNI DEO Biljni materijal Rastvarači i hemikalije Opšti parametari kvaliteta semena Sadržaj ulja po Soxhlet-u Sadržaj vlage Efektivna akustična snaga Raspodela temperature u ultrazvučnoj kadi Kalorimetrijsko odreñivanje efektivne akustične snage Sastav ulja semena duvana Dobijanje metil estara iz ulja semena duvana Gasna hromatografija Fizičke i hemijske osobine ulja semena duvana Gustina Viskoznost 24 iv

6 Indeks refrakcije Jodni broj Saponifikacioni broj Kiselinski broj Ultrazvučna ekstrakcija ulja iz semena duvana Indirektna ultrazvučna ekstrakcija Višestepena indirektna ultrazvučna ekstrakcija Direktna ultrazvučna ekstrakcija REZULTATI I DISKUSIJA Karakterizacija semena duvana: vlaga i sadržaj ulja Efektivna akustična snaga Raspodela temperature u ultrazvučnoj kadi Uticaj čvrstih čestica biljnog porekla na efektivnu akustičnu snagu Ultrazvučna ekstrakcija ulja iz semena duvana Uticaj stepena usitnjenosti semena duvana na prinos ulja Mehanizam ultrazvučne ekstrakcije ulja Kinetika ultrazvučne ekstrakcije ulja Prinos ulja Uticaj usitnjavanja semena duvana Uticaj temperature Uticaj odnosa seme-rastvarač Uticaj rastvarača Statistička procena značajnosti operativnih uslova Uticaj tehnike ekstrakcije na prinos ulja Višestepena indirektna ultrazvučna ekstrakcija ulja Uticaj promene snage i frekvence na prinos ulja direktnom ultrazvučnom ekstrakcijom Fizičke i hemijske osobine ulja semena duvana Sastav ulja semena duvana ZAKLJUČAK LITERATURA 48 SAŽETAK 55 SUMMARY 56 BIOGRAFIJA 58 PRILOG 60 v

7 SPISAK SIMBOLA A m 2 Površina za razmenu toplote b 1 Koeficijent ispiranja prema modelu teorije filma b' 1 Koeficijent ispiranja prema modelu nestacionarne difuzije b'' 1 Koeficijent ispiranja prema empirijskoj jednačini Ponomarjeva b 0, b i, b ij 1 Konstante linearne regresione jednačine (jednačina 4.1) c g/dm 3 Koncentracija ekstraktivnih supstanci u tečnom ekstraktu c p kj/kgk Specifična toplota rastvarača c S g/dm 3 Rastvorljivost ekstraktivnih supstanci u rastvaraču D cm 2 /s Koeficijent difuzije K J/m 2 sk Ukupni koeficijent prenosa toplote u okolinu k min -1 Koeficijent spore ekstrakcije prema modelu teorije filma k min -1 Koeficijent spore ekstrakcije prema modelu nestacionarne difuzije k min -1 Specifična brzina spore ekstrakcije prema empirijskoj jednačini Ponomarjeva k L m/s Koeficijent prenosa mase m g Masa rastvarača P W Efektivna akustična snaga q g/100 g Deo ulja ekstrahovan iz biljnog materijala posle odreñenog vremena ekstrakcije q o g/100 g Sadržaj ulja prisutan u biljnom materijalu t min Vreme T T ok o C o C Temperatura Temperatura okoline X i i-ti faktor (jednačina 4.1) Y Funkcija odziva (jednačina 4.1) Grčki simboli δ m Debljina tečnog difuzionog graničnog sloja ρ kg/m 3 Gustina rastvarača 1

8 1. UVOD Duvan (Nicotiana tabacum L.) se komercijalno gaji radi listova, koji se koriste u duvanskoj industriji za pravljenje cigareta i cigara. Pored pušenja, duvan se koristi i za ušmrkavanje u obliku praha (burmut) ili za žvakanje (Mathias, 1995). Biljka duvana je odličan izvor više vrsta fitohemikalija i drugih važnih jedinjenja od farmaceutskog i agroindustrijskog značaja. Plod duvana je čaura, koja sadrži veliki broj sitnog semena. Seme duvana je sporedni proizvod proizvodnje duvana. Iz semena se, presovanjem ili ekstrakcijom nepolarnim rastvaračima (n-heksan, petrol etar, dietiletar i dr.), može dobiti ulje, a nakon filtracije ekstrakta i pogača iscrpljenog semena. Sadržaj ulja u semenu varira od 36 do 41 %, što zavisi od vrste duvana i od podneblja (Eshetu, 2000). Ostali deo semena čine proteini, ugljeni hidrati, vlaknaste i neorganske materije (Usta, 2005; Brion, 2003). Sadržaj aminokiselina je prilično visok - približno 13,6 % (Ouyang et al., 2003). Ulje semena duvana ne sadrži nikotin i po svojim karakteristikama i sastavu slično je drugim jestivim biljnim uljima. Trilinolein i palmitodilinolein su glavni trigliceridi, koji čine oko 90 % ulja semena duvana, dok su mono- i digliceridi veoma malo zastupljeni (Gofur et al., 1993; Giannelos et al., 2002). Prema sastavu masnih kiselina, ovo ulje je slično ulju suncokreta, šafranike i kukuruza (Warlaw i Insel, 1993). Procentualni udeli pojedinih masnih kiselina (računatih u % u odnosu na ukupan sadržaj masnih kiselina) su sledeći: poli-nezasićene 76,1 %, mono-nezasićene 10,5 % i zasićene 13,3 % (Food Standards, 2004). Najzastupljenije masne kiseline su: linolna (66 do 76 %), oleinska (17 do 27 %), palmitinska (7 do 10 %) i stearinska (3,1 %). Indeks sušenja i jodni broj ulja semena duvana je i , respektivno (Eshetu, 2000). Na osnovu svojih karakteristika, ulje semena duvana može se koristiti u ljudskoj ishrani ili kao stočna hrana. Hranljiva vrednost ovog ulja bolja je u odnosu na ulje kikirikija i semena pamuka, a približna ulju šafranike (Patel et al., 1998). Zbog niskog sadržaja zasićenih masnih kiselina, što je sa medicinskog aspekta veoma poželjno, ovo ulje se smatra pogodnim za ljudsku upotrebu, pogotovo u poreñenju sa biljnim uljima koja imaju visok sadržaj zasićenih masnih kiselina (Mann i Truswell, 2002; Wahlqvist, 1997). Jedina mana ovog ulja je visok sadržaj holesterola (Harris, 1999). U literaturi postoje neslaganja o mogućnosti primene ulja semena duvana u ljudskoj ishrani. Prema nekim autorima (Brion, 2003; Rehm i Espig, 1991) rafinisano ulje semena duvana se već koristi kao ulje za salatu u Bugarskoj, Grčkoj i Indiji. Prema drugim autorima (Giannelos et al., 2002; Usta, 2005), ovo ulje je nejestivo. Pogača od iscrpljenog semena, koja se dobija nakon filtracije ekstrakta ili ceñenja ulja, bogata je azotom (oko 6 %) (Patel et al., 1998) i može se koristiti kao dodatak stočnoj hrani ili mešavini koncentrata za krave muzare (Ranjhan, 1978) i piliće (Brion, 2003) u odnosu i do 25 %. Uprkos povoljnim karakteristikama, samo mala količina semena se sakuplja za sadnju iduće godine, dok se ostatak ostavlja na polju neiskorišćen (Usta, 2005). Osim za reprodukciju, nema podataka da se duvan komercijalno gaji radi proizvodnje semena za industrijsku preradu. Za sada ne postoji rasprostranjena upotreba ulja semena duvana, osim u industriji sapuna, boja i lakova, gde se koristi nerafinisano i polu-suvo ulje (Rudramurthy et al., 2005). U novije vreme, na osnovu različitih istraživanja, dokazano je da se ulje semena duvana može koristiti u medicini (Brion, 2003) i kao obnovljivi izvor energije, sirovo ili u hemijski modifikovanoj formi (Usta, 2005). Fizičke, hemijske i druge osobine ulja semena duvana slične su osobinama drugih biljnih ulja i evropskim standardima za dizel goriva (Giannelos et al., 2002). Testiranjima na dizel motorima pokazano je da se metil estri ulja semena duvana mogu koristiti u mešavini sa dizel gorivom bez modifikovanja motora i predgrevanja mešavine (Usta, 2005). O mehanizmu i kinetici ekstrakcije ulja semena duvana nema podataka u literaturi, dok su brojnije studije hemijskih i fizičkih osobina i sastava ulja iz semena duvana (Giannelos et al., 2002; Eshetu, 2000; Koiwai et al., 1983; Udayasekhara Rao, 1994; Frega et al., 1991; Gofur et al., 1993; Bajpai i Seth, 2000). O njegovoj modifikaciji i primeni kao gorivo postoji malo podataka (Usta, 2005). U literaturi postoje podaci o ultrazvučnoj ekstrakciji masnih ulja iz semena miroñije (Toma et al., 2001), sinja (Romdhane i Gourdon, 2002), šipka 2

9 (Szentmihályi et al. 2004), suncokreta, soje i grožña (Luque-García i Luque de Castro, 2004), ali nema nikakvih podataka o ultrazvučnoj ekstrakciji ulja iz semena duvana. U ovom radu ispitivani su kinetika indirektne ultrazvučne ekstrakcije (maceracija potpomognuta ultrazvukom) ulja iz nativnog i samlevenog semena poluorijentalnog duvana tipa Otlja n-heksanom i petrol etrom na različitim temperaturama (25 C, 40 C i temperaturi ključanja) i pri različitim odnosima seme-rastvarač (1:3, 1:5, 1:10 g/cm 3 ) i fizičke i hemijske osobine i sastav ulja. Takoñe, ispitan je uticaj snage i frekvence na prinos i sastav ulja u direktnom ultrazvučnom ekstraktoru. Sadržaj ulja u semenu duvana je odreñen metodom po Soxhlet-u, dok su za odreñivanje fizičkih (gustina, viskoznost i indeks refrakcije) i hemijskih (jodni, kiselinski i saponifikacioni broj) osobina ulja korišćene standardne metode. Sastav ulja analiziran je gasnom hromatografijom, nakon metilovanja. Efektivna akustična snaga je odreñena kalorimetrijskom metodom. Glavni ciljevi ovog rada bili su: - utvrñivanje mehanizma ultrazvučne ekstrakcije ulja iz semena duvana; - provera mogućnosti primene poznatih modela kinetike klasične ekstrakcije za modelovanje kinetike ultrazvučne ekstrakcije ulja iz semena duvana; - utvrñivanje uticaja operativnih uslova ultrazvučne ekstrakcije (temperatura, vrsta rastvarača, odnos seme-rastvarač, usitnjenost semena, snaga i frekvenca ultrazvuka) na prinos i sastav ulja; - procena značajnosti uticaja usitnjavanja semena, vrste rastvarača, odnosa semerastvarač i temperature na koeficijente ispiranja i spore ekstrakcije i prinos ulja indirektnom ultrazvučnom ekstrakcijom primenom punog faktornog eksperimenta 2 4 bez ponavljanja; i - odreñivanje fizičkih i hemijskih osobina ulja semena duvana. 3

10 2. TEORIJSKI DEO 2.1. Ekstrakcija Za izolovanje bioaktivnih komponenti iz biljnog materijala koriste se klasične tehnike, koje se mogu razvrstati u tri osnovne grupe: destilacija (direktna destilacija etarskih ulja i hidrodestilacija), ekstrakcija rastvaračima (perkolacija, maceracija, ekstrakcija toplim i hladnim mastima i ključanje u vodi) i presovanje ili hladno cedjenje. U poslednje vreme sve više se koriste nekonvencionalne ekstrakcione tehnike, kao što su: super- i sub-kritična ekstrakcija, vrtložna ili turbo ekstrakcija i ekstrakcija pod dejstvom električne energije, mikrotalasa ili ultrazvuka (Vinatoru et al., 1997; Vinatoru, 2001). Pod pojmom ekstrakcija rastvaračem podrazumeva se preuzimanje neke supstance iz jedne faze u kojoj je ona rastvorena ili suspendovana u drugu, tečnu fazu. To je tehnološka operacija pomoću koje se rastvorljivi sastojak čvrste ili tečne faze izoluje odgovarajućim rastvaračem. Ukoliko se rastvorljiva supstanca ekstrahuje iz čvrstog materijala, govori se o ekstrakciji čvrsto-tečno ili luženju, a ako se ekstrahuje iz tečnosti, onda se govori o ekstrakciji tečno-tečno. Maceracija je tehnika ekstrakcije koja se najčešće primenjuje za dobijanje preparata prirodnih jedinjenja. Ona se izvodi šaržno, tako što se biljni materijal potapa u rastvarač, i to pri različitim temperaturama i odnosima biljni materijal-rastvarač. U ovako iscrpljeni biljni materijal, može se ponovo dodati sveži rastvarač, što predstavlja remaceraciju, odnosno dvostruku maceraciju. Perkolacija je tehnika ekstrakcije koja se izvodi polušaržno, tako što rastvarač protiče kontinualno kroz nepokretan sloj čvrstog materijala odozgo naniže. Fino usitnjeni materijal, koji se može lako održati suspendovan u rastvaraču podvrgava se maceraciji, dok se ekstrakcija krupnijeg, komadastog materijala vrši perkolacijom (Ponomarjev, 1976). Pri postupku ekstrakcije ključalom vodom, dolazi do bubrenja biljnog materijala i hidrodifuzije sastojaka biljnog materijala kroz membranu (Vinatoru et al., 1999). Proces ekstrakcije toplim i hladnim mastima, predstavlja maceraciju mastima (svinjska mast ili loj) iz koje se, zatim, vrši desorpcija ekstraktivnih supstanci odgovarajućim rastvaračima, najčešće etanolom (Vinatoru et al., 1999) Ekstrakcija čvrsto-tečno Ekstrakcija tečno-čvrsto je operacija prenosa mase kojom se jedna ili više supstanci izdvaja iz čvrstog materijala pomoću pogodnog rastvarača. Najčešće korišćeni rastvarači su: etanol, glicerol, etilacetat, propilenglikol i petrol etar, dok se drugi organski rastvarači reñe koriste zbog svoje toksičnosti (Vinatoru et al., 1999). Sam izbor rastvarača od presudnog je uticaja na stepen i prinos ekstrakcije, ali i na ekonomičnost procesa. Pri izboru rastvarača treba posebno obratiti pažnju na hidrofilnost, dielektričnu konstantu, viskoznost i površinski napon rastvarača (Milenović, 2002). Proces ekstrakcije se razlikuje za slučaj ekstrakcije sveže, nabubrele i suve biljne sirovine (Ponomarjev, 1976). U slučaju ekstrakcije svežeg biljnog materijala proces se odvija kroz tri faze: spiranje ekstraktivnih supstanci iz razorenih ćelija ili otvorenih pora; prenos ekstraktivnih supstanci kroz membranu biljnih ćelija iz unutrašnjosti nerazorenih ćelija do površine biljnog materijala; i prenos ekstraktivnih supstanci sa površine biljnog materijala u rastvor. 4

11 U slučaju suvog biljnog materijala, ovaj proces je složeniji i sastoji se iz nekoliko faza: kvašenje biljne sirovine rastvaračem, rastvaranje ekstraktivnih supstanci sa površine osušenog biljnog materijala ili površina razorenih ćelija u procesu njegovog sušenja i prenos u rastvor difuzijom; prodiranje rastvarača kroz porozne zidove i membrana u ćelije biljne sirovine; kvašenje i rastvaranje sasušenih ekstraktivnih supstanci unutar ćelija; prenos rastvorenih ekstraktivnih supstanci difuzijom iz rastvora u ćelijama do površine membrana ćelija; prenos ekstraktivnih supstanci difuzijom kroz membrane i zidove ćelija do spoljne površine biljnog materijala; i prenos ekstraktivnih supstanci difuzijom sa površine biljnog materijala u rastvor Kinetika ekstrakcije čvrsto-tečno Sve faze ekstrakcije mogu se, pojednostavljeno, podeliti na dva osnovna stupnja (Stanković et al., 1994): rastvaranje ekstraktivnih supstanci sa površine čvrstih čestica, poznato kao ispiranje ili brza ekstrakcija, koje zavisi od rastvorljivosti ekstraktivnih supstanci i hidrodinamičkih uslova, i difuzija ekstraktivnih supstanci iz unutrašnjosti čvrstih čestica na njihovu spoljnu površinu i u masu rastvora, poznata kao spora ekstrakcija ili unutrašnja difuzija. Obično je rastvaranje ekstraktivnih supstanci u rastvaraču brz proces, koji ne utiče na brzinu ukupnog procesa, dok je, po pravilu, difuzija ekstraktivnih supstanci kroz unutrašnjost čestica biljnog materijala najsporija faza. Kada difuzija ekstraktivnih supstanci kroz čestice kontroliše brzinu ekstrakcije, biljnu sirovinu treba usitniti, da bi se povećao stepen razaranja biljnih ćelija i skratio put ekstraktivnih supstanci kroz čestice. Ako je, pak, difuzija ekstraktivnih supstanci sa površine čestica prema glavnini rastvora limitirajući faktor, onda je potrebno obezbediti dovoljno intenzivno mešanje suspenzije. Matematički opis ekstrakcije čvrsto-tečno veoma je složen zbog složenosti samog procesa prenosa mase ekstraktivnih supstanci iz unutrašnjosti čestica do glavnine rastvora. Matematički opis i analiza ekstrakcije čvrsto-tečno značajno se pojednostavljuje primenom uprošćenih fizičkih modela, od kojih se najčešće koriste modeli zasnovani na teoriji filma i nestacionarnoj difuziji u biljnom materijalu (Veljković i Milenović, 2002). U inženjerskoj praksi se, takoñe, upotrebljava jednačina Ponomarjeva, koja predstavlja matematički opis promene količine ekstraktivnih supstanci u biljnoj sirovini u periodu spore ekstrakcije (Ponomarjev, 1976), a dobija se uprošćavanjem modela nestacionarne difuzije kroz biljni materijal (Veljković et al., 2005). Osnovne kinetičke jednačine prema navedenim modelima, zajedno sa njihovim linearizovanim oblicima, date su u tabeli 2.1. Tabela 2.1 Pregled kinetičkih modela ekstrakcije ekstraktivnih supstanci iz biljnih materijala ) Model Kinetička jednačina Linearna transformacija c kt Teorija filma = 1 (1 b) e c ln 1 ln(1 b) kt c = s cs Teorija nestacionarne difuzije u biljnom materijalu Jednačina Ponomarjeva q k ' t = b e q ' ' ln 1 ln(1 b ) k t q = 0 qo ' 1 (1 ) q " '' b k t q = + 0 Detaljno izvoñenje kinetičkih jednačina u skladu sa modelom prenosa mase ekstraktivnih supstanci može se naći u literaturi (Veljković i Milenović, 2002). Sve tri kinetičke 5

12 jednačine su dvo-parametarske, s tim što jedan parametar karakteriše period ispiranja (tzv. koeficijent ispiranja ili brze ekstrakcije), a drugi - period spore ekstrakcije (tzv. koeficijent spore ekstrakcije) Ekstrakcija po Soxhlet-u Ekstrakcija po Soxhlet-u je klasična cirkulaciona metoda ekstrakcije. Izvodi se u Soxhlet-ovom aparatu (slika 7.1 u prilogu). Rastvarač natapa biljni materijal i nakon dostizanja nivoa sifona, tečni ekstrakt biva presifoniran u posudu, gde se greje na temperaturu ključanja. Pare rastvarača, kroz za to namenjenu cevčicu, dospevaju u kondenzator, gde se hlade, kondenzuju i kap-po-kap ponovo natapaju biljni materijal. Ceo proces se ponavlja više puta, odnosno do potpunog iscrpljivanja biljne sirovine. Nakon završene ekstrakcije, dobijeni ekstrakt se podvrgava nekom od postupaka za odvajanje ekstraktivnih supstanci od rastvarača, kao što su: uparavanje do suva, destilacija i reekstrakcija Ultrazvuk Ultrazvuk predstavlja mehaničke talase, čija je frekvenca iznad gornje granice čujnosti, odnosno u opsegu frekvenca 20 khz do nekoliko stotina MHz (Mason i Lorimer, 2002). Za prostiranje ultrazvuka važe osnovni fizički zakoni zajednički za zvučne talase bilo koje frekvence. Za prostiranje ultrazvučnih talasa važi talasna jednačina i zakoni refleksije i prelamanja na granicama različitih sredina, difrakcije u prisustvu različitih prepreka i nehomogenosti u sredini, apsorpcije, odnosno slabljenja pri prostiranju, interferencije, pojave stojećih talasa, fokusiranja posredstvom akustičnih sočiva itd. Za razliku od elekromagnetnih talasa, ultrazvučni se prostiru isključivo kroz sredinu sa elastičnim osobinama. Pri širenju ultrazvučnih talasa, čestice elastične sredine osciluju i prenose energiju kroz medijum u pravcu širenja. Ultrazvuk poseduje neka specifična svojstva koja ga čine pogodnim za niz značajnih primena u nauci i tehnici. Ultrazvučni talasi, zbog velike frekvence, tj. male talasne dužine, prostiru se približno pravolinijski i prenose mnogo veću energiju nego čujni zvuk. Fokusiranjem na maloj površini, ultrazvučni talasi odaju veliku specifičnu energiju, što može izazvati razne mehaničke, hemijske, toplotne i druge efekte (Ley, 1989) Primena ultrazvuka Ultrazvuk je našao široku primenu u prehrambenoj i tekstilnoj industriji, industriji alkohola, alkoholnih pića, mesa i mesnih prerañevina, u medicini, stomatologiji, biometalurgiji, obradi otpadnih voda, u procesima obrade metala, zavarivanja, lemljenja, emulgovanja, dispergovanja i drugim oblastima (tabela 2.2). Posebnu primenu ultrazvuk nalazi u ekstrakciji ekstraktivnih supstanci iz biljnog materijala. Zarad postizanja najboljih rezultata u procesu ekstrakcije ekstraktivnih supstanci, neophodno je pronaći pravo mesto za primenu ultrazvuka. Najlogičnije mesto za to je ekstraktor, gde se mešanje može zameniti ultrazvukom. Takoñe, treba znati da nisu sve klasične metode podesne za kombinovanje sa ultrazvukom (Vinatoru et al., 1997). Uticaj ultrazvuka na efekte ekstrakcije veoma je teško predvideti, jer zavisi od mnogih faktora, kao što su: faza sistema (čvrsta, tečna), vrsta ultrazvučnog reaktora, snaga i frekvenca ultrazvuka, kao i drugi operativni uslovi. Ultrazvučna ekstrakcija ulja i drugih biljnih komponenti (etarskih ulja, smola, alkaloida i dr.) traje kraće i odvija se na nižoj temperaturi u odnosu na klasične metode ekstrakcije, dok prinos i kvalitet ekstrahovanih supsanci mogu biti veći ili manji i bolji ili lošiji, respektivno, zavisno od vrste biljnog materijala (Vinatoru et al., 1999). Pri ultrazvučnoj ekstrakciji ulja iz semena sinja, povećanje snage ultrazvuka skoro da nema uticaja na prinos ekstrahovanog ulja, dok se povećanjem frekvence sa 20 na 40 khz, prinos ulja neznatno povećava (Romdhane i Gourdon, 2002). U slučaju ekstrakcije piretrina iz cveta hrizanteme, meñutim, minimalno povećanje frekvence ( 200 Hz) povećava prinos za oko 32 % (Romdhane i Gourdon, 2002). U tabeli 2.3 dat je pregled primene ultrazvuka u ekstrakciji ulja iz semena nekih biljnih vrsta. 6

13 Tabela 2.2 Primena ultrazvuka Oblast primene Primena Napomena Referenca Prehrambena industrija U procesima sterilizacije, zamrzavanja, kristalizacije, emulgacije, sušenja, filtracije Veća efikasnost. Drastično skraćenje vremena trajanja procesa. Pozitivno dejstvo na enzimsku aktivnost. Mason et al. (1996) Industrija alkohola i alkoholnih pića U procesu bistenja vina Drastično skraćenje vremena bistenja vina u odnosu na klasičan metod. Mason et al. (1996) Industrija mesa i mesnih prerañevina U procesima mehaničke obrade mesa Poboljšanje ukusa manje kvalitetnih vrsta mesa. Mason et al. (1996) Ratarstvo i poljoprivreda Biološko dejstvo Povećanje klijavosti semena i za unistavanje bakterija, virusa i gljiva. Gordon (1963) Medicina U dijagnostici, fizikalnoj terapiji i terapiji malignih oboljenja, hirurgiji, radiologiji, biopsiji, mikroskopiji Lindheim et al. (2003); Grassi et al. (2005) Stomatologija Tekstilna industrija Biohidrometalurgija i metalurgija Obrada otpadnih voda Analitička hemija Neorganska i organska hemija Različite industrijske grane Za uklanjanje naslaga i kamenca i u tretmanu kod različitih oboljenja zuba U procesima obrade i bojenja tekstila U procesu bioluženja i u procesima obrade i zavarivanja metala U procesima obrade otpadnih voda Kod priprema uzoraka, razblaživanja i formiranja suspenzija U procesima sinteze i modifikacije neorganskih, organskih materijala i polimera Za usitnjavanja različitih materijala, atomizaciju, čišćenje, dekontaminaciju, dispergovanje, ekstrakciju, mešanje, emulzifikacije, impregnacije, kristalizacije, filtracije, prečišćavanja i u mnogim drugim procesima Ultrazvučna kupatila mogu se koristiti za čišćenje stomatoloških instrumenata i materijala. Ultrazvučni predtretman stimuliše mikrobni rast i povećava brzinu ekstrakcije metala pa tako skraćuje vreme trajanja procesa. U kombinaciji sa spektroskopijom, voltametrijom i drugim detekcionim tehnikama. Utiče na procese inkapsuliranja neorganskih materija sa polimerima, modifikaciju veličine čestica polimera i za sečenje i zavarivanje termoplastike. U kombinaciji sa drugim tehnologijama, kao što su procesi sa ultraljubičastim zračenjem i oksidacija ozonom. Energetika Dobijanje biodizela Kraće vreme i manja količina katlizatora. Geografija i geologija Za pronalaženje rezervi nafte i minerala i merenje dubine mora i okeana SONAR se koristi za merenje dubine okeana i za navigaciju u mornarici. Walmsley (1988) Kazmi et al. (1996); Yachmenev et al. (2004) Swamy et al. (2005) Pétrier i Francony (1997); Stack et al. (2005) Priego-Capote i Luque de Castro (2004) Suslick (1994) Mason (1999); Zhao et al. (2005) Stavrache et al. (2003, 2005); Colucci et al. (2005) Mason i Lorimer (2002) 7

14 Tabela 2.3 Pregled radova o ultrazvučnoj ekstrakciji ulja iz semena Seme Miroñija (Foeniculum vulgare), samleveno Sinj (Isatis tinctoria), samleveno, <0,4 mm Šipak (Rosa canina), samleveno, <0,36 mm Suncokret, soja i grožñe, samleveno, tri grupa veličina čestica Tehnika/snaga/ frekvenca Indirektna UZE a (UZ kada) 33 khz Direktna UZE (UZ horn) kombinovana sa magnetnom mešalicom 60, 100 i 170 W 20 i 40 khz Indirektna UZE (UZ kada) SEUZ 100 W 20 khz Rastvarač/ odnos semerastvarač (w/v) Temperatura ( C) Prinos/vreme trajanja (%/min) Predmet rada Dietil etar 23 19,3/60 Efekat UZ na biljna tkiva. Poreñenje sa KE. n-heksan 1:7,3 n-heksan 1:25 n-heksan 1: b /60 Kinetika. Poreñenje sa KE. Uticaj akustične snage i frekvence. Tk c 3,25/60 Poreñenje različitih tehnika (SE, mikrotalasna, super- i subkritična ekstrakcija). Tk 100/20-30 sifoniranja, zavisno od veličine čestica Uticaj veličina čestica i broja sifoniranja. Poreñenje sa SE. Sastav ulja. Referenca Toma et al. (2001) Romdhane i Gourdon (2002) Szentmihályi et al. (2002) Luque-Garcia i Luque de Castro (2004) a UZ = ultrazvuk; UZE = ultrazvučna ekstrakcija; KE = klasična ekstrakcija (maceracija); SE = Ekstrakcija po Soxhlet-u; SEUZ = Ekstrakcija po Soxhlet-u potpomognuta ultrazvukom; b Ekstrakcioni stepen (%). c Tk = tačka ključanja. 8

15 Od različitih tehnika ekstrakcije (ultrazvučna ekstrakcija, Soxhlet, mikrotalasna, superi sub-kritična ekstrakcija) ulja iz semena šipka najbolji prinos dobijen je sub-kritičnom ekstrakcijom, koji je za 48,6 % veći od prinosa dobijenog ultrazvučnom ekstrakcijom n- heksanom (Szentmihályi et al., 2002). Primenom ultrazvuka u klasičnoj Soxhlet ekstrakciji, vreme ekstrakcije za dobijanje približno istog prinosa ekstraktivne materije se duplo smanjuje, zavisno od veličine čestica biljnog materijala (Luque-Garcia i Luque de Castro, 2004). Uporednim ispitivanjem ultrazvučne ekstrakcije, klasične destilacije i mikrotalasne destilacije za izolovanje vrlo osetljivih supstanci odgovornih za aromu belog luka, jedino se prva tehnika pokazala primenljivom, dok je u druga dva slučaja dolazilo do termičke degradacije (Kimbaris et al., 2005). Takoñe, u slučaju izolacije celuloze iz semena hibiskusa i eukaliptusa, ultrazvučna ekstrakcija, u poreñenju sa klasičnom ekstrakcijom, daje bolje prinose i celulozu visoke čistoće (Pappas et al., 2002). Ultrazvuk daje pozitivne efekte kod ekstrakcije polisaharida i pripreme tinkture od korena valerijana (Hromádková et al., 2002), ekstrakcije hemiceluloze (Sun et al., 2002), steroida i triterpenoida (Schinor et al., 2003), atropina (Djilani i Legseir, 2005) i različitih bioaktivnih komponenti iz biljnog materijala (Sulman et al., 2000). Prinos ekstrakcije hlorogenske kiseline iz biljne vrste Eucommia ulmodies (Li et al., 2005) i rutina iz Sophora japonica (Paniwyk et al., 2001) značajno se povećava upotrebom ultrazvuka. Mikroskopskim pregledom, nakon ultrazvučne ekstrakcije biljnog materijala (seme miroñije, listovi nane i hmelja, cvetovi nevena i lipe) pri frekvencama od 20 i 500 khz, utvrñeno je da dolazi do razaranja strukture biljnih tkiva pod dejstvom ultrazvučnih vibracija (Toma et al., 2001). Pod dejstvom ultrazvuka pospešuje se hidratacija pektina, što rezultuje dezintegracijom strukture biljnih tkiva, a samim tim i većom kontaktnom površinom sa rastvaračem i većom osetljivošću na dejstvo ultrazvuka. Jači mehanički efekat javlja se pri dejstvu ultrazvuka frekvence 20 khz nego 500 khz, a u poreñenju sa klasičnom ekstrakcijom, dobijaja se veći prinos i do 30% (Toma et al., 2001). U ekstrakciji ekstraktivnih supstanci iz biljnih vrsta Salvia officinalis (obična žalfija) i Salvia glutinosa (lepljiva žalfija) prinos suvog ekstrakta ultrazvučnom ekstrakcijom je nešto manji od prinosa ekstrakcije po Soxhlet-u, a značajno veći od prinosa maceracijom (Veličković, 2005). Uzimajući u obzir vreme trajanja procesa i neke troškove (veći utrošak rastvarača i energije kod ekstrakcije po Soxhlet-u), prednost je data ultrazvučnoj ekstrakciji, uprkos manjem prinosu ekstraktivnih supstanci Dejstvo ultrazvuka na proces ekstrakcije Za primenu ultazvuka u ekstrakciji najznačajniji je fenomen kavitacije. Pri širenju ultrazvuka kroz tečnost, longitudinalne vibracije molekula stvaraju kompresiju i ekspanziju, tj. zone visokog i niskog lokalnog pritiska (slika 2.1). Poznata su dva oblika kavitacije: stabilan i prolazan. Stabilna kavitacija podrazumeva da mehuri osciluju oko svog ravnotežnog položaja preko nekoliko ciklusa širenja i sabijanja. Kod prolazne kavitacije, mehuri rastu preko jednog (ponekad dva ili tri) akustična ciklusa do dvostruke veličine i na kraju se raspadaju. U praksi, razlika izmeñu stabilne i prolazne kavitacije još uvek se najbolje ne primećuje. Slika 2.1 Šematski prikaz fenomena kavitacije (Suslick, 1994) 9

16 U slučaju dejstva ultrazvuka na sistem tečno-čvrsto, dinamika kavitacionog kolapsa se razlikuje od one koja se dešava u čistom rastvaraču. U blizini granice čvrste faze, kavitacioni mehur postaje veoma asimetričan (slika 2.2) i generiše mlaz tečnosti velike brzine. Potencijalna energija raspadnutog mehura prevodi se u kinetičku energiju pomoću koje se tečnost kreće iz unutrašnjosti mehura i penetrira suprotni zid mehura sa gornje strane. Utvrñeno je da se ovo dešava brzinom od približno 400 km/h (Suslick, 1994; Koda et al., 2003). Brzina kavitacionih mehura raste skoro linearno sa porastom ultrazvučne snage, što utiče na fenomen kavitacije (Tsochatzidis, 2001). Fenomeni nastajanja i raspada kavitacionih mehura odgovorni su za većinu ultrazvučnih fizičkih efekata zapaženih u sistemima čvrstotečno. Slika 2.2 Generisanje mikro mlaza tečnosti tokom raspada kavitacionog mehura blizu čvrste površine (Suslick, 1994) Ultrazvuk utiče na proces ekstrakcije višestruko, i to uticajem na: brzinu prenosa mase, razaranje biljnih ćelija, penetraciju rastvarača u biljnu ćeliju i kapilarni efekat (Vinatoru et al., 1999) Intenziviranje prenosa mase Intenziviranje prenosa mase, koje nastaje prilikom kolapsa kavitacionih mehurova na ili blizu ćelijskog zida ili graničnih površina, rezultat je hidrodinamičkog efekta ultrazvuka na debljinu difuzionog graničnog sloja oko čestica biljnog materijala i otpor prenosu mase kroz granični sloj. Prema teoriji filma, koeficijent prenosa mase k L zavisi od efektvnog koeficijenta difuzije D i debljine tečnog difuzionog graničnog sloja δ, tj.: D kl = (2.1) δ Ultrazvuk visoke frekvence (u MHz) stvara dva uticaja: hidrodinamički uticaj usled dejstva mikro mlaza tečnosti i kretanje nerasprsnutih oscilirajućih mehura (Neis, 2002). Zbog nedostatka materijalnih dokaza, može se samo pretpostaviti šta se dešava u graničnom sloju. Pod uticajem turbulencije na mikro nivou, debljina difuzionog graničnog sloja će se verovatno smanjiti (slika 2.3), a zbog povećanja temperature može se očekivati smanjenje viskoznosti tečnosti u laminarnom graničnom podsloju. Smanjenje debljine graničnog sloja i viskoznosti rastvora ima za posledicu značajno povećanje koeficijenta prenosa mase i brzine prenosa mase ekstraktivnih supstanci u rastvor. Povećanje koeficijenta prenosa mase zavisi direktno od primenjene ultrazvučne snage (Neis, 2002) Razaranje ćelije Ultrazvuk može razoriti ćelijski zid i na taj način osloboditi sadržaje iz njene unutrašnjosti. Disperzija materijala i smanjenje veličine čestica pod dejstvom ultrazvuka doprinose poboljšanju efekta ekstrakcije. 10

17 Slika 2.3 Hidrodinamički udar ultrazvučnih talasa na difuzioni granični sloj (Neis, 2002) Poboljšanje penetracije rastvarača Ultrazvuk potpomaže penetraciju rastvarača u nerazorene biljne ćelije, što povećava prinos za kraće vreme ekstrakcije. Kada doñe do kolapsa kavitacionog mehura blizu ćelijskog zida, obrazuje se ultrasonični mikro mlaz koji nosi rastvarač prema ćelijskom zidu, ponašajući se kao mikro-pumpa. Pod ovim dejstvom rastvarač prodire u ćeliju biljnog materijala, rastvarajući komponente i transportujući ih izvan ćelije Kapilarni efekat Proces prodiranja rastvarača u biljni materijal u mnogome zavisi od kapilarnih sila, jer se dešava kroz ogroman broj pora kapilarnog tipa. Sam materijal iz koga su sastavljeni ćelijski zidovi, odlikuje se difilnim svojstvima, pri čemu je hidrofilnost izražena u većem stepenu nego hidrofobnost. Vreme popunjavanja kapilara i ćelija rastvaračem može biti veoma veliko, zbog vazduha koji se nalazi u njima. To vreme je odreñeno brzinom difuzije vazduha kroz tečnost i može se smanjiti pod uticajem ultrazvuka (Ponomarjev, 1976) Mehanizam i kinetika ultrazvučne ekstrakcije Mehanizam i kinetika ultrazvučne ekstrakcije se, u principu, ne razlikuju od mehanizma i kinetike klasične maceracije (Veličković, 2005; Veličković et. al., 2006). Otuda se za modelovanje kinetike ultrazvučne ekstrakcije mogu koristiti kinetički modeli zasnovani na teoriji filma i nestacionarnoj difuziji i empirijski model Ponomarjeva, koji su razvijeni za klasičnu maceraciju Akustična snaga Intenzitet kavitacije usko je povezan sa lokalnom akustičnom snagom. Električna energija (snaga) generatora ultrazvuka se ne transformiše u potpunosti u akustičnu energiju (snagu), vrstu mehaničke energije koja se dobija putem oscilatora. Efikasnost energetske transformacije zavisi od tipa ultrazvučnog oscilatora i količine električne energije, dok količina akustične energije, koju apsorbuje sredina kroz koju se prostire ultrazvuk, zavisi od osobina sredine, temperature, vremena trajanja dejstva ultazvuka i drugih (Romdhane et al., 1995; Kimura et al., 1996; Koda et al., 2003). I pored toga što je jednostavno meriti količinu iskorišćene električne energije, teško je odrediti snagu kavitacionih procesa, odnosno količinu ultrazvučne energije koja se apsorbuje po jedinici mase rastvarača i biljnog materijala. Veruje se da je poznavanje efektivne ultrazvučne snage neophodno za projektovanja ultrazvučnog ekstraktora i pouzdanog sprovoñenja postupka scaling-up za proces ultrazvučne ekstrakcije (Romdhane et al., 1995). Ovaj kriterijum bi, ako bi se potvrdio u praksi, bio od značaja i za poreñenje efekata ultrazvučne ekstrakcije u različitim operativnim uslovima (akustična snaga i frekvenca, vrsta rastvarača, odnos biljna sirovina-rastvarač, veličina čestica itd.). 11

18 Merenje efektivne akustične snage Jedna od najčešće korišćenih metoda za merenje efektivne akustične snage je kalorimetrijska, koja se bazira na pretpostavci da se sva mehanička energija prevodi u toplotu (Kimura et al., 1996). Ova fizička metoda je zasnovana na merenju početne brzine porasta temperature izazvane dejstvom ultrazvuka: P dt = mcp dt t = 0 Pretpostavlja se, takoñe, da je temperatura tečnosti homogena, kao rezultat intenzivnog mešanja. Kod ove metode, prati se promena temperature sistema pošto se sistem izloži dejstvu ultrazvuka odreñeno vreme (period zagrevanja sistema), kao i posle prestanka dejstva ultrazvuka (period hlañenja sistema), da bi se utvrdili gubici toplote u okolinu. Tipična promena temperature sistema pod dejstvom ultrazvuka sa vremenom prikazana je na slici 2.4, gde se vidi da dolazi do naglog porasta temperature za vreme dejstva ultrazvuka i do postepenog pada temperature nakon isključenja ultrazvučnog izvora. (2.2) Slika 2.4 Promena temperature sistema pod dejstvom ultrazvuka sa vremenom Promena temperature sredine dejstvom ultrazvuka (period zagrevanja) može se matematički opisati sledećom bilansnom jednačinom: dt P KA( T Tok ) = mcp (2.3) dt koja se transformiše u sledeći oblik: d( T ) = β( T a) (2.4) dt gde je: T = T To, KA P β = i a = Tok +. mcp mcpβ Uz pretpostavku da je β = const., jednačina (2.4) se može lako integrisati sa početnim uslovom T(0) = 0, tako da se dobija: T = a(1 e βt ) (2.5) Jednačina (2.5) opisuje porast temperature ( T = T To ) u toku dejstva ultrazvuka sa vremenom. Pored kalorimetrije, za merenje akustične snage koju apsorbuje sistem postoje i druge metode, koje se mogu podeliti na fizičke i hemijske. Od fizičkih metoda, najčešće se koriste: merenje snage preko akustične impedanse (ρc), merenje amplitude akustičnih oscilacija, merenje pijezoelektričnim elementima, merenje pritiska i merenje vatmetrom (Margulis i Margulis, 2003; Contamine et al., 1995). Hemijske metode se baziraju na oksidacionim ili redukcionim procesima koji se odigravaju u vodenim rastvorima. U ove svrhe 12

19 mogu se koristiti: Wiessler-ova reakcija, Fricke-ova reakcija, sonohemijsko dobijanje HNO 3, H 2 O 2 i hidroksitereftalatnog jona, kao i reakcija razlaganja porfirinovih derivata (Koda et al., 2003; Faĭd et al. 1998; Kimura et al., 1996; Nomura et al., 1996) Biljna ulja Ulja, koja se dobijaju iz biljnog materijala (plod, seme, koštica) ekstrakcijom ili presovanjem, sastoje se uglavnom od triglicerida masnih kiselina, slobodnih masnih kiselina, vode, sterola, fosfolipida, mirisnih komponenti i primese nekih nečistoća. Pregled sastava najvažnijih biljnih ulja dat je u tabeli 2.4. Biljna ulja se najčešće primenjuju u ljudskoj ishrani, ali se koriste i u medicinske svrhe, kao stočna hrana, a u novije vreme i kao alternativne sirovine za dobijanje goriva (Demirbaş, 2003). Rudolf Diesel, pronalazač dizel mašine, je prvi koristio biljno ulje kao gorivo. Biljna ulja imaju dobru toplotnu moć i u procesu sagorevanja nastali izduvni gasovi ne sadrže sumpor i aromatična policiklična jedinjenja, pa mogu u potpunosti sagoreti do ugljenik(iv) oksida. Njihova tečna priroda, stalna raspoloživost, obnovljivost i biodegradibilnost čine ih pogodnim zamenama za dizel goriva (Stavarache et al., 2005). Neki od problema kod korišćenja ovih vrsta ulja, u svrhe zamene za dizel gorivo, jesu veliki viskozitet (i do deset puta veća vrednost od vrednosti za dizel goriva), slaba isparljivost i reaktivnost nezasićenih ugljovodoničnih lanaca (Usta, 2005; Demirbaş, 2003). Postoji preko 350 vrsta biljnih ulja koja se mogu koristiti u ove svrhe, kao što su, na primer, ulja soje, semena suncokreta, duvana, kikirikija, uljane repice i mnoga druga. Osnovni sastojak ovih ulja su trigliceridi, koji su zastupljeni sa oko 90 do 98 %, dok ostali deo čine mono- i digliceridi. Sa samo nekoliko izuzetaka, masne kiseline od kojih se biljna ulja sastoje su dugački, pravi lanci sa po 3 do 18 C atoma u svom sastavu (Giannelos et al., 2002). Da bi se prevazišli problemi koji nastaju pri upotrebi neobrañenih biljnih ulja kao dizel goriva (nepravilan rad motora, stvaranje naslaga ugljenika, razblaživanje i stvaranje nečisoća u ulju motora), neophodna je njihova prethodna priprema i modifikacija (Ma i Hanna, 1999). Najčešći, i po rezultatima najbolji, vid modifikacije biljnih ulja je transesterifikacija, kojom se dobija zamena za dizel gorivo poznatija pod imenom biodizel. Ovaj proces, otkriven godine, predstavlja reakciju izmeñu nižih alkohola i triglicerida iz biljnog ulja ili masti životinjskog porekla, pri čemu nastaju glicerol i estri masnih kiselina odgovarajućeg alkohola. Smeša ovako dobijenih metil estara masnih kiselina po svojim osobinama, koje su date u tabeli 2.5, odgovara osobinama dizel goriva, a može se koristiti sama ili namešana sa konvencionalnim gorivima, sa kojima stvara stabilnu smešu u svim koncentracijama (Mittelbach i Remschmidt, 2005). Pored transesterifikacije, u ove svrhe, mada manje uspešno, koriste se piroliza i mikro-emulguvanje. U procesu pirolize, na povišenoj temperaturi i u prisustvu katalizatora, ali u odsustvu vazduha ili kiseonika, dolazi do cepanja hemijskih veza i stvaranja manjih molekula (Ma i Hanna, 1999). Ovakvim tretiranjem biljna ulja prevode se u smešu alkana, alkena, alkadiena, aromatičnih i karboksilnih kiselina, koja ima dobar cetanski broj, sadržaj sumpora, vode i taloga, koja, zbog velikog viskoziteta, ne ispunjava sve standardne zahteve (Mittelbach i Remschmidt, 2005). U cilju smanjenja viskoziteta, biljna ulja se emulguju sa nemešljivim tečnostima (metanol, etanol ili 1-butanol), radi formiranja termodinamički stabilnih mikro-disperzija. Pri korišćenju mikro-disperzija, stvaraju se naslage ugljenika, a one pokazuju i loše osobine na niskim temperaturama (Mittelbach i Remschmidt, 2005). Biodizel ima mnoge prednosti nad konvencionalnim dizel gorivom, kao što su (Stavarache et al., 2005; Demirbaş, 2003): ima veći cetanski broj; proizvodi manje dima i prašine pri sagorevanju; proizvodi manje ugljenik(ii) oksida i ugljovodonika; biodegradabilan je; i nije toksičan. Sa ekonomskog aspekta, korišćenje jestivih biljnih ulja kao zamene za dizel gorivo, još uvek je neisplativo zbog njihove velike cene, ali se zato treba orijentisati ka otpadnim i nejestivim biljnim uljima (Usta, 2005). Nejestiva biljna ulja su karakteristična za pojedine geografske regije, gde je njihova cena niža, kao, na primer: ulja semena Jatropha curcas (u 13

20 Nikaragvi), semena mahue (u Indiji), semena indijskog jorgovana, semena Pongamia glabra, ricinusa (u Brazilu), a u našem regionu semena duvana (Giannelos et al., 2002; Usta, 2005) i paradajza (Giannelos et al., 2005). Tabela 2.4 Pregled sastava biljnih ulja Ulje biljne vrste Masne kiseline (14:0) (16:0) (16:1) (18:0) (18:1) (18:2) (18:3) Referenca Seme suncokreta Ulja koja se najčešće koriste u svrhe proizvodnje biodizela - 6,8-3,26 16,93 73,73 - Ramadhas et al. (2005) Zrno soje Pinto et al. (2005) Seme repice - 3,5 0,1 0,9 54,1 22,3 - Palma ,3 Mittelbach i Remschmidt (2005) Jestiva ulja Kokos a Maslina , ,5-4 Mittelbach i Remschmidt (2005) Klica kukuruza - 11,6-1,85 25,16 60,6 0,48 Ma i Hanna (1999) Kikiriki - 11,4 2,4 48,3 32 0,9 Demirbaş (2003) Lešnik - 4,9 0,2 2,6 83,6 8,5 0,2 Seme lana - 5,1 0,3 2,5 18,9 18,1 55,1 Seme divljeg lana - 5,4-2,6 14,3 14,3 38,4 Fröhlich i Rice (2005) Seme pamuka - 11,67-0,89 13,27 57,51 - Ramadhas et al. (2005) Seme susama - 9,4-4,6 43,9 41,3 - Baydar i Turgut, (1999) Nejestiva ulja Seme duvana 0,09 10,96 0,2 3,34 14,54 69,49 0,69 Giannelos et al. (2002) Seme paradajza 0,1 12,26 0,35 5,15 22,17 56,12 2,77 Giannelos et al. (2005) Seme mahue , , ,7 - Ghadge i Raheman (2006) Seme - 0,86-1,01 2,63 4,1 0,36 Goodrum i Geller ricinusa b (2005) Seme Pongamia glabra - 11,3-9,8 45,25 24,75 2,9 Sarma et al. (2005) Seme kaučuka - 10,2-8,7 24,6 39,6 16,3 Ramadhas et al. (2005) Seme Jatropha curcas 0,1 15,1 0,9 7,1 44,7 31,4 0,2 Foidl et al. (1996) Reciklirana i otpadna ulja Korišćeno ulje za prženje Pirinčane mekinje - 8,65-4,7 30,6 55,1 0,3 Felizardo et al. (2005) 0,8 17,7 0,23 2,2 40,6 35,6 1,8 Zullaikah et al. (2005) a Kokosovo ulje sadrži % laurinske kiseline. b Ricinusovo ulje sadrži 89,6% ricinoleinske kiseline. 14

21 Tabela 2.5 Osobine smeše metil estara dobijenih iz ulja koja se ispituju kao sirovina za biodizel u poreñenju sa osobinama dizel goriva Poreklo Energetski sadržaj (kj/kg) Gustina 15 o C (g/dm 3 ) Kinematski viskozitet (mm 2 /s) Cetanski broj Temperatura paljenja ( o C) Referenca 40 o C 75 o C Dizel gorivo ,3 * 1, Altin et al. (2001) Seme duvana ,8 3, Usta (2005) Seme suncokreta * 7, Seme pamuka * 7, Zrno soje * 4, Klica kukuruza ,23 (30 o C) - 63,9 166 Seme repice , ,7 192 Palma ,7 (37,8 o C) Seme mahue , Seme Jatropha curcas , Seme indijskog jorgovana (25 o C) 8,8 (25 o C) Altin et al. (2001) Fukuda et al. (2001) Ghadge i Raheman (2006) Nabi et al. (2006) Seme Pongamia glabra , Sarma et al. (2005) Korišćeno ulje za prženje ,25-4,63-50, Mittelbach i Remschmidt (2005) * na 27 o C 15

22 2.4. Ulje semena duvana Seme duvana je otpadni proizvod u duvanskoj industriji, od koga se, procesima ekstrakcije ili ceñenja, mogu dobiti ulje i semena pogača (iscrpljeno seme). Uprkos ovim karakteristikama, samo mala količina semena se sakuplja sa biljaka za sadnju iduće godine, dok se ostatak ostavlja na polju neiskorišćen (Usta, 2005) Duvan Nicotiana tabacum L. Carstvo Podcarstvo Superdivizija Divizija Klasa Podklasa Red Familija Plantae Biljke Tracheobionta Vaskularne biljke Spermatophyta Semenice Magnoliophyta Skrivenosemenice Magnoliopsida Dikotiledone Asteridae Solanales Solanaceae Rod Nicotiana L. Vrsta Nicotiana tabacum L. Duvan (USDA, NRCS, 2005) Duvan (Nicotiana tabacum L.) je poznat u Americi od pre godina. Korišćen je za pušenje u luli ili u obliku cigara (umotani osušeni listovi), što je za tamošnje narode predstavljalo važan obredni ritual. Indijanski sveštenici plemena Maja i Asteka koristili su duvan kao halucinogeno i analgetičko sredstvo (Mathias, 1995). Evropljani su ga otkrili sa otkrićem Amerike, ali ga je u Englesku doneo Jean Nicot tek sredinom šesnaestog veka, po kome je rod dobio ime. Drugi deo specifičnog imena potiče od reči koja na jeziku naroda sa Haitija označava lulu za pušenje (Viable Herbal Solutions, 2005). Duvan je, takoñe, korišćen u obliku praha za ušmrkavanje (burmut), pri čemu se njegovo dejstvo na centralni nervni sistem ispoljavalo već nakon 5 sekundi, ili za žvakanje (Mathias, 1995). U upotrebi je oko desetak vrsta Nicotiana, ali se samo dve vrste komercijalno gaje, N. tabacum, tipična forma, i Nicotiana rustica, divlji duvan, koji je vrlo snažno opojno sredstvo sa više od 18 % nikotina (Mathias, 1995). Najvažniji sastojak duvana je nikotin, C 10 H 14 N 2, tečni, ekstremno otrovan alkaloid, koji se nalazi u svim delovima biljke, osim u semenu (The British Pharmaceutical Codex, 2001). To je veoma higroskopna, zapaljiva, bezbojna ili žućkasta, uljana tečnost sa neprijatnim i oštrim mirisom na izgoreli duvan. Stajanjem na vazduhu tamni i prelazi u braon boju. Kisele je reakcije. Sadržaj nikotina u listovima duvana varira od 1-7 %, pa čak i do 10 %, što zavisi od sorte duvana i uslova gajenja. Pored nikotina, u duvanu se mogu naći manje količine drugih alkaloida, kao što su: nikotianin, nikotinin, nikotein i nikotelin (The British Pharmaceutical Codex, 2001), kao i albumeni, smole i različite lepljive, organske i neorganske materije. U procesu sagorevanja nikotin i ostale prisutne materije se prevode u piridin, furfurol, kolidin, cijanovodoničnu kiselinu, ugljenik(ii) oksid i drugo (Viable Herbal Solutions, 2005). Duvan se komercijalno gaji radi listova, koji se koriste u duvanskoj industriji za pravljenje cigareta i cigara. U medicini, duvan se koristi kao sedativ, diuretik, ekspektorant, a može se koristiti i kao emetik, ali samo u slučajevima kada ni jedan drugi lek ne daje efekte (Viable Herbal Solutions, 2005). U veterinarskoj praksi nalazi primenu kao parazitik i insekticid. U južnoj Etiopiji listovi duvana za žvakanje daju se ovcama i volovima radi uništavanja unutrašnjih parazita, a primećeno je i pozitivno dejstvo na rast ovih životinja (Comberg i Rosenhahn, 1952; Maymone i Tiberio, 1948). Duvan je, takoñe, odličan izvor više vrsta fitohemikalija i drugih jedinjenja od farmaceutskog i agro-industrijskog značaja. Na primer, nikotin je glavni sastojak nikotin sulfata, koji je pesticid i insekticid. Kao biodegradabilan, nikotin sulfat ne zagañuje sredinu niti 16

23 se zadržava na usevima, a kao sirovina koristi se za dobijanje nikotinske kiseline, nikotinamida i niketamida (Hi-Tech Bio Laboratories, 2005). Solanesol, viši terpen, ekstrahovan iz lista duvana, polazna je graña za dobijanje hinona i vitamina K i E, a ima i značaj u medicini, jer se upotrebljava u lečenju srčanih bolesti. Jabučna i limunska kiselina, neke amino kiseline (lizin, metionin i triptofan) i proteini, koji se mogu ekstrahovati iz lista duvana, imaju veliku farmaceutsku vrednost, a nalaze primenu i u prehrambenoj industriji. S obzirom na sadržaj kalijuma u stabljici duvana (oko 3 %) i azota u prethodno iscrpljenoj pogači nakon ekstrakcije lista i semena (oko 6 %), ova biljka predstavlja odličnu sirovinu za proizvodnju veštačkih organskih ñubriva (Patel et al., 1998). Nakon ekstrakcije ili hladnog ceñenja ulja iz semena duvana, zaostala pogača se može koristiti i kao dodatak stočnoj hrani ili mešavini koncentrata za krave muzare (Ranjhan, 1978) i piliće (Brion, 2003) u odnosu i do 25%. Od pulpe stabljika duvana, prethodno usitnjene, zalepljene i presovane, dobijaju se daščice, koje se koriste u grañevinarstvu. Ovaj deo biljke nalazi primenu i u proizvodnji papira (Brion, 2003). Postoje podaci o proizvodnji viskija iz duvana i koktela pod imenom nicotini, koji se dobija potapanjem listova duvana u votku (Food Standards, 2004). Hormoni rasta izolovani iz duvana, primenjeni na drugo voće i povrće, povećavaju nijhov prinos i do 20 %. Iz duvana se mogu još izdvojiti i materije koje se koriste u prevenciji korozije, kao i materije odgovorne za aromu i miris (Rudramurthy et al., 2005). U novije vreme, sa razvojem genetskog inženjerstva, postalo je moguće identifikovati i izolovati DNK sekvencu, odnosno gen odgovoran za sintezu odreñenog proteina. Ovako dobijeni geni se kloniraju i umnožavaju, a zatim se putem vektora, najčešće plazmida, prenose u biljne ćelije. Nakon integracije stranog gena u genom biljne ćelije kroz procese transkripcije i translacije, dolazi do sinteze željenog proteina. Ove metode genetskog inženjerstva uspešno su primenjene na tzv. transgenim biljkama, meñu kojima su: duvan, suncokret, kukuruz, uljana repica, pirinač i krompir (Elbehri, 2005) Morfološke karakteristike duvana Duvan je jednogodišnja zeljasta biljka sa dugačkim vlaknastim korenom i stabljikom, koja je uspravna, okruglog preseka, dlakava, lepljiva i raste do 1,5 m, što zavisi od sorte duvana i uslova rasta. Listovi su krupni, brojni, naizmenično rasporeñeni. Imaju ovalni oblik sa zašiljenim vrhom, pomalo su dlakavi i lepljivi, zelene boje i kiselo gorkog ukusa (Viable Herbal Solutions, 2005). Cvet raste u grozdovima na vrhu stabljike, ima cilindričnu čašicu i ružičastu ili crvenkastu boju (Landoni, 1990). Plod je izdužena jajasta čaura koja sadrži veliki broj sitnog semena, manje više ovalnog ili bubrežastog oblika, sa prosečnim dimenzijama 0,75 mm dužine, 0,53 mm širine i 0,47 mm debljine i masom od 0,08 do 0,09 mg (Eshetu, 2000). Sadržaj ulja u semenu varira od 36 do 41 %, što prilično zavisi od vrste duvana i podneblja u kome se gaji, dok ostali deo semena čine proteini, ugljeni hidrati, vlaknaste i neorganske materije (Usta, 2005; Brion, 2003). Seme se može čuvati duže vreme u suvim uslovima, na sobnoj temperaturi (Giannelos et al., 2002). 17

24 Slika 2.5 Seme i plod duvana Struktura zrelog semena duvana Seme duvana slično je semenu drugih uljarica i sastoji se od zaštitnog omotača, endosperma, embriona i kotiledona (slike 2.6 i 2.7). U procesu razvoja i rasta klice, po iscrpljivanju rezerve hranljivih materija u koteledonu, prelazi se na korišćenje onih koje su skladištene u endospermu, koji služi kao skladište hranljivih materija i bogat je uljem. U zrelom semenu N. tabacum, klica je okružena sa tri do pet sloja ćelija endosperma debelih ćelijskih zidova. Sama površina semena obložena je zaštitnim omotačem koga čine mrtve, mrke ćelije. Mikopilarni endosperm okružuje vrh korena i nalazi se samo na mestu gde koren izbija na početku klijanja. U procesu klijanja dolazi do pucanja endosperma i spoljašnjeg zaštitnog omotača. Sličnu strukturu ima seme drugih vrsta Nicotiana, ricinusa (Ricinus communis), paradajza (Lycopersicon esculentum) i crnog luka (Allium cepa), kao i neke vrste žitarica (pšenica, kukuruz i ječam) (Leubner, 2003). Slika 2.6 Mikroskopski uvećana slika preseka suvog zrelog semena duvana (Leubner, 2003) Slika 2.7 SEM semena duvana starog 12 dana: a) organi semena: embrion (Eb), endosperm (Es), zaštitni omotač (Sc) i epiderm (e) i b) razlike izmeñu embriona u razvoju (levo) i endosperma (desno), koji su razdvojeni velikim apoplastičnim prostorom; bar: a) 15 µm i b) 5 µm (Tomlinson et al., 2004) 18

25 Sastav ulja semena duvana Ulje semena duvana ne sadrži nikotin i po svojim karakteristikama i sastavu slično je drugim jestivim biljnim uljima. Tankoslojnom hromatografijom u sistemu heptan-metiletilketonsirćetne kiselina (43:7:0,5) u ulju semena duvana pronañeni su: ugljovodonici, triacilgliceroli, slobodne masne kiseline, fitosterini, diacilgliceroli i monoacilgliceroli (Umarov et al.,1990). Trilinolein i palmitodilinolein su glavni trigliceridi, koji čine oko 90 % ulja semena duvana, dok su mono- i digliceridi veoma malo zastupljeni (Gofur et al., 1993; Giannelos et al., 2002). Prema sastavu masnih kiselina, ovo ulje je slično suncokretovom ulju, ulju šafranike i kukuruza (Warlaw i Insel, 1993). Procentualni udeli pojedinih masnih kiselina (računatih u % u odnosu na ukupan sadržaj masnih kiselina) su sledeći: poli-nezasićene 76,1 %, mono-nezasićene 10,5 % i zasićene 13,3 % (Food Standards, 2004). Najzastupljenija masna kiselina je linolna (66 do 76 %), oleinska (17 do 27 %), palmitinska (7 do 10 %) i stearinska (3,1 %) (Eshetu, 2000). Indeks sušenja i jodni broj ulja iz semena duvana je i , respektivno (Eshetu, 2000) Fizičke i hemijske osobine ulja semena duvana U tabeli 2.7 date su fizičke i hemijske osobine ulja semena duvana i nekih drugih biljnih ulja. Fizičke i hemijske osobine ulja semena duvana analiziraju se standardnim metodama. Tabela 2.7 Osobine ulja semena duvana u odnosu na druga biljna ulja i standarde za dizel gorivo (Giannelos et al., 2005) Biljno ulje Kinematska viskoznost na 40 C, mm 2 /s Cetanski broj Energetski sadržaj, MJ/kg Temperatura zamagljenja, C Temperatura kapljivosti, C Temperatura paljenja, C Gustina, kg/dm 3 Sumpor, mas. % Saponifikacioni broj, mgkoh/g Jodni broj Sadržaj pepela, % Seme duvana Seme paradajza Klica kukuruza Seme pamuka 27,7 38,7 39,4-7,8-14, ,9175 0, ,0 0, ,9-8,9-16, ,9151 0, ,034 34,9 37,6 39,5-1,1-40, ,9095 0, ,6 0,01 33,5 41,8 39,5 1,7-15, ,9148 0, ,7 0,01 Kikiriki 39,6 41,8 39,8 12,8-6, ,9026 0, ,005 Seme repice 37,0 37,6 39,7-3,9-31, ,9115 0, ,0 0,054 Seme susama 35,5 40,2 39,3-3,9-9, ,9133 0, ,6 <0,010 Zrno soje 32,6 37,9 39,6-3,9-12, ,9138 0, ,5 <0,010 Seme suncokreta Evropski standardi za dizel gorivo 33,9 37,1 39,6 7,2-15, ,9161 0, ,5 <0, ,5 51 (min) (min) 0,820-0,845 0,035 (max) ,01 (max) 19

26 Primena ulja semena duvana Na osnovu svojih karakteristika, ulje semena duvana može se koristiti u ljudskoj ishrani ili kao stočna hrana. Hranljiva vrednost ovog ulja bolja je u odnosu na ulje kikirikija i semena pamuka, a približno ulju šafranike (Patel et al., 1998). U vezi primene kao jestivog ulja postoji neslaganje u literaturi. Zbog niskog sadržaja zasićenih masnih kiselina, što je sa medicinskog aspekta veoma poželjno, ovo ulje se smatra pogodnim za ljudsku upotrebu, pogotovo u poreñenju sa biljnim uljima koja imaju visok sadržaj zasićenih masnih kiselina (Mann i Truswell, 2002; Wahlqvist, 1997). U eksperimentima na pacovima dokazano je da ulje semena duvana ne prouzrokuje nikakve histopatološke ili toksične promene na njihovim vitalnim organima, niti negativne efekte na njihov rast i psihologiju (Thakur et al., 1998). Prema nekima (Brion, 2003; Rehm i Espig, 1991; Eshetu, 2000), rafinisano ulje semena duvana se već koristi kao ulje za salatu u nekim zemljama (Bugarska, Grčka i Indija). Prema drugim autorima, ovo ulje spada u kategoriju nejestivih ulja (Giannelos et al., 2002; Usta, 2005), a mana mu je visok sadržaj holesterola (Harris, 1999). Za sada ne postoji rasprostranjena upotreba semena duvana, osim u industriji sapuna, boja i lakova, gde se koristi nerafinisano i polu-suvo ulje (Rudramurthy et al., 2005). Meñutim, u novije vreme, na osnovu različitih istraživanja dokazano je da se ulje semena duvana može koristiti u medicini i za proizvodnju biodizela (Usta, 2005; Brion, 2003). Zbog sadržaja aromatičnih komponenti, čijom se ekstrakcijom rastvaračima iz semena duvana mogu dobiti tinkture, konkriti ili apsoluti ulja (Ouyang et al., 2003). Tinkture ilir konkriti ulja se mogu koristiti kao sosevi za duvan, da bi mu dali prijatan miris. Prema studijama izvedenim u poslednje vreme, ulje semena duvana, kao obnovljivi izvor energije, sirovo ili u hemijski modifikovanoj formi, može biti pogodna zamena za dizel gorivo. Fizičke, hemijske i druge osobine ulja semena duvana slične su osobinama drugih biljnih ulja i evropskim standardima za dizel gorivo (Giannelos et al., 2002) što se i vidi u tabeli 2.7. Testiranjima na dizel motorima pokazano je da se metil estri ulja semena duvana mogu koristiti u mešavini sa dizel gorivom bez modifikovanja motora i predgrevanja mešavine (Usta, 2005). 20

27 3. EKSPERIMENTALNI DEO 3.1. Biljni materijal Za sva ispitivanja korišćeno je seme duvana (N. tabacum L.) tipa Otlja, koja pripada poluorijentalnim vrstama duvana. Biljni materijal je prikupljen u fazi plodonošenja godine u okolini Surdulice. Nakon ubiranja, seme je sušeno na promajnom mestu, spakovano u papirnati džak i čuvano na suvom, hladnom i tamnom mestu. Pre početka ovih istraživanja (maj godine), celokupna količina semena je prosejana kroz standardna sita, da bi se odstranila pleva, tj. ostaci čaura. Frakcija koja je prošla kroz sito sa otvorima od 0,63 mm spakovana je u papirnate kese, koje su čuvane na suvom, hladnom i tamnom mestu. Deo semena je, neposredno pre ekstrakcije, mleven u univerzalnom električnom mlinu (Zepter, min -1, 1 minut). Radi granulometrijske analize, prah semena je prosejan kroz standardna sita i klasifikovan u pet grupa po veličini čestica (tabela 3.1). Pri proučavanju uticaja veličine čestica praha semena duvana na efikasnost ultrazvučne ekstrakcije korišćene su samo tri klase čestica (tabela 3.1): najveća sa česticama (0,5 do 0,63 mm), srednja (0,4 do 0,5 mm) i najmanja (manja od 0,4 mm). Tabela 3.1. Rezultati granulometrijske analize praha samlevenog semena Grupa Klasa Veličina čestica (mm) Maseni udeo u frakciji (%) I Najveca 0,5-0,63 15,64 II Srednja 0,4-0,5 62,86 III Najmanja a 0,2-0,4 16,61 IV 0,1-0,2 4,75 V <0,1 0,14 a Predstavlja kombinaciju III, IV i V grupe Ukupno = 100, Rastvarači i hemikalije Rastvarači n-heksan (tačka ključanja 69 o C) i petrol etar (tačka ključanja o C) su nabavljeni kod Merck-a (Darmštat, Nemačka). Najvažnije fizičke osobine n-heksana i petrol etra date su u tabeli 3.2. Tabela 3.2 Fizičke osobine n-heksana i petrol etra (Kok, 2004; Onda Corporation, 2002) Rastvarač Formula Eluotropna vrednost SiO 2 Al 2O 3 Dielektrična konstanta (25 C ) Polaritet po Snyder-u Dinamička viskoznost, mpa s 22 C 40 C Površinski napon, mn/m (20 C) Dipolni moment po Debye-u Akustična impedansa, kg/m 2 s Molarna masa, g/mol n-heksan C 6H 14 0,03 0,01 1,9 0 0,31 0,26 18,4 0 0,727 86,18 68,9 Petrol etar Smeša ugljovodonika Temperatura ključanja, C 0, Koncentrovana sumporna kiselina, etanol i kalijum jodid su kupljeni kod Zorka- Pharma (Šabac), a natrijum metoksid, natrijum sulfat, brom i skrob kod Merck-Alkaloid (Skoplje). Metanol, hloroform, natrijum tiosulfat i hlorovodonična kiselina su kupljene kod Lanchema (Češka), a jod, fenolftalein i dietil etar kod Centrohema (Stara Pazova). Kalijum 21

28 hidroksid je nabavljen kod Mos-Laba (Beograd), a natrijum hidroksid od proizvoñača Himedia (Indija). Standard smeše metil estera palmitinske, stearinske, oleinske, linolne i linolenske kiseline (20 % od svakog estra) kupljen je kod Sigma Chemical Company (St. Louis, SAD) Opšti parametari kvaliteta semena Sadržaj ulja po Soxhlet-u Odmerena količina nativnog i samlevenog semena duvana (10 g) je pažljivo spakovana u čauru od filter papira i postavljena u aparaturi po Soxhlet-u (slika 7.1 u prilogu). U ekstrakcioni sud sipano je 100 cm 3 rastvarača i dodato nekoliko staklenih kuglica, radi ravnomernijeg ključanja. Zagrevanje je vršeno do temperature ključanja. Proces ekstrakcije trajao je onoliko vremena koliko je potrebno da se izvede sedam sifoniranja (oko 90 minuta). Nakon završenog sedmog sifoniranja, ekstrakt je uparavan do konstantne mase na rotacionom vakuum uparivaču na 50 o C. Sadržaj ulja u semenu duvana (u g/100 g suvog semena) je izračunat iz mase izdvojenog ulja i mase semena duvana Sadržaj vlage Odmerena količina semena duvana (10 g) je sušena u čistoj i izmerenoj posudi u sušnici na 105 o C, najpre 120 minuta, a zatim do konstantne mase. Razlika u masi pre i posle sušenja korišćena je za odreñivanje sadržaja vlage prema Ph. Jug. IV (1991) Efektivna akustična snaga Raspodela temperature u ultrazvučnoj kadi Temperaturni profil površine tečnosti u kadi, koja je bila napunjena destilovanom vodom do 1/3 ukupne zapremine (2,5 dm 3 ), nastao pod dejstvom ultrazvuka i po njegovom isključenju (periodi zagrevanja i hlañenja) praćen je termovizijskim snimanjem površine tečnosti. Termovizijska kamera tipa VARIOSCAN 3021 ST (InfraTec, Nemačka) je bila podešena da pravi snimke na svakih 15 sekundi, od čega je softverskom obradom napravljen film sa po 15 frejmova u sekundi. Na svakom snimku su, takoñe, dopisane brojne vrednosti temperatura u više proizvoljnih tačaka Kalorimetrijsko odreñivanje efektivne akustične snage U ultrazvučnu kadu, koja je napunjena destilovanom vodom do 1/3 ukupne zapremine (2,5 dm 3 ), postavljen je erlenmajer od 100 cm 3 u tački preseka dijagonala na rešetku, koja se nalazi na 3 cm od dna kade. U erlenmajer je odmereno 5 g semena (nativnog ili samlevenog) i dodato 15, 25 ili 50 cm 3 n-heksana (odnos seme-rastvarač - 1:3, 1:5 ili 1:10 g/cm 3 ). Sondom termometra (termopar K, Symmetry, Leskovac), koja se nalazi na dnu erlenmajera, praćen je porast temperature nastao pod dejstvom ultrazvuka na svakih 5 sekundi do postizanja konstantne vrednosti (oko 5 minuta), kada je dejstvo ultrazvuka prekinuto. Isti postupak je sproveden i sa čistim rastvaračem (50 cm 3 ). Za izračunavanje efektivne akustične snage iz promene temperature sa vremenom korišćene su tri metode. Metoda A: Eksperimentalne zavisnosti razlike temperatura od vremena su, najpre peglane odgovarajućom naredbom (smoothing) u programu ORIGIN. Zatim je izračunavan prvi izvod razlike temperatura po vremenu direktnim diferenciranjem zavisnosti temperature od vremena pomoću programa ORIGIN. Vrednost prvog izvoda za t=0, ( dt / dt ) t = 0, korišćena je za izračunavanje efektivne akustične snage pomoću jednačine (2.2). Metoda B: Eksperimentalni podaci za T=T-T o su fitovani funkcijom oblika: eksponencijalnom x / t y = y A1 e (3.1) 22

29 uz pomoć programa ORIGIN, pri čemu je y izračunate vrednosti prvog izvoda zavisnosti = T, a y o, A 1 i t 1 parametri jednačine. Zatim su d( T )/ dt i metodom linearne regresije odreñeni parametri d( T ) = β T + βa (3.2) dt koja proizilazi iz jednačine (2.4). Akustična snaga je, na kraju, izračunata pomoću jednačine P = p (3.3) mc aβ Metoda C: Kao i u slučaju metode B, eksperimentalni podaci za T su fitovani eksponencijalnom funkcijom, jednačina (3.1), a onda je izračunavan prvi izvod za t = 0: d T ( ) t / t t / t = A 1 1e = e dt t1 t1 odnosno d( T ) A1 dt = t = 0 t1 A pri čemu je A 1 < 0. Efektivna akustična snaga je, na kraju, izračunata pomoću jednačine (2.2) Sastav ulja semena duvana Sastav ulja semena duvana, posle metilovanja (Kandpal i Madan, 1995), odreñivan je gasnom hromatografijom (David et al., 2002) Dobijanje metil estara iz ulja semena duvana Ulje semena duvana (1 g) i rastvor natrijum metoksida u metanolu (10 cm 3, 1 mol/dm 3 ) sipani su u balon sa šlifovanim zatvaračem (100 cm 3 ) i zagrevani uz refluks jedan sat na temperaturi ključanja. Nakon toga, balon sa reakcionom smešom je hlañen pod mlazom hladne vode, uz postepeno dodavanje 10 cm 3 destilovane vode u koju je prethodno dodato 3-4 kapi koncentrovane sumporne kiseline. Metil estri su ekstrahovani hloroformom (3x5 cm 3 ) u levku za odvajanje (donja, hloroformska faza). Prisutna voda u uzorku je uklanjana bezvodnim natrijum sulfatom Gasna hromatografija Metil estri masnih kiselina ulja semena duvana su analizirani na gasnom hromatografu (Agilent 6850) sa kapilarnom kolonom (DB WAX, 30 m 250 µm 0,25 µm) i plameno jonizujućim detektorom. Temperaturni režimi: kolone 50 o C tokom jednog minuta, 50 do 200 o C brzinom 25 o C/min i 200 do 230 o C brzinom 3 o C/min, injektora 250 C i detektora 280 C. Protoci azota (noseći gas), vodonika i vazduha: 20, 30 i 400 cm 3 /min. Injektirana zapremina smeše metil estara je bila 0,2 µl. Azot je korišćen je kao noseći gas, za razliku od originalne metode gde je korišćen helijum (David et al., 2002). Metil estri najvažnijih masnih kiselina (palmitinska, stearinska, oleinska, linolna i linolenska) identifikovani su uporeñivanjem njihovih retencionih vremena sa retencionim vremenima standarda tih metil estara i literaturnim podacima za primenjene uslove. Važno je naglasiti da je identifikacija metil estara masnih kiselina moguća i samo na osnovu retencionih vremena (David et al., 2002). (3.4) (3.5) 23

30 3.6. Fizičke i hemijske osobine ulja semena duvana Gustina Gustina ulja semena duvana je odreñena piknometrijski na 20 o C Viskoznost Viskoznost ulja semena duvana je merena rotacionim viskozimetrom sa vretenom R2 (Visco Basic Plus v. 0.8, Fungilab s.a., Barselona, Španija), pri brzini obrtanja 100 min -1, na 20 C Indeks refrakcije Indeks refrakcije ulja je meren refraktometrom (Krüss-D-22976, Hamburg, Nemačka) na 20 C Jodni broj Ulje semena duvana (0,1 do 0,2 g) je rastvoreno u hloroformu (15 cm 3 ), a zatim je pipetom dodat rastvor jodmonobromida u glacijalnoj sirćetnoj kiselini (25 cm 3, 0,005 mol/dm 3 ). Reakciona smeša je pažljivo promešana i stavljena da stoji na tamnom mestu 30 minuta. Zatim je dodat rastvor kalijum jodida (15 cm 3, 10 %) i sveže prokuvana i ohlañena voda (150 cm 3 ). Titracija je vršena rastvorom natrijum tiosulfata (1 mol/dm 3 ), uz neprestano mešanje. Nakon toga, dodato je nekoliko kapi rastvora skroba i titrisano oprezno do nestanka plave boje. Urañena je, takoñe, slepa proba. JB = Za izračunavanje jodnog broja korišćena je formula: ( A B) 0, Ok gde je: A i B broj cm 3 rastvora natrijum tiosulfata utrošenih za slepu i glavnu probu, Ok odmerena količina ulja (g). Titar: 1 cm 3 rastvora natrijum tiosulfata, koncentracije 1 mol/dm 3, odgovara 0,0127 g joda. Jodni broj se izražava brojem grama joda koje se adira na nezasićene masne kiseline iz 100 g ulja Saponifikacioni broj (3.6) Ulje semena duvana (2 g) rastvoreno je u alkoholnom rastvoru kalijum hidroksida (0,5 mol/dm 3, 25 cm 3 ) i pažljivo zagrevano uz refluks na vodenom kupatilu minuta uz često mućkanje, sve dok reakciona smeša nije postala bistra. Posle završene saponifikacije, u još vruć rastvor dodato je nekoliko kapi rastvora fenolftaleina (1 %), a višak kalijum hidroksida je titrisan rastvorom hlorovodonične kiseline (0,5 mol/dm 3 ) do nestanka crvene boje. Urañena je, takoñe, slepa proba. SB = Izračunavanje saponifikacionog broja vršeno je po formuli: ( A B) Ok 28,1 gde je: A broj cm 3 rastvora HCl (0,5 mol/dm 3 ) utrošenih za slepu probu, B broj cm 3 rastvora HCl (0,5 mol/dm 3 ) utrošenih za glavnu probu, Ok odmerena količina uzorka (g). Titar: 1 cm 3 rastvora HCl, koncentracije 1 mol/dm 3, ekvivalentan je 28,1 mg KOH. Saponifikacioni broj označava broj mg KOH koji je potreban za potpunu saponifikaciju slobodnih i estarski vezanih masnih kiselina u 1 g ulja. (3.7) 24

31 Kiselinski broj Ulje semena duvana (3 g) je rastvoreno u smeši dietiletra i etanola (1:1v/v, cm 3 ), koja je prethodno neutralisana rastvorom NaOH (1 mol/dm 3 ) u prisustvu fenolftaleina. Reakciona smeša je pažljivo promešana do potpunog rastvaranja ulja. Nakon toga, dodato je nekoliko kapi rastvora fenolftaleina (1%), a titracija je vršena rastvorom NaOH (0,1 mol/dm 3 ) do pojave slabo ružičaste boje, koja ne iščezava ni posle jednog minuta. U slučaju pojave zamućenja tokom titracije, dodaje se 5 do 10 cm 3 smeše etar-alkohol, dok se sadržina ne izbistri i ponovo slabo zagreva uz refluks, a tiracija se nastavlja nakon hlañenja. A 5,61 Kb = Ok Za izračunavanje kiselinskog broja (Kb) korišćena je formula: gde je: A broj cm 3 rastvora NaOH (0,1 mol/dm 3 ), Ok odmerena količina uzorka (g). Titar: 1 cm 3 rastvora NaOH (0,1 mol/dm 3 ) ekvivalentan je 5,61 mg KOH. Kiselinski broj predstavlja broj mg KOH potrebnih za neutralizaciju slobodnih masnih kiselina u 1 g ulja. (3.8) 3.7. Ultrazvučna ekstrakcija ulja iz semena duvana Za ekstrakciju ulja iz nativnog ili samlevenog semena duvana korišćeni su n-heksan i petrol etar. Odnos semena duvana i rastvarača je bio 1:3, 1:5 i 1:10 g/cm 3. Ekstrakcija je vršena na 25 i 45 o C, kao i na temperaturi ključanja. Ekstrakcija na temperaturi ključanja je izvoñena uz refluks. Ulje iz semena duvana je ekstrahovano postupcima indirektne i direktne ultrazvučne ekstrakcije. Za izvoñenje indirektne ultrazvučne ekstrakcije korišćena je ultrazvučna kada ( SONIC, Niš), čije su dimenzije 151x200x300 mm. Na dnu kade (sa spoljašnje strane) nalaze se tri pijezoelektrična pretvarača, snage 50 W i frekvence 40 khz. Kada je napunjena destilovanom vodom do 1/3 ukupne zapremine (oko 2,5 dm 3 ). Voda je cirkulisala kroz termostatirano kupatilo i kadu pomoću centrifugalne crpke, tako da je njena temperatura održavana konstantnom na nivou ± 0,1 o C. Direktna ultrazvučna ekstrakcija vršena je u ultrazvučnom reaktoru (URS 1000, ELAC, Nautic, Nemačka), prečnika 106 mm i visine 200 mm čiji je ultrazvučni pobuñivač, površine 25 cm 2, sastavni deo dna suda. Aparat pruža mogućnost rada na različitim frekvencama (40 do khz) i pri različitim snagama (do 250 W). Ovaj aparat radi sa promenljivom izlaznom snagom i automatski traži optimalnu frekvencu, obezbeñujući da se maksimalna snaga prenese reaktoru. Na displeju aparata prati se ulazna snaga, reflektovana (efektivna) snaga i frekvenca. Aparat je opremljen sistemom za hlañenje vodom, a temperatura je praćena termometrom, koji je ubačen kroz otvor na poklopcu reaktora. Ekstrakcija je vršena 20 minuta na sobnoj temperaturi Indirektna ultrazvučna ekstrakcija Erlenmajeri sa šlifovanim zatvaračem (100 cm 3 ), u kojima se nalazilo seme duvana (5 g) i rastvarač u odreñenom odnosu, stavljeni su na rešetku u ultrazvučnoj kadi. Ekstrakcija je vršena na odreñenoj temperaturi u trajanju od 2,5, 5, 10, 20, 40 i 60 minuta (u slučaju nativnog semena nije rañena ekstrakcija u trajanju od 2,5 minuta, zbog veoma malog prinosa ulja). Po završetku ekstrakcije, tečni ekstrakt je odvajan od iscrpljenog biljnog materijala pod vakuumom na Büchner-ovom levku. Pogača je ispirana dva puta svežim rastvaračem (20 cm 3 ). Spojeni filtrati su uparavani do konstantne mase na rotacionom vakuum uparivaču na 50 o C. Prinos ulja (u g/100 g suvog semena) je izračunavan iz mase izdvojenog ulja i mase semena duvana. 25

32 Višestepena indirektna ultrazvučna ekstrakcija Višestepena ultrazvučna ekstrakcija je izvoñena sa samlevenim semenom i n- heksanom, pri odnosu seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 na 25 o C i temperaturi ključanja, u trajanju od 20 minuta. Posle svake ekstrakcije, tečni ekstrakt je odvajan od iscrpljenog semena, koje je ponovo podvrgavano ekstrakciji sa svežim rastvaračem pod istim operativnim uslovima. Proces je ponavljan šest puta. Svi filtrati su posebno uparavani do konstantne mase na rotacionom vakuum uparivaču na 50 o C Direktna ultrazvučna ekstrakcija Direktna ultrazvučna ekstrakcija je vršena samo sa n-heksanom, pri odnosu semerastvarač 1:3 g/cm 3, na sobnoj temperaturi. Seme duvana (nativno ili samleveno, 50 g) je sipano u reaktor i preliveno n-heksanom (150 cm 3 ). Ekstrakcija je trajala 20 minuta. U slučaju samlevenog semena eksperimenti su vršeni sa tri različite snage (5, 10 i 50 W) i tri različite frekvence (370, 1865 i 2241 khz), dok su sa nativnim semenom urañena tri eksperimenta pri snazi od 50 W na tri različite frekvence (370, 1865 i 2241 khz). Nakon završene ekstrakcije, tečni ekstrakt je odvajan od semena pod vakuumom na Büchner-ovom levku. Pogača je ispirana dva puta svežim rastvaračem (50 cm 3 ). Spojeni filtrat je uparavan do konstantne mase na rotacionom vakuum uparivaču na 50 o C. 26

33 4. REZULTATI I DISKUSIJA 4.1. Karakterizacija semena duvana: vlaga i sadržaj ulja Sadržaj vlage u semenu duvana tipa Otlja iznosi 5,5 %, a sadržaj ulja, odreñen ekstrakcijom po Soxhlet-u, sa n-heksanom i pri odnosu seme-rastvarač 1:10 g/cm 3, iznosi 31,1 g/100 g semena (računato na suvu masu semena). Podaci o prinosu ulja iz nativnog i samlevenog semena duvana, koji su postignuti ekstrakcijom po Soxhlet-u, dati su u tabeli 4.1, zajedno sa sadržajem ulja u semenu duvana gajenog u različitim zemljama (Grčka, Turska, Italija i Makedonija). Na osnovu ove tabele, može se izvući nekoliko zaključka. Prvo, prinos ulja je značajno veći (približno 10 puta) ako se seme duvana samelje pre ekstrakcije. Ovo se može objasniti anatomijom semena duvana i lokacijom ulja u semenu. Glavna količina ulja se nalazi u ćelijama tankih zidova u endospermu, manja količina je u embrionu, dok u zaštitnom sloju uopšte nema ulja (Tomlinson et al., 2004). Mlevenjem se razara zaštitni sloj, čime se omogućava direktan kontakt ulja sa rastvarčem. Ovo se pozitivno odražava na prinos i brzinu ekstrakcije ulja iz semena duvana. Drugo, n-heksanom se postiže nešto veći prinos ulja nego petrol etrom, bez obzira da li je seme duvana samleveno (oko 12 %) ili ne (oko 7 %) pre ekstrakcije. Ovaj rezultat ukazuje da je n-heksan pogodniji rastvarač za ekstrakciju ulja iz semena duvana. Na kraju, poreñenje prinosa ulja iz semena duvana gajenog u različitim zemljama vodi zaključku da sadržaj ulja zavisi od tipa duvana, uslova i mesta gajenja, kao i da je seme tipa Otlja siromašnije u ulju od semena drugih tipova duvana. Tabela 4.1 Prinosi ulja iz semena duvana dobijenih ekstrakcijom po Soxhlet-u Rastvarač Seme Prinos ulja (g/100 g semena) a Ovaj rad b (Frega et al., 1991) (Giannelos et al., 2002) (Usta, 2005) (Srbinoska et al., 2005) b n-heksan Nativno 3, Samleveno 31,1 48 c 47,8 d 47,2 e 36,2-41,4 (srednja vrednost 38,8) - - Petrol etar Nativno 2, Samleveno 27,8-33,4 - - Dietil etar Samleveno ±2 - n-heksan : benzen (1:1v/v) Samleveno a Računato na suvu masu semena b Odnos seme-rastvarač: 1:10 g/cm 3 c Kentucky 104 d Bright Italia e Bright I. f P Efektivna akustična snaga Raspodela temperature u ultrazvučnoj kadi Infracrvena termografija je podesna metoda za vizualizaciju temperaturnih raspodela po površini različitih objekata i tečnosti. Termovizijskim snimanjem je utvrñeno da postoji uniformna raspodela temperature, odnosno energije po površini vode u ultrazvučnoj kadi (slika 4.1). Posredan zaključak je da će svi sudovi koji se nalaze u bilo kojoj proizvoljnoj tački horizontalnog preseka na istoj dubini u ultrazvučnoj kadi biti izloženi dejstvu ultrazvuka istog intenziteta. 27

34 26 25 Temperatura, o C T sr Vreme, s Slika 4.1 Temperaturni profil površine tečnosti u ultrazvučnoj kadi u šest tačaka odreñen termovizijskim snimanjem (zapremina vode: 2,5 dm 3 ; dubina: 3 cm iznad dna) Uticaj čvrstih čestica biljnog porekla na efektivnu akustičnu snagu U tabelama 4.2 i 4.3 prikazane su vrednosti efektivne akustične snage za čist rastvarač i suspenzije semena duvana u rastvaraču pri različitim operativnim uslovima ekstrakcije ulja n-heksanom. Efektivna akustična snaga za petrol etar nije odreñivana zbog nedostatka podatka za specifičnu toplotu ovog rastvarača. Tabela 4.2 Efektivna akustična snaga za čist rastvarač (n-heksan) Eksperiment Efektivna akustična snaga, W Metod A Metod B Metod C 1 5,39 10,48 8,67 2 6,24 9,78 8,05 3 5,44 11,29 10,40 Srednja vrednost 5,69 10,52 9,04 Standardna devijacija 0,48 0,76 1,22 Tabela 4.3 Efektivna akustična snaga u sistemima seme duvana: n-heksan Odnos seme-rastvarač, g/cm 3 Efektivna akustična snaga, W Usitnjenost semena Metod A Metod B Metod C Čist rastvarač 5,69 10,52 9,04 Samleveno seme 2,51 9,55 10,21 1:10 Nativno seme 2,46 3,41 3,42 1:5 1:3 Samleveno seme 1,44 3,55 3,57 Nativno seme 1,23 2,60 2,59 Samleveno seme 0,55 1,96 2,15 Nativno seme 0,24 1,75 2,10 28

35 Vrednosti efektivne akustične snage izračunate metodom A su mnogo manje od vrednosti izračunatih metodama B i C, koje su meñusobno približno jednake. Efektivna akustična snaga je manja u prisustvu semena duvana u odnosu na čist rastvarač i veća je ako je seme samleveno. Slika 4.2 jasno pokazuje da se efektivna akustična snaga smanjuje sa povećanjem odnosa seme-rastvarač (g/cm 3 ) Samleveno seme Nativno seme Čist rastvarač Efektivna akustična snaga ,1 0,2 0,1 g semena/cm 3 rastvarača Slika 4.2 Zavisnost akustične snage (računate po metodi B) od odnosa čvrste faze i rastvarača 4.3. Ultrazvučna ekstrakcija ulja iz semena duvana Uticaj stepena usitnjenosti semena duvana na prinos ulja Iz činjenice da je prinos ulja mnogo veći iz samlevenog nego iz nativnog semena može se izvući zaključak da veličina čestica praha samlevenog semena duvana može uticati na prinos ulja pri odreñenim uslovima ultrazvučne ekstrakcije. Ovaj zaključak je proveren izvoñenjem ultrazvučne ekstrakcije ulja iz tri klase samlevenog semena duvana, korišćenjem n-heksana i petrol etra kao rastvarača. Podaci o prinosu ulja iz samlevenog semena duvana, pri odnosu seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 i temperaturi 25 o C, posle 60 minuta indirektnog dejstva ultrazvuka dati su u tabeli 4.4. Nezavisno od vrste rastvarača, najveći prinos ulja je postignut sa srednjom klasom čestica (0,4 do 0,5 mm), a najmanji sa najmanjom klasom čestica (<0,4 mm). Ovi podaci upućuju na zaključak da najmanje čestice potiču dobrim delom od zaštitnog sloja koji ne sadrži ulje. Niži prinos ulja iz najvećih čestica je, verovatno, uzrokovan nedovoljnim vremenom ekstrakcije da se postigne isti prinos ulja kao iz čestica srednje klase. Srednji prinos ulja, izračunat iz masenih udela i prinosa ulja koji odgovaraju pojedinim klasama čestica, približno je jednak prinosu ulja iz klase najvećih čestica. Zbog toga je u daljim istraživanjima korišćeno samleveno seme duvana kao celina. 29

36 Tabela 4.4 Prinos ulja iz različitih klasa čestica samlevenog semena duvana (odnos seme-rastvarač: 1:3 g/cm 3 ; temperatura: 25 o C; trajanje indirektnog dejstva ultrazvuka: 60 minuta) Klasa Najveća Srednja Najmanja Veličina čestice (mm) Maseni udeo (%) n-heksan Prinos ulja a (g/100 g semena) Petrol etar >0,5 15,64 23,3 22,0 0,4-0,5 62,86 24,0 23,1 <0,4 21,50 18,9 18,2 Prinos ulja izračunat za samleveno seme duvana 22,8 21,9 a Računato na suvu masu semena duvana Mehanizam ultrazvučne ekstrakcije ulja Na slikama 4.3 i 4.4 prikazane su promene prinosa ulja iz nativnog i samlevenog semena duvana u toku ultrazvučne ekstrakcije sa n-heksanom i petrol etrom pri odnosu seme-rastvarač 1:3, 1:5 i 1:10 g/cm 3, na 25 i 40 o C, kao i na temperaturi ključanja. Eksperimentalni podaci nalaze se u prilogu (tabele ). Oblik zavisnosti promene prinosa ulja iz semena duvana od vremena je isti sa oblikom krivih za ultrazvučnu ekstrakciju ulja iz samlevenog semena sinja (Isatis tinctoria L.) (Romdhane i Gourdon, 2002), kao i ekstraktivnih supstanci iz herbe obične (Salvia officinialis L.) i lepljive (Salvia glutinosa L.) žalfije (Veličković et al., 2006). Kao i u drugim slučajevima, ultrazvučna ekstrakcija ulja iz nativnog i samlevenog semena duvana odvija se u dve faze. U početnoj fazi ispiranja, koja se odvija u prvih 5 do 10, odnosno 2,5 do 5 minuta ekstrakcije ulja iz nativnog, odnosno samlevenog semena duvana, ekstrakcija ulja je brz proces zbog rastvaranja ulja sa površine čestica semena duvana. Stepen ekstrakcije ulja u ovoj fazi je u granicama od 73,5 do 86,6 %. Nakon završetka ove faze, prinos ulja sporije raste sa vremenom, kao rezultat sporog procesa difuzije ulja iz unutrašnjosti semena i čestica semena duvana prema njihovoj spoljašnoj površini. Blagi porast prinosa ulja u fazi spore ekstrakcije ukazuje da bi se produženom ultrazvučnom ekstrakcijom mogao postići veći stepen ekstrakcije, ali bi kapacitet ultrazvučnog ekstraktora bio značajno smanjen. Imajući u vidu prinos ulja, odnosno stepen ekstrakcije i ekonomičnost procesa, tj. kapacitet ekstraktora, optimalno vreme ekstrakcije ulja iz samlevenog semena duvana, nezavisno od drugih operativnih uslova, iznosi oko 10 minuta Kinetika ultrazvučne ekstrakcije ulja Tri dvo-parametarska kinetička modela, i to: model zasnovan na teoriji filma, model zasnovan na nestacionarnoj difuziji kroz biljni materijal i empirijska jednačina Ponomarjeva, mogu se uspešno koristiti ne samo za opisivanje procesa maceracije (Veljković i Milenović, 2002) nego i ultrazvučne ekstrakcije (Veličković et al., 2006). Za modelovanje procesa ultrazvučne ekstrakcije ulja iz semena duvana primenjeni su model zasnovan na nestacionarnoj difuziji i jednačina Ponomarjeva. Ulje semena duvana se meša sa n- heksanom i petrol etrom u svim odnosima, pa se ne može govoriti o rastvorljivost ulja u ovim rastvaračima. Pregled kinetičkih jednačina ekstrakcije ekstraktivnih supstanci iz biljnih materijala, kao i njihovih linearizovanih oblika, dat je u tabeli

37 Slika 4.3 Indirektna ultrazvučna ekstrakcija nativnog semena duvana a) n-heksanom i b) petrol etrom na 25 i 40 C, kao i na temperaturi klj učanja (69 i 65 C za n-heksan i petrol etar, respektivno), i pri odnosu seme-rastvarač 1:3; 1:5 i 1:10 g/cm 3 31

38 Slika 4.4 Indirektna ultrazvučna ekstrakcija samlevenog semena duvana a) n-heksanom i b) petrol etrom na 25 i 40 C, kao i na temperaturi klj učanja, pri odnosu seme-rastvarač 1:3; 1:5 i 1:10 g/cm 3 (oznake su iste kao na slici 4.3) 32

39 Kao ilustracija, na slici 4.5, prikazana je zavisnost ln( 1 q / q ) od vremena, a na slici 4.6 zavisnost q / q 0 od vremena pri ultrazvučnoj ekstrakciji ulja iz samlevenog semena duvana n-heksanom na 25 C i odnosu seme-rastvarač 1:3 g/cm 3. Očigledno je da kinetička jednačina koja je zasnovana na modelu nestacionarne difuzije kroz biljni materijal i jednačina Ponomarjeva važe samo u oblasti spore ekstrakcije. 0 Slika 4.5 Zavisnost ln( 1 q / q ) od vremena ekstrakcije (n-heksan; 25 C; odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 ) 0 Slika 4.6 Zavisnost 0 / q q od vremena ekstrakcije (n-heksan; 25 C; odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 ) 33

40 Parametri kinetičkih jednačina su izračunati na osnovu eksperimentalnih podataka primenom metode linearne regresije i linearizovanih oblika kinetičkih jednačina. Koeficijent linearne korelacije je bio veći od 0,93. Parametri kinetičkih jednačina prikazane su kao funkcija odnosa seme-rastvarač na slikama 4.7 i 4.8, a njihove vrednosti parametara date su u tabelama Parametri kinetičkih jednačina ultrazvučne ekstrakcije ulja iz semena duvana zavise od usitnjenosti semena, vrste rastvarača, odnosa seme-rastvarač i temperature. Vrednosti koeficijenta ispiranja su oko 1,5 do 4 puta veći za samleveno nego za nativno seme duvana. Očigledno je da se mlevenjem razara ne samo zaštitni sloj nego i mnoge ćelije endoderma i embriona, što omogućava da veći deo ulja doñe u direktan kontakt sa rastvaračem i da se brzo rastvori. Koeficijent ispiranja se povećava sa povećanjem temperature od sobne do temperature ključanja, zbog povećanja rastvorljivosti ulja u rastvaračima, kao i sa smanjenem odnosa seme-rastvarač od 1:3 do 1:10 g/cm 3, verovatno kao rezultat povećanja raspoložive zapremine rastvarača i pogonske sile prenosa mase od površine čestica semena duvana u masu tečnog ekstrakta. Uticaj tipa rastvarača na koeficijent ispiranja zavisi od odnosa semerastvarač. Tako, za odnos seme rastvarač 1:3 g/cm 3, koeficijent ispiranja je veći za n-heksan nego za petrol etar (oko 5 do 20 %), dok je za odnos seme-rastvarač 1:10 g/cm 3 on veći za petrol etar (oko 4 do 18 %). Za odnos seme-rastvarač 1:5 g/cm 3 vrednosti koeficijetna ispiranja za dva rastvarača su približno iste. 1,0 0,8 nn-heksan 25 o C 40 o C 69 o C 8 6 nn-heksan 25 o C 40 o C 69 o C b, 1 0,6 0,4 k 10 3, min ,2 2 0,0 1:3 1:5 1:10 1:3 1:5 1:10 Nativno seme Samleveno seme 0 1:3 1:5 1:10 1:3 1:5 1:10 Nativno seme Samleveno seme 1,0 0,8 Petrol etar 25 o C 40 o C 69 o C Petrol etar 25 o C 40 o C 69 o C b, 1 0,6 0,4 0,2 k10 3, min ,0 1:3 1:5 1:10 1:3 1:5 1:10 Nativno seme Samleveno seme 0 1:3 1:5 1:10 1:3 1:5 1:10 Nativno seme Samleveno seme Slika 4.7 Zavisnost kinetičkih parametara modela nestacionarne difuzije kroz biljni materijal od odnosa seme-rstvarač za ultrazvučnu ekstrakciju ulja iz nativnog i samlevenog semena duvana korišćenjem n-heksana i petrol etra kao rastvarača Koeficijent spore ekstrakcije je oko 7 puta veći za samleveno nego za nativno seme, zbog kraćeg rastojanja koje ulje treba da proñe difuzijom od unutrašnjosti čestica semena duvana do njihove spoljašnje površine. Uticaj ostalih faktora se ne može lako videti, jer je isuviše kompleksan i verovatno je kombinovan sa uticajem efikasnosti mešanja suspenzije ultrazvukom. 34

41 k''10 3, min -1 0,8 0,7 0,6 n-heksan 25 o C 40 o C 69 o C 3,5 3,0 2,5 n-heksan 25 o C 40 o C 69 o C b", 1 0,5 0,4 0,3 k''10 3, min -1 2,0 1,5 0,2 1,0 0,1 0,5 0,0 0,8 0,7 0,6 1:3 1:5 1:10 1:3 1:5 1:10 Nativno seme Samleveno seme Petrol etar 25 o C 40 o C 65 o C 0,0 4,5 4,0 3,5 1:3 1:5 1:10 1:3 1:5 1:10 Nativno seme Samleveno seme Petrol etar 25 o C 40 o C 65 o C b'', 1 0,5 0,4 0,3 3,0 2,5 2,0 1,5 0,2 1,0 0,1 0,5 0,0 1:3 1:5 1:10 1:3 1:5 1:10 Nativno seme Samleveno seme 0,0 1:3 1:5 1:10 1:3 1:5 1:10 Nativno seme Samleveno seme Slika 4.8 Uticaj temperature na koeficijent ispiranja po modelu Ponomarjeva pri indirektnoj ultrazvučnoj ekstrakciji samlevenog i nesamlevenog semena n-heksanom i petrol etrom Prinos ulja Na prinos ulja iz semena duvana ultrazvučnom ekstrakcijom (posle 60 minuta) utiču usitnjavanje semena, vrsta rastvarača, odnos seme-rastvarač i temperatura. Kao što se vidi na slici 4.9, značaj ovih faktora opada u nizu: usitnjavanje semena, radna temperatura, odnos seme-rastvarač i tip rastvarača. Slika 4.9 Uticaj usitnjavanja semena, vrste rastvarača, odnosa seme-rastvarač i temperature na maksimalni prinos ulja iz semena duvana koji se postiže posle 60 minuta ultrazvučne ekstrakcije 35

42 Uticaj usitnjavanja semena duvana Prinos ulja ultrazvučne ekstrakcije je 14 do 33 puta veći ako se seme duvana prethodno samelje. Povećanje prinosa ulja sa usitnjenjem semena duvana je povezan sa razaranjem ćelija koje nose ulje, povećanjem kontaktne površine biljni materijal-rastvarač i smanjenjem otpora prenosu mase. Uticaj usitnjavanja semena duvana na prinos ulja zavisi od drugih radnih uslova, ali je kombinovani uticaj usitnjavanja semena i temperature ekstrakcije najznačajniji (prosečno je prinos 31, 23 i 16 puta veći iz samlevenog semena na 25 o C, 40 o C i temeraturi ključanja, respektivno). Uticaj usitnjavanja semena duvana na prinos ulja se smanjuje sa povećanjem odnosa seme-rastvarač Uticaj temperature Prinos ulja raste sa povećanjem temperature ekstrakcije zbog povećanja rastvorljivosti ulja u rastvaraču. Sa povećanjem temperature smanjuje se viskoznost rastvarača, a povećava koeficijent difuzije ulja kroz rastvarač, usled čega se povećava brzina difuzije ulja. Nezavisno od vrste rastvarača i odnosa seme-rastvarač, temperatura na kojoj se izvodi ultrazvučna ekstrakcija jako utiče na prinos ulja iz nativnog, a vrlo malo iz samlevenog semena duvana. Prinos ulja iz nativnog semena je oko dva puta veći na temperaturi ključanja nego na 25 o C, dok je prinos iz samlevenog semena duvana u istom opsegu temperature samo oko 7 % veći Uticaj odnosa seme-rastvarač Prinos ulja se povećava sa smanjenjem odnosa seme-rastvarač u opsegu od 1:3 do 1:10 g/cm 3, nezavisno od drugih uslova ekstrakcije. Uticaj odnosa seme-rastvarač je značajniji za nativno nego za samleveno seme. Kada se odnos seme-rastvarač smanji od 1:3 na 1:10 g/cm 3, prinos ulja iz nativnog semena se povećava 25 do 42 %, a iz samlevenog semena samo 1 do 9 %. Uticaj odnosa seme-rastvarač je značajniji kada se kao rastvarač koristi n-heksan nego petrol etar. Zbog veće ekonomičnosti ekstrakcije pri manjem utrošku rastvarača, optimalni odnos seme-rastvarač je 1:3 g/cm 3 (za više od tri puta veću količinu upotrebljenog rastvarača prinos ulja se povećava tek za oko 10 % u slučaju samlevenog semena) Uticaj rastvarača U odabiru optimalnog rastvarača za ekstrakciju presudnu ulogu igra stepen hidrofilnosti materije koja se ekstrahuje iz biljnog materijala. Ulje semena duvana spada u kategoriju hidrofobnih materija, koje se, po pravilu, rastvaraju u nepolarnim rastvaračima, kao što su n-heksan i petrol etar. Pri istim uslovima ekstrakcije, bez obzira na tehniku, n-heksan daje bolje prinose ulja iz semena duvana od petrol etra. Ovaj efekat je značajniji za nativno nego za samleveno seme duvana. Pored toga, n-heksan je manje isparljiv i zapaljiv od petrol etra, jeftiniji je i ne zahteva posebne uslove za rad, što su sve razlozi koji ga čine pogodnijim za korišćenje u procesu ekstrakcije ulja iz semena duvana u odnosu na petrol etar Statistička procena značajnosti operativnih uslova Radi ocene statističke značajnosti uticaja operativnih uslova (faktora) na koeficijente ispiranja i spore ekstrakcije po modelu nestacionarne difuzije i prinos ulja, primenjen je plan punog faktornog eksperimenta sa četiri faktora na dva nivoa bez ponavljanja (Lazić, 2002). Pregled faktora, čiji je uticaj analiziran, dat je u tabeli 4.5. Podaci o kinetičkim parametrima i prinosu ulja posle 60 minuta su statistički obrañeni pomoću računarskog programa Design Expert 7-Trial. Matrica punog faktornog eksperimentalnog plana 2 4 bez ponavljanja je data u tabeli

43 Tabela 4.5 Operativni uslovi Oznaka faktora Faktor Niži nivo (-) Viši nivo (+) A Stepen usitnjenosti biljne sirovine Nativno seme Samleveno seme B Vrsta rastvarača n-heksan Petrol etar C Odnos seme-rastvarač (g/ml) 1:3 1:10 D Radna temperatura 25 o C Temperatura ključanja Tabela 4.6 Matrica punog faktornog eksperimentalnog plana 2 4 : koeficijenti ispiranja i spore ekstrakcije po modelu nestacionarne difuzije I prinos ulja Broj eksperimenta (X o ) Faktor A (X 1 ) Dizajn matrice Faktor B (X 2 ) Faktor C (X 3 ) Faktor D (X 4 ) b, 1 Odziv k. 10 3, min -1 Prinos ulja a, g/100 g ,1278 1,48 0, ,5301 6,12 21, ,1179 1,67 0, , ,33 20, ,1678 2,14 0, ,5996 7,12 22, ,1746 2,05 0, ,6233 8,36 21, ,3132 3,05 1, ,6409 4,02 22, ,3011 2,5 1, ,6105 9,99 22, ,4460 3,3 1, ,6872 6,45 24, ,4716 3,33 1, ,7148 8,34 23,00 a Prinos ulja posle 60 minuta Linearna regresiona jednačina prvog reda, koja povezuje odziv sa faktorima i njihovim interakcijama, ima sledeći oblik: y = bo + b1x 1 + b2 X 2 + b3 X 3 + b4 X b12 X1X 2 + b13 X1X 3 + b14 X1X 4 + b23 X 2 X 3 + b24 X 2 X 4 + b34 X 3 X b123 X1X 2 X 3 + b124 X1X 2 X 4 + b134 X1X 3 X 4 + b234 X 2 X 3 X b1234 X1X 2 X 3 X 4 Vrednosti svih linearnih regresionih koeficijenata dati su u tabeli 4.7. Važni faktori su izabrani analizom varijanse, a rezultati su dati u tabeli 4.8. (4.1) 37

44 Tabela 4.7 Linearni regresioni koeficijenti za b i k Regresioni koeficijent Koeficijent ispiranja Koeficijent spore ekstrakcije Prinos ulja b o 0,437 5,08 11,64 b 1 0,172 2,64 10,56 b 2-0,002 0,87-0,26 b 3 0,049 0,06 0,44 b 4 0,086 0,04 0,58 b 12-0,004 0,92-0,22 b 13-0,001-0,21 0,29 b 14-0,031-0,56 0,20 b 23 0,013-0,48-0,09 b 24 0,004 0,05 0,02 b 34 0,008 0,17 0,01 b 123 0,006-0,52-0,11 b 124 0,002 0,13 0,03 b 134-0,018 0,17-0,06 b 234-0,001 0,05 0,00 b ,004-1,09-0,02 Eksperimenti su izvoñeni bez ponavljanja, pa je rezidualna varijansa odreñena na osnovu meñusobnih trofaktorskih interakcija. Mogućnost ovakvog odreñivanja rezidualne varijanse proverena je pomoću Bartlett-ovog testa homogenosti varijansi. Statističke ocene dobijene Bartlett-ovim testom 6,77, 5,34 i 5,69 u slučaju koeficijenata ispiranja, koeficijenta 2 spore ekstrakcije i prinosa ulja, respektivno, manji su nego gornja kritična vrednost χ - 2 raspodele za četiri stepena i nivoom značajnosti od 0,05 ( χ 4;0,05 = 9,49). Prema tome, može se zaključiti da su varijanse trofaktorskih interakcija jednake, a da se njihov zbir može smatrati rezidualnom varijansom i koristiti za procenu značajnosti faktora i njihovih dvofaktorskih interakcija. Analiza vaijansi pokazuje da značajnost pojedinih faktora i meñufaktorskih interakcija na nivou od 0,05 nije ista za tri odziva, kao što se vidi iz tabele 4.9. U slučaju koeficijenta ispiranja značajni faktori su sitnjenje semena, odnos seme-rastvarač i temperatura, a u slučaju koeficijenta spore ekstrakcije - sitnjenje semena, tip rastvarača i bhihova interakcija. Značaj uticaj na prinos ulja imaju sva četiri faktora, kao i interakcija sitnjenja semena sa ostalim faktorima. Prema tome, za postizanje najboljeg prinosa ulja iz semena duvana, neophodno je seme usitniti i koristiti n-heksan kao rastvarač i ekstrakciju izvoditi na temperaturi ključanja i pri većim odnosima seme-rastvarač. Zanemarivanjem faktora i interakcija koje nemaju statističku važnost dobijaju se uprošćene linearne regresione jednačine za koeficijent ispiranja, koeficijent spore ekstrakcije i prinos ulja (koeficijent linearne korelacije, R 2 = 0,960, 0,900 i 1,000), respektivno: y + = 0, ,172 X1 + 0,049 X3 0, 086X4 (4.2) y + = 5,08 + 2,64 X1 + 0,87 X2 0, 92X1X2 (4.3) i y + = 11, ,56 X1 0,26 X2 + 0,44 X3 + 0,58 X4 0,22 X1X2 + 0,29 X1X3 0, 20X1X4 (4.4) 38

45 Tabela 4.8 Rezultati analize varijansi Faktor/ Interakcija faktora Stepen slobode Koeficijent ispiranja Koeficijent spore ekstrakcije Prinos ulja MS a F b MS F MS F F 1;5;0,95 A 1 0, ,28 97,57 82, , ,72 6,61 B 1 0,001 0,39 12,83 10,82 1,06 20,44 C 1 0,017 9,73 0,45 0,38 3,05 59,02 D 1 0,026 15,18 0,42 0,35 5,32 102,91 AB 1 0,002 0,92 24,53 20,67 0,76 14,69 AC 1 0,002 1,39 2,04 1,72 1,33 25,69 AD 1 0,000 0,24 0,00 0,00 0,63 12,15 BC 1 0,001 0,38 0,48 0,40 0,14 2,65 BD 1 0,000 0,21 0,01 0,01 0,00 0,09 CD 1 0,001 0,77 0,00 0,00 0,00 0,01 Rezidualna varijansa (ABC+ ABD+ ACD+ BCD+ ABCD) 5 0,002 1,186 0,052 Total 15 a MS srednja suma kvadrata; b F Fišerov test 39

46 Tabela 4.9 Pregled značajnih faktora na nivou 0,05 Faktor Koeficijent ispiranja Koeficijent spore ekstrakcije Prinos ulja A (Sitnjenje semena) Značajan Značajan Značajan B (Vrsta rastvarača) - Značajan Značajan C (Odnos seme-rastvarač) Značajan - Značajan D (Temepratura) Značajan - Značajan AB - Značajan Značajan AC - - Značajan AD - - Značajan Analizom linearne regresione jednačine, može se zaključiti koliki i kakav je uticaj svakog pojedinačnog faktora, kao i njihovih meñusobnih interakcija na koeficijente ispiranja i spore difuzije i prinos ulja iz semena duvana. S obzrom da faza ispiranja zavisi od dostupnosti ulja i njegove rastvorljivosti u rastvaraču koji se koristi za ekstrakciju, normalno je očekivati da će najveći uticaj na koeficijent ispiranja imati stepen usitnjenosti semena i temperatura, a nešto manji odnos seme-rastvarač. Rastvorljivost ulja semena duvana je nešto bolja u n-heksanu nego u petrol etru. Jednačina (4.3) potvrñuje da najveći uticaj na proces spore ekstrakcije, gde difuzija ulja iz unutrašnjosti čestice ka površini kontroliše brzinu ekstrakcije, imaju veličina čestica (glavni faktor) i vrsta rastvarača. Manji otpor difuziji kroz čestice semena duvana u slučaju petrol etra može se obasniti činjenicom da ovaj rastvarač ima nešto manji viskozitet od n-heksana. Sva četiri faktora utiču značajno na prinos ulja, ali je uticaj usitnjavanja semena najvažniji. Negativan predznak ukazuje da je prinos ulja značajniji na nivou od 0,05 (sa verovatnoćom 95 %) ako se kao rastvarač koristi n-heksan. Od meñufaktorskih interakcija najznačajniji je kombinovani uticaj sitnjenja semena i odnosa seme-rastvarač. Prema tome, u cilju poboljšanja prinosa ulja semena duvana, neophodno je: koristiti n-heksan kao rastvarač, usitniti seme i ekstrakciju izvoditi pri većim odnosima semerastvarač na temperaturi ključanja Uticaj tehnike ekstrakcije na prinos ulja Ultazvučna ekstrakcija je manje efikasna u izdvajanju ulja iz semena duvana od ekstrakcije po Soxhlet-u. Prinos ulja iz nativnog i samlevenog semena duvana ekstrakcijom sa n-heksanom, pri odnosu seme-rastvarač 1:10 g/cm 3, na temperaturi ključanja, iznosi samo 5,5 i 78,2 % od prinosa ulja ostvarenog ekstrakcijom po Soxhlet-u, respektivno. Prednost ultrazvučne ekstrakcije u odnosu na ekstrakciju po Soxhlet-u je relativno visok prinos ulja iz samlevenog semena duvana na sobnoj temperaturi (25 o C), koristeći oba rastvarača, nezavisno od odnosa seme-rastvarač. Prinosi ulja iz samlevenog semena duvana sa n- heksanom i petrol etarom su u opsegu od 67,5 do 73,6 % (21,0 do 24,4 g/100 g semena) i 65,3 do 69,1 % (20,3 do 23,0 g/100 g) od prinosa ostvarenog ekstrakcijom po Soxhlet-u, respektivno. Da bi se povećala efikasnost ultrazvučne ekstrakcije ulja iz samlevenog semena duvana, ekstrakcija je izvedena kao višestepena inidirektna i kao jednostepena direktna utrazvučna ekstrakcija pri većoj efektivnoj snazi ili frekvenci ultrazvuka. U prvom slučaju, posle izdvajanja tečnog ekstrakta vakuum filtracijom, iscrpljeno seme iz prethodnog stepena je tretirano svežim rastvaračem u narednom stepenu. U drugom slučaju, suspenzija samlevenog semena duvana je podvrgnuta uticaju ultrazvuka veće snage (5, 10 i 50 W) i frekvence (370, 1865 i 2241 khz) nego pri indirektnoj sonikaciji (2 W, 40 khz) Višestepena indirektna ultrazvučna ekstrakcija ulja Na slici 4.10, prikazana je zavisnost stepena ekstrakcije od broja stepena višestepene indirektne ultrazvučne ekstrakcije ulja iz samlevenog semena duvana pomoću n- heksana, pri odnosu seme-rastvarač 1:3 g/cm 3, na 25 o C ili temperaturi ključanja. Podaci o prinosu ulja u višestepenoj ultrazvučnoj ekstrakciji ulja iz samlevenog semena duvana dati su 40

47 u prilogu (tabela 7.13 i 7.14). Čak i posle šest uzastopnih ekstrakcija u trajanju od 20 minuta na 25 o C, odnosno temperaturi ključanja, maksimalni prinos ulja je 24,1, onosno 26,8 g/100 g semena, što je oko 80, odnosno 84 % od prinosa ostvarenog ekstrakcijom po Soxhlet-u. Zapaža se, takoñe, da je ultrazvučna ekstrakcija nešto efikasnija na temperaturi ključanja nego na 25 o C na svih šest stepeni o C o 69 C 31,1 g/100 g Stepen ekstrakcije, % I II III IV V VI Višestepena ultrazvučna ekstrakcija Soxhlet Slika 4.10 Efikasnost višestepene indirektne ultrazvučne ekstrakcije ulja semena duvana (samleveno seme; n-heksan; odnos seme-rastvarač: 1:3 g/cm 3 ; 25 o C i temperatura ključanja; 20 minuta) u poreñenju sa ekstrakcijom po Soxhlet-u Uticaj promene snage i frekvence na prinos ulja direktnom ultrazvučnom ekstrakcijom Zavisnosti prinosa ulja iz samlevenog semena duvana direktnom ultrazvučnom ekstrakcijom od efektivne akustične snage pri konstantnoj frekvenci (1865 khz) i frekvence pri konstantnoj efektivnoj akustičnoj snazi (50 W) prikazane su na slikama 4.11 i 4.12, dok su eksperimentalni podaci dati u tabelama 7.15 i 7.16, respektivno. Povećanje efektivne akustične snage i usitnjavanje semena (slika 4.11) značajno utiču na prinos ulja. Kada se efektivna akustična snaga poveća deset puta, prinos ulja iz samlevenog semena se povećava za 20,2 %, a iz nesamlevenog semena 34,2 %. Povećanje frekvence ultrazvuka u opsegu 370 do 2241 khz, pri konstantnoj efektivnoj akustičnoj snazi od 50 W, ne utiče značajno na prinos ulja koji se povećava za samo 4,3 % (slika 4.12). Povećanje prinosa ulja sa povećanjem efektivne akustične snage može se pripisati intenziviranju pozitivnih efekata ultrazvuka na proces ekstrakcije iz biljne sirovine. Ranija istraživanja ultrazvučne ekstrakcije ulja iz semena sinja pokazala su da efektivna akustična snaga (u opsegu 60 do 170 W) i frekvenca (u opsegu 20 do 40 khz) ultrazvuka praktično ne utiču na prinos ulja (Romdhane i Gourdon, 2002). Uočene razlike u uticaju efektivne akustične snage na prinos ulja iz semena duvana i sinja mogu biti posledica njihove različite strukture. 41

48 Prinos ulja, g/100g nativnog semena 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 a) Prinos ulja, g/100g samlevenog semena b) 0, Snaga, W Snaga, W Slika 4.11 Uticaj promene snage, pri konstantnoj frekvenci od 1865 khz, na prinos ulja iz nativnog (a) i samlevenog (b) semena duvana u procesu direktne ultrazvučne ekstrakcije 25 Prinos ulja g/100 g samlevenog semena Frekvencija, khz Slika 4.12 Uticaj promene frekvence, pri konstantnoj snazi od 50 W na prinos ulja iz samlevenog semena duvana u procesu direktne ultrazvučne ekstrakcije 4.6. Fizičke i hemijske osobine ulja semena duvana Ulje ekstrahovano iz semena duvana je bistra, masna tečnost, žute boje, karakterističnog mirisa na seme duvana i blago gorkog ukusa. Lakše je od vode, rastvara se u n-heksanu, petrol etru i dietiletru, dok se ne rastvara u etanolu. Hlañenjem se izdvajaju čvrsti sastojci, koji se na višim temperaturama ponovo rastvaraju. Vrednosti fizičkih i hemijskih osobina ulja semena duvana tipa Otlja prikazane su u tabeli Radi poreñenja, u tabelu su uključeni i podaci drugih autora. Gustina ulja semena duvana tipa Otlja iznosi 923,0 kg/m 3, što je za oko 10 % veće od gornje vrednosti gustine za dizel goriva ( ) (Bozbas, 2005; Gahadge i Raheman, 2006). Jodni broj ulja semena duvana tipa Otlja nalazi se na gornjoj granici vrednosti jodnog broja za biljnih ulja, koja je u opsegu (Giannelos et al., 2002), ali je manji nego kod ulja semena drugih tipova duvana. Visoka vrednost jodnog broja je očekivana, s obzirom na visok udeo nezasićenih masnih kiselina u ulju. Saponifikacioni broj ulja semena duvana je 192,5 mg KOH/g ulja, što je približno vrednostima za ulja semena drugih tipova duvana, a i nalazi se u opsegu vrednosti saponifikacionog broja drugih biljnih ulja. Ova vrednost pokazuje prosečnu dužinu lanaca masnih kiselina koje ulaze u sastav ulja. Vrednosti svih fizičkih i hemijskih osobina ulja semena duvana tipa Otlja dobijenih u ovom radu nalaze se u granicama standardnih vrednosti za ulje duvana koje preporučuje AOCS (Swern, 1972). Kiselinski broj ulja semena duvana tipa Otlja je visok, što ukazuje na visok udeo slobodnih masnih kiselina (oko 18 %). 42

49 Tabela 4.10 Poreñenje vrednosti fizičkih i hemijskih parametara za ulje semena duvana prema različitim autorima Parametar Ovaj rad a (Bajpai i Seth, 2000) (Giannelos et al., 2002) (Gofur et al., 1993) (Srbinoska et al., 2005) (Umarov et al.,1990) (Swern, 1972) Gustina (20 C), 923,0-917,5 920,0 923,3 923, kg/m 3 Viskozitet (20 C), mpas Indeks refrakcije (20 C) Jodni broj (g J 2 /100 g ulja) Saponifikacioni broj (mg KOH/g ulja) 93,3-27,7 b ,28-1,4736 1,4690-1,4740 1,4758 c 1,4758 1,474-1, , , ,5 190, , , Kiselinski broj (mg KOH/g ulja) 36, a Ulje dobijeno na 25 o C indirektnom ultrazvučnom ekstrakcijom (20 minuta) n-heksanom i odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3, b Na 40 o C, c Na 25 o C 4.7. Sastav ulja semena duvana Prema gasno-hromatografskoj analizi metil estara masnih kiselina ulja semena duvana ono sadrži uglavnom (više od 94%) slobodne ili vezane sledeće masne kiseline: palmitinsku, stearinsku, oleinsku, linolnu i linolensku, kao što se može videti u tabeli Primeri nekih gasnih hromatograma mogu se videti u prilogu na slikama Nezavisno od ekstrakcione tehnike i rastvarača, najzastupljenija masna kiselina ulja je linolna, čijii maseni udeo u ulju iznosi 69 do 72 %, 58 do 70 % i oko 72 % u uljima dobijenim indirektnom ultrazvučnom, direktnom ultrazvučnom i ekstrakcijom po Soxhlet-u, respektivno. Ukupan sadržaj zasićenih (palmitinska i stearinska) i nezasićenih (oleinska, linolna i linolenska) masnih kislina u ulju semena duvana dobijenog indirektnom ultrazvučnom ekstrakcijom je 11,0 do 13,7 % i 83,3 do 85,2 %, respektivno. Sličan maseni udeo zasićenih (oko 12 %) i nezasićenih (84,9 do 86,4 %) masnih kiselina odreñen je i u ulju dobijenom ekstrakcijom po Soxhlet-u. Kod ulja dobijenih indirektnom ultrazvučnom ekstrakcijom n- heksanom i petrol etrom utvrñeno je da se sa porastom temperature smanjuje udeo polinezasićenih masnih kiselina (linolne i linolenska), a povećava udeo zasićenih (palmitinske i stearinske). Pri ekstrakciji po Soxhlet-u vrsta rastvarača skoro i da nema uticaj na sastav ulja. Karakteristično za ulja dobijenih direktnom ultrazvučnom ekstrakcijom je smanjenje udela linolne kiseline od 70,19 na 58,03 % sa povećanjem efektivne ultrazvučne snage od 5 na 50 W, kao što se i vidi u tabeli Ova kiselina se, verovatno, razgrañuje pod dejstvom ultrazvuka. Smanjenje udela linolne kiseline u suncokretovom ulju pod dejstvom ultrazvuka je ranije objašnjeno oksidacijom u kojoj se povećava udeo konjugovanih diena (Chemat et al., 2004a). Ova razgradnja suncokretovog ulja je intenzivnija na 60 o C nego na 20 o C. Pokazano je, takoñe, da se miris i sastav nekih jestivih ulja menja pod dejstvom ultrazvuka (Chemat et al., 2004b). Na ostale identifikovane masne kiseline ovo povećanje snage nema većeg uticaja, osim u slučaju palmitinske kiseline, čiji se udeo povećava čak za 30 % kada se efektivna akustična snaga poveća od 5 na 50 W. Sastav ulja iz samlevenog semena poluorijentalnog duvana tipa Otlja sličan je sastavu ulja drugih duvana, sa skoro identičnim procentualnim udelom glavnih masnih kiselina, kao što pokazuje tabela Minimalne razlike u sastavu ulja potiču, verovatno, od vrste i uslova gajenja duvana i uslova ekstrakcije (rastvarač, temperatura, odnos semena i rastvarača). 43

50 Tabela 4.11 Sastav ulja iz semena duvana tipa Otlja Metil estar masne kiseline Indirektna ultrazvučna ekstrakcija, odnos semerastvarač 1:3, 20 minuta Direktna ultrazvučna ekstrakcija, n- heksan, odnos seme-rastvarač 1:3, 20 minuta, 1865 khz Ekstrakcija po Soxhlet-u n-heksan Petrol etar Snaga, W 25 C 69 C 25 C 65 C n-heksan Petrol etar Palmitinska 8,26 8,40 8,36 8,49 10,71 12,23 13,99 8,42 8,69 Stearinska 3,66 5,32 2,66 4,53 3,49 4,33 4,91 3,78 2,90 Oleinska 12,17 14,89 12,29 13,84 13,02 15,09 16,66 11,78 12,54 Linolna 70,21 69,19 71,75 69,60 70,19 63,95 58,03 72,22 72,92 Linolenska 0,89 1,12 0,94 0,88 0,81 0,78 0,71 0,84 0,89 Ostale masne kiseline 4,81 1,08 4,00 2,66 1,78 3,62 5,7 2,96 2,06 Zasićene masne kiseline 11,92 13,72 11,02 13,02 14,2 16,56 18,9 12,2 11,59 Nezasićene masne kiseline 83,27 85,2 84,98 84,32 84,02 79,82 75,4 84,84 86,35 Mono- nezasićene masne kiseline 12,17 14,89 12,29 13,84 13,02 15,09 16,66 11,78 12,54 Poli-nezasićene masne kiseline 71,1 70,31 72,69 70,48 71,00 64,73 58,74 73,06 73,81 44

51 Tabela 4.12 Pregled sastava ulja iz semena duvana različitog porekla Referenca Ekstrakcioni uslovi Prinos ulja, % U ovom radu Srbinoska et al., 2005 Giannelos et al., 2002 Bajpai i Seth, 2000 Baydar i Turgut, 1999 Ivanov i Aitzetmüller, 1998 Udayasekhara Rao, 1994 Ultrazvučna ekstrakcija, n-heksan, odnos semerastvarač 1:3 (g/cm 3 ), 20 minuta, 25 C Ekstrakcija po Soxhletu, smeša n-heksana i benzena (1:1 v/v), odnos seme-rastvarač 1:10 (g/cm 3 ), 7 sati Ekstrakcija po Soxhlet-u, n-heksan Vrsta duvana Masne kiseline (14:0) (16.0) (16:1) (18:0) (18:1) (18:2) (18:3) Ostale Zasićene Mononezasićene Polinezasićene 18,2 Otlja - 8,26-3,66 12,17 70,21 0,89 4,81 11,92 12,17 71,10 43,40 P-23 0,02 10,13 0,09 2,67 13,71 72,34 0,94 0,1 12,82 13,71 73,38 36,2 do 41,4-0,09 10,96 0,2 3,34 14,54 69,49 0,69 0,69 14,39 14,74 70, ,0-5,0 16,0 70, Maceracija, petrol etar, 6 sati - - 0,17 8,87-3,49 12,4 67,75 4,20 3,12 12,53 12,4 71, ,1 11,5 0,2 3,4 14,1 68,1 0, ,3 68,7 Dietil etar 33,7-0,7 9, ,7 70,7 0,9 4,6 10,1 13,7 71,6 Gofur et al., ,9-3,1 17,1 70,6 1,1 0, ,1 71,7 Frega et al., 1991 Umarov et al., 1990 Talaqani et al., 1986 Ekstrakcija po Soxhlet-u, n-heksan, 7 sati 48 Kentucky 104-9,5 0,1 2,8 10,6 74,9 1,1 1 12,3 10, ,8 Bright Italia - 9,2 0,1 2,5 9,5 76,1 1,4 1,2 11,7 9,6 77,5 47,2 Bright V. - 8,9 0,1 2,6 11,1 75,1 1,1 1,1 11,5 11,2 76, , ,2 85,2-1,5 6,1 7,2 85,2-35,2 Golsoor 0,02 12,0-3,30 12,04 72,60-0,04 15,32 12,04 72,6 40,25 Rawandoz - 10,60-3,90 14,90 70,20-0,4 14,5 14,9 70,2 Koiwai et al., ,60-2,80 12,10 74,10 1, ,4 12,1 75,5 Miristinska (14:0); Palmitinska (16.0); Palmitolinska (16:1); Steariinska (18:0); Oleinska (18:1); Linolna (18:2); Linolenska (18:3) 45

52 5. ZAKLJUČAK Na osnovu ispitivanja sprovedenih u ovom radu mogu se izvesti zaključci koji se odnose na karakterizaciju biljnog materijala, mehanizam ultrazvučne ekstrakcije, odreñivanje optimalnih operativnih uslova ultrazvučne ekstrakcije (temperatura, odnos seme-rastvarač i usitnjenost semena), utvrñivanje uticaja snage i frekvence ultrazvuka i operativnih uslova na prinos, fizičke i hemijske osobine i sastav ulja semena duvana tipa Otlja. Na prinos ulja iz semena duvana ultrazvučnom ekstrakcijom utiču: usitnjavanje semena, vrsta rastvarača, odnos seme-rastvarač i temperatura. Značaj ovih faktora opada u nizu: usitnjavanje semena, radna temperatura, odnos seme-rastvarač i tip rastvarača. Prinos ulja je značajno veći (približno 10 puta) ako se seme duvana samelje pre ekstrakcije, kao posledica strukture semena duvana, uprkos tome što se efektivna akustična snaga smanjuje sa usitnjavanjem semena, i ako se temperatura ekstrakcije poveća, zbog povećanja rastvorljivosti i koeficijenta difuzije ulja u rastvaraču i smanjenja viskoziteta samog rastvarača. Temperatura i odnos seme-rastvarač utiču na prinos ulja iz nativnog, a vrlo malo iz samlevenog semena duvana, i to nezavisno od vrste rastvarača i odnosa seme-rastvarač. Prinos ulja iz nativnog semena je oko dva puta veći na temperaturi ključanja nego na 25 o C, dok je prinos ulja iz samlevenog semena duvana u istom opsegu temperature veći za samo oko 7 %. Prinos ulja se povećava sa smanjenjem odnosa seme-rastvarač, nezavisno od drugih uslova ekstrakcije. Zbog veće ekonomičnosti procesa ekstrakcije, optimalnim odnosom seme-rastvarač smatra se 1:3 g/cm 3, jer se pri odnosu seme-rastvarač 1:10 g/cm 3, tj. sa tri puta većom količinom rastvarača, prinos ulja iz samlevenog semena povećava tek za oko 10 %. n-heksan je pogodniji od petrol etra za ekstrakciju ulja semena duvana, jer se njime postiže nešto veći prinos ulja. Efikasnost ultrazvučne ekstrakcije ulja iz samlevenog semena duvana se malo povećava izvoñenjem utrazvučne ekstrakcije u šest uzastopnih stepena u trajanju od 20 minuta. Na 25 o C, odnosno temperaturi ključanja, maksimalni prinos ulja je oko 80, odnosno 84 % od prinosa ulja ostvarenog ekstrakcijom po Soxhlet-u (31,1 g/100 g semena). Povećanje efektivne akustične snage i usitnjavanje semena značajno utiču na prinos ulja. Kada se efektivna akustična snaga poveća deset puta, prinos ulja iz samlevenog semena se povećava za 20,2 %, a iz nativnog semena 34,2 %. Povećanje frekvence ultrazvuka u opsegu od 370 do 2241 khz, pri konstantnoj efektivnoj akustičnoj snazi od 50 W, ne utiče značajno na prinos ulja. Povećanje prinosa ulja sa povećanjem efektivne akustične snage može se pripisati intenziviranju pozitivnih efekata ultrazvuka na proces ekstrakcije ulja iz biljne sirovine. Mehanizam i kinetika ultrazvučne ekstrakcije se ne razlikuju od mehanizma i kinetike klasične maceracije. U početnoj fazi ispiranja, ekstrakcija ulja je brz proces zbog rastvaranja ulja sa površine semena i čestica semena duvana. Stepen ekstrakcije ulja u ovoj fazi je u granicama od 73,5 od 86,6 %. Nakon završetka ove faze, prinos ulja sporije raste sa vremenom, kao rezultat sporog procesa difuzije ulja iz unutrašnjosti semena i čestica semena duvana prema njihovoj spoljašnjoj površini. Kinetika ultrazvučne ekstrakcije ulja iz semena duvana opisana je modelom zasnovanim na nestacionarnoj difuziji i jednačinom Ponomarjeva. Parametri kinetičkih jednačina zavise od usitnjenosti semena, vrste rastvarača, odnosa seme-rastvarač i temperature. Vrednosti koeficijenta ispiranja su oko 1,5 do 4 puta veći za samleveno nego za nativno seme duvana. Očigledno je da se mlevenjem razara ne samo zaštitni sloj nego i mnoge ćelije endoderma i embriona, što omogućava da veći deo ulja doñe u direktan kontakt sa rastvaračem i da se brzo rastvori. Koeficijent ispiranja se povećava sa povećanjem temperature od sobne do temperature ključanja, zbog povećanja rastvorljivosti ulja u rastvaračima, kao i sa smanjenjem odnosa seme-rastvarač od 1:3 do 1:10 g/cm 3, verovatno kao rezultat povećanja raspoložive zapremine rastvarača i pogonske sile prenosa mase od površine čestica semena duvana u masu tečnog ekstrakta. Uticaj tipa rastvarača na koeficijent ispiranja zavisi od odnosa seme-rastvarač. Tako, za odnos seme rastvarač 1:3 g/cm 3, koeficijent ispiranja je veći za n-heksan nego za petrol etar (oko 5 do 20 %), dok je za odnos seme-rastvarač 1:10 g/cm 3 on veći za petrol etar (oko 4 do 18 %). Za odnos seme-rastvarač 1:5 g/cm 3 vrednosti koeficijetna ispiranja za dva rastvarača su približno iste. Koeficijent spore ekstrakcije je oko 7 puta veći za samleveno nego za nativno seme, zbog kraćeg rastojanja koje ulje treba da proñe difuzijom od unutrašnjosti čestica semena 46

53 duvana do njihove spoljašnje površine. Uticaj ostalih faktora se ne može lako videti, jer su isuviše kompleksni i verovatno je kombinovan sa uticajem mešanja suspenzije ultrazvukom. Ulje semena duvana tipa Otlja sadrži uglavnom (više od 94%) slobodne ili vezane sledeće masne kiseline: palmitinsku, stearinsku, oleinsku, linolnu i linolensku, a najzastupljenija masna kiselina je linolna. Sa porastom temperature (od sobne do temperature ključanja rastvarača) povećava se udeo zasićenih i mono-nezasićenih, a smanjuje udeo poli-nezasićenih masnih kiselina. Pri ekstrakciji po Soxhlet-u vrsta korišćenog rastvarača nema uticaj na sastav ulja, dok se u slučaju indirektne ultrazvučne ekstrakcije primećuje neznatna razlika. Karakteristično za ulja dobijena direktnom ultrazvučnom ekstrakcijom je smanjenje udela linolne kiseline za oko 12 % pri desetostrukom povećanju snage (od 5 W na 50 W). Na ostale identifikovane masne kiseline ovo povećanje snage nema velikog uticaja. Ukupan sadržaj zasićenih masnih kislina u ulju semena duvana pri desetostrukom povećanju snage u slučaju direktne ultrazvučne ekstrakcije povećava se za oko 5 %, dok se pod istim uslovima smanjuje udeo nezasićenih (oleinska, linolna i linolenska) masnih kiselina za oko 10 %. 47

54 6. LITERATURA Altin R., Çetinkaya S., Yücesu H.S. (2001), The potential of using vegetable oil fuels as fuel for diesel engines, Energy Conversion and Management, 42 (5), Bajpai M., Seth S. (2000), Use of unconventional oils in surface coatings: blends of alkyd resins with epoxy esters, Pigment & Resin Technology, 29 (2), Baydar H., Turgut Đ. (1999), Variations of fatty acid composition according to some morphological and physiological properties and ecological regions in oilseed plants, Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 23, Benitez F.A. (2004), Effects of the use of ultrasonic wawes on biodiesel production in alkaline transesterification of bleached tallow and vegetable oils: cavitation model, Ph.D., University of Puerto Rico Mazagüez Campus. Bozbas K. (2005), Biodiesel as an alternative motor fuel: Production and policies in the European Union, Renewable and Sustainable Energy Reviews, u štampi. Brion C.B. (2003), Should we love tobacco?, BAR Chronicle 4 (8), 1-30 Jul , 24 Aug < Chemat F., Grondin I., Shum Cheong Sing A., Smadja J. (2004a), Deterioration of edible oils during processing by ultrasound, Ultrasonics Sonochemistry, 11 (1), Chemat F., Grondin I., Costes P., Moutoussamy L., Shum Cheong Sing A., Smadja J. (2004b), High power ultrasound effects on lipid oxidation of refined sunflower oil, Ultrasonics Sonochemistry, 11 (5), Colucci J.A., Borrero E.E., Alape F. (2005), Biodiesel from an alkaline transesterification reaction of soybean oil using ultrasonic mixing, Journal of the American Oil Chemists' Society, 82, Comberg G., Rosenhahn W. (1952), The nutritive value of tobacco seed extraction salvage in milk cows and suckling sheep, Archiv fur Tierernährung 2, 376. Contamine R.F., Wilhelm A.M., Berlan J., Delmas H. (1995), Power measurement in sonochemistry, Ultrsonics Sonochemistry, 2 (1), David F., Sandra P., Wylie P.L. (2002), Improving the analysis of fattz acidmethylesters using retention time locked methods and retentnion time databases: application, Publ. No EN, Agilent Technologies, Inc., 1. Apr. 2002, 24. Aug. 2005, < Demirbaş A. (2003), Biodiesel fuels from vegetable oils via catalytic and non-catalytic supercritical alcohol transesterifcations and other methods: a survey, Energy Conversion and Management, 44 (13), Djilani A., Legseir B. (2005), Extraction of atropine by ultrasounds in different solvent systems, Fitoterapia, 76 (2), Elbehri A. (2005), Biopharming and the food system: Examining the potential benefits and risks, The Journal of Agrobiotechnology Management & Economics, 8 (1), Eshetu B. (2000), Nicotiana tabacum L. seed oil, 21. Feb. 2000, 24. Aug < ipp.boku.ac.at/pz/oilseeds/eshetu.html>. 48

55 Faĭd F., Romdhane M., Gourdon C., Wilhelm A.M., Delmas H. (1998), A comparative study of local sensors of power ultrasound effects: electrochemical, thermoelectrical and chemical probes, Ultrasonics Sonochemistry, 5 (2), Felizardo P., Correia M.J., Raposo I., Mendes J.F., Berkemeier R., Bordado J.M. (2006), Production of biodiesel from waste frying oils, Waste Management, 26 (5), Foidl N., Foidl G., Sanchez M., Mittelbach M., Hackel S. (1996), Jatropha curcas L. as a source for the production of biofuel in Nicaragua, Bioresource Technology, 58 (1), Food Standards Australia New Zeland (FSANZ) (2004), Use of nicotine and Nicotiana species in food, Final assesment report, Proposal P278, 2004, 24. Aug. 2005, < Frega, N., Bocci, F.,Conte, L.S., Testa, F. (1991), Chemical composition of tobacco seeds (Nicotiana tabacum L.), Journal of the American Oil Chemists' Society, 68, Fröhlich A., Rice B. (2005), Evaluation of Camelina sativa oil as a feedstock for biodiesel production, Industrial Crops and Products, 21 (1), Fukuda H., Kondo A., Noda H. (2001), Biodiesel fuel production by transesterification of oils, Journal of Bioscience and Bioengineering, 92 (5), Ghadge S.V., Raheman H. (2006), Process optimization for biodiesel production from mahua (Madhuca indica) oil using response surface methodology, Bioresource Technology, 97 (3), Giannelos P.N., Zannikos F., Stournas S., Lois E., Anastopoulos G. (2002), Tobacco seed oil as an alternative diesel fuel: physical and chemical properties, Industrial Crops and Products, 16 (1), 1-9. Giannelos P.N., Sxizas S., Lois E., Zannikos F., Anastopoulos G. (2005), Physical, chemical and fuel related properties of tomato seed oil for evaluating its direct use in diesel engines, Industrial Crops and Products, 22 (3), Gofur M.A., Rahman M.S., Ahmed G.M., Hossain A., Haque M.E. (1993), Studies on the caracterisation and glyceride composition of tobacco (Nicotiana tabacum L.) seed oil, Bangladesh Journal of Scientific and Industrial Research, 28 (3), 25. Goodrum J.W., Geller D.P. (2005), Infuence of fatty acid methyl esters from hydroxylated vegetable oils on diesel fuel lubricity, Bioresource Technology, 96 (7), Gordon A.G. (1963), The use of ultrasound in agriculture, Ultrasonics, 1 (2), Grassi W., Salaffi F., Filippucci E. (2005), Ultrasound in rheumatology, Best Practice & Research Clinical Rheumatology, 19 (3), Harris W. (1999), The scientific basis of vegetarianisam, Hawaii Health Publishers, Honolulu (1999); cited according: Chicago Vegetarian, Septembar/October, 24. Aug. 2005, < Hi Tech Bio Laboratories (2005), Production of Nicotine sulphate and solanesol from natural waste, Contract Research Organisation, India, 10. Aug.2005., < Hromádková Z., Ebringerová A., Valachovic P. (2002), Ultrasound-assisted extraction of water-soluble polysaccharides from the roots of valerian (Valeriana officinalis L.). Ultrasonics Sonochemistry, 9 (1),

56 Ivanov S.A., Aitzetmüller K. (1998), Nicotiana tabacum, SOFA Messblatt TYP2_00047, 2. Sep. 2000, 6. Aug , < Kandpal J.B., Madan M. (1995), Jatropha curcus : a renewable source of energy for meeting future energy needs, Renewable Energy, 6 (2), Kazmi S.Z., Grady P.L., Mock G.N., Hodge G.L. (1996), On-line color monitoring in continuous textile dyeing, ISA Transactions, 35 (1), Kimbaris A.C., Siatis N.G., Daferera D.J., Tarantilis P.A., Pappas C.S., Polissiou M.G. (2005), Comparison of distillation and ultrasound-assisted extraction methods for the isolation of sensitive aroma compounds from garlic (Allium sativum), Ultrasonics Sonochemistry, 13 (1) Kimura T., Sakamoto T., Leveque J.M., Sohmiya H., Fujita M., Ikeda S., Ando T. (1996), Standardization of ultrasonic power for sonochemical reaction, Ultrasonics Sonochemistry, 3 (3), Koda S., Kimura T., Kondo T., Mitome H. (2003), A standard method to calibrate sonochemical efficiency of an individual reaction system, Ultrasonics Sonochemistry, 10 (3), Koiwai A., Suzuki F., Matsuzaki T., Kawashima N. (1983), The fatty acid composition of seeds and leaves of Nicotiana species, Phytochemistry, 22 (6), Kok S.J. (2004), Thesis Sander Kok Coupling of liquid chromatography and fouriertransform infrared spectroscopy for the characterization of polymers, 26. March , 02. Oct , < Landoni J.H. (1991), Nicotiana tabacum L., 28. June 2005., < Lazić Ž. R. (2004), Design of experiments in chemical engineering, Wiley-VCH GmbH&Co. KgaA, Weinheim. Leubner G. (2003), The seed biology place, 18. Aug , < Ley S. (1989), Ultrasound in sintesis, Springer Verlag, Berlin Heidelberg. Li H., Chen B., Yao S. (2005), Application of ultrasonic technique for extracting chlorogenic acid from Eucommia ulmodies Oliv. (E. ulmodies), Ultrasonics Sonochemistry, 12 (4), Lindheim S.R., Morales A.J. (2003), Operative Ultrasound Using an Echogenic Loop Snare for Intrauterine Pathology, The Journal of the American Association of Gynecologic Laparoscopists, 10 (1), Luque-García J.L., Luque de Castro M.D. (2004), Ultrasound-assisted Soxhlet extraction: an expeditive approach for solid sample treatment Application to the extraction of total fat from oleaginous seeds, Journal of Chromatography A, 1034, Ma F., Hanna M.A. (1999), Biodiesel production: a review, Bioresource Technology, 70 (1), Mann J., Truswell S. (2002), Essential of human nutrition, 2 nd ed., Oxford University Press, New York. Margulis M.A., Margulis I.M. (2003), Calorimetric method for measurement of acoustic power absorbed in a volume of a liquid, Ultrasonics Sonochemistry, 10 (6),

57 Mason T.J., Paniwnyk L., Lorimer J.P. (1996), The uses of ultrasound in food technology, Ultrasonics Sonochemistry, 3 (3), Mason T.J. (1999), Sonochemistry: current uses and future prospects in the chemical and processing industries, Philosophical Transactions of the Royal Society London A, 357, Mason T., Lorimer J. (2002), Applied Sonochemistry: The uses of power ultrasound in chemistry and procassing, Wiley-VCH: Darmstadt, Germany. Mathias M.E. (1995), The Mildred E. Mathias botanical garden, The filthy weed, 02. Dec < a1428tx.html>. Maymone B., Tiberio M. (1948), Digestibility of deoiled tobacco seed meal, Annali della Spermintazione Agraria, 2 (1), Milenović D. (2002), Analiza kinetike procesa ekstrakcije čvrsto-tečno, magistarski rad, Tehnološki fakultet, Leskovac. Mittelbach M., Remschmidt C. (2005), Biodiesel-The comprehensive handbook, Boersedruck Ges.m.b.H., ISBN , Vienna, Austria. Nabi N., Akhter S., Shahadat Z. (2006), Improvement of engine emissions with conventional diesel fuel and diesel biodiesel blends, Bioresource Technology, 97 (3), Neis U. (2002), Intensification of biological and chemical processes by ultrasound, TU Hamburg-Harburg, Reports on Sanitary Engineering, 35, Nomura H., Koda S., Yasuda K., Kojima Y. (1996), Quantification of ultrasonic intensity based on the decomposition reaction of porphyrin, Ultrasonics Sonochemistry, 3 (3), Onda Corporation (2002), Tables of acoustic properties of materials, 14. Feb , < Ouyang W., Xu R., Du S. (2003), Analysis and application of oriental tobacco seed, Yancao Keji, 12, 20-23, citirano prema SciFinder-u, ISSN: Paniwyk L., Beaufoy E., Lorimer J.P., Mason T.J. (2001), The extractionof rutin from flower buds of Sophora Japonica, Ultrasonics Sonochemistry, 8 (3), Pappas C., Tarantilis P.A., Mavromoustakos T., Polission M. (2002), Comparasion of classical and ultrasound-assisted isolation procedures of cellulose from kenaf (Hibiscus cannabinus L.) and eucalzptus (Eucalzptus rodustrus Sm.), Ultrasonics Sonochemistry, 9 (1), Patel J.A., Patel B.K., Chakraborty M.K. (1998), Production potential and quality aspects of tobacco seed oil, Tobacco Research, 24, Pétrier C., Francony A. (1997), Ultrasonic waste-water treatment: incidence of ultrasonic frequency on the rate of phenol and carbon tetrachloride degradation, Ultrasonics Sonochemistry, 4 (4), Ph. Jug. IV (1991), Farmakopeja SFRJ, Svezak I, Reprint izdanje Saveznog zavoda za zdravstvenu zaštitu, Beograd. Pinto A.C., Guarieiro L.L.N., Rezende M.J.C., Ribeiro N.M., Torres E.A., Lopes W.A., Pereira P.A., Andrade J.B. (2005), Biodiesel: An Overview, Journal of the Brazilian Chemical Society, 16 (6),

58 Пономарев B.Д. (1976), Экстрагирование лекарственного сырья, Медицина, Москва. Priego-Capote F., Luque de Castro M.D. (2004), Analytical uses of ultrasound II. Detectors and detection techniques, Trends in Analytical Chemistry, 23 (10 11), Ramadhas A.S., Muraleedharan C., Jayaraj S. (2005), Performance and emission evaluation of a diesel engine fueled with methyl esters of rubber seed oil, Renewable Energy, 30 (12), Ranjhan S.K. (1978), Use of agro-industrial by-products in feeding ruminants in India, World Animal Review, 28 (1), Rhem S., Espig G. (1991), The cultivated plants of the tropics and subtropics, Verlag Josef Margraf, Weikersheim, Germany. Romdhane M., Gourdon C., Casamatta G. (1995), Ultrasonic intensity measurement, Ultrasonics, 33 (2), Romdhane M., Gourdon C. (2002), Investigation in solid liquid extraction: influence of ultrasound, Chemical Engineering Journal, 87 (1), Rudramurthy H.V., Shetty Y.V., Vageesh T.S. (2005), Tobacco: more than just smoke, Zonal Agricultural Research station, Navile, Shimoga, Deccan Herald, Feb. 28, 2005, 16. Aug. 2005, < Sarma A.K., Konwer D., Bordoloi P.K. (2005), A comprehensive analysis of fuel properties of biodiesel from Koroch seed oil, Energy & Fuels, 19 (2), Schinor E.C., Salvador M.J., Turatti I.C.C., Zucchi O.L.A.D., Dias D.A. (2004), Comparison of classical and ultrasound-assisted extraction of steroids and triterpenoids from three Chresta spp., Ultrasonics Sonochemistry, 11 (6), Srbinoska M., Najdenova V., Rafajlovska V., Lisičkov K. (2005), Characterization of tobacco seed oil and seed cake, Zbornik izvoda radova VI simpozijum "Savremene tehnologije i privredni razvoj" 14, 53-54, Leskovac, oktobar 2005, ISSN Stack L.J., Carney P.A., Malone H.B., Wessels T.K. (2005), Factors influencing the ultrasonic separation of oil-in-water emulsions, Ultrasonics Sonochemistry, 12 (3), Stanković M.Z., Cakić M.D., Cvetković D.M., Veljković V.B. (1994), Kinetics of extraction of resinoids from overground parts of sweet clover (Meliotus officinalis L.), Journal of the Serbian Chemical Society, 59 (10), Stavarache C., Vinatoru M., Nishimura R., Maeda Y. (2003), Conversion of vegetable oil to biodiesel using ultrasonic irradiation, Chemistry Letters, 32 (8), Stavarache C., Vinatoru M., Nishimura R., Maeda Y. (2005), Fatty acids methyl esters from vegetable oil by means of ultrasonic energy, Ultrasonics Sonochemistry, 12 (5), Sulman M.G., Semagina N.V., Ankudinova T.V. (2000), Ultrasonic extraction of biologically active compounds from the vegetable raw material, Conference Proceedings of X Session of Russian Acoustic Society. "GEOS", Moscow, < Sun R.C., Sun X.F., Ma X.H. (2002), Effect of ultrasound on the structural and physicohemical properties of organosolv soluble hemicelluloses from wheat straw, Ultrasonics Sonochemistry, 9 (2),

59 Suslick K.S. (1994), The chemistry of ultrasound, The Yearbook of Science & the Future 1994; Encyclopaedia Britannica: Chicago < Swern D. (1972), Industrijski proizvodi ulja i masti po Baileyju, Nakladni zavod Znanje, Zagreb. Swamy K.M., Narayana K.L., Misra V.N. (2005), Bioleaching with ultrasound, Ultrasonics Sonochemistry, 12 (4), Szentmihályi K., Vinkler P., Lakatos B., Illés V., Then M. (2002), Rose hip (Rosa canina L.) oil obtained from waste hip seeds by different extraction methods, Bioresource Technology, 82 (2), Talaqani T.E., Shafik J., Mustafa F.K. (1986), Fatty acids composition of the seed oil of certain tobacco varieties cultivated in northern Iraq, Indian Journal of Agricultural Chemistry, 19 (3), Thakur L.S., Parekha L.J., Patel B.K. (1998), Evaluation of nutritional quality of tobacco seed oil, Tobacco Research, 24(2), The British Pharmaceutical Codex (2001), Published by direction of the Council of the Pharmaceutical Society of Great Britain, Henriette s Herbal Homepage. 26. Nov < Toma M., Vinatoru M., Paniwnyk L., Mason T.J. (2001), Investigation of the effects of ultrasound on vegetal tissues during solvent extraction, Ultrasonics Sonochemistry, 8 (2), Tomlinson K.L., McHugh S., Labbe H., Grainger J., James L.E., Pomeroy K.M., Mullin J.W., Mller S.S., Dennis D.T., Miki B.L.A. (2004), Evidence that the hexose-to-sucrose ratio does not control the switch to storage product accumulation in oilseeds: analysis of tobacco seed development and effects of overexpressing apoplastic invertase, Journal of Experimental Botany, 55 (406), Tsochatzidis N.A., Guiraud P., Wilhelm A.M., Delmas H. (2001), Determination of velocity, size and concentration of ultrasonic cavitation bubbles by the phase-doppler technique, Chemical Engineering Science, 56 (5), Udayasekhara Rao P. (1994), Nutrient composition of some less-familiar oil seeds, Food Chemistry, 50 (4), Umarov A.U., Khasanov M.Kh., Teshabaev Kh.T. (1990), Nicotiana tabacum seed oil, Khimiya Prirodnykh Soedinenii, 6, USDA, NRCS The PLANTS Database, Version 3.5 ( Data compiled from various sources by Mark W. Skinner. National Plant Data Center, Baton Rouge, LA USA. Usta N. (2005), Use of tobacco oil methyl ester in turbocharged indirect injection diesel engine, Biomass and Bioenergy, 28 (1), Veličković D. (2005), Kinetika ultrazvučne ekstrakcije i hemijski sastav ekstrakta biljnih vrsta žalfije (Salvia L.), doktorska disertacija, Tehnološki fakultet, Univerzitet u Nišu, Leskovac. Veličković D.T., Milenović D.M., Ristić M.S., Veljković V.B. (2006), Kinetics of ultrasonic extraction of extractive substances from garden (Salvia officinalis L.) and glutinous (Salvia glutinosa L.) sage, Ultrasonics Sonochemistry, 13 (2),

60 Veljković, V., Milenović, D. (2002), Analiza ekstrakcije rezinoida kantariona (Hypericum perforatum L.) II. Poreñenje modela kinetike ekstrakcije. Hemijska industrija, 56 (2), Veljković, V., Veličković D., Skala D. (2005), Analiza odnosa parametara modela kinetike ultrazvučne ekstrakcije bilja roda Salvia L., VI simpozijum "Savremene tehnologije i privredni razvoj" sa meñunarodnim učešćem (Zbornik izvoda radova, rad HI-35, str. 275, Tehnološki fakultet, Leskovac), Leskovac, oktobar Viable Herbal Solutions (2005), About...Tobacco, May 29, 2005, 29. Nov , < Vinatoru M. (2001), An overview of the ultrasonically assisted extraction of bioactive principles from herbs, Ultrasonics Sonochemistry, 8 (3), Vinatoru M., Maricela T.,Mason T.J. (1999), Ultrasonically assisted extraction of bioactive principles from plants and their constituents, Advances in Sonochemistry, 5, Vinatoru M., Maricela T., Radu O., Filip P.I., Lazurca D., Mason T.J. (1997), The use of ultrasound for the extraction of bioactive principles from plant materials, Ultrasonics Sonochemistry, 4 (2), Walmsley A.D. (1988), Applications of ultrasound in dentistry, Ultrasound in Medicine & Biology, 14 (1), Wahlqvist M. (1997), Food and nutrition, Allen&Unwin, Sydney, 210. Warlaw G.M., Insel P.M. (1993), Perspectives in nutrition, Mosby, Phyladelphia, 107. Yachmenev V.G., Blanchard E.J., Lambert A.H. (2004), Use of ultrasonic energy for intensi.cation of the bio preparation of greige cotton, Ultrasonics, 42 (1-9), Zhao Y., Feng R., Shi Y., Hu M. (2005), Sonochemistry in China between 1997 and 2002, Ultrasonics Sonochemistry, 12 (3), Zullaikah S., Lai C., Vali S.R., Ju Y. (2005), A two-step acid-catalyzed process for the production of biodiesel from rice bran oil, Bioresource Technology, 96 (17),

61 SAŽETAK ULTRAZVUČNA EKSTRAKCIJA ULJA IZ SEMENA DUVANA (NICOTIANA TABACUM L.) TIPA OTLJA U ovom radu ispitivani su kinetika indirektne ultrazvučne ekstrakcije (maceracija potpomognuta ultrazvukom) ulja iz nativnog i samlevenog semena duvana tipa Otlja n- heksanom i petrol etrom na različitim temperaturama (25 C, 40 C i temperaturi ključanja) i pri različitim odnosima seme-rastvarač (1:3, 1:5, 1:10 g/cm 3 ) i fizičke i hemijske osobine i sastav ulja. Takoñe, ispitan je uticaj snage i frekvence na prinos i sastav ulja u direktnom ultrazvučnom ekstraktoru. Sadržaj ulja u semenu duvana je odreñen metodom po Soxhlet-u, dok su za odreñivanje fizičkih (gustina, viskoznost i indeks refrakcije) i hemijskih (jodni, kiselinski i saponifikacioni broj) osobina ulja korišćene standardne metode. Sastav ulja analiziran je gasnom hromatografijom, nakon prevoñenja u metil estre. Efektivna akustična snaga je odreñena kalorimetrijskom metodom. Na prinos ulja iz semena duvana indirektnom ultrazvučnom ekstrakcijom utiču: usitnjavanje semena, vrsta rastvarača, odnos seme-rastvarač i temperatura. Značaj ovih faktora opada u nizu: usitnjavanje semena, radna temperatura, odnos seme-rastvarač i tip rastvarača. Prinos ulja je značajno veći ako se seme samelje pre ekstrakcije (oko 10 puta), temperatura poveća, a odnos seme-rastvarač smanji. Prinos ulja iz nativnog, odnosno samlevenog semena je oko dva puta, odnosno samo za oko 7 % veći na temperaturi ključanja nego na 25 o C. Nešto veći prinos ulja postiže se n-heksanom nego petrol etrom. Efikasnost ultrazvučne ekstrakcije ulja iz samlevenog semena duvana se malo povećava u šest uzastopnih stepeni u trajanju od po 20 minuta. Povećanje efektivne akustične snage značajno utiče na prinos ulja: kada se efektivna akustična snaga poveća deset puta, prinos ulja iz samlevenog, odnosno nativnog semena povećava se za 20,2 %, odnosno 34,2 %. Povećanje frekvence ultrazvuka u opsegu od 370 do 2241 khz, pri konstantnoj efektivnoj akustičnoj snazi od 50 W, ne utiče značajno na prinos ulja. Mehanizam i kinetika ultrazvučne ekstrakcije ulja iz semena duvana se ne razlikuju od mehanizma i kinetike klasične maceracije. U početnoj fazi ispiranja, ekstrakcija ulja je brz proces zbog rastvaranja ulja sa površine semena i čestica semena duvana. Stepen ekstrakcije ulja u ovoj fazi je u granicama od 73,5 od 86,6 %. Nakon završetka ove faze, prinos ulja sporije raste sa vremenom, kao rezultat sporog procesa difuzije ulja iz unutrašnjosti semena i čestica semena duvana prema njihovoj spoljašnjoj površini. Kinetika ultrazvučne ekstrakcije ulja iz semena duvana opisana je modelom zasnovanim na nestacionarnoj difuziji i jednačinom Ponomarjeva. Parametri kinetičkih jednačina zavise od usitnjenosti semena, vrste rastvarača, odnosa seme-rastvarač i temperature. Uticaj operativnih uslova na prinos ulja i koeficijente ispiranja i spore ekstrakcije analizirani su primenom punog faktornog eksperimenta 2 4 bez ponavljanja. Ulje semena duvana sastoji se uglavnom od smeše palmitinske, stearinske, oleinske, linolne i linolenske kiseline, a najzastupljenija masna kiselina je linolna. Sa porastom temperature (od sobne do temperature ključanja rastvarača) povećava se udeo zasićenih i mono-nezasićenih, a smanjuje udeo poli-nezasićenih masnih kiselina. Pri ekstrakciji po Soxhlet-u vrsta korišćenog rastvarača nema uticaj na sastav ulja, dok se u slučaju indirektne ultrazvučne ekstrakcije primećuje neznatna razlika. Karakteristično za ulja dobijena direktnom ultrazvučnom ekstrakcijom je smanjenje udela linolne kiseline za oko 12 % pri desetostrukom povećanju snage (od 5 W na 50 W). Na ostale identifikovane masne kiseline ovo povećanje snage nema velikog uticaja. Ukupan sadržaj zasićenih masnih kiselina u ulju semena duvana pri desetostrukom povećanju snage u slučaju direktne ultrazvučne ekstrakcije povećava se za oko 5 %, dok se pod istim uslovima smanjuje udeo nezasićenih (oleinska, linolna i linolenska) masnih kiselina za oko 10 %. 55

62 SUMMARY ULTRASONIC EXTRACTION OF OIL FROM SEED OF TOBACCO (Nicotiana tabacum L.), TYPE OTLJA The ultrasonic extraction of oil from native and ground seeds of a tobacco (Nicotiana tabacum L.) plant strain (semi-oriental type Otlja), grown in south Serbia, was studied using n- hexane and petroleum ether at different temperatures (25 o C, 40 o C and boiling temperature) and seeds-to-solvent ratios (1:3, 1:5 and 1:10 w/v). The composition and physico-chemical properties of the tobacco seed oil (TSO) recovered at different process conditions was analyzed. The effects of acoustic power and frequency on the yield and composition of TSO were also studied. For the purpose of comparison, the Soxhlet extraction was also employed. Physical (density, viscosity) and chemical (iodine, acid and saponification values) properties of the oil were analyzed using standard procedures. The composition of TSO was determined by GC analysis after the fatty acids (FA) had been transformed into methyl esters. The acoustic power was measured calorimetrically. The yield of oil from the tobacco seed (TS), recovered after 60 minutes of ultrasonic extraction, depended on the comminution of the seeds, the type of solvent, the seeds-tosolvent ratio and the working temperature. The significance of the factors decreased in the following order: comminution of seeds, working temperature, seeds-to-solvent ratio and type of solvent. The importance of these factors was assessed using the full factorial experiments 2 4 without replication. Much higher oil yields were achivied if the ground TS were used for extraction. For the ground seeds, the yield of oil increased with increasing the extraction temperature and with decreasing the seeds-to-solvent ratio. n-hexane was somewhat more efficient in TSO extraction than petroleum ether, independently of the other extraction conditions. The ultrasonic extraction was less efficient in recovering the TSO than the Soxhlet extraction. The yield of oil from the ground seeds, achieved using n-hexane and the seeds-tosolvent-ratio of 1:10 w/v at the boling temperature, was 78.2 % of the oil yield obtained by the Soxhlet extraction usng n-hexane under the same working conditions. The advantage of the ultrasonic extraction was relatively high yields of TSO obtained at 25 o C using both solvents at all seeds-to-solvent ratios, oil yields from the ground seeds being abot % of those obtained at boling temperature. After six stages of the succesive ultrasonic extraction, the yield of TSO at 25 o C and boilng temperature was only 80 and 84 % of that achieved by the Soxhlet apparatus, respecively. The yield of oil increased when the acoustic power was increased, while it was independent of the acoustic frequency. The mechanism of ultrasonic extraction of TSO was shown to occur in two steps: first, washing of the oil near the seed particle surface and second, slow extraction or diffusion of oil from the seed particles to the liquid extact. The kinetics of ultrasonic extraction was described using the model of unsteady diffusion through plant material and the Ponomaryov's equation. Parameters of the kinetic equations were found to depend on the comminution of the seeds, the type of solvent, the seeds-to-solvent ratio and the working temperature. The major FA of oil recovered from the ground TSO was linoleic acid, although the other major FA (palmitic, stearic, oleic and linolenic acids) were also present. Because of its high linoleic acid percentage, the oil from the tobacco strain applied in the present study would be clasified as a linoleic oil. The total saturated and unsuturated FA compositions of TSO recovered by the ultrasonic extraction and the Soxhlet extraction were in the same ranges approximately between 11 to 19 % and 75 to 86 %, respectively. The high acid value indicated that the content of free fatty acids (FFA) in the oil was quite high (about %). Thus, one could conclude that the TSO compositon would not vary with the extraction technique and conditions employed for oil recovery. Most of the physical and chemical properties of TSO recovered by the ultrasonic extraction were similar to the properties of the TSO from other countries. 56

63 The TSO obtained from the semi-oriental tobacco plant had several drawbacks with respect to its potential use as substitute for diesel fuel or as feedstock for biodiesel production, such as the high content of unsaturated FA, the high density and viscosity as well as the high percentage of FFA. The major problem associated with its use as feedstock for biodiesel production using the alkali-catalyzed transesterification reaction was the high FFA. The acid pretreatment of the TSO could be recommended to reduce the content of FFA, enabling the subsequent alkali-catalyzed transesterification reaction for biodiesel production. Thus, TSO or its methyl/ethyl esters represents possible hope for the»healthy«uses of tobacco and the future of tobacco agriculture. 57

64 Ivana Stanisavljević Datum roñenja: Adresa: Jurija Gagarina 141/126, Beograd Telefon: Biografija RADNO ISKUSTVO Tehnološki fakultet, Leskovac Saradnik na realizaciji projekta Ministarstva nauke i zaštite životne sredine broj TR- 6742B Razvoj tehnologije sinteze biodizela Istraživač pripravnik OBRAZOVANJE Magistar tehničkih nauka Tehnološki fakultet u Leskovcu, Univerzitet u Nišu Naslov magistarske teze - Ultrazvučna ekstrakcija ulja iz semena duvana (Nicotiana tabacum L.) tipa Otlja Oblast - Hemijsko inženjerstvo Diplomirani inženjer hemijskog i biohemijskog inženjerstva Tehnološki fakultet u Leskovcu, Univerzitet u Nišu Naslov diplomskog rada - Dobijanje medovine Oblast - Biohemijsko inženjerstvo POZNAVANJE JEZIKA Engleski (napredni nivo)- Certificate of studies English language course (upper intermediate B2a), Lingua Academy, Foreign Language School, Leskovac, Serbia, RAD SA RAČUNAROM MS Office, Origin, CorelDraw, Adobe Photoshop, SigmaStat, SigmaPlot 58

65 OSTALO Član Srpskog hemijskog društva i internacionalnog društva za proučavanje lekovitog bilja i prirodnih proizvoda (Society for Medicinal Plant and Natural Product Research). STRUČNA BIBLIOGRAFIJA Rad u vodećem časopisu od meñunarodnog značaja M21: 8x1=8 Stanisavljević I.T., Lazić M.L., Veljković V.B., Ultrasonic extraction of oil from tobacco (Nicotiana tabacum L.) seeds, Ultrasonics Sonochemistry, IN PRESS. Radovi saopšteni na skupu od meñunarodnog značaja štampani u izvodu M34: 0,5x2=1 Lazić M.L., Stanisavljević I.T., Lakićević S.H., Veljković V.B. (2005), The kinetics of maceration of oil from tobacco (Nicotiana tabacum L.) seeds, 29 th International Conference on Solution Chemistry, Book of apstracts, 90 (AP 27), Avgust 21 st 25 th, 2005., Portorož, Slovenija. Stanisavljević I.T., Stamenković O.S., Lazić M.L., Veljković V.B. (2005), Ultrasonic extraction of oil from tobacco (Nicotiana tobacum L.) seeds, 1 st Congress of SEECCHE, Book of apstracts, 67 (GCEN 37), September 25-28, 2005, Belgrade, Serbia. Radovi saopšteni na skupu od nacionalnog značaja štampani u izvodu M64: 0,2x1=0,2 Stanisavljević I., Stamenković O., Lazić M., Kocić M., Veljković V. (2005), Uticaj prirode rastvarača na efektivnu snagu ultrazvuka, VI simpozijum "Savremene tehnologije i privredni razvoj" sa meñunarodnim učešćem, Zbornik izvoda radova, 269 (HI-32), Tehnološki fakultet, Leskovac, oktobar 2005, Leskovac. Magistarska teza M72: 3x1=3 Stanisavljević I. (2006), Ultrazvučna ekstrakcija ulja iz semenena duvana (Nicotiana tabacum L.) tipa Otlja, Magistarski rad, Univerzitet u Nišu, Tehnološki fakultet, Leskovac. Tehnička rešenja M84: 3x1=3 Veljković V., Lazić M., Stamenković O., Stanisavljević I., Lakićević S., (2006) Laboratorijski tehnološki postupak za dobijanje ulja iz semena duvana, ev. br od , Tehnološki fakultet, Leskovac. 59

66 PRILOG Slika 7.1 Aparatura za ekstrakciju po Soxhlet-u 60

67 Slika 7.2 Gasni hromatogram metil estara ulja semena duvana dobijenog indirektnom o ultrazvučnom ekstrakcijom petrol etrom na 25 C 61

68 Slika 7.3 Gasni hromatogram metil estara ulja semena duvana dobijenog indirektnom ultrazvučnom ekstrakcijom n-heksanom na temperaturi ključanja (69 o C) Slika 7.4 Gasni hromatogram metil estara ulja semena duvana dobijenog ekstrakcijom po Soxhlet-u n-heksanom 62

69 Slika 7.5 Gasni hromatogram metil estara ulja semena duvana dobijenog direktnom ultrazvučnom ekstrakcijom pri snazi od 5 W i frekvenci 1865 khz 63

70 Tabela 7.1 Eksperimentalni podaci za prinos ulja iz semena duvana dobijenih indirektnom ultrazvučnom ekstrakcijom nativnog semena duvana n-heksanom za date Vreme [min] uslove ekstrakcije Prinos ulja, g/100g nativnog semena Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 1:5 g/cm 3 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 5 0,311 0,466 0,852 0,389 0,488 1,017 0,489 0,570 1, ,405 0,530 0,948 0,448 0,647 1,201 0,554 0,677 1, ,488 0,653 1,117 0,525 0,738 1,334 0,618 0,787 1, ,526 0,829 1,178 0,597 0,911 1,456 0,752 0,953 1, ,638 0,933 1,345 0,721 1,029 1,566 0,822 1,194 1,696 Tabela 7.2 Eksperimentalni podaci za prinos ulja iz semena duvana dobijenih indirektnom ultrazvučnom ekstrakcijom nativnog semena duvana petrol etrom za date uslove ekstrakcije Prinos ulja, g/100g nativnog semena Vreme [min] Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 Odnos seme-rastvarač 1:5 g/cm 3 Odnos seme-rastvarač 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 5 0,278 0,386 0,815 0,314 0,471 0,883 0,461 0,488 0, ,379 0,520 0,883 0,406 0,618 1,138 0,522 0,654 1, ,441 0,563 0,985 0,499 0,649 1,261 0,588 0,754 1, ,478 0,742 1,040 0,558 0,750 1,433 0,722 0,939 1, ,600 0,830 1,167 0,675 0,896 1,475 0,770 1,038 1,651 Tabela 7.3 Eksperimentalni podaci za prinos ulja iz semena duvana dobijenih indirektnom ultrazvučnom ekstrakcijom samlevenog semena duvana n-heksanom za date uslove ekstrakcije Prinos ulja, g/100g samlevenog semena Vreme [min] Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 Odnos seme-rastvarač 1:5 g/cm 3 Odnos seme-rastvarač 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 2,5 15,1 16,2 17,0 15,7 16,8 18,7 17,4 18,1 19,5 5 16,2 17,1 19,0 16,3 18,9 19,3 18,1 19,3 20, ,7 18,0 19,8 17,7 19,9 21,1 19,8 20,2 21, ,2 18,7 21,0 19,2 20,7 22,0 20,2 21,3 22, ,6 20,8 21,2 20,1 21,5 22,5 21,9 22,6 24, ,0 22,0 22,5 21,6 22,2 23,2 22,9 23,7 24,3 Tabela 7.4 Eksperimentalni podaci za prinos ulja iz semena duvana dobijenih indirektnom ultrazvučnom ekstrakcijom samlevenog semena duvana petrol etrom za date uslove ekstrakcije Prinos ulja, g/100g samlevenog semena Vreme [min] Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 Odnos seme-rastvarač 1:5 g/cm 3 Odnos seme-rastvarač 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 2,5 14,1 14,7 14,9 15,6 15,9 17,4 16,1 17,5 18,2 5 14,8 15,0 16,8 16,3 16,8 18,3 17,6 18,2 19, ,7 16,2 18,6 17,6 18,4 19,6 18,3 19,2 20, ,0 16,8 19,3 18,0 19,6 20,6 19,0 20,8 21, ,0 18,1 19,9 19,7 20,3 21,2 20,2 21,2 22, ,3 21,7 22,1 21,2 21,7 22,3 21,5 21,9 23,0 64

71 Tabela 7.5 Vrednosti b i k za različite uslove indirektne ultrazvučne ekstrakcije (Nestacionarna difuzija) Rastvarač n-heksan; q 0 = 31,1 g/100 g samlevenog semena Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 1:5 g/cm 3 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC b 0, , , , , , , , , k 10-3, min -1 6,12 7,74 4,02 5,63 3,89 3,54 7,12 7,02 6,45 Tabela 7.6 Vrednosti b i k za različite uslove indirektne ultrazvučne ekstrakcije (Nestacionarna difuzija) Rastvarač petrol etar; q 0 = 27,8 g/100 g samlevenog semena Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 1:5 g/cm 3 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 65 ºC 25 ºC 40 ºC 65 ºC 25 ºC 40 ºC 65 ºC b 0, , , , , , , , , k 10-3, min -1 11,33 14,74 9,99 9,88 7,40 6,73 8,36 4,27 8,34 Tabela 7.7 Vrednosti b i k za različite uslove indirektne ultrazvučne ekstrakcije (Nestacionarna difuzija) Rastvarač n-heksan; q 0 = 3,1 g/100 g nativnog semena Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 1:5 g/cm 3 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC b 0, , , , , , , , ,446 k 10-3, min -1 1,48 3,04 3,05 1,98 3,29 3,52 2,14 4,84 3,3 Tabela 7.8 Vrednosti b i k za različite uslove indirektne ultrazvučne ekstrakcije (Nestacionarna difuzija) Rastvarač petrol etar; q 0 = 2,9 g/100 g nativnog semena Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 1:5 g/cm 3 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 65 ºC 25 ºC 40 ºC 65 ºC 25 ºC 40 ºC 65 ºC b 0, , , , , , , , , k 10-3, min -1 1,67 3,03 2,5 1,9 2,91 3,49 2,05 3,54 3,33 Tabela 7.9 Vrednosti b i k za različite uslove indirektne ultrazvučne ekstrakcije (Model Ponomarjeva) Rastvarač n-heksan; q 0 = 31,1 g/100 g samlevenog semena Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 1:5 g/cm 3 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC b 0, , , , , , , , ,69239 k 10-3, -1 min 2,25 2,65 1,21 1,93 1,21 0,965 2,17 1,93 1,61 65

72 Tabela 7.10 Vrednosti b i k za različite uslove indirektne ultrazvučne ekstrakcije (Model Ponomarjeva) Rastvarač petrol etar; q 0 = 27,8 g/100 g samlevenog semena Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 1:5 g/cm 3 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 65 ºC 25 ºC 40 ºC 65 ºC 25 ºC 40 ºC 65 ºC b 0,4964 0,5024 0, , , , , , ,72542 k 10-3, -1 min 3,87 4,41 2,52 2,88 1,89 1,53 2,25 0,99 1,71 Tabela 7.11 Vrednosti b i k za različite uslove indirektne ultrazvučne ekstrakcije (Model Ponomarjeva) Rastvarač n-heksan; q 0 = 3,1 g/100 g nativnog semena Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 1:5 g/cm 3 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC 25 ºC 40 ºC 69 ºC b 0, , , , , , , , ,4546 k 10-3, -1 min 1,21 2,26 1,84 1,58 2,35 1,87 1,65 3,28 1,61 Tabela 7.12 Vrednosti b i k za različite uslove indirektne ultrazvučne ekstrakcije (Model Ponomarjeva) Rastvarač petrol etar; q 0 = 2,9 g/100 g nativnog semena Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač Odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3 1:5 g/cm 3 1:10 g/cm 3 25 ºC 40 ºC 65 ºC 25 ºC 40 ºC 65 ºC 25 ºC 40 ºC 65 ºC b 0, , ,3042 0, , , , , ,47546 k 10-3, -1 min 1,37 2,23 1,57 1,51 2,13 1,84 1,57 2,44 1,53 Tabela 7.13 Prinosi ulja u višestepenoj ultrazvučnoj ekstrakciji iz samlevenog semena duvana n-heksanom (25 o C, odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3, 20 minuta) Stepen ekstrakcije Prinos ulja, g/100 g semena a Σ prinosa ulja prethodnih stepena ekstrakcije Prinos ulja u odnosu na ukupan sadržaj ulja u semenu, % I 18,03 18,03 58,0 II 3,99 22,01 70,8 III 1,42 23,43 75,4 IV 0,69 24,12 77,6 V 0,48 24,60 79,1 VI 0,30 24,90 80,1 Soxhlet 31,10 100,0 a Računato na suvu masu semena 66

73 Tabela 7.14 Prinosi ulja u višestepenoj ultrazvučnoj ekstrakciji iz samlevenog semena duvana n-heksanom (69 o C, odnos seme-rastvarač 1:3 g/cm 3, 20 minuta) Stepen ekstrakcije Prinos ulja, g/100 g semena a Σ prinosa ulja prethodnih stepena ekstrakcije Prinos ulja u odnosu na ukupan sadržaj ulja u semenu, % I 18,19 18,19 58,5 II 4,15 22,34 71,8 III 1,97 24,31 78,2 IV 0,85 25,16 80,9 V 0,63 25,80 82,9 VI 0,43 26,23 84,3 VII 0,29 26,52 85,3 Soxhlet 31,10 100,0 a Računato na suvu masu semena Tabela 7.15 Eksperimentalni podaci za prinos ulja iz semena duvana dobijenih direktnom ultrazvučnom ekstrakcijom n-heksanom pri konstantnoj frekvenci Prinos ulja, g/100 g semena Snaga, W Frekvenca, khz Samleveno seme Nativno seme 50 19,44 0, ,68 0, ,18 0,42 Tabela 7.16 Eksperimentalni podaci za prinos ulja iz semena duvana dobijenih direktnom ultrazvučnom ekstrakcijom n-heksanom pri konstantnoj snazi Frekvenca, khz Snaga, W Prinos ulja, g/100 g samlevenog semena , , ,71 67

74 Универзитет у Нишу Универзитетска библиотека Овај текст је део Дигиталног репозиторијума, јавно је доступан, и може се слободно користити за личне потребе, у образовне и научне сврхе. Ако користите текст, наведите извор. Комерцијална употреба текста није дозвољена. University of Niš University Library This text is a part of the Digital repository of public domain. Permission is granted for personal, educational and scientific use. If you do use the document, indicate the source. No permission is granted for commercial use. Септембар 2011 УБН UBN September 2011