الكيمياء النباتية والمعالجة بالموجات فوق الصوتية: استخلاص المركبات النباتية النشطة حيويًا بكفاءة عالية باستخدام الموجات فوق الصوتية

الكيمياء النباتية هي علم المركبات الكيميائية المشتقة من النباتات – من البوليفينولات والفلافونويدات والقلويدات إلى التربينات والصابونينات والغليكوسيدات والأصباغ ومضادات الأكسدة ومكونات الزيوت العطرية. وتُعد هذه المركبات الكيميائية النباتية ذات قيمة في المستحضرات الغذائية العلاجية والمستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل والمكونات الغذائية والملونات الطبيعية والعطور والمستخلصات العشبية والبحوث التحليلية.

طوّر استخلاص المركبات الكيميائية النباتية باستخدام أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية

استخلص المزيد من المركبات النشطة حيويًا في وقت أقل
تُكثّف أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري الاستخلاص النباتي عن طريق تمزيق الخلايا النباتية وتسريع انتقال الكتلة. ويتيح ذلك استخلاص المركبات الكيميائية النباتية بمردود مرتفع من الأعشاب والجذور والأوراق والأزهار والثمار والبذور واللحاء والطحالب وغيرها من المواد النباتية.

 
لماذا تختار أنظمة Hielscher للاستخلاص بالموجات فوق الصوتية

• مردود استخلاص أعلى: استرجع المزيد من المركبات المستهدفة من المادة الخام النباتية نفسها.
• أوقات معالجة أقصر: استبدل خطوات النقع الطويلة أو الاستخلاص الذي يعتمد بكثافة على الحرارة بمعالجة سريعة بالموجات فوق الصوتية.
• استخلاص لطيف وغير حراري: حافظ على المركبات الكيميائية النباتية الحساسة للحرارة، مثل البوليفينولات والتربينات والأنثوسيانينات والفيتامينات ومضادات الأكسدة.
• مرونة في اختيار المذيبات: استخدم الماء أو الإيثانول أو مخاليط الماء والإيثانول أو الغليسرين أو الزيوت أو المذيبات اليوتكتيكية العميقة أو غيرها من أوساط الاستخلاص المناسبة.
• تحكم دقيق في العملية: اضبط السعة والقدرة والطاقة المدخلة والوقت ودرجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق.
• توسيع خطي لنطاق العملية: طوّر معلمات الاستخلاص في المختبر وانقلها إلى الإنتاج التجريبي والصناعي.
• التشغيل على دفعات وضمن خط الإنتاج: اختر المعالجة بالموجات فوق الصوتية على مقياس الكأس المخبري، أو المعالجة في خزان مزود بالتقليب، أو الاستخلاص المستمر بالتدفق عبر النظام.
• تصميم صناعي متين: صُممت أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لتناسب بيئات الإنتاج الشاقة، ولتتيح تشغيلًا قابلًا للتكرار ودمجًا سهلًا.

المعالجة بالموجات فوق الصوتية لاستخلاص أسرع وأنظف وأكثر اكتمالًا للمركبات الكيميائية النباتية

لاستخدام المركبات الكيميائية النباتية في التركيبات أو الاختبارات أو المنتجات التجارية، يجب أولًا تحريرها من المصفوفة النباتية. وهنا أصبحت المعالجة بالموجات فوق الصوتية إحدى أكثر تقنيات الاستخلاص فعالية. تُولّد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري تجويفًا صوتيًا شديدًا في السوائل والمعلقات. وتعمل الاضطرابات الدقيقة وقوى القص وتقلبات الضغط الناتجة على تفكيك الخلايا النباتية وتحسين نفاذ المذيب وتسريع انتقال الجزيئات النشطة حيويًا إلى وسط الاستخلاص.

توفر Hielscher Ultrasonics أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لاستخلاص المركبات الكيميائية النباتية، بدءًا من البحوث المختبرية وصولًا إلى الإنتاج الصناعي الكامل. وسواء كنت تطوّر مستخلصًا نباتيًا، أو تحسّن تحضير العينات للتحليل، أو توسّع نطاق عملية لإنتاج مكوّن نباتي، فإن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تمنحك تحكمًا دقيقًا في شدة الاستخلاص وقابلية تكراره ومعدل المعالجة.

ما المعالجة بالموجات فوق الصوتية في الكيمياء النباتية؟

المعالجة بالموجات فوق الصوتية هي تطبيق موجات فوق صوتية عالية القدرة على سائل أو معلق. وفي الكيمياء النباتية، تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية غالبًا في الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية، وتحضير العينات، وتفكيك الخلايا، والتشتيت، والاستحلاب، وتكثيف العمليات.
عندما ينقل مسبار فوق صوتي عالي الشدة موجات صوتية إلى وسط الاستخلاص، تُنشئ دورات الضغط المرتفع والمنخفض المتعاقبة تجويفًا صوتيًا. وتنمو فقاعات التجويف وتنهار بعنف. ويُنتج هذا الانهيار قوى قص موضعية ونفاثات سائلة دقيقة وتأثيرات خلط شديدة.

في الاستخلاص النباتي، تساعد هذه التأثيرات على:

• تمزيق جدران الخلايا وأغشيتها
• زيادة وصول المذيب إلى المركبات داخل الخلايا
• تقليل الطبقات الحدية حول الجسيمات النباتية
• تحسين انتشار المركبات الكيميائية النباتية في المذيب
• تقصير وقت الاستخلاص
• زيادة قابلية التكرار
• تقليل الحاجة إلى الحرارة المفرطة أو التعرض المطول للمذيب

والنتيجة هي عملية استخلاص أسرع وأكثر كفاءة، وغالبًا أكثر لطفًا، مقارنة بطرق النقع أو تحضير المنقوع أو الاستخلاص بالنضح أو الاستخلاص بالارتجاع التقليدية.

لماذا تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية مهمة للاستخلاص الحديث للمركبات الكيميائية النباتية

المواد الخام النباتية معقدة. فالمركبات النشطة حيويًا تكون محصورة داخل الخلايا النباتية، أو مرتبطة بمكونات بنيوية، أو موزعة في أنسجة مختلفة. وغالبًا ما يتطلب الاستخلاص التقليدي أزمنة مكوث طويلة، أو أحجامًا كبيرة من المذيبات، أو درجات حرارة مرتفعة. وقد تكون هذه الظروف غير فعالة، وقد تؤدي إلى تحلل المركبات غير المستقرة حراريًا.
يعالج الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية هذه القيود من خلال تكثيف التحرير الفيزيائي للمركبات الكيميائية النباتية. فبدلًا من الاعتماد على الانتشار السلبي وحده، تعمل المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تفكيك المصفوفة النباتية بفاعلية وتعزيز انتقال الكتلة.

وهذا يجعل الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية مفيدًا على نحو خاص عندما يحتاج القائمون على المعالجة إلى:

• مردود أعلى من المواد النباتية مرتفعة التكلفة
• دورات إنتاج أقصر
• استهلاك أقل للمذيبات
• تحسين استخلاص المركبات الحساسة للحرارة
• استخلاص قابل للتكرار لأغراض ضبط الجودة
• معالجة قابلة لتوسيع النطاق من المختبر إلى الإنتاج
• التوافق مع المذيبات الخضراء والمكونات ذات الملصقات النظيفة

في بحوث الكيمياء النباتية، تُحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا تحضير العينات للتحليل. ويمكن للمختبرات استخلاص المركبات المستهدفة بسرعة وباتساق قبل إجراء HPLC أو GC-MS أو LC-MS أو UV-Vis أو اختبارات مضادات الأكسدة أو غيرها من الطرق التحليلية.

المعالجة بالموجات فوق الصوتية على دفعات وضمن خط الإنتاج للمستخلصات النباتية

الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية على دفعات

تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على دفعات مثالية للبحوث المختبرية وتطوير التركيبات والإنتاج على نطاق صغير والمعالجة المرنة. ويُدخل جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من النوع المسباري في وعاء يحتوي على معلق المادة النباتية والمذيب. ويسهل إعداد المعالجة على دفعات، وهي ممتازة لفحص معلمات مثل نوع المذيب والسعة ووقت الاستخلاص ودرجة الحرارة.

الاستخلاص المستمر بالموجات فوق الصوتية ضمن خط الإنتاج

بالنسبة إلى أحجام الإنتاج الأكبر، تُعد المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية ضمن خط الإنتاج التهيئة المفضلة. ويُضخ المعلق النباتي عبر خلية التدفق فوق الصوتية، حيث يتعرض لتجويف مضبوط. وتُحسّن المعالجة ضمن خط الإنتاج قابلية التكرار والتحكم في العملية ومعدل المعالجة. كما تجعل توسيع نطاق العملية أكثر قابلية للتنبؤ، لأن الطاقة المدخلة وزمن المكوث ومعدل التدفق يمكن تحديدها بدقة.
صُممت أجهزة Hielscher الصناعية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية للتشغيل المستمر، ويمكن دمجها مع المضخات والمبادلات الحرارية وخزانات الاحتفاظ وأنظمة الترشيح واسترجاع المذيبات والتركيز في المراحل اللاحقة.

يمنحك الجدول أدناه مؤشرًا على القدرة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا على معالجة المواد لأغراض الاستخلاص النباتي

المركبات الكيميائية النباتية المستخلصة بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية

تُناسب المعالجة بالموجات فوق الصوتية مجموعة واسعة من فئات المركبات الكيميائية النباتية. وتعتمد نتيجة الاستخلاص على المادة النباتية وحجم الجسيمات والمذيب ودرجة الحرارة وسعة الموجات فوق الصوتية وزمن المكوث والفصل في المراحل اللاحقة.

البوليفينولات والفلافونويدات

تُعد البوليفينولات والفلافونويدات من أكثر المركبات الكيميائية النباتية دراسةً، بسبب خصائصها المضادة للأكسدة وأهميتها في التركيبات الغذائية والمستحضرات الغذائية العلاجية ومستحضرات التجميل. ويعزز الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية تحرير الأحماض الفينولية والكاتيكينات والكيرسيتين والروتين والأنثوسيانينات والمركبات ذات الصلة من الأوراق والثمار والقشور والأزهار والبذور واللحاء.

التربينات ومكونات الزيوت العطرية

تُعد التربينات والمركبات العطرية مهمة للمستخلصات العشبية والعطور والمنكهات ومعالجة القنب أو القنب الصناعي. ويمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تحسين الاستخلاص من الأنسجة النباتية، مع إتاحة التحكم في درجة الحرارة ضمن ظروف لطيفة، وهو أمر مهم للمركبات المتطايرة والحساسة للأكسدة.

القلويدات

توجد القلويدات في كثير من النباتات الطبية، وغالبًا ما تُستخلص لأغراض تحليلية أو صيدلانية أو لأغراض المستحضرات الغذائية العلاجية. وتُحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تفكيك المصفوفة، ويمكن أن تُسرّع انتقال القلويدات إلى المذيبات المناسبة.

الصابونينات والغليكوسيدات والتانينات

تحتوي كثير من الجذور والأعشاب والبقوليات والنباتات الطبية على الصابونينات والغليكوسيدات والتانينات. وتساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تحرير هذه المركبات من المصفوفات النباتية الليفية أو الكثيفة، ويمكن تحسينها لتحقيق توازن بين مردود الاستخلاص والانتقائية.

الأصباغ ومضادات الأكسدة

تُعد الأصباغ الطبيعية، مثل الأنثوسيانينات والكلوروفيلات والكاروتينويدات والبيتالينات، ذات قيمة في التطبيقات الغذائية وتطبيقات المشروبات ومستحضرات التجميل والتحليل. ونظرًا إلى حساسية كثير من الأصباغ للحرارة والأكسجين وpH، فإن الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية تحت ظروف مضبوطة لدرجة الحرارة يوفر مزايا كبيرة.

القنبيات والمركبات الكيميائية النباتية في القنب الصناعي

يحتوي القنب الصناعي والقنب على القنبيات والتربينات والفلافونويدات ومكونات نباتية أخرى. ويُحسّن الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية تحرير هذه المركبات من الكتلة الحيوية المطحونة، ويمكن تكييفه مع الإيثانول أو مخاليط الماء والإيثانول أو أنظمة مذيبات أخرى.

استخلاص المركبات الكيميائية النباتية بالموجات فوق الصوتية

المؤلفات / المراجع

• Turrini, Federica; Donno, Dario; Beccaro, Gabriele; Zunin, Paola; Pittaluga, Anna; Boggia, Raffaella (2019): Pulsed Ultrasound-Assisted Extraction as an Alternative Method to Conventional Maceration for the Extraction of the Polyphenolic Fraction of Ribes nigrum Buds: A New Category of Food Supplements Proposed by The FINNOVER Project. Foods. 8. 466; 2019
• Larasati, I.D.; Oktaviani, N.M.D.; Lioe, H.N.; Estiasih, T.; Palma, M.; Setyaningsih, W. (2023): Optimization of Ultrasound-Assisted Cold-Brew Method for Developing Roselle (Hibiscus sabdariffa L.)-Based Tisane with High Antioxidant Activity. Beverages, 9, 58; 2023.
• Turrini, F.; Beruto, M.; Mela, L.; Curir, P.; Triglia, G.; Boggia, R.; Zunin, P.; Monroy, F. (2021): Ultrasound-Assisted Extraction of Lavender (Lavandula angustifolia Miller, Cultivar Rosa) Solid By-Products Remaining after the Distillation of the Essential Oil. Applied Sciences 11, 2021.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk(2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.