Die Effizienteste Extraktionsmethode für Botanische Extrakte

Sind Sie auf der Suche nach einer leistungsfähigen und zuverlässigen Extraktionsanlage zur Herstellung hochwertiger botanischer Extrakte? Hier finden Sie einen Vergleich gängiger Extraktionsverfahren wie Ultraschallextraktion, überkritische CO2-Extraktion, Ethanolextraktion, Mazeration u.a. und deren Vor- und Nachteile.

Was sind botanische Extrakte?

Zu botanische Materialien zählen Pflanzenteile, wie z.B. Blätter, Blütenblätter, Blüten, Stängel, Wurzeln und Rinde. Diese botanischen Materialien enthalten hochwirksame bioaktive Verbindungen (Phytochemikalien), welche in Lebensmitteln und Getränken, Nahrungsergänzungsmitteln, Therapeutika und Pharmazeutika sowie in kosmetischen Produkten verwendet werden. Prominente Beispiele für botanische Extrakte sind Antioxidantien, Vitamine (z.B. Vitamin A, C, E, K; B-Vitamine), Proteine (z.B. Hanf, Soja), Polyphenole, Flavonoide, Terpene, Cannabinoide (z.B. CBD, CBG, THC), Oligosaccharide und Lipide (z.B. Omega-3 aus Leinsamen oder Hanfsamen).
Antioxidantien wirken als starker Abwehrmechanismus, der die Körperzellen vor Schäden durch Alterung, Stress, Entzündungen und Krankheiten schützt. Die Forschung zeigt auch, dass Antioxidantien zur Stärkung des Immunsystems beitragen und krebshemmende Eigenschaften aufweisen können. Darüber hinaus verhindern Antioxidantien die Oxidation von Produkten und verlängern dadurch deren Stabilität und Haltbarkeit. Daher werden Antioxidantien vielen Lebensmitteln, Getränken, Nahrungsergänzungsmitteln, Therapeutika und kosmetischen Produkten zugesetzt. Prominente Beispiele für Antioxidantien sind Vitamin E (α-Tocopherol), Vitamin C (Ascorbinsäure), Beta-Carotin und Glutathion.
Antioxidantien und andere bioaktive Verbindungen können entweder aus natürlichen Materialien wie Pflanzen oder Algen extrahiert oder künstlich synthetisiert werden. Bioaktive Verbindungen, die aus einer natürlichen Quelle extrahiert werden, weisen eine höhere Bioverfügbarkeit, Bioverträglichkeit und damit eine erhöhte Wirksamkeit auf. Daher werden in hochwertigen Ergänzungsmitteln natürlich extrahierte Phytochemikalien verwendet.

Extraktion von qualitativ hochwertiger botanischer Extrakte

Für hochwertige botanische Extrakte ist nicht nur das Rohmaterial (Pflanzenmaterial) entscheidend, sondern auch die angewandte Extraktionstechnik. Pflanzenextrakte sind temperaturempfindlich, d.h. sie werden durch Hitze geschädigt und zersetzt. Es ist daher wichtig, eine nicht-thermische Extraktionsmethode zu wählen.
Die Auswahl des Extraktionslösungsmittels ist ein weiterer wichtiger Faktor, der die Extraktqualität beeinflusst. Lösungsmittel wie Hexan, Methanol, Butan und andere harsche Chemikalien können das Extrakt kontaminieren. Auch wenn die Lösungsmittel nach der Extraktion entfernt werden, können oftmals Spuren der toxischen Lösungsmittel im endgültigen Extrakt nachgewiesen werden. Wasser, Alkohol, Ethanol, Glyzerin oder Pflanzenöle sind sichere, ungiftige Lösungsmittel und von der FDA für den Konsum zugelassen.

Wie funktioniert die Ultraschallextraktion?

Die Ultraschallextraktion basiert auf dem Arbeitsprinzip der akustischen Ultraschallkavitation und ist eine rein mechanische Behandlung. Ähnlich wie ein High-Shear-Mischer erzeugt ein Ultraschallgerät nur mechanische Scherkräfte im Prozessmedium. Die Ultraschallextraktion selbst ist eine nichtthermische, chemiefreie Extraktionstechnik.
Was ist akustische Kavitation? – Akustische oder Ultraschallkavitation tritt auf, wenn leistungsstarke, niederfrequente Ultraschallwellen in eine Aufschlämmung aus pflanzlichem Material in einer Flüssigkeit (Lösungsmittel) eingekoppelt werden. Hochleistungs-Ultraschallwellen werden über einen sondenartigen Ultraschallprozessor in die botanische Aufschlämmung eingekoppelt. Hochenergetische Ultraschallwellen bewegen sich durch die Flüssigkeit und erzeugen abwechselnde Hoch- und Niederdruckzyklen, was zu dem Phänomen der akustischen Kavitation führt. Akustische oder Ultraschallkavitation führt lokal zu extremen Bedingungen wie sehr hohen Druckunterschieden und hohen Scherkräften. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche von Festkörpern (wie Partikeln, Pflanzenzellen, Gewebe usw.) implodieren, führen Mikrostrahlen und Kollisionen zwischen den Partikeln zu Effekten wie Partikelzerfall, Sonoporation (Perforation von Zellwänden und Zellmembranen) und Zellauflösung. Darüber hinaus erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Turbulenzen und Agitation, die den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und dem umgebenden Lösungsmittel fördern. Die Beschallung mit Ultraschall ist eine hocheffiziente Methode zur Verbesserung der Stoffübertragungsprozesse, da die Beschallung zu Kavitation und den damit verbundenen Mechanismen wie Mikrobewegung durch Flüssigkeitsstrahlen, Kompression und Dekompression im Material mit anschließendem Aufbrechen der Zellwände führt.
Abhängig vom Rohstoff kann der Ultraschall-Extraktionsprozess hohe Intensitäten erfordern, z.B. um starre Pflanzenzellen oder hartes Material mit hohem Zelluloseanteil aufzubrechen. Ultraschallgeräte mit Sonotrode, sogennante Ultraschallstabschwinger, können sehr hohe Amplituden erzeugen, welche notwendig sind, um effektive Kavitation zu erzeugen. Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallextraktoren her, die problemlos Amplituden von 200µm im kontinuierlichen 24/7-Betrieb erzeugen können. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher spezifische hochamplitudige Sonotroden (Ultraschallspitzen) an.
Zur Intensivierung der Kavitation werden druckbeaufschlagbare Ultraschallreaktoren und Durchflusszellen eingesetzt. Mit steigendem Druck werden Kavitations- und Kavitationsscherkräfte intensiver und verbessern dadurch die Ultraschalleffekte.

Extrahieren von Phyto-Chemikalien und bioaktiven Verbindungen mittels Ultraschall

Die Ultraschall-Extraktion wird zur Freisetzung und Isolierung einer Vielzahl bioaktiver Verbindungen (sog. Phytochemikalien) aus pflanzlichen Stoffen eingesetzt.
Die folgende Liste gibt Ihnen einen kleinen Überblick über ultraschall-extrahierte Phytochemikalien:

• CBD und andere Cannabinoide aus Cannabis und Hanf
• Terpene
• Ingwer
• Capsaicin aus Chilis
• Koffein aus Kaffeebohnen
• Astaxanthin aus Algen
• Allicin aus Knoblauch
• Katechine (EGEC) aus Tee
• Ellagitannine aus Granatapfel
• Ayurvedische Kräuterextrakte
• Nikotin aus Tabak
• Ätherische Öle
• Pektine aus Zitrusfruchtschalen

Lösungsmittel für die Ultraschall-Extraktion

Die Ultraschallextraktion ist mit allen gängigen Lösungsmitteln kompatibel. Am häufigsten werden Ethanol, Wasser, Ethanol/Wasser-Gemisch, Glyzerin und Pflanzenöle für die Extraktion bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Stoffen verwendet, da diese Lösungsmittel als sicher gelten und einfach zu verwenden sind.
Lesen Sie mehr über Lösungsmittel, die für die Ultraschallextraktion verwendet werden!

Die Vorteile der Ultraschall-Ethanol-Extraktion

Ethanol wird als für den Konsum sicher eingestuft (u.a. von der FDA für den Konsum zugelassen). Aufgrund seiner Wirksamkeit und seiner weitreichenden Solvenz ist Ethanol eines der am häufigsten für die Ultraschallextraktion verwendeten Lösungsmittel. Die Ultraschall-Ethanol-Extraktion übertrifft andere Lösungsmittel und andere Extraktionstechnologien an Kosteneffizienz sowie durch ihre lineare Skalierbarkeit, Einfachheit und Sicherheit.
Die hervorragende Effizienz von Ethanol als Lösungsmittel resultiert aus seiner chemischen Zusammensetzung: Ethanol besteht aus einer Kohlenwasserstoffgerüst und einer einzelnen Hydroxylgruppe. Diese chemische Zusammensetzung ermöglicht es Ethanol, ein sehr breites Spektrum von Substanzen zu lösen und zu extrahieren, u.a. Polyphenole, Flavonoide, Terpene, Cannabinoide und Lipide (Öle).
Zum Beispiel erfordert die Ultraschall-Ethanol-Extraktion von Cannabinoiden keine Winterisierung (Entwachsen), ein Schritt, der bei anderen Extraktionsmethoden wie der CO2-Extraktion erforderlich ist, um die Wachse zu entfernen.

Bei der Ethanolextraktion treten je nach Ethanoltemperatur unterschiedliche Wirkungen auf. Erhitztes Ethanol wird häufig zur Herstellung von Vollspektrumextrakten verwendet, die wegen ihrer entourage Wirkung geschätzt werden. Dagegen wird eiskaltes Ethanol vorzugsweise zur Herstellung von Kräuter- oder Cannabisdestillaten verwendet. Die Extraktion in eiskaltem Ethanol erfordert keine anschließende Filtration. Da die Ultraschallextraktion ein nicht-thermisches Verfahren ist, kann sie mit heißem/warmem oder gekühltem/eiskaltem Ethanol durchgeführt werden. Ummantelte Ultraschallreaktoren helfen dabei, die gewünschte Verarbeitungstemperatur während der Behandlung aufrechtzuerhalten. Die digitale Steuerung und intelligente Software des Ultraschallgeräts überwacht die Verarbeitungstemperatur über steckbare Temperatursensoren und kann so programmiert werden, dass die Extraktionsbehandlung gestoppt oder unterbrochen wird, wenn die Temperatur des Mediums einen bestimmten Bereich überschreitet.

Kaufen Sie das effizientesten Ultraschall-Extraktionsgerät

Die Hochleistungs-Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind in jeder Größe erhältlich - vom kompakten Laborgerät, mittelgroßen Pilot- und Technikumsanlagen bis hin zur vollindustriellen Hochleistungs-Ultraschallanlagen, welche mehrere Tonnen pro Stunde verarbeiten können. Abhängig vom Durchsatz können Hielscher Ultraschall-Extraktionssysteme im Batch- oder kontinuierlichen Inline-Betrieb eingesetzt werden. Die Wahl des Lösungsmittels bleibt Ihnen überlassen, da Hielscher Ultraschall-Extraktoren in Kombination mit jedem beliebigen Lösungsmittel eingesetzt werden können. Alle Ultraschall-Extraktionsgeräte sind einfach und sicher zu bedienen. Hielscher bietet Ihnen je nach Rohstoff, Prozesskapazitäten und Leistungsvorgabe das für Sie am besten geeignete Ultraschallgerät an.
Ultraschall-Extraktionsverfahren werden vom Rohmaterial, Lösungsmittel und Durchsatz beeinflusst. Verschiedene Zubehörteile wie Sonotroden (Ultraschallstäbe) in verschiedenen Größen und Formen, Booster-Hörner, Durchflusszellen mit verschiedenen Volumina und Geometrien, steckbare Temperatur- und Drucksensoren und viele andere Accessoires stehen zur Verfügung, um den idealen Ultraschallaufbau für Ihren Extraktionsprozess zusammenzustellen.
Die Prozesskontrolle ist entscheidend, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Daher sind alle digitalen Modelle mit intelligenter Software ausgestattet, die es Ihnen ermöglicht, Extraktionsparameter einzustellen, zu überwachen und zu nachzuregeln. Dank der präzisen Steuerung von Amplitude, Beschallungszeit und Pulsmodus können optimale Prozessergebnisse wie z.B. eine überlegene Ausbeute und höchste Extraktqualität erzielt werden. Die automatische Datenaufzeichnung des Beschallungsprozesses ist die Grundlage für die Prozessstandardisierung und Reproduzierbarkeit / Wiederholbarkeit, welche für Good Manufacturing Practices (GMP) erforderlich sind.

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

Literatur / Literaturhinweise