Ekstraktion af terpener med ultralyd

Ultralydsekstraktion af terpener har vist sig at give høje udbytter af terpenet caryophyllenoxid, f.eks. fra cannabis og humle. Caryophyllenoxid er et terpen, der findes i cannabis, humle, peber, basilikum og rosmarin. Som aktivt stof anvendes ekstraheret caryophyllenoxid som aromatilsætningsstof og kosttilskud.

Anvendelse af ekstraheret caryophyllenoxid

Caryophyllenoxid er kendetegnet ved sin aromatiske duft og smag (dvs. urter). På grund af sin intense aromatiske duft og smag anvendes det ofte som aromatilsætningsstof i fødevarer samt som duftkomponent. Desuden har det også evnen til at binde sig til de endokrine CB2-receptorer i menneskekroppen, hvilket gør det til en interessant farmaceutisk komponent.

Ultralydsekstraktion af terpener fra humle: Ekstraktionen udføres med Hielscher UP100H, som isolerer caryophyllen og andre terpener fra humlekopper.

Ultralydsekstraktion af caryophyllenoxid

Ultralydsekstraktion af terpenet caryophyllenoxid er en fremragende teknik til at opnå høje udbytter, f.eks. fra cannabis og humle. Læs mere om akustisk kavitation, det virksomme princip bag ultralydsekstraktion!
Som eksempel blev β-caryophyllenoxid ekstraheret med ultralyd ved hjælp af ultralydsapparatet UP100H (100W, 30kHz) fra tørrede humlekopper.
GC-analysedataene viser ekstraktionsudbyttet af β-caryophyllenoxid, ekstraheret med Hielschers UP100H fra humle.

GC-analyse af caryophyllenoxidekstrakt fra humlekopper fremstillet ved ultralydsekstraktion

Gaskromatografisk analyse af ultralydsekstraheret humleekstrakt: β-caryophyllenoxid, α-caryophyllen, α-pinen, mycrene, limonen, α-caryophylene samt caryophyllenoxid og andre.

Ud over β-caryophyllenoxid blev andre terpener såsom α-caryophyllen, α-pinen, mycrene, limonen og α-caryophylene blandt andre ekstraheret med succes.

Hvordan ekstraheres terpener fra planter ved hjælp af sonikering med sonde? En trinvis vejledning!

Først formales eller hakkes plantematerialet i små stykker for at øge overfladearealet til ekstraktion.
Plantematerialet blandes derefter med et opløsningsmiddel (såsom ethanol eller vand) for at ekstrahere terpenerne.
Derefter anvendes sonikering med sonde til at understøtte ekstraktionsprocessen ved at tilføre suspensionen højintensive, lavfrekvente ultralydsbølger ved ca. 20kHz. Dette fremkalder akustisk kavitation og hurtige vibrationer i opløsningsmidlet, hvilket fremmer nedbrydningen og sprængningen af plantecellerne samt frigivelsen af terpenerne.
Blandingen filtreres derefter for at adskille det faste plantemateriale fra væsken, der indeholder de ekstraherede terpener.
Væsken inddampes derefter eller underkastes yderligere behandling for at fjerne opløsningsmidlet og koncentrere terpenerne.
Slutproduktet er et terpenrigt ekstrakt, der kan anvendes til forskellige formål såsom kosttilskud, funktionelle fødevarer og kosmetik.

Protokol for ultralydsekstraktion af terpener

Humlen blev formalet med en almindelig kaffekværn for at opnå en mere ensartet partikelstørrelse i humleprøven.
4,5mg humle blev anbragt i et prøveglas, hvorefter der blev tilsat 5mL ethanol. Prøveglasset blev placeret i et bægerglas med isvand for at bortlede varme. Derefter blev prøven sonikeret med en UP100H, udstyret med sonotrode MS7, ved en amplitudeindstilling på 50% i 90sec.

GC-analysedata for humleekstrakter (ekstraheret ved sonikering)

Gaskromatografisk analyse af ultralydsekstraheret humleekstrakt:

Sonikering sikrer en høj masseoverførsel mellem cellematricen og opløsningsmidlet, så der dermed opnås et meget højt udbytte af ekstrakt af høj kvalitet.

Fordele ved ultralydsekstraktion af terpener

terpenekstrakter af høj kvalitet (ingen termisk nedbrydning)
høje udbytter
hurtig fremgangsmåde
hurtigt investeringsafkast
mildere opløsningsmidler
lavere forbrug af opløsningsmidler
sikker og nem at betjene
begrænset vedligeholdelse
grøn, miljøvenlig terpenekstraktion

Ultralydsekstraktion af terpener udmærker sig som en grøn ekstraktionsmetode, der gør det muligt at fremskynde terpenekstraktionen betydeligt og samtidig kræver mindre energi end andre konventionelle ekstraktionsmetoder (dvs. superkritisk CO2, Soxhlet osv.). Andre fordele ved anvendelse af ultralydsekstraktion af terpener er nem håndtering af ultralydsekstraktoren, en hurtig proces, intet kemisk affald, højt udbytte, miljøvenlighed, forbedret kvalitet som følge af milde procesbetingelser samt forebyggelse af termisk nedbrydning.

Ultralydsekstraktorer til terpener

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af, hvilket ultralydsapparat der kan være bedst egnet til dine krav til terpenekstraktion.

Batchvolumen	Volumenstrøm	Anbefalede apparater
10 til 2000mL	20 til 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 til 20L	0,2 til 4L/min	UIP2000hdT
10 til 100L	2 til 10L/min	UIP4000
n.a.	10 til 100L/min	UIP16000
n.a.	større	klynge af UIP16000

I denne præsentation introducerer vi fremstilling af planteekstrakter. Vi forklarer udfordringerne ved at fremstille planteekstrakter af høj kvalitet, og hvordan et ultralydsapparat kan hjælpe med at overvinde disse udfordringer. Præsentationen viser, hvordan ultralydsekstraktion fungerer. Her beskrives fordelene ved at bruge et ultralydsapparat til ekstraktion, og hvordan en ultralydsekstraktor kan integreres i produktionen af ekstrakter.

Relaterede emner

Litteratur/referencer

Selvamuthukumaran, M.; Shi, J. (2017): Recent advances in extraction of antioxidants from plant by-products processing industries. Food Quality and Safety, 2017, 1, 61–81.
Suslick, K.S. (1990): Sonochemistry. Science 23 Mar 1990: Vol. 247, Issue 4949, pp. 1439-1445

Værd at vide

Caryophyllen

Caryophyllen eller (−)-β-caryophyllen er et naturligt bicyklisk sesquiterpen, der findes i mange æteriske olier. Følgende urter er kendt som gode kilder til caryophyllen: cannabis, hamp (Cannabis sativa), sort kommen (Carum nigrum), nelliker (Syzygium aromaticum), humle (Humulus lupulus), basilikum (Ocimum spp.), oregano (Origanum vulgare), sort peber (Piper nigrum), lavendel (Lavandula angustifolia), rosmarin (Rosmarinus officinali, og copaibaolie (Copaifera spp.). β-caryophyllen er et phytocannabinoid med stærk affinitet til cannabinoidreceptor type 2 (CB 2), men ikke til cannabinoidreceptor type 1 (CB 1).

Caryophyllenoxid

Caryophyllenoxid (også β-caryophyllenoxid) er oxidationsderivatet af β-caryophyllen og er et hvidt, krystallinsk, fast pulver med et smeltepunkt på ca. 62°C.
Det værdsættes for sine antiinflammatoriske, lokalbedøvende og antioxidative virkninger. Den første forskning tyder på, at caryophyllenoxid også kan være et potentielt lægemiddel til kræftbehandling. Caryophyllenoxid er en del af cyclobutanringen, som allerede anvendes i medicinsk forskning til at syntetisere det udbredte kemoterapeutiske lægemiddel carboplatin.
Caryophyllenoxid, hvor olefinen i caryophyllen er blevet til et epoxid, er en godkendt komponent til aromatisering af fødevarer.
Både β-caryophyllen og β-caryophyllenoxid har lav vandopløselighed, hvilket hæmmer deres optagelse i cellen. For at anvende disse sesquiterpener som lægemidler eller kosttilskud afhjælper indkapsling i liposomer disse sesquiterpeners ringe opløselighed i vandige væsker og sikrer biotilgængelighed og bioaktivitet. Klik her for at få mere at vide om ultralydsindkapsling af bioaktive forbindelser!

Caryophyllenoxid i cannabis

I cannabis sativa-planten findes caryophyllenoxid som et sesquiterpen, der består af tre isoprenenheder. Caryophyllenoxid er et af de største og mest udbredte terpener i cannabisplanten og er ansvarligt for cannabis’ karakteristiske aroma og duft. Ultralydsekstraktion anvendes med succes til at fremstille fuldspektrede cannabidiololier, så de mange forskellige forbindelsers entourage-effekt opnås.

Ultralydskavitation til ekstraktion

Når ultralydsbølger med høj effekt tilføres en væske, opstår der kompressions- og ekspansionscyklusser (rarefaktion) i væsken. Under rarefaktion dannes hulrum eller såkaldte kavitationsbobler i en væske. Disse kavitationsbobler, som er små vakuumbobler, opstår, når undertrykket virker, så væskens lokale trækstyrke overskrides. Vakuumboblerne vokser over flere kompressions-/rarefaktionscyklusser, indtil de ikke kan optage mere energi, og kavitationsboblen gennemgår et implosivt kollaps. Dette fænomen kaldes kavitation. Ifølge prof. Suslicks forskning (1990) hersker der ekstreme forhold i kavitationsbobler med temperaturer på op til 5000 K, tryk på 1000 atmosfærer, en opvarmnings- og afkølingshastighed på over 1010 K/s samt væskestråler med en hastighed på op til 280m/s, som kommer til udtryk som meget høje forskydningskræfter og turbulens i kavitationszonen. Kombinationen af disse faktorer (tryk, varme, forskydning og turbulens) anvendes til at fremskynde masseoverførslen i ekstraktionsprocessen. Desuden anvendes disse lokalt forekommende forhold også i ultralydsprocesser såsom homogenisering, emulgering eller dispergering.

Ultralydskavitation / akustisk kavitation skaber meget intense kræfter, der fremmer krystalliserings- og udfældningsprocesserne (klik for at forstørre!)

Ultralydsekstraktion er baseret på akustisk kavitation og dens hydrodynamiske forskydningskræfter

Ultralydsekstraktion af terpener

Princippet for ultralydsekstraktion er baseret på to effekter, der opstår, når ultralydsbølger med høj effekt kobles ind i en væske eller suspension:
For det første presses opløsningsmidlet (det omgivende flydende medium) ind i cellematricen. Afhængigt af kavitationens amplitude og styrke perforeres eller sprænges cellevæggen af væsketrykket.
For det andet skylles cellens indhold (dvs. intracellulært materiale) ud fra cellens indre under rarefaktionscyklussen. Efter ultralydsekstraktion befinder de ønskede forbindelser sig i opløsningsmidlet og kan adskilles fra opløsningsmidlet (f.eks. ved at fordampe opløsningsmidlet), så der til sidst opnås et rent ekstrakt.
Råmaterialets sammensætning (såsom fugtindhold, macerations-/formalingsgrad og partikelstørrelse samt det valgte opløsningsmiddel er meget vigtige faktorer for at opnå en effektiv ultralydsekstraktionsproces med god udnyttelse af ressourcerne. Ultralydsprocesparametrene er også afgørende: amplitude, tryk, temperatur og sonikeringstid skal fastlægges og optimeres for at opnå de bedste resultater.