Hocheffiziente Alkaloid-Extraktion mittels Ultraschallhomogenisator

Alkaloide sind bioaktive Verbindungen, die mit Hilfe von Ultraschall effizient aus Pflanzen extrahiert werden können. Alkaloide zeigen ein breites Spektrum an biologischen Wirkungen und werden daher als Arzneimittel und Therapeutika eingesetzt. Die Ultraschallextraktion ist die bevorzugte Technik zur Herstellung hochwertiger Alkaloidextrakte aus Pflanzenmaterial. Die Ultraschallextraktion führt zu einer sehr hohen Ausbeute an Alkaloiden. Gleichzeitig ist die Extraktionszeit sehr kurz ist und die Ultraschallextraktoren sind sicher und einfach zu bedienen.

Hocheffiziente Alkaloid-Extraktion mittels Leistungs-Ultraschall

Weshalb ist die Ultraschallextraktion von Alkaloiden so vorteilhaft?
Bei der Ultraschallextraktion werden niederfrequente Ultraschallwellen (z.B. mit einer Frequenz von 20-26 kHz) und der Effekt der akustischen Kavitation (welche durch Ultraschall erzeugt wird) genutzt. Hochintensive Ultraschallwellen erzeugen Kavitationsblasen, die implodieren und dabei lokal hoch-energetische Druck- und Temperaturunterschiede sowie starke Scherkräfte erzeugen, welche die Pflanzenzellwände und das Pflanzengewebe perforieren und aufschließen. Die durch die Kavitation erzeugte Flüssigkeitsströmungen fördern den Stoffaustausch zwischen der intrazellulären Matrix und dem umgebenden Lösungsmittel, so dass die Alkaloide effizient freigesetzt werden. Bei der Alkaloidextraktion mit Ultraschall wird das Pflanzenmaterial (z.B. gemahlene, getrocknete Blätter) in ein Lösungsmittel gegeben, bei dem es sich in der Regel um eine Mischung aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel wie wässrigem Ethanol handelt. Polare Lösungsmittel wie Methanol und Ethanol haben sich für eine hohe Alkaloidausbeute als besonders effizient erwiesen. Nach einer kurzen Ultraschallbehandlung dieser Slurry – bestehend aus Pflanzenmaterial und Lösungsmittel – werden die Alkaloide aus den Pflanzenzellen freigesetzt und befinden sich anschließend im Lösungsmittel, aus dem sie isoliert und aufgereinigt werden können (z.B. mit einem Rotorverdampfer).

Vorteile der Alkaloid-Extraktion mittels Ultraschall

Die Ultraschallextraktion gilt als überlegene Extraktionstechnik für die Isolierung von Alkaloiden aus Pflanzenmaterial, da sie zahlreiche Vorteile bietet. Zu den wichtigsten Vorteilen der Ultraschall-Extraktion zählen vor allem:

1. Erhöhte Effizienz der Extraktion: Die Ultraschallextraktion kann die Ausbeute an Alkaloiden im Vergleich zu herkömmlichen Extraktionsmethoden um mehr als 200 % steigern.
2. Verkürzte Extraktionszeit: Die Ultraschallextraktion kann die Extraktionszeit erheblich verkürzen, wodurch eine schnellere und effizientere Verarbeitung großer Mengen von Pflanzenmaterial möglich ist.
3. Geringerer Lösungsmittelverbrauch: Durch die Ultraschallextraktion kann die für die Extraktion benötigte Lösungsmittelmenge reduziert werden, was zu geringeren Kosten und einer geringeren Umweltbelastung führt.
4. Selektive Extraktion: Bei der Ultraschallextraktion können bestimmte Alkaloide durch die Wahl des geeigneten Lösungsmittels, der Prozessparameter und der Extraktionstemperatur selektiv extrahiert werden. Da unerwünschte Verbindungen zurückbleiben, wird die Reinheit des Endprodukts verbessert.
5. Einfache Skalierbarkeit: Die Ultraschallextraktion lässt sich leicht auf größere Mengen von Pflanzenmaterial ausdehnen und eignet sich daher für die kommerzielle Produktion. Ultraschallverfahren lassen sich linear skalieren, was die Umsetzung im industriellen Maßstab erleichtert.

Insgesamt ist die Ultraschallextraktion eine schnellere, effizientere und umweltfreundlichere Methode für die Isolierung von Alkaloiden aus Pflanzenmaterial.

Ultraschallextraktion von Alkaloiden aus den Blättern des Soursop-Baums

Nolasco-González et al. (2022) untersuchten die Wirksamkeit und Effizienz der Ultraschallextraktion von bioaktiven Verbindungen einschließlich phenolischer Verbindungen, Alkaloide und Acetogenine (alle mit hoher antioxidativer Kapazität) aus den Blättern der Pflanzenart Annona muricata (Soursop-Baum). Für die Ultraschallextraktion wurde Ultraschallprozessor UP400S unter folgenden Bedingungen verwendet: 80 % Amplitude, 0,7 s Impulszyklus, 4,54 Minuten Beschallungsdauer. Die insgesamt löslichen Phenole (total soluble phenols - TSP) wurden aus 0,5 g getrocknetem Blattpulver und 20 mL Aceton: Wasser (80:20 v/v) extrahiert. Der mit Ultraschall hergestellte Extrakt enthielt 178,48 mg/100 mL lösliche Phenole, 20,18 mg/100 mL Gesamtflavonoide, 27,81 mg/100 mL hydrolysierbare Polyphenole, 167,07 mg/100 mL kondensierte Tannine, 30,44 mg/100 mL Gesamtalkaloide und 14,62 mg/100 mL Gesamtacetogenine. Der mit dem Ultraschallgerät U400S isolierte Extrakt (siehe Bild links) wies eine hohe antioxidative Kapazität und einen höheren Gehalt an bioaktiven Verbindungen auf. Je nach Art der Verbindung war die Ausbeute des Ultraschallextraktes zwischen ~6- und ~927-fach höher als die des Dekokts bzw. des Aufgusses. Vierundzwanzig verschiedene phenolische Verbindungen wurden in den Proben identifiziert, wobei der mit Ultraschall isolierte Extrakt die höchste Konzentration aufwies.
(vgl. Nolasco-González et al., 2022)

Antioxidative Kapazität von Extrakten, die unter den optimalen Bedingungen mittels ultraschallgestützter Extraktion (UAE), Dekoktierung oder durch Aufguss gewonnen wurden. Ultraschallextrakte weisen durchweg eine deutlich höhere antioxidative Kapazität auf.
(Studie und Grafik: ©Nolasco-González et al., 2022)

HPLC-Chromatogramm der phenolischen Verbindungen in dem ultraschall-isolierten Extrakt der Annona muricata-Blätter mit dem Ultraschallhomogenisator UP400S.
(1) Shikimisäure, (2) Gallussäure, (3) Protocatechusäure, (4) Neochlorogensäure,
(5) 3,4-Dihydroxyphenylessig, (6) 4-Hydroxybenzoesäure, (7) Chlorogensäure, (8) 4-Hydroxyphenylessig, (9) Vanillinsäure, (10) Syringinsäure, (11) 3-Hydroxybenzoesäure, (12) Kaffeesäure, (13) 4-Hydroxybenzaldehyd, (14) Homovanillasäure, (15) 3-(4-Hydroxyphenyl), (16) p-Cumarsäure, (17) trans-Ferulasäure, (18) trans-Zimtsäure, (19) Gallocatechin, (20) Epigallocatechin, (21) Catechin,(22) Epicatechin, (23) Rutin, (24) Ellagsäure.
(Studie und Grafik: ©Nolasco-González et al., 2022)

Lee et al. (2021) kamen zu ähnlich bestätigten Ergebnissen und berichten eine deutlich höhere Alkaloide-Extraktausbeite aus A. muricata-Blättern, welche mit Ultraschall (340 W, 56 °C, 30 Minuten) extrahiert wurden. Die Ultraschall-Extraktion ergab im Vergleich zur Soxhlet-Extraktion (7 Stunden, 80°C) 230% mehr Alkaloide.

Extraktion von Indolalkaloiden aus Mimosawurzelrinde und Ayahuasca mit einem Ultraschallextraktor

Sowohl die Rinde der Mimosenwurzel als auch die Ayahuasca-Blätter enthalten das Alkaloid N,N-Dimethyltryptamin (DMT). Dimethyltryptamin (DMT) wird derzeit in klinischen Studien auf seine halluzinogenen Wirkungen und damit als potenzielles Medikament zur Behandlung von Depressionen und posttraumatischen Belastungsstörungen (PTSD) erforscht. Die Ultraschallbehandlung fördert wirksam die Freisetzung und Isolierung des Alkaloids aus den Wurzeln der Mimosa hostilis und den Blättern der Psychotria viridis (Ayahuasca). Die DMT-Extraktion mit Ultraschall liefert hohe Ausbeuten in sehr kurzer Zeit. Die mit fast allen Lösungsmitteln kompatiblen Hielscher-Ultraschallgeräte werden für die Herstellung bioaktiver Substanzen in Pharmaqualität für den Einsatz in Forschung und Medizin sowie für die Probenvorbereitung vor analytischen Qualitäts- und Wirksamkeitstests eingesetzt. Daher können Hielscher-Ultraschallgeräte die medizinische DMT- und Botanik-Forschung in vielfältiger Weise unterstützen.
Die häufigste Quelle für das Indol-Akaloid N,N-Dimethyltryptamin (DMT) im Jurema-Baum ist die Wurzel der Mimosa hostilis (gemeinhin als Jurema preta bekannt). Ayahuasca ist die traditionelle Bezeichnung für eine andere Pflanzenart, bei der die Blätter des Strauchs Psychotria viridis das Alkaloid Dimethyltryptamin (DMT) enthalten.
Sowohl die Mimosa-Wurzelrinde (Mimosa tenuiflora, Mimosa Hostilis Root Bark; abgekürzt MHRB) als auch die Ayahuasca-Blätter enthalten verschiedene bioaktive Verbindungen, die derzeit in klinischen Studien auf ihr Potenzial als therapeutisches Mittel untersucht werden. So enthält die Mimosa-Wurzelrinde Gerbstoffe, Saponine, Tryptamine, Alkaloide, Lipide, Phytoindole, Xylose, Phytosterole, Glucoside, Rhamnose, Arabinose, Methoxychalkone, Lupeol und Kukulkanine. Diese bioaktiven Verbindungen können mit Hilfe von Ultraschallgeräten effizient aus der Wurzelrinde extrahiert werden. Die Ultraschallextraktion ist die effizienteste Methode zur Isolierung von Zielsubstanzen wie Alkaloiden aus botanischem Material wie Mimosawurzelrinde und Ayahuasca-Blättern. Die Sonifizierung zeichnet sich durch hohe Ausbeuten in sehr kurzer Extraktionszeit aus. Milde Prozessbedingungen gewährleisten höchste Extraktqualität und verhindern einen unerwünschten Abbau der aktiven Moleküle.

Extraktionsaufbau für die botanische Isolierung: Ultraschallstabschwinger UP400StBüchi-Vakuumfilter und Rotor-Verdampfer für die Extraktion von Phytochemikalien wie Alkaloiden und Phenolen.

Hielscher Ultraschallgeräte für die effiziente Alkaloid-Extraktion

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren, die sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch bei der Herstellung von Extrakten in Pharmaqualität eingesetzt werden.
Hervorragende ExtraktionseffizienzDie ultraschallunterstützte Extraktion ist eine wissenschaftlich erprobte Technik mit einer außerordentlich hohen Effizienz bei der Gewinnung bioaktiver Verbindungen aus Pflanzen. Während herkömmliche Methoden oft sehr lange dauern (mehrere Stunden bis Tage), dauert die botanische Extraktion mit Ultraschall nur wenige Minuten.

Hohe Extraktionsausbeute und hervorragende Extraktqualität mit Hielscher Ultraschallgeräten

Die ultraschall-gestützte Extraktion ermöglicht die vollständige Freisetzung bioaktiver Verbindungen aus dem Pflanzenmaterial. Die Ultraschallkavitation bricht die zelluläre Matrix auf und setzt die bioaktiven Moleküle effizient in das umgebende Lösungsmittel frei. Vergleichende Studien haben gezeigt, dass mit Ultraschall höhere Extraktausbeuten erzielt werden als mit anderen Extraktionsverfahren (z.B. Soxhlet, Mazeration, Dekoktierung, Infusion). Die Ultraschallextraktion ist mit jedem Lösungsmittel kompatibel und ermöglicht somit auch die Verwendung von sehr milden Lösungsmitteln wie Wasser oder wässrigem Ethanol. Je nach den spezifischen Extraktionsanforderungen können polare und unpolare Lösungsmittel gewählt werden, und der Wechsel zwischen den Lösungsmitteln ist kein Problem. Eine genaue Kontrolle der Prozessparameter (z.B. Amplitude), die Verwendung milder Lösungsmittel und eine exakte Temperaturkontrolle verhindern den Abbau und die Kontamination bioaktiver Verbindungen (z.B. Alkaloide, Polyphenole, Flavonoide, Cannabinoide usw.) während der Ultraschallextraktion.

Vielseitiger Einsatz von Hielscher Ultraschallgeräten

Während alternative Extraktionstechniken (z.B. überkritisches CO2, Lösungsmittelextraktion, Perkolation etc.) oft nur für die Extraktion bestimmter Moleküle in Abhängigkeit von Molekulargewicht, Löslichkeit und Wärmeempfindlichkeit geeignet sind, ermöglicht die Extraktion mit Hielscher Hochleistungs-Ultraschallgeräten die vielseitige Extraktion sämtlicher beliebiger pflanzlicher Verbindungen. Die ultraschall-gestützte Extraktion kann zuverlässig für die Isolierung eines breiten Spektrums von Extrakten eingesetzt werden, welche bioaktive Verbindungen wie Polyphenole, Alkaloide, Anthrachinone, Flavonoide, Glykoside, Lipide, Pektin und Polysaccharide enthalten.

Hervorragende Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit

Der Energieverbrauch der ultraschall-gestützten Extraktion ist deutlich geringer als bei den traditionellen Methoden zur Gewinnung von bioaktiven Substanzen aus Pflanzen.

Sicherheit durch Prozess-Standardisierung mit Hielscher Ultrasonics

Hielscher Ultraschallgeräte ermöglichen die präzise Steuerung aller Ultraschall-Prozessparameter wie Amplitude, Intensität, Beschallungsdauer, Druck und Temperatur. Die Prozessparameter sind einfach zu regeln und werden kontinuierlich überwacht. Zusätzlich werden alle Prozessparameter automatisch als CSV-Datei auf einer eingebauten SD-Karte protokolliert. So kann der Bediener Beschallungsläufe nachträglich überprüfen, den Extraktionsprozess optimieren und eine gleichbleibende Extraktqualität sicherstellen. Hielscher Ultraschallgeräte ermöglichen Herstellern eine zuverlässige Produktion von Pflanzenextrakten höchster Qualität und erleichtern die Unsetzung der Good Manufacturing Practice (GMP).

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: