Фитохимия и ултразвукова обработка: високоефективна ултразвукова екстракция на растителни биоактивни вещества
Фитохимията е науката за химичните съединения от растителен произход – от полифеноли, флавоноиди и алкалоиди до терпени, сапонини, гликозиди, пигменти, антиоксиданти и съставки на етеричните масла. Тези фитохимични вещества са ценни за нутрацевтици, фармацевтични продукти, козметика, хранителни съставки, естествени оцветители, ароматни композиции, билкови екстракти и аналитични изследвания.
Подобрете екстракцията на фитохимични вещества с ултразвуковите апарати на Hielscher
Извличайте повече биоактивни вещества за по-кратко време
Ултразвуковите апарати със сонда на Hielscher интензифицират растителната екстракция чрез разрушаване на растителните клетки и ускоряване на масопреноса. Това позволява екстракция с висок добив на фитохимични вещества от билки, корени, листа, цветове, плодове, семена, кора, водорасли и други растителни материали.
Защо да изберете системите за ултразвукова екстракция на Hielscher
- По-високи добиви при екстракция: Извличайте повече целеви съединения от една и съща растителна суровина.
- По-кратко време за обработка: Заменете продължителната мацерация или етапите на екстракция, изискващи интензивно нагряване, с бърза ултразвукова обработка.
- Щадяща, нетермична екстракция: Запазвайте термочувствителните фитохимични вещества като полифеноли, терпени, антоцианини, витамини и антиоксиданти.
- Гъвкав избор на разтворители: Използвайте вода, етанол, водно-етанолови смеси, глицерин, масла, дълбоко евтектични разтворители или други подходящи екстракционни среди.
- Прецизен контрол на процеса: Регулирайте амплитудата, мощността, вложената енергия, времето, температурата, налягането и дебита.
- Линейно мащабиране: Разработвайте параметрите на екстракцията в лабораторията и ги прехвърляйте към пилотно и промишлено производство.
- Партиден режим и обработка в поточна линия: Изберете ултразвукова обработка в лабораторна чаша, обработка в резервоар с разбъркване или непрекъсната проточна екстракция.
- Здрава промишлена конструкция: Ултразвуковите апарати на Hielscher са проектирани за взискателни производствени условия, възпроизводима работа и лесно интегриране.
Ултразвуков апарат UIP1000hdT за екстракция на фитохимични вещества
Ултразвукова обработка за по-бърза, по-чиста и по-пълна екстракция на фитохимични вещества
За да се използват фитохимичните вещества във формулировки, анализи или търговски продукти, те първо трябва да бъдат освободени от растителната матрица. Именно тук ултразвуковата обработка се е утвърдила като една от най-ефективните технологии за екстракция. Ултразвуковите апарати със сонда генерират интензивна акустична кавитация в течности и суспензии. Получените микротурбулентност, сили на срязване и колебания на налягането разрушават растителните клетки, подобряват проникването на разтворителя и ускоряват преноса на биоактивни молекули в екстракционната среда.
Hielscher Ultrasonics доставя високопроизводителни ултразвукови апарати за екстракция на фитохимични вещества – от лабораторни изследвания до пълномащабно промишлено производство. Независимо дали разработвате растителен екстракт, оптимизирате подготовката на проби за анализ или мащабирате процес за получаване на съставка от растителен произход, ултразвуковата обработка ви дава прецизен контрол върху интензивността на екстракцията, възпроизводимостта и производителността.
Ултразвуков апарат UP200Ht за екстракция на фитохимични вещества
Какво представлява ултразвуковата обработка във фитохимията?
Ултразвуковата обработка представлява прилагане на ултразвук с висока мощност към течност или суспензия. Във фитохимията ултразвуковата обработка най-често се използва за ултразвуково подпомогната екстракция, подготовка на проби, разрушаване на клетките, диспергиране, емулгиране и интензификация на процесите.
Когато ултразвукова сонда с висока интензивност предава звукови вълни в екстракционна среда, редуващите се цикли на високо и ниско налягане създават акустична кавитация. Кавитационните мехурчета нарастват и колабират бурно. Този колапс поражда локализирани сили на срязване, течни микроструи и интензивно смесване.
При растителната екстракция тези ефекти спомагат за:
- разрушаване на клетъчните стени и мембрани
- увеличаване на достъпа на разтворителя до вътреклетъчните съединения
- намаляване на граничните слоеве около растителните частици
- подобряване на дифузията на фитохимичните вещества в разтворителя
- съкращаване на времето за екстракция
- повишаване на възпроизводимостта
- намаляване на необходимостта от прекомерно нагряване или продължително излагане на действието на разтворители
Резултатът е по-бърз, по-ефективен и често по-щадящ процес на екстракция в сравнение с конвенционалните методи на мацерация, извличане чрез запарване, перколация или екстракция под обратен хладник.
Защо ултразвуковата обработка е важна за съвременната екстракция на фитохимични вещества
Растителните суровини са сложни. Биоактивните съединения са затворени в растителните клетки, свързани са със структурни компоненти или са разпределени в различни тъкани. Конвенционалната екстракция често изисква продължително време на престой, големи обеми разтворители или повишени температури. Тези условия могат да бъдат неефективни и да доведат до разграждане на термолабилни съединения.
Ултразвуково подпомогнатата екстракция преодолява тези ограничения чрез интензифициране на физическото освобождаване на фитохимичните вещества. Вместо да разчита само на пасивна дифузия, ултразвуковата обработка активно разрушава растителната матрица и стимулира масопреноса.
Това прави ултразвуковата екстракция особено полезна, когато производителите се нуждаят от:
- по-висок добив от скъпи растителни суровини
- по-кратки производствени цикли
- по-нисък разход на разтворители
- подобрена екстракция на термочувствителни съединения
- възпроизводима екстракция за контрол на качеството
- мащабируема обработка от лабораторията до производството
- съвместимост с екологични разтворители и съставки за продукти с чист етикет
При фитохимичните изследвания ултразвуковата обработка подобрява и подготовката на проби за анализ. Лабораториите могат да извличат целевите съединения бързо и с постоянни резултати преди HPLC, GC-MS, LC-MS, UV-Vis, анализи за антиоксидантна активност или други аналитични методи.
Конвенционални методи спрямо методи за екстракция – сравнение
| Конвенционален метод за екстракция | Ограничения на конвенционалния метод | Предимство на ултразвуковата обработка |
|---|---|---|
| Мацерация | Мацерацията е проста, но бавна. За постигане на приемлив добив при екстракция може да са необходими часове, дни или дори седмици. | Ултразвуковата обработка ускорява същия принцип на екстракция с разтворител чрез активно разрушаване на растителните клетки и подобряване на дифузията. Това може драстично да съкрати времето за обработка. |
| Екстракция под обратен хладник | Екстракцията под обратен хладник използва нагряване за подобряване на разтворимостта и масопреноса. Топлината обаче може да разгради чувствителните фитохимични вещества и да увеличи потреблението на енергия. | Ултразвуковата обработка постига висока ефективност на екстракцията при по-ниски температури, което я прави подходяща за термочувствителни растителни съединения. |
| Екстракция по Сокслет | Екстракцията по Сокслет е широко използвана в лабораториите, но изисква голям разход на разтворител и много време. | Ултразвуковата екстракция може да намали обема на разтворителя и времето за екстракция, което я прави привлекателна за аналитична работа, научноизследователска и развойна дейност и разработване на процеси. |
| Механично разбъркване | Разбъркването подобрява смесването, но не осигурява същото разрушаване на клетките чрез кавитация като ултразвука, прилаган със сонда. | Ултразвуковата обработка съчетава смесване, деагломерация на частиците и разрушаване на клетките в един технологичен етап, което води до по-интензивна екстракция. |
Партидна ултразвукова обработка и обработка в поточна линия за растителни екстракти
Партидна ултразвукова екстракция
Партидната ултразвукова обработка е идеална за лабораторни изследвания, разработване на формулировки, дребномащабно производство и гъвкава обработка. В съд, съдържащ суспензия от растителен материал и разтворител, се въвежда сондата на ултразвуков апарат. Партидната обработка е лесна за организиране и е отлична за изпитване на параметри като вид на разтворителя, амплитуда, време за екстракция и температура.
Непрекъсната ултразвукова екстракция в поточна линия
За по-големи производствени обеми предпочитаната конфигурация е непрекъсната ултразвукова обработка в поточна линия. Растителната суспензия се изпомпва през ултразвукова проточна клетка, където се подлага на контролирана кавитация. Обработката в поточна линия подобрява възпроизводимостта, контрола на процеса и производителността. Тя също така прави мащабирането по-предвидимо, тъй като вложената енергия, времето на престой и дебитът могат да бъдат определени прецизно.
Промишлените ултразвукови апарати на Hielscher са проектирани за непрекъсната работа и могат да бъдат интегрирани с помпи, топлообменници, буферни резервоари, системи за филтрация, регенериране на разтворители и последващо концентриране.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати за растителна екстракция
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителен ултразвуков апарат |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 до 150L | 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000hdT |
Фитохимични вещества, извличани чрез ултразвукова обработка
Ултразвуковата обработка е подходяща за широк набор от класове фитохимични вещества. Резултатът от екстракцията зависи от растителния материал, размера на частиците, разтворителя, температурата, ултразвуковата амплитуда, времето на престой и последващото разделяне.
Полифеноли и флавоноиди
Полифенолите и флавоноидите са сред най-изследваните фитохимични вещества поради антиоксидантните си свойства и значението си за хранителни, нутрацевтични и козметични формулировки. Ултразвуковата екстракция засилва освобождаването на фенолни киселини, катехини, кверцетин, рутин, антоцианини и сродни съединения от листа, плодове, плодови кори, цветове, семена и дървесна кора.
Терпени и съставки на етеричните масла
Терпените и ароматните съединения са важни за билкови екстракти, ароматни композиции, ароматизанти и преработката на канабис или коноп. Ултразвуковата обработка може да подобри екстракцията от растителни тъкани, като същевременно позволява контрол на температурата при щадящи условия, което е важно за летливите и чувствителните към окисление съединения.
Алкалоиди
Алкалоидите се срещат в много лечебни растения и често се извличат за аналитични, фармацевтични или нутрацевтични цели. Ултразвуковата обработка подобрява разрушаването на матрицата и може да ускори преноса на алкалоиди в подходящи разтворители.
Сапонини, гликозиди и танини
Много корени, билки, бобови и лечебни растения съдържат сапонини, гликозиди и танини. Ултразвуковата обработка спомага за освобождаването на тези съединения от влакнести или плътни растителни матрици и може да бъде оптимизирана за постигане на баланс между добива при екстракция и селективността.
Пигменти и антиоксиданти
Естествените пигменти като антоцианини, хлорофили, каротеноиди и беталаини са ценни за приложения в храните, напитките, козметиката и анализа. Тъй като много пигменти са чувствителни към топлина, кислород и pH, ултразвуковата екстракция при контролирани температурни условия е особено благоприятна.
Канабиноиди и фитохимични вещества от коноп
Конопът и канабисът съдържат канабиноиди, терпени, флавоноиди и други растителни съставки. Ултразвуковата екстракция подобрява освобождаването на тези съединения от смляна биомаса и може да бъде адаптирана към етанол, водно-етанолови или други системи от разтворители.
Ултразвукова екстракция на фитохимични вещества
Често задавани въпроси: ултразвукова обработка и фитохимия
Какво представлява ултразвуковата обработка във фитохимията?
Ултразвуковата обработка във фитохимията е използването на ултразвук с висока мощност за извличане, освобождаване или обработка на химични съединения от растителен произход. Тя обикновено се използва за ултразвуково подпомогната екстракция на фитохимични вещества като полифеноли, флавоноиди, терпени, алкалоиди, пигменти, антиоксиданти и съставки на етеричните масла.
Как ултразвуковата обработка извлича фитохимични вещества от растенията?
Ултразвуковата обработка генерира акустична кавитация в екстракционната течност. Кавитацията поражда сили на срязване, микроструи и интензивно смесване, които разрушават структурите на растителните клетки и подобряват проникването на разтворителя. Това ускорява преноса на фитохимични вещества от растителната матрица в разтворителя.
Кои фитохимични вещества могат да бъдат извлечени с ултразвук?
Ултразвуковата екстракция може да се използва за полифеноли, флавоноиди, антоцианини, терпени, канабиноиди, алкалоиди, сапонини, танини, гликозиди, хлорофили, каротеноиди, съставки на етеричните масла и много други съединения от растителен произход.
Подходяща ли е ултразвуковата екстракция за термочувствителни фитохимични вещества?
Да. Ултразвуковата обработка се счита за щадящ, нетермичен метод за екстракция, когато температурата се контролира правилно. Това я прави подходяща за термочувствителни съединения като антиоксиданти, пигменти, терпени и определени витамини.
По-добра ли е ултразвуковата обработка със сонда от ултразвукова вана за екстракция на фитохимични вещества?
За ефективна екстракция ултразвуковата обработка със сонда обикновено е много по-мощна и по-контролируема от ултразвукова вана. Ултразвуковият апарат със сонда предава енергия директно в течността, създавайки интензивна кавитация в пробата или технологичния поток. Ултразвуковите вани осигуряват значително по-ниска интензивност и не дават възпроизводими резултати при взискателни задачи за екстракция. Вижте разликата в резултатите от ултразвуковата екстракция при сравнение на ултразвуков апарат със сонда и ултразвукова вана!
Кои разтворители могат да се използват за ултразвукова екстракция на фитохимични вещества?
Често използваните разтворители включват вода, етанол, смеси от етанол и вода, глицерин, масла и други разтворители, специфични за приложението. За аналитична екстракция може да се използват метанол или други лабораторни разтворители. Ултразвуковата обработка може да се комбинира и с дълбоко евтектични разтворители и естествени дълбоко евтектични разтворители.
Може ли ултразвуковата обработка да съкрати времето за екстракция?
Да. Ултразвуковата екстракция може значително да съкрати времето за екстракция в сравнение с конвенционалната мацерация, извличането чрез запарване или екстракцията с разтворител, тъй като кавитацията ускорява разрушаването на клетките и масопреноса.
Може ли ултразвуковата екстракция да бъде мащабирана?
Да. Ултразвуковите апарати на Hielscher се предлагат от лабораторен до промишлен мащаб. Процеси, разработени с контролирани параметри като амплитуда, вложена енергия, температура и време на престой, могат да бъдат прехвърлени към по-големи партидни системи или системи за непрекъсната обработка в поточна линия.
Подходяща ли е ултразвуковата обработка за промишлена растителна екстракция?
Да. Промишлените ултразвукови апарати с проточни реактори могат да обработват растителни суспензии непрекъснато. Това прави ултразвуковата обработка подходяща за търговско производство на нутрацевтични екстракти, билкови тинктури, козметични активни вещества, хранителни съставки и биоактивни вещества от растителен произход.
Кои са основните предимства на ултразвуковите апарати на Hielscher за фитохимията?
Ултразвуковите апарати на Hielscher осигуряват мощна кавитация, прецизен контрол на параметрите, възпроизводима екстракция, партидна работа и работа в поточна линия, възможности за мащабируемо оборудване и съвместимост с много разтворители и растителни материали. Те са подходящи за изследвания, разработване на процеси и пълномащабно производство.
Как да избера подходящия ултразвуков екстрактор?
Най-добрият ултразвуков екстрактор зависи от вашия растителен материал, целевите съединения, разтворителя, обема, съдържанието на твърди вещества, температурните ограничения и необходимата производителност. Hielscher може да препоръча подходящ лабораторен, пилотен или промишлен ултразвуков апарат въз основа на вашия процес на екстракция.
Литература / източници
- 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.
- висока ефективност
- най-съвременна технология
- надеждност и здравина
- регулируем, прецизен контрол на процеса
- партиден режим и обработка в поточна линия
- за всякакъв обем
- интелигентен софтуер
- интелигентни функции (напр. възможност за програмиране, регистриране на данни, дистанционно управление)
- лесна и безопасна работа
- минимална поддръжка
- CIP (почистване на място)
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори с размери от лабораторни до промишлени.