Ultralydsekstraktion med dybe eutektiske opløsningsmidler

Dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) og naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES) er effektive, fleksible og miljøvenlige ekstraktionsmidler til planteekstrakter, fødevarer, kosttilskud, kosmetik og farmaceutiske ingredienser. Hielschers probe-sonikatorer intensiverer DES-ekstraktionen ved at fremskynde masseoverførslen, nedbryde plantecellestrukturer og forbedre opløsningsmidlets penetration – selv ved arbejde med viskose opløsningsmiddelsystemer såsom glycerolbaserede NADES.

Uanset om du tester opløsningsmiddelformuleringer i laboratoriet, optimerer ekstraktionsparametre for et bestemt fytokemikalie eller opskalerer til kontinuerlig inline-produktion, tilbyder Hielschers ultralydsekstraktionsanlæg reproducerbar amplitudestyring, pålidelig drift døgnet rundt og skalerbar behandling fra milliliter til industrielle gennemstrømningshastigheder.

Hvorfor udvindingsvirksomheder vælger Hielscher til DES-ekstraktion

• Højere udvindingsgrad for polyfenoler, flavonoider, cannabinoider, terpener, anthocyaniner og andre bioaktive stoffer
• Hurtigere ekstraktion sammenlignet med konventionel maceration og opløsningsmiddelekstraktion i omrørt tank
• Kompatibel med DES, NADES, glycerin, vand, ethanol og blandede opløsningsmiddelsystemer
• Effektiv behandling af opløsningsmidler med høj viskositet ved hjælp af ultralydsbehandling med høj amplitude
• Anlæg til batch-, recirkulations- og kontinuerlig gennemstrømning
• Præcis regulering af amplitude, energitilførsel, temperatur og behandlingstid
• Enkel opskalering fra gennemførlighedstest til pilotproduktion og fuld industriel produktion

Hvorfor ultralydsbehandling forbedrer udvindingen af DES og NADES

Ultralydssonde-type ekstraktion ved hjælp af dybe eutektiske opløsningsmidler og naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler kan give flere fordele ved ekstraktion af bioaktive forbindelser. En af de største fordele er den øgede ekstraktionseffektivitet af phenolforbindelser og andre fytokemikalier fra naturlige kilder. Dybe eutektiske opløsningsmidler er kendt for høj ekstraktionseffektivitet, som endda kan forbedres ved ultralydassisteret ekstraktion. På grund af deres ikke-toksicitet er de en god opløsningsmiddelmulighed til farmaceutiske produkter og fødevarer. Dette gør ultralydsekstraktion ved hjælp af dybe eutektiske opløsningsmidler til en grøn og bæredygtig metode til genvinding af bioaktive forbindelser. Den synergetiske anvendelse af ultralydbehandling med dybe eutektiske opløsningsmidler er videnskabeligt bevist at resultere i højere udbytter af forskellige bioaktive forbindelser. Samlet set giver ultralydssonde-type ekstraktion ved hjælp af dybe eutektiske opløsningsmidler og naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler en mere effektiv og miljøvenlig tilgang til ekstraktion af bioaktive forbindelser.

Ultralydsekstraktion af anthocyaniner med DES

Anthocyaniner er værdifulde naturlige pigmenter og antioxidanter, der findes i sorte gulerødder, bær, druer, lilla majs og andre plantematerialer. Dybe eutektiske opløsningsmidler er særdeles velegnede til udvinding af anthocyaniner, da deres netværk af hydrogenbindinger kan tilpasses, så det opfylder disse farvestoffers krav til polaritet og stabilitet. Når det kombineres med ultralydsbehandling af probetypen, bliver DES-ekstraktion betydeligt mere effektiv: ultralydskavitation forstyrrer plantecellestrukturer, forbedrer opløsningsmiddelpenetrationen og fremskynder frigivelsen af anthocyaniner i ekstraktionsmediet. En undersøgelse af anthocyaniner fra sorte gulerødder ved hjælp af sonikatoren UP400St viser, at DES baseret på cholinchlorid, især når det kombineres med ultralydsassisteret ekstraktion, kan udgøre et bæredygtigt og effektivt alternativ til konventionel ekstraktion med forsuret ethanol eller methanol. (jf. Türker et al., 2021)

Ultralydsekstraktion af polyfenoler med DES

Polyfenoler, herunder flavonoider, fenolsyrer og beslægtede antioxidanter, er vigtige målmolekyler inden for ekstraktion til anvendelse i plantebaserede produkter, fødevarer, kosttilskud og kosmetik. Glycerolbaserede dybe eutektiske opløsningsmidler er særligt attraktive til udvinding af polyfenoler, da deres polaritet og evne til at danne hydrogenbindinger understøtter opløsningen af fenolforbindelser. Ultralyd af probetypen intensiverer processen yderligere ved at øge masseoverførslen, reducere ekstraktionstiden og forbedre kontakten mellem det dybe eutektiske opløsningsmiddel og plantematerialet.
I en forskningsundersøgelse blev der anvendt et DES-system bestående af glycerol og ammoniumacetat i forbindelse med ultralydsassisteret ekstraktion under optimerede parametre såsom temperatur, DES-koncentration og ultralydsamplitude. Resultatet viste, at ultralydsekstraktion med DES muliggjorde en effektiv udvinding af totale fenoler, flavonoider og antioxidantaktivitet fra chinaberry-frugter, hvilket demonstrerede potentialet i ultralydsekstraktion ved hjælp af DES som en grøn ekstraktionsmetode til industriel botanisk forarbejdning. (jf. Jamshed et al., 2022)

Hvad er dybe eutektiske opløsningsmidler (DES)?

Dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) er blandinger af mindst én hydrogenbindingsacceptor (HBA) og én hydrogenbindingsdonor (HBD), herunder carboxylsyrer og andre fornybare forbindelser. Ifølge Cai et al. (2019), “Den stærke hydrogenbindingsinteraktion mellem HBA og HBD er den vigtigste faktor for dannelsen af DES'er.” [Cai et al. 2019]
Til hydrogenbindingsdonorer anvendes ofte forbindelser som sukkerarter, aminosyrer, carboxylsyrer (f.eks. benzoesyre, citronsyre, ravsyre) eller aminer (f.eks. urinstof, benzamid). Det kemiske interaktionspotentiale for hydrogenbindingsdonorer er de vigtigste faktorer, der bidrager til dannelse og effektivitet af dybe eutektiske opløsningsmidler. Halogenidsalte såsom cholinchlorid eller zinkchlorid kan også bruges sammen med hydrogenbindingsdonorerne. Andre cholinchloridbaserede dybe eutektiske opløsningsmidler dannes med malonsyre, phenol eller glycerin. Som et resultat af de stærke hydrogenbindingsinteraktioner reduceres smeltepunktet for dybe eutektiske opløsningsmidler betydeligt sammenlignet med dets individuelle komponenter. I modsætning til konventionelle opløsningsmidler (f.eks. ethanol, methanol, hexan, butan osv.) er dybe eutektiske opløsningsmidler ikke-flygtige, hvilket betyder, at de har et meget lavt damptryk og dermed næsten ikke er brandfarlige. Toksiciteten af dybe eutektiske opløsningsmidler er lav, deres biologiske nedbrydelighed er høj, og de nødvendige prækursorer er billige, let og rigelige tilgængelige såvel som vedvarende.
Naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES) er endnu mere miljøvenlige, da alle prækursorer kommer fra naturlige kilder. Dybe eutektiske opløsningsmidler tilbyder også en justerbar solvens baseret på kemien i det opløste stof og de arter, der bruges til at skabe dybe eutektiske opløsningsmidler. Nogle naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler udviser en høj viskositet, og de er derfor ikke særlig velegnede til batchekstraktion. Imidlertid kan naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler med højere viskositeter med succes anvendes som opløsningsmidler i ultralydsgennemstrømningsekstraktion.

Tabellen nedenfor viser nogle få eksempler på sammensætninger af naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES) til udvinding af fytokemikalier:

Hvordan fungerer ultralydsekstraktion med dybe eutektiske opløsningsmidler?

Ultralydsekstraktion er baseret på de sonomekaniske virkninger af højintensiv, lavfrekvent ultralyd. For at fremme og intensivere ekstraktionen af botaniske forbindelser (dvs. bioaktive stoffer) via ultralydbehandling kobles ultralydbølger med høj effekt via en ultralydssonde (også kaldet ultralydshorn eller sonotrode) i det flydende medium, dvs. opslæmningen bestående af det botaniske råmateriale og det (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmiddel. Ultralydsbølgerne bevæger sig gennem væsken og skaber skiftende lavtryks- / højtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusser skabes små vakuumbobler (såkaldte kavitationsbobler), som vokser over flere trykcyklusser. Under disse cyklusser med boblevækst kommer de opløste gasser i væsken ind i vakuumboblen, så vakuumboblen omdannes til voksende gasbobler. Efter at have vokset over flere cyklusser når vakuumboblerne en vis størrelse, hvor de ikke kan absorbere mere energi, så de imploderer voldsomt under en højtrykscyklus. Bobleimplosionen er karakteriseret ved intense kavitationskræfter, herunder meget høj temperatur og tryk, der når op til henholdsvis 4000K og 1000atm; samt tilsvarende høje temperatur- og trykforskelle. Disse ultralydsgenererede turbulenser og forskydningskræfter bryder planteceller op og frigiver de intracellulære bioaktive forbindelser i det (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmiddel. Ultralydsekstraktion åbner cellestrukturen af botaniske stoffer og intensiverer masseoverførsel mellem plantemateriale og opløsningsmiddel. Sonikering fremmer derved effektiviteten af naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler. Ultralydsekstraktion med (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmidler resulterer i usædvanligt høje udbytter inden for en meget kort behandlingstid.

Ultralydsbølger forstyrrer cellestrukturen i planter, frigiver de bioaktive forbindelser og fremmer masseoverførslen mellem plantematerialet og opløsningsmidlet (f.eks. dybe eutektiske opløsningsmidler).

Kombinationen af ultralydsekstraktion med (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmidler giver dig mulighed for at kombinere ultralydens procesintensiverende kraft med de bemærkelsesværdige opløselige virkninger og fremragende designbarhed af dybe eutektiske opløsningsmidler. På grund af den overlegne effektivitet af ultralydsekstraktion, Ultralydapparater bruges også med succes til vandudvinding.
Kontakt os nu for at lære mere om den kraftfulde ultralydsekstraktionsapplikation ved hjælp af dybe eutektiske opløsningsmidler!

Ultralydsekstraktionsanlæg til laboratorie-, pilot- og industriel DES-ekstraktion

Ultralydsekstraktion er en pålidelig behandlingsteknologi, der letter og fremskynder produktionen af ekstrakter af høj kvalitet fra forskellige botaniske såvel som ethvert opløsningsmiddel. Ultralydsekstraktion er yderst kompatibel med (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmidler, som er gunstige på grund af deres fremragende opløselige kraft, designbarhed til ekstraktet, bæredygtighed, biologisk nedbrydelighed og miljøvenlighed. Kombinationen af procesintensivering af ultralyd med fordelene ved (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmidler giver denne procesteknologi overlegenhed på mange niveauer. Hielscher Ultrasonics-porteføljen dækker hele spektret fra kompakte laboratorie-ultralydapparater til industrielle ekstraktionssystemer. Alle er naturligvis velegnede til ekstraktion med dybe eutektiske opløsningsmidler.
Vores mangeårige erfarne medarbejdere hjælper dig fra gennemførlighedstest og procesoptimering til installation af dit ultralydssystem på det endelige produktionsniveau.