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).

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Batch-Ultraschallextraktion von Alkaloiden aus Pflanzenmaterial mit dem Ultraschallstabschwinger UP400St.

Ultraschallgerät UP400St für die Alkaloid-Extraktion aus Pflanzenmaterial.

Das Video zeigt die hocheffiziente und schnelle Ultraschallextraktion von Alkaloiden aus Tabak. Der verwendete Ultraschallprozessor ist ein Hielscher UP400St-Ultraschallgerät, das sich ideal für die Herstellung mittelgroßer Chargen hochwertiger Extrakte eignet. Für große Mengen liefert Hielscher Ultrasonics industrielle Ultraschallsysteme für die kontinuierliche Inline-Extraktion.

Vollspektrumextraktion aus Tabak mit Ultraschall UP400St

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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

Der Ultraschallextraktor UP400ST mit Temperatursensor wurde für die Extraktion von Alkaloiden aus getrockneten Blättern verwendet.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)

Die Alkaloidextraktion mit Ultraschall liefert hervorragende Ergebnisse mit einer hohen antioxidativen Kapazität und übertrifft Extraktionsverfahren wie Dekoktierung (Aufkochen) und Aufguss (Infusion).

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)

Die Ultraschallextraktion mit dem UP400S ergab einen Vollspektrum-Extrakt mit einer hohen Ausbeute an zahlreichen phenolischen Verbindungen.

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.

Ultraschallextraktor (Ultraschallstabschwinger) für die Isolierung von Alkaloiden aus Pflanzenmaterialien wie Blättern, Rinde, Wurzeln und Stängeln.

Ultraschallextraktor UIP1000hdT mit Rührwerk für die Alkaloid-Extraktion im Batch-Verfahren.

Ultraschallextraktion von spezifischen Alkaloiden

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.

Ultraschallextraktion und Aufreinigung von Phytochemikalien aus Pflanzen: Das Bild zeigt das Sonotroden-Ultraschallgerät UP400ST, einen Büchi-Vakuumfilter und einen Rotor-Verdampfer für die Extraktion von Curcumin.

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

Ultraschallextraktoren von Hielscher ermöglichen die zuverlässige und effiziente Herstellung großer Mengen von Alkaloidextrakten. Die Ultraschallextraktion liefert hohe Alkaloidausbeuten von hervorragender Qualität in kurzer Verarbeitungszeit.

Ultraschallextraktor UIP2000hdT mit einem Batchreaktor aus rostfreiem Edelstahl in Pharmaqualität für die industrielle Herstellung von Alkaloidextrakten.

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In dieser Präsentation führen wir Sie in die Herstellung botanischer Extrakte ein. Wir erläutern die Herausforderungen bei der Herstellung hochwertiger botanischer Extrakte und wie ein Sonicator Ihnen helfen kann, diese Herausforderungen zu meistern. Diese Präsentation zeigt Ihnen, wie die Ultraschallextraktion funktioniert. Sie erfahren, welche Vorteile Sie bei der Verwendung eines Sonicators für die Extraktion erwarten können und wie Sie einen Ultraschallextraktor in Ihre Extraktproduktion integrieren können.

Botanische Ultraschallextraktion - Wie man Ultraschallgeräte zur Extraktion botanischer Substanzen verwendet

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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 können über eine Browsersteuerung ferngesteuert werden. Die Beschallungsparameter können überwacht und exakt an die Prozessanforderungen angepasst werden.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:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
15 bis 150 Liter 3 bis 15 l/min UIP6000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Die botanische Extraktion mit Ultraschall bringt höhere Ausbeuten. Der Hielscher UIP2000hdT, 2000 Watt Homogenisator ist leistungsfähig genug, um Batch-Behälter von 10 bis 120 Litern schnell und zuverlässig zu extrahieren.

Ultraschall-Extraktion von pflanzlichen Stoffen - 30 Liter pro 8-Gallonen-Batch

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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist hocheffizient bei der Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Literatur / Literaturhinweise

Wissenswertes

Was sind Alkaloide?

Alkaloide bilden eine Klasse von natürlich vorkommenden stickstoffhaltigen Verbindungen mit geringem Molekulargewicht, die häufig als Sekundärmetaboliten im Pflanzenreich vorkommen. Ein Alkaloid enthält mindestens ein Stickstoffatom. Alkaloide werden biochemisch aus einer der folgenden drei gängigen Aminosäuren synthetisiert – Lysin, Tyrosin und Tryptophan.
In Pflanzen kommen Alkaloide im Allgemeinen als Salze organischer Säuren wie Essig-, Apfel-, Milch-, Zitronen-, Oxal-, Wein-, Gerbsäure und anderer Säuren vor. Einige schwach basische Alkaloide (wie z.B. Nikotin) kommen in der Natur in freier Form vor. Einige Alkaloide kommen auch als Glykoside von Zuckern wie Glukose, Rhamnose und Galaktose vor, z.B. Alkaloide der Solanum-Gruppe (Solanin), als Amide (Piperin) und als Ester (Atropin, Kokain) von organischen Säuren (vgl. Ramawat et al., 2009).
Viele Alkaloide sind bioaktive Verbindungen, welche eine medizinische oder therapeutische Wirkung haben. So werden beispielsweise bestimmte Arten von Alkaloiden zur Behandlung verschiedener Krankheiten wie Malaria, Diabetes, bestimmte Krebsarten, Herzfunktionsstörungen, Depressionen usw. eingesetzt.
Da zahlreiche Alkaloide für ihre starken bioaktiven Eigenschaften bekannt sind, werden sie als Arzneimittel, Narkotika, Stimulanzien und Gifte eingesetzt oder ein möglicher medizinischer Einsatz wird derzeit wissenschaftlich erforscht. Morphin, ein bekanntes Alkaloid aus dem Mohn Papaver somniferum, wird in der heutigen Medizin als Arzneimittel verwendet. Chinin und Codein sind zwei weitere Alkaloidarten, die für medizinische Zwecke verwendet werden. Unter ärztlicher Aufsicht und in ärztlich verordneten Dosen können Alkaloide pharmakologisch nützlich sein. Bei falscher Anwendung können einige Alkaloide jedoch in hohen Dosen giftig sein. Das Alkaloid Strychnin wird zum Beispiel als hochwirksames Gift zur Bekämpfung kleiner Wirbeltiere eingesetzt.

Beispiele für einige Alkaloide in Pflanzen

Compounds Plant Source Effects and Applications
Morphine Papaver somniferum Analgesic
Camptothecin Camptotheca acuminata Anticancer
Atropine Hyoscyamus niger Treatment of intestinal spasms, antidote to other poisons
Vinblastine Catharanthus roseus Anticancer
Codeine Papaver somniferum Analgesic, antitusive
Caffeine Coffea arabica Stimulant, natural pesticide
Nicotine Nicotiana tabacum Stimulant, tranquillizer
Cocaine Erythroxylon coca Stimulant of the central nervous system, local anesthetic
N,N-dimethyltryptamine Mimosa hostilis, Psychotria viridis Hallucinogenic, entheogenic
Mitragynine Mitragyna speciosa Analgesic, psychoactive


Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Bench-top-Homogenisatoren bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.


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