Opløsningsmidler til ultralydsekstraktion fra planter

• Ultralydsekstraktion har mange fordele såsom høje udbytter, hurtige ekstraktionshastigheder, miljøvenlighed og lavt energiforbrug.
• En af de største fordele er brugen af vand som ekstraktionsmedium. Sonikering kan dog anvendes med mange forskellige opløsningsmiddelsystemer for at opnå overlegne resultater for det ønskede ekstrakt.
• Det optimale opløsningsmiddel til ultralydsekstraktion af bioaktive stoffer fra planter vælges ud fra råmaterialet.

Ultralydsekstraktion

Ultralyd er velkendt for at nedbryde cellestrukturer og forbedre masseoverførslen, hvilket øger muligheden for at ekstrahere biologiske forbindelser (f.eks. fenolforbindelser, carotenoider).
Da de mekaniske virkninger af sonikering i høj grad forbedrer ekstraktionsprocessen gennem forbedret masseoverførsel, er brugen af organiske opløsningsmidler ofte overflødig. Det betyder, at vand ofte er et tilstrækkeligt ekstraktionsmedium til ultralydsekstraktion og har mange fordele, såsom at være billigt, ufarligt, let tilgængeligt og miljøvenligt.
For specifikke bioaktive forbindelser kan de bedste resultater dog opnås ved ultralydsekstraktion i kombination med et flygtigt opløsningsmiddel.
For at vælge det rigtige opløsningsmiddel skal råmaterialet (f.eks. frisk eller tørret, macereret/formalet eller pulveriseret plantemateriale) og de ønskede stoffer (f.eks. lipofile, hydrofile) tages i betragtning.
 

Følgende tabel viser flere opløsningsmidler, som er veletablerede ekstraktionsmidler og anvendes til ultralydsekstraktion fra plantemateriale.

Kraftige ultralydsbølger nedbryder cellematrixen i biologiske strukturer og frigiver de bioaktive forbindelser. Masseoverførslen mellem plantematerialet og opløsningsmidlet intensiveres. På grund af disse mekanismer er ultralydsekstraktion yderst effektiv til planteekstraktion.

Ultralydsapparater til ekstraktion

Fra ultralydsapparater til laboratorie- og bordbrug til fuldt industrielle ultralydsekstraktionssystemer – Hielscher Ultrasonics er din partner med mange års erfaring, når det gælder kraftige og pålidelige ultralydsapparater til vellykkede ekstraktionsprocesser.
Vores ultralydssystemer anvendes i vid udstrækning i biokemiske laboratorier og farmaceutiske produktionsanlæg. Ultralydssonotroderne og reaktorerne kan autoklaveres og opfylder standarderne for farmaceutisk produktion.

Hielschers industrielle sonikatorer kan levere meget høje amplituder for at nedbryde cellematricer og frigive de ønskede stoffer. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Hielschers ultralydsapparaters effekt og robusthed sikrer høje udbytter, hurtige ekstraktionshastigheder og mere fuldstændig ekstraktion – og overgår dermed konventionelle ekstraktionsprocesser.
Vores ultralydsprocessorer kan kombineres med konventionelle ekstraktionsmetoder såsom Soxhlet-ekstraktion eller ekstraktion med superkritisk CO2. Eftermontering i eksisterende produktionslinjer kan nemt gennemføres.

Litteratur / Referencer

• 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.

Værd at vide

Ultralydsekstraktion ved kavitation

Intense ultralydsbølger skaber akustisk kavitation i væsker. Forskydningskræfterne fra kavitationen nedbryder cellevæggen og membranerne, så det intracellulære materiale frigives. Ultralydsekstraktion giver større indtrængning af opløsningsmidlet i plantevæv og forbedrer masseoverførslen. Dermed intensiverer ultralydsekstraktion ekstraktionsprocessen betydeligt, hvilket resulterer i højere udbytter, hurtigere ekstraktionshastigheder og en mere fuldstændig ekstraktion.

Opløsningsmiddelsystemer

Der findes forskellige opløsningsmiddelsystemer til ekstraktion af bioaktive forbindelser fra plantemateriale. Til ekstraktion af hydrofile forbindelser vælges hovedsageligt polære opløsningsmidler såsom methanol, ethanol eller ethylacetat, mens opløsningsmiddelsystemer såsom dichlormethan eller dichlormethan/methanol (v/v 1:1) foretrækkes til ekstraktion af lipofile forbindelser (f.eks. lipider). Hexan anvendes ofte som opløsningsmiddel til klorofylekstraktion.

Hvad er bioaktive forbindelser?

Bioaktive forbindelser eller fytokemikalier defineres som stoffer, der påvirker levende organismer, væv eller celler. Biologisk aktive stoffer omfatter antibiotika, enzymer og vitaminer. Bioaktive stoffer såsom carotenoider og polyfenoler kan ekstraheres fra f.eks. frugter, blade og grøntsager, mens fytosteroler findes i vegetabilske olier.
Bioaktive forbindelser fra planter omfatter flavonoider, koffein, carotenoider, cholin, dithiolthioner, fytosteroler, polysaccharider, fytoøstrogener, glucosinolater, polyfenoler og anthocyaniner. Mange bioaktive stoffer værdsættes for deres virkning som antioxidanter og anses derfor for at være gavnlige for sundheden.

Hvordan vælger jeg det bedste ekstraktionsmiddel?

Retningslinjerne nedenfor hjælper dig med at vælge et egnet opløsningsmiddel til ultralydsekstraktion fra planter. Da sonikering er kompatibel med alle standardopløsningsmidler, kan du vælge det opløsningsmiddel, der er mest ideelt til dit planteråmateriale, de ønskede fytokemikalier og omkostningseffektiviteten.

• Selektivitet: Vælg et opløsningsmiddel, som specifikt opløser de ønskede forbindelser, mens uønskede komponenter efterlades. Brug for eksempel ethanol til polære forbindelser såsom alkaloider og flavonoider.
• Opløselighed: Vælg et opløsningsmiddel med en polaritet, der ligner det opløste stofs, ud fra princippet “lige opløser lige”. Polære opløsningsmidler (f.eks. vand, ethanol) opløser polære forbindelser, mens upolære opløsningsmidler (f.eks. hexan) opløser upolære forbindelser såsom lipider og olier.
• Omkostninger: Overvej opløsningsmidlets omkostningseffektivitet. Nogle opløsningsmidler kan være dyrere, men give højere udbytter eller bedre selektivitet, hvilket afbalancerer de samlede ekstraktionsomkostninger.
• Sikkerhed: Sørg for, at opløsningsmidlet er sikkert at bruge og håndtere. Faktorerne omfatter toksicitet, brændbarhed og miljøpåvirkning. For eksempel er vand og ethanol sikrere valg end chloroform eller toluen.

Polaritet og valg af opløsningsmiddel
Ifølge princippet om lighed og indbyrdes blandbarhed vil opløsningsmidler med en polaritetsværdi tæt på det opløste stofs polaritet sandsynligvis fungere bedre. Her er nogle eksempler:

• Polære opløsningsmidler: Vand, ethanol, methanol – anvendes til ekstraktion af polære forbindelser såsom alkaloider, flavonoider, glykosider og proteiner.
• Moderat polære opløsningsmidler: Acetone, ethylacetat, isopropanol – egnede til ekstraktion af en bred vifte af forbindelser, herunder fenolforbindelser og visse alkaloider.
• Upolære opløsningsmidler: Hexan, toluen, petroleumsether – ideelle til ekstraktion af upolære forbindelser såsom lipider, voks, terpener og æteriske olier.

Eksempler på anvendelse af opløsningsmidler

• Ethanol: Et af de mest almindelige opløsningsmidler til planteekstraktion. Som polært opløsningsmiddel opløser ethanol polære forbindelser såsom alkaloider og flavonoider.
• Vand: Det universelle opløsningsmiddel, som ofte anvendes til ekstraktion af hydrofile forbindelser såsom polysaccharider, proteiner og visse glykosider.
• Methanol: Et stærkt polært opløsningsmiddel, som er effektivt til ekstraktion af en bred vifte af planteforbindelser, herunder fenolforbindelser, flavonoider og visse alkaloider.
• Hexan: Et upolært opløsningsmiddel, som primært anvendes til ekstraktion af upolære forbindelser såsom lipider, voks og æteriske olier.
• Acetone: Acetone er et polært aprotisk opløsningsmiddel, som er effektivt til ekstraktion af en bred vifte af planteforbindelser, især dem, der er mindre polære end dem, der ekstraheres med vand eller methanol.
• Isopropanol: Et polært opløsningsmiddel, der ligner ethanol, og som almindeligvis anvendes til ekstraktion af æteriske olier, harpikser og visse alkaloider.
• Chloroform: Et upolært opløsningsmiddel, som er effektivt til ekstraktion af alkaloider, terpenoider og visse glykosider. Det anvendes mindre hyppigt på grund af sin toksicitet.
• Ethylacetat: Et moderat polært opløsningsmiddel, som anvendes til ekstraktion af en række forbindelser, herunder flavonoider, alkaloider og fenolforbindelser.
• Toluen: Et upolært opløsningsmiddel, som anvendes til ekstraktion af upolære forbindelser såsom æteriske olier, terpener og voks.
• Butanol: Et moderat polært opløsningsmiddel, som er effektivt til ekstraktion af forbindelser med middel polaritet, herunder visse glykosider og saponiner.
• Petroleumsether: Et upolært opløsningsmiddel, som primært anvendes til ekstraktion af fedtstoffer, olier og andre upolære forbindelser fra plantematerialer.

Følgende opløsningsmidler blev testet i forskningsstudier, der undersøgte ultralydsekstraktion af specifikke plantematerialer og fytokemikalier.

Hvad er organiske opløsningsmidler?

Et organisk opløsningsmiddel er en type flygtig organisk forbindelse (VOC). VOC’er er organiske kemikalier, der fordamper ved stuetemperatur.
Organiske forbindelser, der anvendes som opløsningsmidler, omfatter:

• aromatiske forbindelser, f.eks. benzen og toluen
• alkoholer, f.eks. methanol
• estere og ethere
• ketoner, f.eks. acetone
• aminer
• nitrerede og halogenerede kulbrinter

Mange organiske opløsningsmidler klassificeres som giftige eller kræftfremkaldende. Ved forkert håndtering kan de være farlige for mennesker og forurene luft, vand og jord. På grund af ultralydsekstraktionens kraftige virkningsmekanisme kan brugen af organiske opløsningsmidler undgås ved at erstatte dem med mildere, ugiftige opløsningsmidler.