Ultralydsekstraktion med dybe eutektiske opløsningsmidler

Dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) og naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES) er effektive, tilpasningsbare og miljøvenlige ekstraktionsmedier til plantematerialer, fødevarer, nutraceutika, kosmetik og farmaceutiske ingredienser. Hielschers sonikatorer med sonde intensiverer DES-ekstraktion ved at accelerere masseoverførslen, nedbryde plantecellernes strukturer og forbedre opløsningsmidlets indtrængning – selv ved arbejde med viskøse opløsningsmiddelsystemer såsom glycerolbaserede NADES.

Uanset om du screener opløsningsmiddelformuleringer i laboratoriet, optimerer ekstraktionsparametre for et bestemt fytokemikalie eller opskalerer til kontinuerlig inlineproduktion, giver Hielschers ultralydsekstraktorer reproducerbar amplitudestyring, robust drift 24/7 og skalerbar behandling fra milliliter til industrielle flowhastigheder.

Hvorfor ekstraktproducenter vælger Hielscher til DES-ekstraktion

• Højere ekstraktionseffektivitet for polyfenoler, flavonoider, cannabinoider, terpener, anthocyaniner og andre bioaktive forbindelser
• Hurtigere ekstraktion sammenlignet med konventionel maceration og ekstraktion med opløsningsmidler i omrørte tanke
• Kompatibel med DES, NADES, glycerin, vand, ethanol og blandede opløsningsmiddelsystemer
• Effektiv behandling af opløsningsmidler med høj viskositet ved hjælp af sonikering med sonde ved høj amplitude
• Opstillinger til batchbehandling, recirkulation og kontinuerlig gennemstrømning
• Præcis styring af amplitude, energitilførsel, temperatur og procestid
• Nem opskalering fra gennemførlighedsforsøg til pilotproduktion og fuld industriel produktion

Hvorfor sonikering forbedrer DES- og NADES-ekstraktion

Ultralydsekstraktion med sonde ved hjælp af dybe eutektiske opløsningsmidler og naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler kan give flere fordele ved ekstraktion af bioaktive forbindelser. En af de vigtigste fordele er den øgede ekstraktionseffektivitet for fenoliske forbindelser og andre fytokemikalier fra naturlige kilder. Dybe eutektiske opløsningsmidler er kendt for høj ekstraktionseffektivitet, som kan øges yderligere ved ultralydsassisteret ekstraktion. Da de er ugiftige, er de et fremragende valg af opløsningsmiddel til farmaceutiske produkter og fødevarer. Dette gør ultralydsekstraktion med dybe eutektiske opløsningsmidler til en grøn og bæredygtig metode til udvinding af bioaktive forbindelser. Det er videnskabeligt dokumenteret, at den synergistiske anvendelse af sonikering sammen med dybe eutektiske opløsningsmidler giver højere udbytter af forskellige bioaktive forbindelser. Samlet set giver ultralydsekstraktion med sonde 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, som findes i sorte gulerødder, bær, druer, lilla majs og andre plantematerialer. Dybe eutektiske opløsningsmidler er velegnede til ekstraktion af anthocyaniner, fordi deres netværk af hydrogenbindinger kan tilpasses disse farvestoffers krav til polaritet og stabilitet. Når DES-ekstraktion kombineres med sonikering med sonde, bliver den betydeligt mere effektiv: ultralydskavitation nedbryder plantecellernes strukturer, forbedrer opløsningsmidlets indtrængning og accelererer frigivelsen af anthocyaniner til ekstraktionsmediet. En undersøgelse af anthocyaniner fra sorte gulerødder med sonikatoren UP400St viser, at cholinchloridbaserede DES, især i kombination med ultralydsassisteret ekstraktion, kan være et bæredygtigt og effektivt alternativ til konventionel ekstraktion med syrnet ethanol eller methanol. (jf. Türker et al., 2021)

Ultralydsekstraktion af polyfenoler med DES

Polyfenoler, herunder flavonoider, fenolsyrer og beslægtede antioxidantforbindelser, er vigtige målmolekyler ved ekstraktion til plantebaserede produkter, fødevarer, nutraceutika og kosmetik. Glycerolbaserede dybe eutektiske opløsningsmidler er særligt attraktive til udvinding af polyfenoler, fordi deres polaritet og evne til at danne hydrogenbindinger understøtter opløsningen af fenoliske forbindelser. Ultralyd med sonde intensiverer processen yderligere ved at øge masseoverførslen, reducere ekstraktionstiden og forbedre kontakten mellem DES og plantematricen.
En forskningsundersøgelse anvendte et DES af glycerol og ammoniumacetat med ultralydsassisteret ekstraktion under optimerede parametre såsom temperatur, DES-koncentration og ultralydsamplitude. Resultatet viste, at ultralydsbaseret DES-ekstraktion muliggjorde effektiv udvinding af samlede fenoler, flavonoider og antioxidantaktivitet fra frugter af paternostertræet, hvilket demonstrerede potentialet i ultralydsekstraktion med DES som en grøn ekstraktionsmetode til industriel forarbejdning af plantematerialer. (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) er “den stærke hydrogenbindingsinteraktion mellem HBA og HBD den vigtigste faktor for dannelsen af DES.” [Cai et al. 2019]
Som hydrogenbindingsdonorer anvendes ofte forbindelser såsom sukkerarter, aminosyrer, carboxylsyrer (f.eks. benzoesyre, citronsyre, ravsyre) eller aminer (f.eks. urinstof, benzamid). Hydrogenbindingsdonorernes potentiale for kemisk interaktion er den vigtigste faktor, der bidrager til dannelsen og effektiviteten af dybe eutektiske opløsningsmidler. Halogenidsalte såsom cholinchlorid eller zinkchlorid kan også anvendes sammen med hydrogenbindingsdonorerne. Andre cholinchloridbaserede dybe eutektiske opløsningsmidler dannes med malonsyre, fenol eller glycerin. Som følge af de stærke hydrogenbindingsinteraktioner reduceres smeltepunktet for dybe eutektiske opløsningsmidler betydeligt sammenlignet med deres enkelte 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 derfor vanskeligt antændes. Dybe eutektiske opløsningsmidlers toksicitet er lav, deres biologiske nedbrydelighed er høj, og de nødvendige udgangsstoffer er billige, let tilgængelige i rigelige mængder og fornybare.
Naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES) er endnu mere miljøvenlige, da alle udgangsstoffer stammer fra naturlige kilder. Dybe eutektiske opløsningsmidler tilbyder også en tilpasningsbar opløsningsevne baseret på det opløste stofs kemi og de kemiske arter, der anvendes til at fremstille dybe eutektiske opløsningsmidler. Nogle naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler har en høj viskositet og er derfor ikke særligt velegnede til batchekstraktion. Naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler med højere viskositet kan dog med succes anvendes som opløsningsmidler ved ultralydsekstraktion med gennemstrømning.

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

Hvordan fungerer ultralydsekstraktion med dybe eutektiske opløsningsmidler?

Ultralydsekstraktion er baseret på de sonomekaniske virkninger af ultralyd med høj intensitet og lav frekvens. For at fremme og intensivere ekstraktionen af planteforbindelser (dvs. bioaktive stoffer) ved hjælp af sonikering kobles ultralydsbølger med høj effekt via en ultralydssonde (også kaldet et ultralydshorn eller en sonotrode) ind i det flydende medium, dvs. suspensionen bestående af planteråmaterialet og det (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmiddel. Ultralydsbølgerne bevæger sig gennem væsken og skaber skiftende lavtryks- / højtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusserne dannes meget små vakuumbobler (såkaldte kavitationsbobler), som vokser over flere trykcyklusser. Under disse cyklusser med boblevækst trænger de opløste gasser i væsken ind i vakuumboblen, så vakuumboblerne omdannes til voksende gasbobler. Efter at have vokset over flere cyklusser når vakuumboblerne en bestemt størrelse, hvor de ikke kan absorbere mere energi, så de imploderer voldsomt under en højtrykscyklus. Bobleimplosionen er kendetegnet ved intense kavitationskræfter, herunder meget høj temperatur og meget højt tryk, der når op til henholdsvis 4000K og 1000atm; samt tilsvarende store temperatur- og trykforskelle. Disse ultralydsgenererede turbulenser og forskydningskræfter bryder plantecellerne op og frigiver de intracellulære bioaktive forbindelser til det (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmiddel. Ultralydsekstraktion åbner plantematerialernes cellestruktur og intensiverer masseoverførslen mellem plantemateriale og opløsningsmiddel. Sonikering fremmer dermed effektiviteten af naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler. Ultralydsekstraktion med (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmidler giver usædvanligt høje udbytter inden for en meget kort behandlingstid.

Ultralydsbølger med høj effekt nedbryder plantematerialernes cellestruktur, frigiver de bioaktive forbindelser og fremmer masseoverførslen mellem plantematerialet og opløsningsmidlet (f.eks. dybe eutektiske opløsningsmidler).

Kombinationen af ultralydsekstraktion og (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmidler giver dig mulighed for at kombinere ultralydens procesintensiverende effekt med dybe eutektiske opløsningsmidlers bemærkelsesværdige opløsningsevne og fremragende muligheder for tilpasning. På grund af ultralydsekstraktionens overlegne effektivitet anvendes ultralydsapparater også med succes til ekstraktion med vand.
Kontakt os nu for at få mere at vide om den effektive anvendelse af ultralydsekstraktion med dybe eutektiske opløsningsmidler!

Ultralydsekstraktorer til DES-ekstraktion i laboratoriet, på pilotniveau og i industrien

Ultralydsekstraktion er en pålidelig procesteknologi, som letter og accelererer produktionen af ekstrakter af høj kvalitet fra forskellige plantematerialer med et hvilket som helst opløsningsmiddel. Ultralydsekstraktion er i høj grad kompatibel med (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmidler, som er fordelagtige på grund af deres fremragende opløsningsevne, mulighed for tilpasning til ekstraktet, bæredygtighed, biologiske nedbrydelighed og miljøvenlighed. Kombinationen af procesintensivering med ultralyd med høj effekt og fordelene ved (naturlige) dybe eutektiske opløsningsmidler gør denne procesteknologi overlegen på mange niveauer. Hielscher Ultrasonics’ sortiment dækker hele spektret fra kompakte ultralydsapparater til laboratoriet til industrielle ekstraktionssystemer. De er naturligvis alle egnede til ekstraktion med dybe eutektiske opløsningsmidler.
Vores medarbejdere med mange års erfaring hjælper dig fra gennemførlighedsforsøg og procesoptimering til installation af dit ultralydssystem på det endelige produktionsniveau.