Otapala za ultrazvučnu ekstrakciju iz biljaka

• Ultrazvučna ekstrakcija ima brojne prednosti, kao što su visoki prinosi, brza ekstrakcija, ekološka prihvatljivost i niska potrošnja energije.
• Jedna od najvećih prednosti je upotreba vode kao ekstrakcijskog medija. Ipak, ultrazvučna obrada (sonikacija) može se koristiti s raznovrsnim sistemima otapala kako bi se dobili vrhunski rezultati za ciljani ekstrakt.
• Optimalno otapalo za ultrazvučnu ekstrakciju biljnih bioaktivnih tvari bira se s obzirom na sirovinu.

Ultrazvučna ekstrakcija

Poznato je da ultrazvuk razgrađuje ćelijske strukture i poboljšava prijenos mase, čime povećava mogućnost ekstrakcije biospojeva (npr. fenolnih spojeva, karotenoida).
Budući da mehanički efekti ultrazvučne obrade (sonikacije) uveliko pospješuju proces ekstrakcije zahvaljujući poboljšanom prijenosu mase, upotreba organskih otapala često je suvišna. To znači da je za ultrazvučnu ekstrakciju voda često dovoljan ekstrakcijski medij, koji ima brojne prednosti: jeftin je, neopasan, lako dostupan i ekološki prihvatljiv.
Međutim, za određene bioaktivne spojeve najbolji rezultati mogu se postići ultrazvučnom ekstrakcijom u kombinaciji s isparljivim otapalom.
Za odabir pravog otapala potrebno je uzeti u obzir sirovinu (npr. svježi ili sušeni, macerirani/usitnjeni ili u prah samljeveni biljni materijal) i ciljane tvari (npr. lipofilne, hidrofilne).

U sljedećoj tabeli navedeno je nekoliko otapala koja su dobro etablirana kao ekstrakcijska otapala i koriste se za ultrazvučnu ekstrakciju iz biljnog materijala.

Snažni ultrazvučni valovi razgrađuju ćelijski matriks bioloških struktura i oslobađaju bioaktivne spojeve. Prijenos mase između biljnog materijala i otapala se intenzivira. Zbog ovih mehanizama ultrazvučna ekstrakcija je vrlo učinkovita za botaničku ekstrakciju.

Ultrazvučni uređaji za ekstrakciju

Od laboratorijskih i stolnih ultrazvučnih uređaja do potpuno industrijskih sistema za ultrazvučnu ekstrakciju – Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji iskusni partner kada je riječ o snažnim i pouzdanim ultrazvučnim uređajima za uspješne procese ekstrakcije.
Naši ultrazvučni sistemi naširoko se koriste u biohemijskim laboratorijima i farmaceutskim proizvodnim pogonima. Ultrazvučne sonotrode i reaktori mogu se autoklavirati i ispunjavaju standarde farmaceutske proizvodnje.

Hielscher industrijski sonikatori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude kako bi razgradili ćelijske matrikse i oslobodili ciljane tvari. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Snaga i robusnost Hielscher ultrazvučnih uređaja osiguravaju visoke prinose, brzu ekstrakciju i potpuniju ekstrakciju – nadmašujući konvencionalne procese ekstrakcije.
Naši ultrazvučni procesori mogu se kombinirati s konvencionalnim metodama ekstrakcije kao što su Soxhletova ekstrakcija ili ekstrakcija superkritičnim CO2. Naknadno ugrađivanje u postojeće proizvodne linije može se jednostavno izvesti.

Literatura / reference

• Dent M., Dragović-Uzelac V., Elez Garofulić I., Bosiljkov T., Ježek D., Brnčić M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound Assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q. 29(3), 2015. 475–484.
• 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.

Zanimljive činjenice

Ultrazvučna ekstrakcija kavitacijom

Intenzivni ultrazvučni valovi stvaraju akustičnu kavitaciju u tekućinama. Smične sile kavitacije razaraju ćelijske zidove i membrane, tako da se oslobađa unutarćelijski materijal. Ultrazvučna ekstrakcija postiže dublje prodiranje otapala u biljno tkivo i poboljšava prijenos mase. Time ultrazvučna ekstrakcija značajno intenzivira proces ekstrakcije, što rezultira višim prinosima, bržom ekstrakcijom i potpunijom ekstrakcijom.

Sistemi otapala

Za ekstrakciju bioaktivnih spojeva iz biljnog materijala dostupni su različiti sistemi otapala. Za ekstrakciju hidrofilnih spojeva uglavnom se biraju polarna otapala kao što su metanol, etanol ili etil-acetat, dok se za ekstrakciju lipofilnih spojeva (npr. lipida) preferiraju sistemi otapala kao što su diklormetan ili diklormetan/metanol (v/v 1:1). Heksan se često koristi kao otapalo za ekstrakciju klorofila.

Šta su bioaktivni spojevi?

Bioaktivni spojevi ili fitokemikalije definiraju se kao tvari koje imaju utjecaj na žive organizme, tkiva ili ćelije. Biološki aktivne tvari uključuju antibiotike, enzime i vitamine. Bioaktivne tvari kao što su karotenoidi i polifenoli mogu se ekstrahirati npr. iz voća, listova i povrća, dok se fitosteroli nalaze u biljnim uljima.
Bioaktivni spojevi biljnog porijekla uključuju flavonoide, kofein, karotenoide, holin, ditioltione, fitosterole, polisaharide, fitoestrogene, glukozinolate, polifenole i antocijane. Mnoge bioaktivne tvari cijene se zbog djelovanja kao antioksidansi te se stoga smatraju korisnim za zdravlje.

Kako odabrati najbolje ekstrakcijsko otapalo?

Smjernice u nastavku pomažu vam da odaberete prikladno otapalo za ultrazvučnu botaničku ekstrakciju. Budući da je ultrazvučna obrada (sonikacija) kompatibilna s bilo kojim standardnim otapalom, možete odabrati otapalo koje je najidealnije za vašu biljnu sirovinu, ciljane fitokemikalije i isplativost.

• Selektivnost: Odaberite otapalo koje specifično otapa željene spojeve, a neželjene komponente ostavlja iza sebe. Na primjer, koristite etanol za polarne spojeve kao što su alkaloidi i flavonoidi.
• Topljivost: Na temelju principa “slično otapa slično” odaberite otapalo čija je polarnost slična polarnosti otopljene tvari. Polarna otapala (npr. voda, etanol) otapaju polarne spojeve, dok nepolarna otapala (npr. heksan) otapaju nepolarne spojeve kao što su lipidi i ulja.
• Cijena: Uzmite u obzir isplativost otapala. Neka otapala mogu biti skuplja, ali nude veće prinose ili bolju selektivnost, čime se uravnotežuje ukupni trošak ekstrakcije.
• Sigurnost: Osigurajte da je otapalo sigurno za upotrebu i rukovanje. Faktori uključuju toksičnost, zapaljivost i utjecaj na okoliš. Na primjer, voda i etanol sigurniji su izbor u poređenju s hloroformom ili toluenom.

Polarnost i odabir otapala
Prema zakonu sličnosti i miješanja, otapala čija je vrijednost polarnosti blizu polarnosti otopljene tvari vjerovatno će davati bolje rezultate. Evo nekoliko primjera:

• Polarna otapala: Voda, etanol, metanol – koriste se za ekstrakciju polarnih spojeva kao što su alkaloidi, flavonoidi, glikozidi i proteini.
• Umjereno polarna otapala: Aceton, etil-acetat, izopropanol – pogodna za ekstrakciju širokog spektra spojeva, uključujući fenolne spojeve i neke alkaloide.
• Nepolarna otapala: Heksan, toluen, petroleter – idealni za ekstrakciju nepolarnih spojeva kao što su lipidi, voskovi, terpeni i eterična ulja.

Primjeri upotrebe otapala

• Etanol: Jedno od najčešćih otapala za botaničku ekstrakciju. Kao polarno otapalo, etanol otapa polarne spojeve kao što su alkaloidi i flavonoidi.
• Voda: Univerzalno otapalo, često se koristi za ekstrakciju hidrofilnih spojeva kao što su polisaharidi, proteini i neki glikozidi.
• Metanol: Izrazito polarno otapalo, učinkovito u ekstrakciji širokog spektra biljnih spojeva, uključujući fenolne spojeve, flavonoide i neke alkaloide.
• Heksan: Nepolarno otapalo koje se prvenstveno koristi za ekstrakciju nepolarnih spojeva kao što su lipidi, voskovi i eterična ulja.
• Aceton: Aceton je polarno aprotično otapalo, učinkovito za ekstrakciju širokog spektra botaničkih spojeva, posebno onih koji su manje polarni od spojeva koje ekstrahiraju voda ili metanol.
• Izopropanol: Polarno otapalo slično etanolu, koje se uobičajeno koristi za ekstrakciju eteričnih ulja, smola i nekih alkaloida.
• Hloroform: Nepolarno otapalo, učinkovito u ekstrakciji alkaloida, terpenoida i nekih glikozida. Zbog svoje toksičnosti rjeđe se koristi.
• Etil-acetat: Umjereno polarno otapalo koje se koristi za ekstrakciju niza spojeva, uključujući flavonoide, alkaloide i fenolne spojeve.
• Toluen: Nepolarno otapalo koje se koristi za ekstrakciju nepolarnih spojeva kao što su eterična ulja, terpeni i voskovi.
• Butanol: Umjereno polarno otapalo, učinkovito u ekstrakciji spojeva srednje polarnosti, uključujući neke glikozide i saponine.
• Petroleter: Nepolarno otapalo koje se prvenstveno koristi za ekstrakciju masti, ulja i drugih nepolarnih spojeva iz biljnih materijala.

Sljedeća otapala testirana su u istraživačkim studijama koje su ispitivale ultrazvučnu ekstrakciju specifičnih biljnih materijala i fitokemikalija.

Šta su organska otapala?

Organsko otapalo je vrsta isparljivog organskog spoja (VOC). VOC-ovi su organske hemikalije koje isparavaju na sobnoj temperaturi.
Organski spojevi koji se koriste kao otapala uključuju:

• aromatske spojeve, npr. benzen i toluen
• alkohole, npr. metanol
• estere i etere
• ketone, npr. aceton
• amine
• nitrirane i halogenirane ugljikovodike

Mnoga organska otapala klasificirana su kao toksična ili kancerogena. U slučaju nepravilnog rukovanja mogu biti opasna za ljude te mogu kontaminirati zrak, vodu i tlo. Zahvaljujući snažnom mehanizmu ultrazvučne ekstrakcije, upotreba organskih otapala može se izbjeći njihovom zamjenom blažim, netoksičnim otapalima.