Højeffektiv ekstraktion af artemisinin med sonikering

Artemisinin kan ekstraheres effektivt ved hjælp af sonikering med høj ydeevne. Ultralydsekstraktion giver meget høje udbytter af artemisinin ved brug af milde opløsningsmidler. Ekstraktionsprocessen accelereres drastisk ved anvendelse af ultralyd. Procesbetingelserne i ultralydsekstraktorer kan styres præcist, hvilket gør det muligt at forhindre nedbrydning af det varmefølsomme biomolekyle artemisinin.

Ekstraktion af artemisinin

Artemisinin er et bioaktivt molekyle, der findes i trikomkirtlerne hos planten Artemisia annua. Det anvendes som lægemiddel mod malaria og viser stort potentiale som lægemiddel til behandling af flere andre sygdomme, herunder kræft og SARS-CoV-2. Den traditionelle ekstraktionsmetode indebærer brug af giftige opløsningsmidler og er en dyr, suboptimal proces. For at producere artemisinin i stor skala under miljømæssigt og økonomisk gunstige betingelser kræves en effektiv og miljøvenlig ekstraktionsteknik. Ultralydsekstraktion er en veletableret ekstraktionsmetode, der kan anvendes i kombination med vand eller ethanol som ugiftige opløsningsmidler. Det er allerede dokumenteret, at ultralydsekstraktion giver høje udbytter af artemisinin, så produktionen af artemisinin hurtigt kan opskaleres til store volumener. Udstyr til ultralydsekstraktion til batch- og inlinebehandling på industrielt niveau er let tilgængeligt.

Ultralydsekstraktion af artemisinin fra Artemisia annua

Anvendelsen af højintensitetsultralyd til ekstraktion overgår andre ekstraktionsmetoder på flere væsentlige områder, herunder udbytte, ekstraktionstid, miljøvenlighed og omkostningseffektivitet.

Ulemperne ved traditionel ekstraktion af artemisinin

Traditionelle ekstraktionsmetoder til artemisinin er tidskrævende, kan beskadige de bioaktive artemisininmolekyler på grund af de høje temperaturer, der anvendes, og har en stor miljøpåvirkning på grund af de organiske opløsningsmidler, der anvendes ved høje temperaturer. Desuden er omfattende oprensning nødvendig i den efterfølgende proces for at fjerne urenheder fra råekstraktet.

Fordelene ved ultralydsekstraktion af artemisinin

Anvendelse af højintensitetsultralyd til ekstraktion har flere positive virkninger, som intensiverer ekstraktionsprocessen: Ultralyd med høj ydeevne skaber akustisk kavitation. Denne akustiske kavitation fremmer ekstraktion fra planter ved at nedbryde cellerne, så de indesluttede biomolekyler frigives fra plantens cellematrix. Desuden intensiverer kavitationskræfterne masseoverførslen og transporterer dermed effektivt biomolekyler som artemisinin ud i det omgivende opløsningsmiddel. Virkningsprincippet for ultralydsekstraktion kan tilskrives rent mekaniske kavitationskræfter. Det betyder, at sonikering er en ikke-termisk, ikke-kemisk ekstraktionsteknik. At ultralydsekstraktion er en ikke-termisk ekstraktionsteknik, gør den særligt fordelagtig, da artemisinin er en termisk følsom forbindelse, hvilket betyder, at højere temperaturer (f.eks. 70°C) vil medføre nedbrydning. Derfor kunne Artemisia annua L. ikke koges i varmt vand for at udvinde artemisinin.

Miljøvenlige opløsningsmidler til ultralydsekstraktion af artemisinin

Klassiske ekstraktionsmidler, der anvendes til produktion af artemisinin, omfatter hexan, petroleumsether eller dichlormethan. Ultralydsdrevet ekstraktion er kompatibel med ethvert opløsningsmiddel, herunder milde, miljøvenlige opløsningsmidler som ethanol eller vand. Ultralydsekstraktion af artemisinin med ethanol er lige så effektiv som med aggressive opløsningsmidler. Da artemisinin har lav vandopløselighed, kan cyclodextriner anvendes til at forbedre ultralydsekstraktion af artemisinin med koldt vand.

Hvad gør ultralydsekstraktion af artemisinin så effektiv?

For at forstå fordelene ved ultralydsassisteret ekstraktion skal man forstå virkningsprincippet for højintensitetsultralyd. Den ekstraktionsintensiverende mekanisme ved højintensitetsultralyd tilskrives hovedsageligt fænomenet akustisk kavitation. Ultralydskavitation forårsager kollisioner mellem partikler i plantebiomassen (såsom blade af Artemisia annua L.), hvilket resulterer i fragmentering som følge af kollisionerne mellem partiklerne og en reduktion af partikelstørrelsen. Når kavitationsbobler kollapser på overfladen af de faste plantestoffer, øger erosion og sonoporation partiklernes overflade yderligere. Den derved intensiverede masseoverførsel letter frigivelsen af molekyler som proteiner, lipider, sukkerarter, vitaminer, antioxidanter, fytokemikalier (f.eks. artemisinin) og kostfibre. Forskydningskræfter genereret af ultralyd forbedrer henholdsvis opløsningsmidlets indtrængning i plantematerialets cellematrix og cellemembranernes permeabilitet. Disse mekanismer ved højintensitetsultralyd er ansvarlige for den betydelige procesintensivering, der opnås, når sonikering anvendes til ekstraktion fra planter.

Højintensitetsultralydsbølger nedbryder planternes cellestruktur, frigiver de bioaktive forbindelser og fremmer masseoverførslen mellem plantematerialet og opløsningsmidlet (f.eks. ethanol).

Forskningsdokumenterede resultater af ultralydsekstraktion af artemisinin

Der er gennemført flere videnskabelige undersøgelser for at undersøge effektiviteten og den praktiske anvendelighed af ultralydsekstraktion af artemisinin fra blade af Artemisia annua.

Briars og Paniwnyk viste, »at ultralyd ved lave temperaturer øger udbyttet af artemisinin ekstraheret fra A. annua med omkring 58%, og at ekstrakterne ser ud til at være renere sammenlignet med konventionel udblødning; derfor har anvendelsen af ultralyd under ekstraktion potentiale til at muliggøre artemisininbaserede behandlinger til lavere omkostninger.« (Briars and Paniwnyk, 2013)

Zhang et al. (2017) undersøgte ultralydsekstraktion af artemisinin med propylenglycolmethylether (PGME) som opløsningsmiddel. Det ultralydsfremstillede artemisininekstrakt blev analyseret ved hjælp af væskekromatografi med ultrahøj ydeevne (UPLC). Analyseresultaterne understregede ekstraktets kvalitet. På grund af processens gode repeterbarhed og det ekstraherede artemisinins stabilitet viser ultralydsassisteret ekstraktion med den miljøvenlige og effektive monoether propylenglycolmethylether (PGME) som opløsningsmiddel store perspektiver for ekstraktion og separation af bioaktive molekyler fra planter. Ultralydsekstraktion med propylenglycolmethylether (PGME) som opløsningsmiddel resulterede i en høj samlet ekstraktionseffektivitet og høje udbytter af artemisinin. (jf. Zhang et al., 2017)

I en anden undersøgelse præsenterer Zhang et al. (2020) ultralydsekstraktion af artemisinin med hydroxypropyl-β-cyclodextrin. Tilsætning af cyclodextrin forbedrer frigivelsen af den svært vandopløselige forbindelse artemisinin og gør det muligt at anvende vand som opløsningsmiddel med gode ekstraktionsudbytter. Ultralydsekstraktion i kombination med cyclodextrin øgede mængden af artemisinin til 8,66 mg/g, hvilket er betydeligt mere end den tilsvarende mængde på 1,70 mg/g, der blev opnået i vand.

Ultralydsekstraktorer med høj ydeevne til produktion af artemisinin

Ultralydsekstraktionssystemer med høj ydeevne fra Hielscher Ultrasonics anvendes over hele verden til forskning og udvikling samt til produktion i lille, mellemstor og fuldt kommerciel skala i forskellige brancher, såsom fødevare-, kosttilskuds- og lægemiddelproduktion. Ultralydsekstraktorer med høj ydeevne intensiverer ekstraktionsprocessen og øger udbyttet, hvilket forbedrer den samlede effektivitet ved produktion af ekstrakter af høj kvalitet. Hielscher Ultrasonics tilbyder ekstraktionsudstyr til ethvert volumen / enhver proceskapacitet. Med mere end 25 års erfaring inden for ekstraktion fra planter er Hielscher Ultrasonics din betroede partner til ultralydsekstraktion med høj ydeevne fra Artemisia annua!

Topmoderne ultralydsapparater med høj ydeevne

De intelligente funktioner i Hielschers ultralydsapparater er designet til at garantere pålidelig drift, reproducerbare resultater og brugervenlighed. Driftsindstillinger kan nemt tilgås og justeres via en intuitiv menu, som er tilgængelig via en digital farveberøringsskærm og fjernbetjening via browser. Derfor registreres alle procesbetingelser, såsom nettoenergi, samlet energi, amplitude, tid, tryk og temperatur, automatisk på et indbygget SD-kort. Dette gør det muligt at gennemgå og sammenligne tidligere sonikeringsforløb og optimere ekstraktionsprocessen for artemisinin til den højeste effektivitet.
Systemer fra Hielscher Ultrasonics anvendes over hele verden til fremstilling af planteekstrakter af høj kvalitet. Hielschers industrielle ultralydsapparater kan uden problemer arbejde med høje amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på op til 200µm kan uden problemer genereres kontinuerligt med standardsonotroder (ultralydssonder / horn). Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. På grund af deres robusthed og lave vedligeholdelsesbehov installeres vores ultralydsekstraktionssystemer ofte til krævende anvendelser og i krævende miljøer.

Kontakt os nu for at få mere at vide om ultralydsekstraktion af artemisinin fra planten Artemisia annua. Vi sender dig gerne oplysninger om vores ultralydsekstraktionssystemer og priser! Vores erfarne medarbejdere drøfter gerne din anvendelse og dine proceskrav med dig!
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: