Ultrazvučna ekstrakcija dubokim eutektičkim otapalima
Duboka eutektička otapala (DES) i prirodna duboka eutektička otapala (NADES) snažni su, podesivi i ekološki prihvatljivi ekstrakcijski mediji za biljne materijale, hranu, nutraceutike, kozmetiku i farmaceutske sastojke. Hielscher sonikatori sondnog tipa pojačavaju DES ekstrakciju ubrzavanjem prijenosa mase, razgradnjom staničnih struktura biljaka i poboljšanjem prodiranja otapala – čak i pri radu s viskoznim sistemima otapala, kao što su NADES na bazi glicerola.
Bilo da ispitujete formulacije otapala u laboratoriju, optimizirate parametre ekstrakcije za određeni fitokemikalij ili prelazite na kontinuiranu inline proizvodnju, Hielscher ultrazvučni ekstraktori pružaju reproducibilnu kontrolu amplitude, pouzdan rad 24/7 i skalabilnu obradu od mililitara do industrijskih protoka.
Zašto proizvođači ekstrakata biraju Hielscher za DES ekstrakciju
- Veća efikasnost ekstrakcije polifenola, flavonoida, kanabinoida, terpena, antocijana i drugih bioaktivnih spojeva
- Brža ekstrakcija u poređenju s konvencionalnom maceracijom i ekstrakcijom otapalom u miješanim spremnicima
- Kompatibilno s DES, NADES, glicerinom, vodom, etanolom i mješovitim sistemima otapala
- Efikasna obrada visokoviskoznih otapala primjenom sonikacije sondom visoke amplitude
- Šaržne, recirkulacijske i kontinuirane protočne konfiguracije
- Precizna kontrola amplitude, unosa energije, temperature i trajanja procesa
- Jednostavno povećanje razmjera od ispitivanja izvodljivosti do pilot i punog industrijskog pogona
Ultrazvučna ekstrakcija (prirodnim) dubokim eutektičkim otapalima vrlo je efikasna metoda za vrhunske biljne ekstrakte. Slika prikazuje ultrazvučni procesor UP400St (400W) sa šaržom od 8L za ekstrakciju biljnog materijala.
Zašto sonikacija poboljšava DES i NADES ekstrakciju
Ultrazvučna ekstrakcija sondnog tipa pomoću dubokih eutektičkih otapala i prirodnih dubokih eutektičkih otapala može ponuditi nekoliko prednosti pri ekstrakciji bioaktivnih spojeva. Jedna od glavnih prednosti je povećana efikasnost ekstrakcije fenolnih spojeva i drugih fitokemikalija iz prirodnih izvora. Duboka eutektička otapala poznata su po visokoj efikasnosti ekstrakcije, koja se može dodatno poboljšati ultrazvučno potpomognutom ekstrakcijom. Zbog svoje netoksičnosti odlična su opcija otapala za farmaceutske i prehrambene proizvode. Time ultrazvučna ekstrakcija dubokim eutektičkim otapalima postaje zelena i održiva metoda za izdvajanje bioaktivnih spojeva. Naučno je dokazano da sinergijska primjena ultrazvučne obrade s dubokim eutektičkim otapalima daje veće prinose različitih bioaktivnih spojeva. Sveukupno, ultrazvučna ekstrakcija sondnog tipa pomoću dubokih eutektičkih otapala i prirodnih dubokih eutektičkih otapala predstavlja efikasniji i ekološki prihvatljiviji pristup ekstrakciji bioaktivnih spojeva.
Ultrazvučna ekstrakcija antocijana pomoću DES-a
Antocijani su vrijedni prirodni pigmenti i antioksidansi koji se nalaze u crnoj mrkvi, bobičastom voću, grožđu, ljubičastom kukuruzu i drugim biljnim materijalima. Duboka eutektička otapala vrlo su pogodna za ekstrakciju antocijana jer se njihova mreža vodikovih veza može podesiti tako da odgovara zahtjevima polarnosti i stabilnosti ovih boja. U kombinaciji s ultrazvučnom obradom sondom, DES ekstrakcija postaje znatno efikasnija: ultrazvučna kavitacija razgrađuje strukture biljnih ćelija, poboljšava prodiranje otapala i ubrzava oslobađanje antocijana u ekstrakcijski medij. Studija o antocijanima crne mrkve uz korištenje sonikatora UP400St pokazuje da DES na bazi kolin-klorida, naročito u kombinaciji s ultrazvučno potpomognutom ekstrakcijom, može biti održiva i efikasna alternativa konvencionalnoj ekstrakciji zakiseljenim etanolom ili metanolom. (usp. Türker et al., 2021)
Ultrazvučna ekstrakcija polifenola pomoću DES-a
Polifenoli, uključujući flavonoide, fenolne kiseline i srodne antioksidativne spojeve, važni su ciljni molekuli u botaničkoj, prehrambenoj, nutraceutskoj i kozmetičkoj ekstrakciji. Duboka eutektička otapala na bazi glicerola posebno su privlačna za izdvajanje polifenola jer njihova polarnost i sposobnost stvaranja vodikovih veza podržavaju solubilizaciju fenolnih spojeva. Ultrazvuk sondnog tipa dodatno pojačava proces povećanjem prijenosa mase, skraćivanjem vremena ekstrakcije i poboljšanjem kontakta između DES-a i biljnog matriksa.
U jednoj istraživačkoj studiji korišten je DES od glicerola i amonij-acetata uz ultrazvučno potpomognutu ekstrakciju pod optimiziranim parametrima kao što su temperatura, koncentracija DES-a i ultrazvučna amplituda. Rezultat je pokazao da je ultrazvučna DES ekstrakcija omogućila efikasno izdvajanje ukupnih fenola, flavonoida i antioksidativne aktivnosti iz plodova melije (Melia azedarach), čime je prikazan potencijal ultrazvučne ekstrakcije pomoću DES-a kao zelene metode ekstrakcije za industrijsku obradu biljnih materijala. (usp. Jamshed et al., 2022)
- Vrlo efikasno
- Brz proces
- Netoksično
- Tačno podesivo prema konkretnoj biljnoj sirovini
- Blagi uvjeti obrade
- Šaržni i protočni način rada
- Jednostavno i sigurno
- Ekološki prihvatljivo / biorazgradivo
- Mogućnost recikliranja
- Nezapaljivo
- Jeftino
- Lako dostupno
Šta su duboka eutektička otapala (DES)?
Duboka eutektička otapala (DES) su smjese od najmanje jednog akceptora vodikove veze (HBA) i jednog donora vodikove veze (HBD), uključujući karboksilne kiseline i druge obnovljive spojeve. Prema Cai et al. (2019), „snažna interakcija vodikove veze između HBA i HBD najvažniji je faktor za nastanak DES-a.“ [Cai et al. 2019]
Kao donori vodikove veze često se koriste spojevi poput šećera, aminokiselina, karboksilnih kiselina (npr. benzojeva kiselina, limunska kiselina, jantarna kiselina) ili amina (npr. urea, benzamid). Potencijal hemijske interakcije donora vodikove veze glavni je faktor koji doprinosi nastanku i efikasnosti dubokih eutektičkih otapala. Halogenidne soli poput kolin-klorida ili cink-klorida također se mogu koristiti zajedno s donorima vodikove veze. Druga duboka eutektička otapala na bazi kolin-klorida nastaju s malonskom kiselinom, fenolom ili glicerinom. Zbog snažnih interakcija vodikovih veza, tačka topljenja dubokih eutektičkih otapala znatno je snižena u poređenju s njihovim pojedinačnim komponentama. Za razliku od konvencionalnih otapala (npr. etanol, metanol, heksan, butan itd.), duboka eutektička otapala nisu hlapljiva, što znači da imaju vrlo nizak tlak pare i stoga se teško zapaljuju. Toksičnost dubokih eutektičkih otapala je niska, njihova biorazgradivost je visoka, a potrebni prekursori su jeftini, lako i u izobilju dostupni te obnovljivi.
Prirodna duboka eutektička otapala (NADES) još su ekološki prihvatljivija jer svi prekursori potiču iz prirodnih izvora. Duboka eutektička otapala također nude podesivu moć otapanja, zavisno od hemije otopljene tvari i vrsta korištenih za izradu dubokih eutektičkih otapala. Neka prirodna duboka eutektička otapala imaju visoku viskoznost i stoga nisu naročito pogodna za šaržnu ekstrakciju. Međutim, prirodna duboka eutektička otapala viših viskoznosti mogu se uspješno primijeniti kao otapala u ultrazvučnoj protočnoj ekstrakciji.
Tabela u nastavku prikazuje nekoliko primjera sastava prirodnih dubokih eutektičkih otapala (NADES) za ekstrakciju fitokemikalija:
| NADES Composition | Molar Ratio |
|---|---|
| Choline chloride:Lactic acid | 1:2 |
| Choline chloride:Citric acid:Water | 1:1:2 |
| Choline chloride:Malic acid:Water | 1:1:2 |
| Choline chloride:Tartaric acid | 1:2 |
| Choline chloride:Glycerol | 1:2 |
| Choline chloride:1,2-propanediol | 1:3 |
| Choline chloride:Sorbitol | 1:1 |
| Choline chloride:Glucose:Water | 2:1:1 |
| Choline chloride:Fructose:Water | 2:1:1 |
| Choline chloride:Urea | 1:2 |
Industrijski sonikator UIP4000hdT s protočnim ćelijama za kontinuiranu inline ekstrakciju
Kako funkcioniše ultrazvučna ekstrakcija dubokim eutektičkim otapalima?
Ultrazvučna ekstrakcija zasniva se na sonomehaničkim efektima ultrazvuka visokog intenziteta i niske frekvencije. Radi poticanja i pojačavanja ekstrakcije botaničkih spojeva (tj. bioaktivnih tvari) ultrazvučnom obradom, ultrazvučni valovi velike snage unose se putem ultrazvučne sonde (nazvane i ultrazvučni rog ili sonotroda) u tekući medij, tj. suspenziju koja se sastoji od biljne sirovine i (prirodnog) dubokog eutektičkog otapala. Ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu i stvaraju naizmjenične cikluse niskog i visokog tlaka. Tokom ciklusa niskog tlaka nastaju sitni vakuumski mjehurići (tzv. kavitacijski mjehurići), koji rastu tokom nekoliko tlačnih ciklusa. Tokom tih ciklusa rasta mjehurića otopljeni plinovi iz tekućine ulaze u vakuumski mjehurić, tako da se vakuumski mjehurić pretvara u rastuće plinske mjehuriće. Nakon rasta tokom nekoliko ciklusa, vakuumski mjehurići dosegnu određenu veličinu pri kojoj ne mogu apsorbirati više energije, pa silovito implodiraju tokom ciklusa visokog tlaka. Implozija mjehurića karakterizirana je intenzivnim kavitacijskim silama, uključujući vrlo visoku temperaturu i tlak koji dosežu do 4000K, odnosno 1000atm, kao i odgovarajuće visoke razlike temperature i tlaka. Ove ultrazvukom generirane turbulencije i smične sile razbijaju biljne ćelije i oslobađaju intracelularne bioaktivne spojeve u (prirodno) duboko eutektičko otapalo. Ultrazvučna ekstrakcija otvara ćelijsku strukturu biljnih materijala i pojačava prijenos mase između biljnog materijala i otapala. Sonikacija time potiče djelotvornost prirodnih dubokih eutektičkih otapala. Ultrazvučna ekstrakcija (prirodnim) dubokim eutektičkim otapalima daje izuzetno visoke prinose u vrlo kratkom vremenu obrade.
Ultrazvučni valovi velike snage razgrađuju ćelijsku strukturu biljnih materijala, oslobađaju bioaktivne spojeve i potiču prijenos mase između biljnog materijala i otapala (npr. dubokih eutektičkih otapala).
Kombinacija ultrazvučne ekstrakcije s (prirodnim) dubokim eutektičkim otapalima pruža vam priliku da spojite moć ultrazvuka u intenziviranju procesa s izvanrednim efektima solubilizacije i izvrsnom mogućnošću oblikovanja dubokih eutektičkih otapala. Zbog vrhunske efikasnosti ultrazvučne ekstrakcije, ultrazvučni uređaji se uspješno koriste i za ekstrakciju vodom.
Kontaktirajte nas odmah kako biste saznali više o snažnoj primjeni ultrazvučne ekstrakcije dubokim eutektičkim otapalima!
Ultrazvučni ekstraktor UIP2000hdT (2kW) za proizvodnju biljnih ekstrakata
Ultrazvučni ekstraktori za laboratorijsku, pilot i industrijsku DES ekstrakciju
Ultrazvučna ekstrakcija je pouzdana tehnologija obrade koja olakšava i ubrzava proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata iz različitih biljnih materijala pomoću bilo kojeg otapala. Ultrazvučna ekstrakcija vrlo je kompatibilna s (prirodnim) dubokim eutektičkim otapalima, koja su povoljna zbog svoje odlične moći solubilizacije, mogućnosti prilagođavanja ekstraktu, održivosti, biorazgradivosti i ekološke prihvatljivosti. Kombinacija intenziviranja procesa ultrazvukom velike snage i prednosti (prirodnih) dubokih eutektičkih otapala daje ovoj procesnoj tehnologiji superiornost na mnogo nivoa. Portfolio kompanije Hielscher Ultrasonics pokriva čitav raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ekstrakcijskih sistema. Svi su, naravno, pogodni za ekstrakciju dubokim eutektičkim otapalima.
Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od ispitivanja izvodljivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sistema na nivou konačne proizvodnje.
| Volumen ekstrakcije | Preporučeni sonikator |
|---|---|
| Razvoj metoda, istraživanje i razvoj (R&D), skrining | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Viskozne DES/NADES šarže | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Pilot proizvodnja | UIP1000hdT ili UIP2000hdT (2000W) |
| Kontinuirana industrijska ekstrakcija | UIP4000hdT (4000W), UIP6000hdT (6000W), UIP16000hdT (16kW) ili klasteri |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Često postavljana pitanja o ultrazvučnoj ekstrakciji dubokim eutektičkim otapalima
Šta je ultrazvučna ekstrakcija dubokim eutektičkim otapalima?
Ultrazvučna ekstrakcija dubokim eutektičkim otapalima kombinira sonikaciju sondnog tipa sa sistemima otapala DES ili NADES. Ultrazvučna sonda unosi zvučne valove visokog intenziteta u suspenziju biljnog materijala i otapala. Nastala kavitacija razgrađuje strukture biljnih ćelija, poboljšava prodiranje otapala i ubrzava prijenos bioaktivnih spojeva u duboko eutektičko otapalo.
Zašto koristiti ultrazvuk za DES i NADES ekstrakciju?
Ultrazvuk poboljšava DES i NADES ekstrakciju povećanjem prijenosa mase, skraćivanjem vremena ekstrakcije i pomaganjem otapalu da efikasnije dopre do intracelularnih spojeva. To je naročito korisno kod biljnih materijala u kojima su ciljni spojevi zarobljeni unutar biljnih ćelija, vlakana ili smolastih struktura.
Koji se spojevi mogu ekstrahirati pomoću DES-a i NADES-a uz sonikaciju?
Ultrazvučna DES i NADES ekstrakcija može se koristiti za mnoge bioaktivne spojeve, uključujući polifenole, flavonoide, antocijane, terpene, kanabinoide, alkaloide, antioksidanse, pigmente, aromatične spojeve i druge fitokemikalije. Sastav otapala treba odabrati prema polarnosti, stabilnosti i topljivosti ciljnog spoja.
Jesu li duboka eutektička otapala kompatibilna s Hielscher ultrazvučnim ekstraktorima?
Da. Hielscher sonikatori sondnog tipa pogodni su za ekstrakciju dubokim eutektičkim otapalima, prirodnim dubokim eutektičkim otapalima, sistemima otapala na bazi glicerina, vodom, etanolom i mnogim drugim ekstrakcijskim medijima. Za viskozne DES ili NADES sisteme snažan sondni sonikator naročito je koristan jer osigurava intenzivno miješanje, kavitaciju i prijenos mase direktno u tekućini.
Može li ultrazvučna DES ekstrakcija obrađivati visokoviskozna otapala?
Da. Mnoge DES i NADES formulacije imaju veću viskoznost od konvencionalnih otapala. Hielscher ultrazvučni procesori vrlo su pogodni za viskozne ekstrakcijske medije jer sonotroda unosi ultrazvuk visoke amplitude direktno u smjesu otapala i materijala. Za veće volumene ili kontinuiranu obradu protočni reaktori mogu poboljšati miješanje, kontrolu topline i ujednačenost procesa.
Je li ultrazvučna DES ekstrakcija pogodna za proizvodnju hrane, nutraceutika i kozmetike?
Da. DES i NADES se često biraju za primjene u kojima su važni niska hlapljivost, smanjene opasnosti od otapala i podesive performanse ekstrakcije. Zavisno od odabranih komponenti otapala i regulatornih zahtjeva, ultrazvučna DES ekstrakcija može se koristiti za sastojke hrane, nutraceutske ekstrakte, kozmetičke aktivne tvari, biljne koncentrate i ekstrakte istraživačke kvalitete.
Može li se ultrazvučna ekstrakcija pomoću DES-a povećati na veći razmjer?
Da. Ultrazvučna ekstrakcija je vrlo skalabilna jer se isti procesni parametri – kao što su amplituda, unos energije, vrijeme zadržavanja, temperatura i omjer čvrsto-tekuće – mogu prenijeti s laboratorijskih ispitivanja na pilot i industrijsku proizvodnju. Hielscher isporučuje ultrazvučne ekstraktore za male laboratorijske uzorke, optimizaciju na laboratorijskom stolu, pilot šarže i kontinuiranu industrijsku protočnu ekstrakciju.
Trebam li za DES procese koristiti šaržnu ili inline ultrazvučnu ekstrakciju?
Šaržna ekstrakcija je često najbolja za laboratorijska ispitivanja, skrining formulacija i male proizvodne volumene. Inline ultrazvučna ekstrakcija obično se preferira za pilot i industrijsku proizvodnju jer osigurava kontrolirano vrijeme zadržavanja, bolju reproducibilnost, lakše hlađenje i kontinuirani kapacitet obrade. Najbolja konfiguracija zavisi od viskoznosti, biljnog materijala, omjera otapala, ciljnog spoja i proizvodnog kapaciteta.
Kako odabrati pravi ultrazvučni ekstraktor za DES ekstrakciju?
Pravi ultrazvučni ekstraktor zavisi od volumena uzorka, veličine šarže, protoka, viskoznosti otapala, ciljnog spoja, temperature ekstrakcije i proizvodnog cilja. Male laboratorijske jedinice pogodne su za razvoj metoda, dok se industrijski ultrazvučni uređaji serije UIP koriste za DES ekstrakciju u pilot i proizvodnom razmjeru. Hielscher može preporučiti konfiguraciju na osnovu vaše sirovine, sistema otapala i potrebnog kapaciteta obrade.
Koji su procesni parametri važni za ultrazvučnu DES ekstrakciju?
Važni parametri uključuju ultrazvučnu amplitudu, unos energije, vrijeme ekstrakcije, temperaturu, sastav DES-a ili NADES-a, sadržaj vode, omjer čvrsto-tekuće, veličinu čestica, viskoznost i protok. Ove parametre treba optimizirati za svaki biljni materijal i ciljni spoj kako bi se postigli visok prinos, dobar kvalitet ekstrakta i reproducibilna proizvodnja.
Literatura / reference
- Türker, D.A., Doğan, M. (2021): Application of deep eutectic solvents as a green and biodegradable media for extraction of anthocyanin from black carrots. LWT – Food Science and Technology, Volume 138, March 2021.
- Duygu Aslan Türker, Mahmut Doğan (2022): Ultrasound-assisted natural deep eutectic solvent extraction of anthocyanin from black carrots: Optimization, cytotoxicity, in-vitro bioavailability and stability. Food and Bioproducts Processing, Volume 132, 2022. 99-113.
- Sumbal Jamshed, Dildar Ahmed (2022): Optimization of ultrasound-assisted extraction of valuable compounds from fruit of Melia azedarach with glycerol-choline chloride deep eutectic solvent. Sustainable Chemistry and Pharmacy, Volume 29, 2022.
- Křížek, et al. (2018): Menthol-based Hydrophobic Deep Eutectic Solvents: Towards Greener and Efficient Extraction of Phytocannabinoids. Journal of Cleaner Production, 193, 2018. 391-396.
- Chemat F, et al. (2019): Review of Alternative Solvents for Green Extraction of Food and Natural Products: Panorama, Principles, Applications and Prospects. Molecules, vol.24, no.16, 2019. 3007.
- Lores, H.; Romero, Vanesa; Costas Mora, Isabel; Bendicho, Carlos; Lavilla, Isela (2016): Natural deep eutectic solvents in combination with ultrasonic energy as a green approach for solubilisation of proteins: application to gluten determination by immunoassay. Talanta 2017. 453-459.
- Cai, et al. (2019): Green Extraction of Cannabidiol from Industrial Hemp (Cannabis sativa L.) Using Deep Eutectic Solvents Coupled with Further Enrichment and Recovery by Macroporous Resin. Journal of Molecular Liquids, 2019.
Ultrazvuk visokih performansi! Hielscher's asortiman pokriva čitav spektar od kompaktnog laboratorijskog ultrazvučnog uređaja, preko stolnih jedinica, do potpuno industrijskih ultrazvučnih sistema.