Rozpouštědla pro ultrazvukovou extrakci z rostlin

• Ultrazvuková extrakce nabízí mnoho výhod, jako jsou vysoké výtěžky, vysoká rychlost extrakce, šetrnost k životnímu prostředí a nízká spotřeba energie.
• Jednou z největších výhod je použití vody jako extrakčního média. Sonikaci však lze použít s rozmanitými systémy rozpouštědel a dosáhnout tak vynikajících výsledků pro cílový extrakt.
• Optimální rozpouštědlo pro ultrazvukovou extrakci rostlinných bioaktivních látek se volí s ohledem na surovinu.

Ultrazvuková extrakce

Je dobře známo, že ultrazvuk narušuje buněčné struktury a zlepšuje přenos hmoty, čímž zvyšuje extrahovatelnost biologických sloučenin (např. fenolických látek, karotenoidů).
Protože mechanické účinky sonikace díky lepšímu přenosu hmoty výrazně zlepšují proces extrakce, je použití organických rozpouštědel často zbytečné. To znamená, že pro ultrazvukovou extrakci je voda často dostatečným extrakčním médiem, které má mnoho výhod – je levná, není nebezpečná, je snadno dostupná a šetrná k životnímu prostředí.
U specifických bioaktivních sloučenin však může být nejlepších výsledků dosaženo ultrazvukovou extrakcí v kombinaci s těkavým rozpouštědlem.
Při výběru správného rozpouštědla je nutné zohlednit surovinu (např. čerstvý nebo sušený, macerovaný/drcený nebo práškový rostlinný materiál) a cílové látky (např. lipofilní, hydrofilní).

V následující tabulce je uvedeno několik rozpouštědel, která jsou zavedenými extrakčními rozpouštědly a používají se k ultrazvukové extrakci z rostlinného materiálu.

Výkonné ultrazvukové vlny narušují buněčnou matrici biologických struktur a uvolňují bioaktivní sloučeniny. Přenos hmoty mezi rostlinným materiálem a rozpouštědlem se zintenzivňuje. Díky těmto mechanismům je ultrazvuková extrakce vysoce účinná pro extrakci z rostlin.

Ultrazvukové přístroje pro extrakci

Od laboratorních a stolních ultrazvukových přístrojů až po plně průmyslové ultrazvukové extrakční systémy – Hielscher Ultrasonics je vaším dlouholetým zkušeným partnerem, pokud jde o výkonné a spolehlivé ultrazvukové přístroje pro úspěšné extrakční procesy.
Naše ultrazvukové systémy jsou široce používány v biochemických laboratořích a farmaceutických výrobních závodech. Ultrazvukové sonotrody a reaktory jsou autoklávovatelné a splňují standardy farmaceutické výroby.

Průmyslové sonikátory Hielscher dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy za účelem narušení buněčných matric a uvolnění cílových látek. Amplitudy až 200µm lze snadno a nepřetržitě provozovat v režimu 24/7. Výkon a robustnost ultrazvukových přístrojů Hielscher zajišťují vysoké výtěžky, vysokou rychlost extrakce a úplnější extrakci – a překonávají tak konvenční extrakční procesy.
Naše ultrazvukové procesory lze kombinovat s konvenčními extrakčními metodami, jako je Soxhletova extrakce nebo superkritická extrakce CO2. Dovybavení stávajících výrobních linek lze snadno provést.

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.

Fakta, která stojí za to znát

Ultrazvuková extrakce pomocí kavitace

Intenzivní ultrazvukové vlny vytvářejí akustickou kavitaci v kapalinách. Kavitační smykové síly rozrušují buněčné stěny a membrány, takže se uvolňuje intracelulární materiál. Ultrazvuková extrakce dosahuje hlubšího pronikání rozpouštědla do rostlinné tkáně a zlepšuje přenos hmoty. Ultrazvuková extrakce tak výrazně zintenzivňuje proces extrakce, což vede k vyšším výtěžkům, vyšší rychlosti extrakce a úplnější extrakci.

Systémy rozpouštědel

Pro extrakci bioaktivních sloučenin z rostlinného materiálu jsou k dispozici různé systémy rozpouštědel. K extrakci hydrofilních sloučenin se většinou volí polární rozpouštědla, jako je methanol, ethanol nebo ethylacetát, zatímco k extrakci lipofilních sloučenin (např. lipidů) se upřednostňují systémy rozpouštědel, jako je dichlormethan nebo dichlormethan/methanol (v/v 1:1). Hexan se často používá jako rozpouštědlo pro extrakci chlorofylu.

Co jsou bioaktivní sloučeniny?

Bioaktivní sloučeniny neboli fytochemikálie jsou definovány jako látky, které mají vliv na živé organismy, tkáně nebo buňky. Mezi biologicky aktivní látky patří antibiotika, enzymy a vitaminy. Bioaktivní látky, jako jsou karotenoidy a polyfenoly, lze extrahovat např. z ovoce, listů a zeleniny, zatímco fytosteroly se nacházejí v rostlinných olejích.
Mezi bioaktivní sloučeniny rostlinného původu patří flavonoidy, kofein, karotenoidy, cholin, dithiolthiony, fytosteroly, polysacharidy, fytoestrogeny, glukosinoláty, polyfenoly a anthokyany. Mnohé bioaktivní látky jsou ceněny pro své antioxidační působení, a proto jsou považovány za zdraví prospěšné.

Jak vybrat nejlepší extrakční rozpouštědlo?

Níže uvedené zásady vám pomohou vybrat vhodné rozpouštědlo pro ultrazvukovou extrakci z rostlin. Protože je sonikace kompatibilní s jakýmkoli standardním rozpouštědlem, můžete zvolit rozpouštědlo, které je nejvhodnější pro vaši rostlinnou surovinu, cílové fytochemikálie a nákladovou efektivitu.

• Selektivita: Zvolte rozpouštědlo, které specificky rozpouští požadované sloučeniny a nežádoucí složky ponechává nerozpuštěné. Například pro polární sloučeniny, jako jsou alkaloidy a flavonoidy, použijte ethanol.
• Rozpustnost: Na základě principu „podobné se rozpouští v podobném“ zvolte rozpouštědlo s polaritou podobnou polaritě rozpouštěné látky. Polární rozpouštědla (např. voda, ethanol) rozpouštějí polární sloučeniny, zatímco nepolární rozpouštědla (např. hexan) rozpouštějí nepolární sloučeniny, jako jsou lipidy a oleje.
• Náklady: Zvažte nákladovou efektivitu rozpouštědla. Některá rozpouštědla mohou být dražší, ale nabízejí vyšší výtěžky nebo lepší selektivitu, čímž vyvažují celkové náklady na extrakci.
• Bezpečnost: Ujistěte se, že je rozpouštědlo bezpečné pro použití a manipulaci. Mezi faktory patří toxicita, hořlavost a dopad na životní prostředí. Například voda a ethanol jsou bezpečnější volbou ve srovnání s chloroformem nebo toluenem.

Polarita a výběr rozpouštědla
Podle zákona podobnosti a vzájemné mísitelnosti budou rozpouštědla s hodnotou polarity blízkou polaritě rozpouštěné látky pravděpodobně fungovat lépe. Zde je několik příkladů:

• Polární rozpouštědla: Voda, ethanol, methanol – používají se k extrakci polárních sloučenin, jako jsou alkaloidy, flavonoidy, glykosidy a proteiny.
• Středně polární rozpouštědla: Aceton, ethylacetát, isopropanol – vhodná pro extrakci široké škály sloučenin, včetně fenolických látek a některých alkaloidů.
• Nepolární rozpouštědla: Hexan, toluen, petrolether – ideální pro extrakci nepolárních sloučenin, jako jsou lipidy, vosky, terpeny a esenciální oleje.

Příklady použití rozpouštědel

• Ethanol: Jedno z nejběžnějších rozpouštědel pro extrakci z rostlin. Jako polární rozpouštědlo ethanol rozpouští polární sloučeniny, jako jsou alkaloidy a flavonoidy.
• Voda: Univerzální rozpouštědlo, často používané k extrakci hydrofilních sloučenin, jako jsou polysacharidy, proteiny a některé glykosidy.
• Methanol: Vysoce polární rozpouštědlo účinné při extrakci široké škály rostlinných sloučenin včetně fenolických látek, flavonoidů a některých alkaloidů.
• Hexan: Nepolární rozpouštědlo používané především k extrakci nepolárních sloučenin, jako jsou lipidy, vosky a esenciální oleje.
• Aceton: Aceton je polární aprotické rozpouštědlo účinné při extrakci široké škály rostlinných sloučenin, zejména těch, které jsou méně polární než sloučeniny extrahované vodou nebo methanolem.
• Isopropanol: Polární rozpouštědlo podobné ethanolu, běžně používané k extrakci esenciálních olejů, pryskyřic a některých alkaloidů.
• Chloroform: Nepolární rozpouštědlo účinné při extrakci alkaloidů, terpenoidů a některých glykosidů. Kvůli své toxicitě se používá méně často.
• Ethylacetát: Středně polární rozpouštědlo používané k extrakci řady sloučenin včetně flavonoidů, alkaloidů a fenolických látek.
• Toluen: Nepolární rozpouštědlo používané k extrakci nepolárních sloučenin, jako jsou esenciální oleje, terpeny a vosky.
• Butanol: Středně polární rozpouštědlo účinné při extrakci sloučenin se střední polaritou včetně některých glykosidů a saponinů.
• Petrolether: Nepolární rozpouštědlo používané především k extrakci tuků, olejů a dalších nepolárních sloučenin z rostlinných materiálů.

Následující rozpouštědla byla testována ve výzkumných studiích zkoumajících ultrazvukovou extrakci konkrétních rostlinných materiálů a fytochemikálií.

Co jsou organická rozpouštědla?

Organické rozpouštědlo je typem těkavé organické sloučeniny (VOC). VOC jsou organické chemické látky, které se odpařují při pokojové teplotě.
Mezi organické sloučeniny používané jako rozpouštědla patří:

• aromatické sloučeniny, např. benzen a toluen
• alkoholy, např. methanol
• estery a ethery
• ketony, např. aceton
• aminy
• nitrované a halogenované uhlovodíky

Mnohá organická rozpouštědla jsou klasifikována jako toxická nebo karcinogenní. Při nesprávné manipulaci mohou být nebezpečná pro člověka a mohou kontaminovat ovzduší, vodu a půdu. Díky účinnému mechanismu ultrazvukové extrakce se lze použití organických rozpouštědel vyhnout a nahradit je mírnějšími, netoxickými rozpouštědly.