เล่าเรื่องการสกัด ตอนที่ 1

โดย รวิศ ทัศคร

ตั้งแต่ยุคโบราณ คนเราใช้วิธีการต่าง ๆ สกัดและทำให้สารเคมีบริสุทธิ์เพื่อใช้งานหลากหลายในชีวิตประจำวัน เป็นตัวยาหรือเพื่อผลิตสารสำหรับใช้ในงานอื่น ๆ การสกัดโลหะออกจาแร่ และสกัดยาจากพืชสมุนไพรนั้น มีความเก่าแก่กว่าประวัติศาสตร์ที่คนเรามีการบันทึกเอาไว้เสียอีก

ที่จริงแล้วมนุษย์เราก็มีความรู้ความเข้าใจง่าย ๆ ด้านเคมีมานานแล้ว เชื่อหรือไม่ครับว่ามีการค้นพบโถงสำหรับใช้เป็นสถานที่แปรรูปดินเหลืองสำหรับเขียนสีบนผนังถ้ำ ที่เรียกว่าดินโอเคอร์ (ochre) ในถ้ำบลอมบอส (Blombos cave) ประเทศแอฟริกาใต้ ซึ่งมีอายุถึง 1 แสนปีมาแล้ว^[^1] และยังพบการผสมเลือดสัตว์อีกด้วย

ในช่วงยุคกลางนั้น นักเล่นแร่แปรธาตุเคยมุ่งค้นคว้าเพื่อหาศิลานักปราชญ์เพื่อเปลี่ยนโลหะเป็นทองคำและยาอายุวัฒนะ ซึ่งการทดลองเหล่านี้จะกระทำได้ก็ต้องใช้เทคนิคการแยกสาร ในยุคการปฏิวัติทางอุตสาหกรรม การแยกสารและการทำให้บริสุทธิ์มีความสำคัญขึ้นเป็นอย่างมาก ทำให้เกิดความได้เปรียบในการแข่งขันทั้งในอุตสาหกรรมการผลิตและในการทำสงคราม ดังเช่นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง ซึ่งทั้งฝั่งสหรัฐอเมริกากับเยอรมนี รวมถึงญี่ปุ่น ต่างพยายามพัฒนาโครงการนิวเคลียร์ของตนเอง แต่เป็นสหรัฐฯ ที่ทำสำเร็จในการแยกยูเรเนียม 235 ออกจากยูเรเนียม 238 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขณะที่อีกสองชาติยังทำได้เพียงในห้องทดลองเท่านั้น จึงขาดแคลนวัตถุดิบที่เพียงพอในการพัฒนาอาวุธดังกล่าว

การสกัดและการแยกสิ่งของออกจากกันจึงมีความสำคัญในอุตสาหกรรมหลายประเภท เช่น อุตสาหกรรมอาหารและยาใช้กระบวนการสกัดทำสารเพื่อใช้งาน รวมถึงแยกตัวยาให้บริสุทธิ์ หรืออุตสาหกรรมปิโตรเลียมที่แยกน้ำมันดิบออกมาเป็นองค์ประกอบต่าง ๆ ทั้งสารตั้งต้นสำหรับอุตสาหกรรมพลาสติก สารหล่อลื่น รวมถึงเชื้อเพลิงเกรดต่าง ๆ กันอีกด้วย

ปัจจุบันเทคนิควิธีในการสกัดพัฒนาไปมาก มีเทคนิคการสกัดแบบต่าง ๆ มากมาย อาทิ การสกัดของเหลว-ของเหลว (liquid–liquid extraction) การสกัดสารด้วยตัวดูดซับของแข็ง (solid-phase extraction) การสกัดด้วยปฏิกิริยากรด-เบส (acid-base extraction) การสกัดด้วยตัวทำละลายเหนือวิกฤต (supercritical fluid extraction) การสกัดด้วยน้ำกึ่งวิกฤต (subcritical water extraction) การสกัดโดยใช้คลื่นเสียงความถี่สูงช่วยในการสกัด (ultrasound-assisted extraction) การสกัดแบบไหลย้อนกลับโดยใช้ความร้อน (heat reflux extraction) สกัดโดยอาศัยการทำปฏิกิริยาเคมีเชิงกลช่วยในการสกัด(mechanochemical-assisted extraction) การสกัดแบบแช่หมัก (maceration) การสกัดโดยใช้คลื่นไมโครเวฟช่วยการสกัด (microwave-assisted extraction) การสกัดแบบ Instant controlled pressure drop extraction (DIC, from the French, Détente instantanée contrôlée) การสกัดแบบเพอร์สแทรกชันผ่านเยื่อเมมเบรน (perstraction)

การสกัดแบบซอกห์เลตคืออะไร

การสกัดด้วยเครื่องซอกห์เลต (soxhlet extraction) หรือการสกัดแบบซอกห์เลตนั้น เป็นวิธีที่ใช้ตัวทำละลายจุดเดือดต่ำมาสกัดเอาสารอินทรีย์ออกจากวัตถุดิบที่มีโครงร่างเป็นของแข็ง (solid matrix) การสกัดด้วยวิธีนี้ตั้งชื่อตามผู้คิดค้นวิธีนี้ขึ้นมา นั่นคือ ฟรานซ์ ริตเตอร์ ฟอน ซอกห์เลต (Franz Ritter von Soxhlet) (พ.ศ. 2391–2469) เขาเป็นนักเคมีชาวเยอรมันผู้ทำงานในหัวข้อเกี่ยวกับเคมีของนม และได้พัฒนากระบวนการขึ้นมาในปี พ.ศ. 2422 เพื่อใช้เป็นแนวทางในการแยกไขมันออกจากส่วนของแข็งในนม เนื่องจากวิธีนี้มีความเกี่ยวข้องกับงานด้านอาหาร พลาสติก และน้ำมัน จึงเป็นวิธีที่ใช้กันแพร่หลายในงานด้านเคมี ชีวเคมี และอุตสาหกรรมต่าง ๆ เราจะเห็นอุปกรณ์ชนิดนี้ในห้องปฏิบัติการเสมอ จนกระทั่งหลังปี พ.ศ. 2523 จึงเริ่มพัฒนาเป็นระบบสกัดซอกห์เลตแบบอัตโนมัติขึ้นมา

การสกัดซอกห์เลตแบบดั้งเดิมจะต้องใช้ชิ้นส่วนเครื่องแก้วที่เรียกว่า Soxhlet’s extraction tube ซึ่งเป็นท่อสกัดที่เปิดทั้งด้านบนและด้านล่าง มีส่วนแขนสองด้าน เมื่อจะสกัดต้องประกอบเข้าด้วยกันกับเครื่องแก้วอีกสามชิ้น ได้แก่ 1) คอนเดนเซอร์ (condenser) 2) ทิมเบิล (porous thimble เป็นหลอดซึ่งใช้บรรจุตัวอย่างของแข็งที่ต้องการสกัดสารออก) ที่ใส่ไว้ในส่วนล่างของท่อสกัด และ 3) ขวด (flask) ที่เอาไว้ต้มซึ่งวางไว้ด้านล่างเครื่องสกัด จนกลายเป็นชุดสกัดที่สมบูรณ์ดังรูป

เครื่องทำงานด้วยหลักการง่าย ๆ คือ ตัวทำละลายจะถูกต้มจนไอของมันลอยขึ้นมาในแขนของท่อสกัดและควบแน่นด้วยคอนเดนเซอร์ หยดลงไปบนของแข็งในทิมเบิลไปละลายเอาน้ำมันหรือสารต่าง ๆ ที่ต้องการสกัดออกมาจากตัวอย่าง ซึ่งหลังจากค่อย ๆ สะสมตัวที่ก้นของท่อสกัดจนเพียงพอแล้ว ตัวทำละลายที่มีสารที่ต้องการสกัดปะปนอยู่ก็จะล้นและเกิดกาลักน้ำขึ้นที่แขนอีกข้างของท่อสกัดกลับเข้าไปในขวด เมื่อต้มต่อไปให้เดือด ตัวทำละลายก็จะระเหยขึ้นไปกลั่นตัวที่คอนเดนเซอร์กลับมาหยดลงบนตัวอย่างของแข็งในทิมเบิลไปเรื่อย ๆ จนกว่าผู้ทดลองจะตัดสินใจสิ้นสุดการสกัด โดยดูจากสีของตัวทำละลายในทิมเบิลว่าใสแล้ว ในขั้นต่อมาของเหลวในขวดที่ประกอบด้วยตัวทำละลายและสารที่สกัดได้ จะนำไปใส่ในเครื่องระเหย (rotary evaporator) เพื่อระเหยเอาตัวทำละลายออก เหลือแต่สารที่สกัดได้

เครื่องสกัดเย็นของผู้เขียน สำหรับใช้ในห้องปฏิบัติการ

การสกัดเย็น (cold pressed) คืออะไร

การสกัดเย็นหรือการสกัดด้วยวิธีการบีบเย็นเป็นการสกัดโดยใช้เครื่องบีบอัดแบบเกลียว (screw press) ใช้แรงเชิงกลทำการบีบอัด คั้นวัสดุที่ต้องการแยกเอาของเหลว ซึ่งส่วนมากเป็นพวกที่มีวัฏภาคน้ำมันเป็นองค์ประกอบออกมาจากของที่ต้องการสกัด ซึ่งในอุตสาหกรรมอาหารอาจจะเป็นเมล็ดพืชหรือชิ้นส่วนต่าง ๆ ของต้นพืช เช่น ใบ หัว ผล ดอก นอกเหนือจากการบีบอัดด้วยเครื่องบีบอัดแบบเกลียวแล้วก็อาจใช้วิธีการหมุนเหวี่ยง (centrifugal process) เพื่อแยกได้อีกวิธีหนึ่ง วิธีนี้ส่วนที่คั้นได้จะพักไว้เพื่อกรองแยกตะกอนละเอียดออกจากส่วนของเหลวที่ต้องการอีกครั้ง ของที่สกัดได้ซึ่งส่วนมากเป็นน้ำมัน จะมีกลิ่นรส สารสำคัญต่าง ๆ คงอยู่ตามธรรมชาติ เนื่องจากไม่ได้ผ่านความร้อนจึงไม่เกิดการสลายตัวไปมาก กระบวนการสกัดแบบนี้ทำได้ง่าย ไม่ซับซ้อน ประกอบกับของที่ได้มีคุณภาพดี ปัจจุบันจึงมีผู้ประกอบการรายย่อยนำไปใช้งานอย่างแพร่หลาย

การสกัดด้วยตัวทำละลายเหนือวิกฤต

ในอุตสาหกรรมอาหารและยา รวมถึงอุตสาหกรรมอื่น ๆ นำการสกัดด้วยตัวทำละลายเหนือวิกฤต (supercritical fluid extraction: SFE) ไปใช้งาน วิธีการนี้ใช้กระบวนการบีบอัดภายใต้ความดันและควบคุมอุณหภูมิ เพื่อให้ตัวทำละลายอยู่ในสภาวะที่เรียกว่า ของไหลเหนือวิกฤต ดังแสดงในรูป ซึ่งของไหลที่อยู่ในสภาวะนี้ทำละลายสารที่ต้องการสกัดได้เช่นเดียวกับของเหลว แต่ก็มีสมบัติการซึมผ่านของแข็งที่มีรูพรุนได้ยอดเยี่ยมเช่นเดียวกับก๊าซ กระบวนการนี้จึงใช้ตัวทำละลายในสภาวะนี้บังคับให้ไหลผ่านวัตถุดิบที่ต้องการสกัดสารออกมา ก่อนจะแยกตัวทำละลายเป็นก๊าซหลังจากที่ไปทำละลายสกัดสารที่ต้องการออกมาเสร็จแล้ว

อันที่จริงแล้วมีตัวทำละลายหลากหลายชนิดที่มีการศึกษาว่านำมาใช้ทำกระบวนการสกัดแบบ SFE ได้ เช่น โพรเพน เอทิลีน ไนตรัสออกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ ซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ แอมโมเนีย น้ำ เอทานอล เมทานอล โดยสภาวะที่ตัวทำละลายเหล่านี้ต้องการในการทำให้เป็นสภาวะเหนือวิกฤตแสดงไว้ในตารางที่ 1 ซึ่งจากข้อมูลเบื้องต้น เราจะเห็นว่าหลาย ๆ ชนิดอาจต้องการอุณหภูมิและความดันที่สูงมาก อย่างเช่น น้ำ ก็อาจมีฤทธิ์ในการกัดกร่อนเพิ่มขึ้น (ปัจจุบันพัฒนาเป็นการสกัดด้วยน้ำที่สภาวะใต้วิกฤตแทน) นอกจากนี้บางชนิดแม้จะเหมาะต่อกาสกัดสารที่มีขั้วสูง แต่ก็ไวไฟ เช่น ไนตรัสออกไซด์ อาจก่อให้เกิดการระเบิด จึงต้องออกแบบเครื่องมือที่มีความปลอดภัยต่อการใช้งานและใช้เท่าที่จำเป็นเท่านั้น

จากที่ผ่านมาจนถึงปัจจุบัน ปรากฏว่าคาร์บอนไดออกไซด์ได้รับความนิยมใช้เป็นตัวทำละลายในกระบวนการ SFE มาขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น เมื่ออยู่ในสภาวะเหนือวิกฤตที่อุณหภูมิมากกว่า 31 องศาเซลเซียส และความดันมากกว่า 73.9 บาร์ จะเป็นของไหลที่มีคุณสมบัติคล้ายทั้งก๊าซและของเหลว คือขยายตัวได้ง่ายจนเต็มภาชนะบรรจุและแทรกซึมเข้าไปทุกส่วนของวัสดุที่ต้องการสกัดได้ง่าย รวมถึงละลายของแข็งและของเหลวได้ดี ไม่ติดไฟ ไม่ทำปฏิกิริยากับสารอื่น ไม่เป็นพิษต่อการสัมผัส และยังไล่ให้ออกจากผลิตภัณฑ์สารที่สกัดออกมาได้ง่าย จึงไม่ตกค้าง อย่างไรก็ตามคาร์บอนไดออกไซด์ยังมีข้อเสียคือใช้สกัดสารประกอบที่มีขั้วได้น้อย แต่ก็ใส่เอทานอลหรือเมทานอลเข้าไปผสมในฐานะสารดัดแปร (modifier) ได้ เพื่อปรับความมีขั้วให้เหมาะสม แต่จะต้องมีการทดลองเพื่อปรับสัดส่วนให้เหมาะสมสำหรับสารแต่ละตัวที่ต้องการสกัด ผู้สนใจไปค้นหาแหล่งข้อมูลเพิ่มเติมได้ว่าสารแต่ละชนิดใช้สัดส่วนเท่าใดบ้าง จากการศึกษาวิจัยกรณีต่าง ๆ ที่มีคนศึกษาไว้จำนวนมาก โดยความเข้มข้นของสารดัดแปร อุณหภูมิ ความดัน และเวลาที่ใช้สกัดจะส่งผลโดยตรงกับปริมาณสารที่สกัดได้ (yield)

เทคนิคด้านกายภาพต่าง ๆ ที่ช่วยให้การสกัดทำได้มากขึ้น

ในแง่ของการสกัดเอาสารต่าง ๆ ออกจากวัสดุชีวภาพและอาหารนั้น ยังมีกระบวนการที่ใช้ช่วยทำให้ประสิทธิภาพการสกัดดีขึ้น ได้แก่ การใช้กระแสไฟฟ้าแบบพัลส์ (PEF assisted extraction) การให้ความร้อนแบบโอห์มิก (Ohmic heating assisted extraction) การปล่อยไฟฟ้าความต่างศักย์สูง (high-voltage electrical discharge assisted extraction) การใช้คลื่นเสียงความถี่สูง (ultrasound assisted extraction: UAE) การใช้ไมโครเวฟ (microwave assisted extraction: MAE) และการใช้วิธีเหล่านี้ร่วมกันเพื่อช่วยให้การสกัดเกิดดีขึ้น

สำหรับวิธีช่วยให้ประสิทธิภาพในการสกัดสารออกจากวัสดุชีวภาพวิธีต่าง ๆ ที่กล่าวมา ในบทความตอนนี้เราจะกล่าวถึงวิธีแรกก่อน จากนั้นในตอนหน้าจะกล่าวถึงวิธีต่อ ๆ ไปกันครับ

สำหรับวิธีแรกคือ การใช้กระแสไฟฟ้าแบบพัลส์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการสกัด (PEF assisted extraction) นั้น จะใช้วิธีการปล่อยกระแสไฟฟ้าความต่างศักย์สูงเป็นสนามแบบพัลส์ ซึ่งปิดเปิดเป็นจังหวะสั้น ๆ ผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุ เมื่อนำเอาอาหารหรือวัสดุชีวภาพเข้าไปผ่านสนามไฟฟ้าแล้ว พบว่าประสิทธิภาพในกระบวนการอบแห้ง การบีบอัด การสกัด และการแพร่ จะดีขึ้น นอกจากนี้ยังนำไปใช้กับกระบวนการที่อาศัยการแพร่ของสารและการอบแห้งตัวอย่างวัสดุชีวภาพที่อุณภูมิต่ำได้ด้วย^[7]

วิธีนี้มีที่มาจากการค้นพบปรากฏการณ์อิเล็กโทรพอเรชัน (electroporation หรือ electropermeabilization) ในช่วงยุคทศวรรษที่ 60-70 ซึ่งพบว่าเมื่อมีศักย์ไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มเซลล์เพียงพอจะทำให้เสถียรภาพของเยื่อหุ้มเซลล์เสียไป ก่อให้เกิดการยอมให้ซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์เพิ่มขึ้น เพราะโดยปกติแล้วเยื่อหุ้มเซลล์ที่ห่อหุ้มเซลล์อยู่จะป้องกันไม่ให้มีการแลกเปลี่ยนตัวกลางภายในและภายนอกเซลล์ได้ง่าย ๆ การใส่สนามไฟฟ้าเข้าไปจะไปเหนี่ยวนำให้เกิดรูพรุนภายในเยื่อหุ้มเซลล์

เคยมีผู้สรุปรวบรวมงานต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการใช้ PEF ในงานด้านต่าง ๆ ในอุตสาหกรรมอาหารเอาไว้^[8] โดยมีข้อมูลว่าความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ต้องใช้เพื่อให้เกิดอิเล็กโทรพอเรชันจะขึ้นกับขนาดของเซลล์ที่นำมาเข้าเครื่อง โดยจะมีค่าความเข้มสนามระดับที่เริ่มทำให้เกิดรู (threshold value) อยู่ที่ 100–500 V/cm สำหรับเนื้อเยื่อที่มีเซลล์ขนาดใหญ่ (30–60 ไมครอน) และ > 3000–10000 V/cm สำหรับเซลล์ของจุลินทรีย์ที่มีขนาดเล็ก (1–10 ไมครอน) ซึ่งรูพรุนที่เกิดขึ้นนี้อาจมีสภาพทำให้เยื่อหุ้มเซลล์เสียหายอย่างถาวร หรือรูอาจเกิดการปิดตัวจนเยื่อหุ้มเซลล์คืนสภาพกลับมาใหม่ ทั้งนี้ขึ้นกับเงื่อนไขสภาวะผ่านการปรับสภาพด้วย PEF เช่น เวลาที่ให้เซลล์เนื้อเยื่อสัมผัสกับสนามไฟฟ้า สำหรับการช่วยในการสกัดอาจนำมาใช้กับกระบวนการสกัดโดยอาศัยกระบวนการแพร่ เช่น การสกัดน้ำตาลจากบีตรูต (ความเข้มสนาม 670 V/cm เวลาต่อพัลส์ 0.025 วินาที และใช้พลังงาน 5–6 kJ/kg) หรือการสกัดบีตาแคโรทีนจากแคร์รอต

นอกจากนี้ยังอาจใช้ช่วยสกัดของเหลวหรือน้ำผลไม้จากเนื้อเยื่อผักผลไม้ด้วยแรงเชิงกล โดยผ่านสนามไฟฟ้าแรงสูงแบบพัลส์ ก่อนการนำไปบีบหรือคั้นน้ำออกจากผักผลไม้อีกด้วย ดังรูป

สำหรับวิธีอื่น ๆ ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการสกัด เราจะมากล่าวถึงกันในบทความตอนต่อไปนะครับ

แหล่งข้อมูล

https://www.nature.com/articles/news.2011.590
https://en.wikipedia.org/wiki/Extraction_(chemistry)
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2123171119
https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_chemistry
https://www.britannica.com/science/separation-and-purification#ref619543
King JW, France JE. Basic principles of analytical supercritical fluid extraction. In: Wenclawiak B, editor. Analysis with supercritical fluids: Extraction and chromatography. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 214.
Lebovka, Nikolai, Eugene Vorobiev, and Farid Chemat, eds. Enhancing extraction processes in the food industry. Boca Raton: Crc Press, 2012.
Barba, Francisco J., et al. “Current applications and new opportunities for the use of pulsed electric fields in food science and industry.” Food research international 77 (2015): 773-798.