Τι είναι η εξαγωγή;

Αφού γράψετε για να φτιάξετε τα δικά σας εκχυλίσματα (βανίλια &πορτοκάλι/λεμόνι) και πώς να τα χρησιμοποιήσετε, ήρθε η ώρα να αρχίσουμε να μιλάμε για πιο σκληρή επιστήμη. Τι είναι η εξόρυξη από τη σκοπιά του χημικού; Και υπάρχει κάτι που μπορούμε να υπολογίσουμε εδώ;

Το να σας κάνω να ενδιαφέρεστε για την επιστήμη των τροφίμων είναι ένας από τους στόχους του ιστολογίου μου. Γι' αυτό προσπαθώ να γράφω αναρτήσεις σε διαφορετικά επίπεδα, εξ ου και οι προηγούμενες δημοσιεύσεις σχετικά με τη δημιουργία και τη χρήση αποσπασμάτων. Αυτή η πιο εμπεριστατωμένη ανάρτηση είναι για όσους είναι έτοιμοι για ένα επόμενο βήμα στην επιστήμη των τροφίμων!

Πότε χρησιμοποιούμε την εξαγωγή;

Φανταστείτε ότι έχετε ένα πορτοκάλι και θα θέλατε να χρησιμοποιήσετε τα γευστικά συστατικά στο ξύσμα αυτού του πορτοκαλιού. Ωστόσο, δεν θέλετε να τα χρησιμοποιήσετε μόνο σήμερα. Αντίθετα, θα θέλατε να χρησιμοποιήσετε μερικά τώρα και τα υπόλοιπα μερικές εβδομάδες αργότερα. Αυτό το πορτοκάλι δεν θα κρατήσει τόσο πολύ όμως. Θα μπορούσατε να αγοράζετε ένα νέο πορτοκάλι κάθε φορά που το χρειάζεστε, αλλά μπορείτε επίσης να προσπαθήσετε να αφαιρέσετε τα γευστικά συστατικά και να τα αποθηκεύσετε. Ενώ ένα πορτοκάλι μπορεί να χαλάσει, αυτά τα «εξαγόμενα» γευστικά συστατικά δεν θα χαλάσουν.

Αυτή είναι η στιγμή που θα χρησιμοποιούσατε την εξαγωγή. Το τσάι είναι ένα άλλο παράδειγμα εκχύλισης. Εξάγετε τις γεύσεις και τα άλλα συστατικά του τσαγιού από τα φύλλα τσαγιού όταν φτιάχνετε τσάι. Δεν πίνετε τα ίδια τα φύλλα τσαγιού, αλλά εξακολουθείτε να γεύεστε το τσάι!

Τι είναι η εξαγωγή;

Η εξαγωγή είναι ένα παράδειγμα τεχνικής διαχωρισμού. Μπορεί να χωρίσει δύο στοιχεία, να τα χωρίσει.

Φανταστείτε ότι έχετε ένα μείγμα συστατικών Α και Β (για παράδειγμα ξύσμα πορτοκαλιού (Α) με γεύσεις μέσα (Β) ή ένα λοβό βανίλιας (Β) με άρωμα βανίλιας (Α)). Θα θέλαμε να βγάλουμε το Β από το Α. Ωστόσο, το Α και το Β αναμειγνύονται πολύ καλά, δεν μπορούμε να περιμένουμε να κατασταλάξει το Β ή να περιμένουμε να εξατμιστεί το Α. Στην εκχύλιση το Β αφαιρείται από το Α προσθέτοντας ένα τρίτο συστατικό C (το ρούμι στην περίπτωση των εκχυλισμάτων πορτοκαλιού και βανίλιας). Αυτό το τρίτο συστατικό θα «τραβήξει» το B από το A.

Ο λόγος που αυτό λειτουργεί είναι ότι το Β διαλύεται (καλύτερα) στο C ενώ μπορεί να μην διαλύεται στο Α ή πολύ χειρότερα. Ας το εφαρμόσουμε ξανά στο πορτοκάλι:τα μόρια γεύσης θα διαλυθούν καλά στο ρούμι (οινόπνευμα) στο οποίο είναι στρωμένο το ξύσμα πορτοκαλιού. Ως αποτέλεσμα, θα κάτσουν στο ρούμι και θα αφήσουν το ίδιο το ξύσμα.

Πότε να χρησιμοποιηθεί η εξαγωγή;

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές τεχνικές διαχωρισμού. Ορισμένες τεχνικές (όπως η απόσταξη) χρησιμοποιούν θερμότητα για να διαχωρίσουν δύο συστατικά. Λόγω της θερμότητας, ένα από τα συστατικά θα εξατμιστεί, ενώ το άλλο θα παραμείνει πίσω.

Ωστόσο, εάν τα εξαρτήματά σας είναι ευαίσθητα στη θερμότητα, η απόσταξη δεν είναι κατάλληλη. Σε πολλές από αυτές τις περιπτώσεις η εξαγωγή είναι μια καλή εναλλακτική. Δεδομένου ότι πολλά συστατικά τροφίμων (ιδιαίτερα οι γεύσεις) είναι ευαίσθητα στη θερμότητα, η εκχύλιση χρησιμοποιείται αρκετά συχνά στη βιομηχανία τροφίμων. Για να λειτουργήσει η εκχύλιση, θα πρέπει να έχετε διαθέσιμο ένα συστατικό που είναι καλό στο να «τραβάει» τα μόρια που αναζητάτε.

Τύποι εξαγωγής

Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι εκχύλισης, οι δύο κύριοι είναι η υγρή-υγρή και η υγρή-στερεή εκχύλιση.

Στην εκχύλιση υγρού-υγρού το συστατικό που θέλετε να μεταφέρετε (ονομάζεται εδώ διαλυμένη ουσία και ονομάζεται Β στην προηγούμενη εξήγηση) βρίσκεται σε ένα υγρό (Α). Το Β πρέπει να εκχυλιστεί σε άλλο υγρό (C). Κατά την εκχύλιση, η διαλυμένη ουσία ταξιδεύει από υγρό σε υγρό. Αυτό που είναι πολύ σημαντικό στην εκχύλιση υγρού-υγρού είναι ότι τα δύο υγρά δεν διαλύονται το ένα στο άλλο. Εάν τα υγρά διαλύονταν το ένα στο άλλο, δεν θα μπορούν να διασπαστούν ξανά. Με άλλα λόγια, θα καταλήξετε με ένα μείγμα 3 συστατικών αντί να τα χωρίσετε περαιτέρω.

Όπως μπορείτε να μαντέψετε από το όνομα, στην εκχύλιση υγρού-στερεού η διαλυμένη ουσία θα πρέπει να ταξιδέψει από ένα στερεό σε ένα υγρό (ή το αντίστροφο). Και οι δύο διαδικασίες χρησιμοποιούνται στα τρόφιμα, αλλά θα επικεντρωθούμε στην εκχύλιση υγρού-υγρού, καθώς μπορεί να απλοποιηθεί λίγο πιο εύκολα.

Θεωρία εξαγωγής υγρού-υγρού

Η εκχύλιση υγρού-υγρού δεν χρησιμοποιείται μόνο στα τρόφιμα. Είναι ένα πολύ μεγάλο θέμα στην αναλυτική χημεία. Οι αναλυτικοί χημικοί συχνά χρησιμοποιούν εκχύλιση για να απομονώσουν ή να συμπυκνώσουν ένα συστατικό, ώστε να είναι ευκολότερο να αναλυθεί από αυτούς. Υπάρχουν πολλές διαθέσιμες θεωρίες σχετικά με την εκχύλιση υγρού-υγρού, επομένως θα εμβαθύνουμε στο θέμα.

Είναι πιο εύκολο να εξηγήσετε την εξαγωγή στο πιο απλό σύστημα, χρησιμοποιώντας πάλι την ίδια κωδικοποίηση και την εικόνα που φαίνεται παρακάτω:

• Υγρό Α
• Υγρό Β (δεν διαλύεται στο Α και δεν αναμιγνύεται)
• Διάλυμα S (αστέρια στις παρακάτω εικόνες)

Συντελεστής κατανομής

Όπως μπορείτε να δείτε στην παραπάνω εικόνα, αυτή η διαδικασία εξαγωγής δεν ήταν πολύ αποτελεσματική. Μόνο τα μισά αστέρια στην πραγματικότητα μετακινήθηκαν από το Α στο Β! Θα προτιμούσαμε όμως περισσότερο από το μισό να μετακινηθεί.

Η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας S που θα μετακινηθεί στην άλλη φάση μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας τον συντελεστή κατανομής (Κ). Το K περιγράφει την αναλογία της συγκέντρωσης του S στο A έναντι του B στο τέλος της εκχύλισης:

K ≈ [Συγκέντρωση S στο B] / [Συγκέντρωση S στο A] ή [S]_B / [S]_A

Στο παράδειγμα που φαίνεται παραπάνω, η συγκέντρωση του S είναι ίση και στο Α και στο Β στο τέλος της διαδικασίας εκχύλισης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια τιμή K 1. Στο παρακάτω παράδειγμα μπορείτε να δείτε διαφορετικές τιμές του K που αντιπροσωπεύονται.

Δεδομένου ότι θέλουμε να εξαγάγουμε όσο το δυνατόν περισσότερο S από το A, αναζητούμε ένα B που έχει πολύ υψηλή τιμή K κατά την εξαγωγή από το A. Κάθε συνδυασμός διαλυτών και διαλυμένης ουσίας έχει διαφορετικό K και επηρεάζεται και από τα τρία συστατικά. Γενικά, όσο πιο όμοια είναι τα Α και Β, τόσο πιο κοντά είναι η τιμή του Κ στο ένα, καθώς η διαλυμένη ουσία δεν θα δει τη διαφορά.

Συντελεστής κατανομής και χρόνος

Ο συντελεστής κατανομής περιγράφει μια λεγόμενη «ισορροπία». Με άλλα λόγια, αυτή είναι η τελική κατάσταση στην οποία θα φτάσει το μείγμα με την πάροδο του χρόνου. Ωστόσο, μπορεί να χρειαστεί λίγος χρόνος για να φτάσετε εκεί.

Η επιτάχυνση της εξαγωγής με ανακίνηση, για παράδειγμα, δεν επηρεάζει τον συντελεστή κατανομής. Στο τέλος η αναλογία των συγκεντρώσεων θα είναι η ίδια.

Συντελεστής κατανομής και pH

Τούτου λεχθέντος, ο συντελεστής κατανομής μπορεί να επηρεαστεί από άλλους παράγοντες, όπως η τιμή pH (οξύτητα). Σε διαφορετικό pH η διαλυμένη ουσία μπορεί να προτιμά να καθίσει σε άλλο διαλύτη.

Επιλογή διαλυτών στην υγρή εκχύλιση

Για να πετύχει η εκχύλιση υγρού-υγρού, είναι σημαντικό οι διαλύτες να επιλέγονται σωστά. Όπως συζητήσαμε προηγουμένως, οι διαλύτες Α και Β δεν πρέπει να αναμειγνύονται καλά, ούτε να διαλύονται ο ένας στον άλλο. Αντίθετα, θα πρέπει να διαχωρίζονται εύκολα.

Επίσης, πρέπει να βεβαιωθείτε ότι η τιμή K για τη διεργασία σας είναι κατάλληλη. Βεβαιωθείτε ότι η διαλυμένη ουσία προτιμά πραγματικά να καθίσει στο διαλύτη που χρησιμοποιείτε για να την εκχυλίσετε.

Εκχύλιση στερεού-υγρού

Για την εκχύλιση στερεού υγρού οι αρχές εκχύλισης είναι οι ίδιες. Η διαλυμένη ουσία που προσπαθείτε να εξαγάγετε, θα προτιμήσει να καθίσει στο άλλο συστατικό. Ωστόσο, σε αυτήν την περίπτωση δεν μπορείτε να ανακινήσετε τα δύο συστατικά, δεν θα αναμειχθούν.

Έτσι, αντί να κουνάτε γενικά θα προσπαθήσετε να κόψετε τη στερεά φάση σε μικρότερα κομμάτια. Οι μικρότερες επιφάνειες έχουν ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη επιφάνεια στην οποία μπορεί να ταξιδέψει η διαλυμένη ουσία.

Εξαγωγή και τροφή

Στην αναλυτική χημεία ένας χημικός μπορεί να αναζητά ένα πολύ συγκεκριμένο μόριο για εξαγωγή. Επιλέγοντας τους κατάλληλους διαλύτες, συγκεντρώσεις και χρόνο θα μπορέσουν να εξάγουν το μόριο. Αυτό μπορεί να χρειαστούν αρκετές εξαγωγές στη σειρά. Εάν αφαιρείτε το 60% με κάθε εξαγωγή, θα συνεχίσετε να εξάγετε μόρια, αλλά θα χρειαστεί λίγος χρόνος για να εξαγάγετε το 95%.

Στο φαγητό τα πράγματα είναι ακόμα πιο περίπλοκα. Υπάρχουν συχνά πολλά διαφορετικά μόρια που θα θέλατε να εξαγάγετε (σκεφτείτε το τσάι και τη βανίλια για παράδειγμα). Καθένα από αυτά θα έχει διαφορετική διαλυτότητα στα υγρά και τα στερεά που χρησιμοποιείτε. Ενώ ένα συστατικό μπορεί να εξαχθεί πολύ εύκολα, σε άλλα, αυτό μπορεί να διαρκέσει πολύ περισσότερο ή ίσως και να μην εξαχθεί ποτέ πλήρως.

Ένα άλλο θέμα είναι η σχετικά περιορισμένη επιλογή διαλυτών για εκχύλιση. Οι διαλύτες τείνουν να πρέπει να είναι κατάλληλοι για τρόφιμα, δηλαδή κατάλληλοι για ανθρώπινη κατανάλωση. Αυτό περιορίζει το ευρύ ντουλάπι από το οποίο πρέπει να επιλέξουν οι αναλυτικοί χημικοί.

Εφαρμογή των γνώσεών σας

Τώρα που ξέρετε τι είναι η εξαγωγή, μπορείτε να ξεκινήσετε την εξαγωγή μόνοι σας! Δοκιμάστε να φτιάξετε εκχύλισμα βανίλιας ή από ξύσμα πορτοκαλιού. Αναρωτιέστε γιατί ξύσμα πορτοκαλιού και όχι χυμό πορτοκαλιού;

Καλή τύχη! Και, αν υπάρχουν ερωτήσεις, ενημερώστε με :-)!