Die Effizienteste Extraktionsmethode für Botanische Extrakte

Sind Sie auf der Suche nach einem leistungsfähigen und zuverlässigen Extraktionsgerät zur Herstellung hochwertiger botanischer Extrakte? Hier finden Sie einen Vergleich gängiger Extraktionstechniken wie der Ultraschallextraktion, überkritischen CO₂ Extraktion, Ethanol-Extraktion, Mazeration u.a. sowie 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 Wirkprinzip der Ultraschallkavitation bzw. akustischen Kavitation und ist eine rein mechanische Behandlung. Ähnlich wie ein High-Shear-Mixer erzeugt ein Ultraschallgerät nur mechanische Scherkräfte im Prozessmedium. Die Ultraschallextraktion selbst ist eine nicht-thermische, chemikalienfreie Extraktionstechnik.
Was ist akustische Kavitation? – Akustische oder Ultraschall-Kavitation tritt auf, wenn hochintensive, niederfrequente Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit bzw. Slurry eingekoppelt wird. Diese Slurry kann beispielsweise aus pflanzlichem Material in einer Flüssigkeit (Lösungsmittel) bestehen. Hochleistungs-Ultraschall wird über einen mit einer Sonotrode ausgestatteten Ultraschallprozessor in die botanische Slurry eingetragen. Hochenergetische Ultraschallwellen breiten sich in der Flüssigkeit aus und erzeugen abwechselnd Hoch- und Niederdruckzyklen, wodurch das Phänomen der akustischen Kavitation entsteht. Akustische Kavitation oder Ultraschall-Kavitation führt lokal zu extremen Bedingungen wie sehr hohen Druckunterschieden und hohen Scherkräften. Wenn Kavitationsblasen auf der Oberfläche von Festkörpern (wie Partikeln, Pflanzenzellen, Geweben usw.) implodieren, erzeugen Mikrostrahlen und interpartikuläre Kollisionen Effekte wie Partikelschlagung, Sonoporation (die Perforation von Zellwänden und Zellmembranen) und Zellaufschluss. Zusätzlich erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Turbulenzen und Agitation, was den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und dem umgebenden Lösungsmittel fördert. Die Ultraschallbehandlung ist eine hocheffiziente Methode, um Stofftransportprozesse zu intensivieren. Ultraschall-Kavitation und die dadurch hervorgerufenen Mechanismen wie Mikrodurchmischung, Flüssigkeitsstrahlen, sowie Kompression und Dekompression im Medium führt zum Zellsufschluss und der Freisetzung des intrazellulären Materials.
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).
Beispielsweise erfordert die Ultraschall-Ethanol-Extraktion von Cannabinoiden keine Winterisierung (Entwachsung), ein Schritt, der bei anderen Extraktionsmethoden wie der CO₂ Extraktion notwendig ist um Wachse aus dem Extrakt zu entfernen.

Die Ethanolextraktion hat je nach der Temperatur des Ethanols unterschiedliche Effekte. Erwärmtes Ethanol wird häufig zur Herstellung von Vollspektrum-Extrakten verwendet, die wegen ihrer Entouragewirkung geschätzt werden. Dagegen wird eiskaltes Ethanol vorzugsweise zur Herstellung von Kräuter- oder Cannabis-Destillaten verwendet. Die Extraktion in eiskaltem Ethanol erfordert keine anschließende Filtration. Da es sich bei der Ultraschallextraktion um eine nicht-thermische Behandlung handelt, kann sie mit heißem/warmem oder gekühltem/eiskaltem Ethanol durchgeführt werden. Ummantelte Ultraschallreaktoren tragen dazu bei, die gewünschte Verarbeitungstemperatur während des Extraktionsprozesses aufrechtzuerhalten. Die digitale Steuerung und die intelligente Software des Ultraschallprozessors überwacht die Verarbeitungstemperatur über einen steckbaren Temperatursensor. Das Ultraschallgerät kann sogar so programmiert werden, dass die Extraktionsbehandlung gestoppt oder unterbrochen wird, wenn die Temperatur des Mediums einen bestimmten Bereich verlässt.

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: