Phytochemie und Ultraschallbehandlung: Hocheffiziente Ultraschallextraktion bioaktiver Pflanzenstoffe
Die Phytochemie ist die Wissenschaft von chemischen Verbindungen pflanzlichen Ursprungs – von Polyphenolen, Flavonoiden und Alkaloiden bis hin zu Terpenen, Saponinen, Glykosiden, Pigmenten, Antioxidantien und Bestandteilen ätherischer Öle. Diese phytochemischen Verbindungen sind wertvoll für Nutrazeutika, Pharmazeutika, Kosmetika, Lebensmittelzutaten, natürliche Farbstoffe, Duftstoffe, Pflanzenextrakte und die analytische Forschung.
Optimieren Sie Ihre Extraktion phytochemischer Verbindungen mit Ultraschallgeräten von Hielscher
Extrahieren Sie mehr bioaktive Stoffe in kürzerer Zeit
Ultraschallgeräte mit Sonotrode von Hielscher intensivieren die pflanzliche Extraktion, indem sie Pflanzenzellen aufbrechen und den Stofftransport beschleunigen. Dies ermöglicht eine Extraktion phytochemischer Verbindungen mit hoher Ausbeute aus Kräutern, Wurzeln, Blättern, Blüten, Früchten, Samen, Rinde, Algen und anderen pflanzlichen Materialien.
Warum sollten Sie sich für die Ultraschallextraktionssysteme von Hielscher entscheiden?
- Höhere Extraktionsausbeuten: Gewinnen Sie mehr Zielverbindungen aus demselben pflanzlichen Rohmaterial.
- Kürzere Verarbeitungszeiten: Ersetzen Sie langwierige Mazeration oder wärmeintensive Extraktionsschritte durch eine schnelle Ultraschallbehandlung.
- Schonende, nichtthermische Extraktion: Erhalten Sie wärmeempfindliche phytochemische Verbindungen wie Polyphenole, Terpene, Anthocyane, Vitamine und Antioxidantien.
- Flexible Lösungsmittelwahl: Verwenden Sie Wasser, Ethanol, Wasser-Ethanol-Gemische, Glycerin, Öle, tief eutektische Lösungsmittel oder andere geeignete Extraktionsmedien.
- Präzise Prozesssteuerung: Stellen Sie Amplitude, Leistung, Energieeintrag, Zeit, Temperatur, Druck und Volumenstrom ein.
- Lineare Maßstabsvergrößerung: Entwickeln Sie Extraktionsparameter im Labor und übertragen Sie diese auf die Pilotproduktion und die industrielle Produktion.
- Chargen- und Inline-Betrieb: Wählen Sie zwischen Beschallung im Becherglas, Verarbeitung im Rührbehälter oder kontinuierlicher Durchflussextraktion.
- Robuste industrielle Bauweise: Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für anspruchsvolle Produktionsumgebungen, einen reproduzierbaren Betrieb und eine einfache Integration ausgelegt.
Ultraschallgerät UIP1000hdT zur Extraktion phytochemischer Verbindungen
Ultraschallbehandlung für eine schnellere, sauberere und vollständigere Extraktion phytochemischer Verbindungen
Um phytochemische Verbindungen in Formulierungen, Assays oder kommerziellen Produkten einzusetzen, müssen sie zunächst aus der Pflanzenmatrix freigesetzt werden. Hier hat sich die Ultraschallbehandlung zu einer der wirksamsten Extraktionstechnologien entwickelt. Ultraschallgeräte mit Sonotrode erzeugen intensive akustische Kavitation in Flüssigkeiten und Suspensionen. Die daraus entstehenden Mikroturbulenzen, Scherkräfte und Druckschwankungen schließen Pflanzenzellen auf, verbessern das Eindringen des Lösungsmittels und beschleunigen den Übergang bioaktiver Moleküle in das Extraktionsmedium.
Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke Ultraschallgeräte zur Extraktion phytochemischer Verbindungen für Anwendungen von der Laborforschung bis hin zur industriellen Produktion im vollen Maßstab. Ob Sie einen Pflanzenextrakt entwickeln, die analytische Probenvorbereitung optimieren oder einen Prozess zur Herstellung pflanzlicher Zutaten auf einen größeren Maßstab übertragen: Die Ultraschallbehandlung ermöglicht Ihnen eine präzise Kontrolle über Extraktionsintensität, Reproduzierbarkeit und Durchsatz.
Ultraschallgerät UP200Ht zur Extraktion phytochemischer Verbindungen
Was ist Ultraschallbehandlung in der Phytochemie?
Ultraschallbehandlung bezeichnet die Anwendung von Hochleistungsultraschall auf eine Flüssigkeit oder Suspension. In der Phytochemie wird die Ultraschallbehandlung am häufigsten für die ultraschallgestützte Extraktion, Probenvorbereitung, den Zellaufschluss, die Dispergierung, Emulgierung und Prozessintensivierung eingesetzt.
Wenn eine Sonotrode Schallwellen mit hoher Intensität in ein Extraktionsmedium überträgt, erzeugen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen akustische Kavitation. Kavitationsblasen wachsen und kollabieren heftig. Dieser Kollaps erzeugt lokale Scherkräfte, Flüssigkeitsmikrostrahlen und intensive Mischeffekte.
Bei der pflanzlichen Extraktion tragen diese Effekte dazu bei:
- Zellwände und Membranen aufzubrechen
- den Zugang des Lösungsmittels zu intrazellulären Verbindungen zu verbessern
- Grenzschichten um Pflanzenpartikel zu reduzieren
- die Diffusion phytochemischer Verbindungen in das Lösungsmittel zu verbessern
- die Extraktionszeit zu verkürzen
- die Reproduzierbarkeit zu erhöhen
- den Bedarf an übermäßiger Wärme oder längerer Einwirkung des Lösungsmittels zu verringern
Das Ergebnis ist ein schnellerer, effizienterer und häufig schonenderer Extraktionsprozess im Vergleich zu herkömmlichen Mazerations-, Aufguss-, Perkolations- oder Rückflussverfahren.
Warum die Ultraschallbehandlung für die moderne Extraktion phytochemischer Verbindungen wichtig ist
Pflanzliche Rohstoffe sind komplex. Bioaktive Verbindungen sind in Pflanzenzellen eingeschlossen, an strukturelle Bestandteile gebunden oder über verschiedene Gewebe verteilt. Herkömmliche Extraktionsverfahren erfordern häufig lange Verweilzeiten, große Lösungsmittelvolumina oder erhöhte Temperaturen. Diese Bedingungen können ineffizient sein und thermolabile Verbindungen abbauen.
Die ultraschallgestützte Extraktion begegnet diesen Einschränkungen, indem sie die physikalische Freisetzung phytochemischer Verbindungen intensiviert. Statt ausschließlich auf passive Diffusion zu setzen, schließt die Ultraschallbehandlung die Pflanzenmatrix aktiv auf und fördert den Stofftransport.
Dadurch ist die Ultraschallextraktion besonders nützlich, wenn verarbeitende Betriebe Folgendes benötigen:
- eine höhere Ausbeute aus teuren pflanzlichen Rohstoffen
- kürzere Produktionszyklen
- einen geringeren Lösungsmittelverbrauch
- eine verbesserte Extraktion wärmeempfindlicher Verbindungen
- eine reproduzierbare Extraktion für die Qualitätskontrolle
- eine skalierbare Verarbeitung vom Labor bis zur Produktion
- Kompatibilität mit umweltfreundlichen Lösungsmitteln und Clean-Label-Zutaten
Für die phytochemische Forschung verbessert die Ultraschallbehandlung auch die analytische Probenvorbereitung. Labore können Zielverbindungen vor HPLC, GC-MS, LC-MS, UV-Vis, Antioxidantien-Assays oder anderen analytischen Verfahren schnell und gleichbleibend extrahieren.
Konventionelle Verfahren versus Extraktionsverfahren – ein Vergleich
| Konventionelles Extraktionsverfahren | Einschränkungen des konventionellen Verfahrens | Vorteil der Ultraschallbehandlung |
|---|---|---|
| Mazeration | Mazeration ist einfach, aber langsam. Es können Stunden, Tage oder sogar Wochen erforderlich sein, um eine akzeptable Extraktionsausbeute zu erreichen. | Die Ultraschallbehandlung beschleunigt die Lösungsmittelextraktion nach demselben Prinzip, indem sie Pflanzenzellen aktiv aufschließt und die Diffusion verbessert. Dadurch kann die Verarbeitungszeit drastisch verkürzt werden. |
| Rückflussextraktion | Bei der Rückflussextraktion wird Wärme eingesetzt, um die Löslichkeit und den Stofftransport zu verbessern. Wärme kann jedoch empfindliche phytochemische Verbindungen abbauen und den Energieverbrauch erhöhen. | Die Ultraschallbehandlung erzielt eine hohe Extraktionseffizienz bei niedrigeren Temperaturen und eignet sich daher für wärmeempfindliche Pflanzenstoffe. |
| Soxhlet-Extraktion | Die Soxhlet-Extraktion ist in Laboren weit verbreitet, benötigt jedoch viel Lösungsmittel und ist zeitaufwendig. | Die Ultraschallextraktion kann das Lösungsmittelvolumen und die Extraktionszeit reduzieren und ist daher für analytische Arbeiten, Forschung und Entwicklung sowie die Prozessentwicklung attraktiv. |
| Mechanisches Rühren | Rühren verbessert die Durchmischung, bietet jedoch nicht denselben kavitationsbedingten Zellaufschluss wie Ultraschall mit einer Sonotrode. | Die Ultraschallbehandlung kombiniert Durchmischung, Partikeldeagglomeration und das Aufbrechen von Zellen in einem Prozessschritt und führt dadurch zu einer intensiveren Extraktion. |
Chargen- und Inline-Ultraschallbehandlung für Pflanzenextrakte
Ultraschallextraktion im Chargenbetrieb
Die Ultraschallbehandlung im Chargenbetrieb eignet sich ideal für die Laborforschung, Formulierungsentwicklung, Produktion im kleinen Maßstab und flexible Verarbeitung. Die Sonotrode eines Ultraschallgeräts wird in ein Gefäß mit einer Suspension aus Pflanzenmaterial und Lösungsmittel eingetaucht. Die Chargenverarbeitung lässt sich einfach einrichten und eignet sich hervorragend zur systematischen Untersuchung von Parametern wie Lösungsmittelart, Amplitude, Extraktionszeit und Temperatur.
Kontinuierliche Inline-Ultraschallextraktion
Für größere Produktionsvolumina ist die kontinuierliche Inline-Ultraschallbehandlung die bevorzugte Konfiguration. Die pflanzliche Suspension wird durch eine Ultraschall-Durchflusszelle gepumpt, in der sie kontrollierter Kavitation ausgesetzt wird. Die Inline-Verarbeitung verbessert Reproduzierbarkeit, Prozesssteuerung und Durchsatz. Sie macht auch die Maßstabsvergrößerung besser planbar, da Energieeintrag, Verweilzeit und Volumenstrom präzise festgelegt werden können.
Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den Dauerbetrieb ausgelegt und lassen sich mit Pumpen, Wärmetauschern, Vorratsbehältern, Filtrationssystemen, Lösungsmittelrückgewinnung und nachgeschalteter Aufkonzentrierung kombinieren.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte für die pflanzliche Extraktion.
| Chargenvolumen | Volumenstrom | 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 150L | 3 bis 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | größer | Verbund aus UIP16000hdT |
Durch Ultraschallbehandlung extrahierte phytochemische Verbindungen
Die Ultraschallbehandlung eignet sich für ein breites Spektrum phytochemischer Stoffklassen. Das Extraktionsergebnis hängt von Pflanzenmaterial, Partikelgröße, Lösungsmittel, Temperatur, Ultraschallamplitude, Verweilzeit und nachgeschalteter Trennung ab.
Polyphenole und Flavonoide
Polyphenole und Flavonoide gehören aufgrund ihrer antioxidativen Eigenschaften und ihrer Bedeutung für Lebensmittel-, nutrazeutische und kosmetische Formulierungen zu den am intensivsten untersuchten phytochemischen Verbindungen. Die Ultraschallextraktion verbessert die Freisetzung von Phenolsäuren, Catechinen, Quercetin, Rutin, Anthocyanen und verwandten Verbindungen aus Blättern, Früchten, Schalen, Blüten, Samen und Rinde.
Terpene und Bestandteile ätherischer Öle
Terpene und Aromastoffe sind wichtig für Pflanzenextrakte, Duftstoffe, Aromen sowie die Verarbeitung von Cannabis oder Hanf. Die Ultraschallbehandlung kann die Extraktion aus Pflanzengeweben verbessern und ermöglicht dabei eine schonende Temperaturführung, was für flüchtige und oxidationsempfindliche Verbindungen wichtig ist.
Alkaloide
Alkaloide kommen in vielen Heilpflanzen vor und werden häufig für analytische, pharmazeutische oder nutrazeutische Zwecke extrahiert. Die Ultraschallbehandlung verbessert den Matrixaufschluss und kann den Übergang von Alkaloiden in geeignete Lösungsmittel beschleunigen.
Saponine, Glykoside und Tannine
Viele Wurzeln, Kräuter, Hülsenfrüchtler und Heilpflanzen enthalten Saponine, Glykoside und Tannine. Die Ultraschallbehandlung unterstützt die Freisetzung dieser Verbindungen aus faserigen oder dichten Pflanzenmatrizen und kann optimiert werden, um Extraktionsausbeute und Selektivität aufeinander abzustimmen.
Pigmente und Antioxidantien
Natürliche Pigmente wie Anthocyane, Chlorophylle, Carotinoide und Betalaine sind wertvoll für Anwendungen in Lebensmitteln, Getränken, Kosmetika und der Analytik. Da viele Pigmente empfindlich auf Wärme, Sauerstoff und den pH-Wert reagieren, bietet die Ultraschallextraktion unter kontrollierten Temperaturbedingungen große Vorteile.
Cannabinoide und phytochemische Verbindungen aus Hanf
Hanf und Cannabis enthalten Cannabinoide, Terpene, Flavonoide und andere pflanzliche Inhaltsstoffe. Die Ultraschallextraktion verbessert die Freisetzung dieser Verbindungen aus gemahlener Biomasse und kann an Ethanol, Wasser-Ethanol-Gemische oder andere Lösungsmittelsysteme angepasst werden.
Ultraschallextraktion phytochemischer Verbindungen
FAQ: Ultraschallbehandlung und Phytochemie
Was ist Ultraschallbehandlung in der Phytochemie?
Ultraschallbehandlung in der Phytochemie bezeichnet den Einsatz von Hochleistungsultraschall zur Extraktion, Freisetzung oder Verarbeitung chemischer Verbindungen pflanzlichen Ursprungs. Sie wird häufig zur ultraschallgestützten Extraktion phytochemischer Verbindungen wie Polyphenolen, Flavonoiden, Terpenen, Alkaloiden, Pigmenten, Antioxidantien und Bestandteilen ätherischer Öle eingesetzt.
Wie werden phytochemische Verbindungen durch Ultraschallbehandlung aus Pflanzen extrahiert?
Die Ultraschallbehandlung erzeugt akustische Kavitation in der Extraktionsflüssigkeit. Kavitation erzeugt Scherkräfte, Mikrostrahlen und eine intensive Durchmischung, die pflanzliche Zellstrukturen aufschließen und das Eindringen des Lösungsmittels verbessern. Dadurch wird der Übergang phytochemischer Verbindungen aus der Pflanzenmatrix in das Lösungsmittel beschleunigt.
Welche phytochemischen Verbindungen lassen sich mit Ultraschall extrahieren?
Die Ultraschallextraktion kann für Polyphenole, Flavonoide, Anthocyane, Terpene, Cannabinoide, Alkaloide, Saponine, Tannine, Glykoside, Chlorophylle, Carotinoide, Bestandteile ätherischer Öle und viele weitere Verbindungen pflanzlichen Ursprungs eingesetzt werden.
Eignet sich die Ultraschallextraktion für wärmeempfindliche phytochemische Verbindungen?
Ja. Bei angemessener Temperaturkontrolle gilt die Ultraschallbehandlung als schonendes, nichtthermisches Extraktionsverfahren. Dadurch eignet sie sich für wärmeempfindliche Verbindungen wie Antioxidantien, Pigmente, Terpene und bestimmte Vitamine.
Ist die Beschallung mit einer Sonotrode für die Extraktion phytochemischer Verbindungen besser als ein Ultraschallbad?
Für eine effiziente Extraktion ist die Beschallung mit einer Sonotrode im Allgemeinen wesentlich leistungsstärker und besser steuerbar als ein Ultraschallbad. Ein Ultraschallgerät mit Sonotrode überträgt Energie direkt in die Flüssigkeit und erzeugt dadurch intensive Kavitation in der Probe oder im Prozessstrom. Ultraschallbäder weisen eine deutlich geringere Intensität auf und liefern bei anspruchsvollen Extraktionsaufgaben keine reproduzierbaren Ergebnisse. Sehen Sie sich die Unterschiede bei den Ergebnissen der Ultraschallextraktion im Vergleich zwischen einem Ultraschallgerät mit Sonotrode und einem Ultraschallbad an!
Welche Lösungsmittel können für die Ultraschallextraktion phytochemischer Verbindungen verwendet werden?
Zu den gängigen Lösungsmitteln gehören Wasser, Ethanol, Ethanol-Wasser-Gemische, Glycerin, Öle und andere anwendungsspezifische Lösungsmittel. Für die analytische Extraktion können Methanol oder andere Laborlösungsmittel verwendet werden. Die Ultraschallbehandlung kann auch mit tief eutektischen Lösungsmitteln und natürlichen tief eutektischen Lösungsmitteln kombiniert werden.
Kann die Ultraschallbehandlung die Extraktionszeit verkürzen?
Ja. Die Ultraschallextraktion kann die Extraktionszeit im Vergleich zu herkömmlicher Mazeration, Aufguss oder Lösungsmittelextraktion deutlich verkürzen, da Kavitation den Zellaufschluss und den Stofftransport beschleunigt.
Kann die Ultraschallextraktion auf einen größeren Maßstab übertragen werden?
Ja. Ultraschallgeräte von Hielscher sind vom Labor- bis zum industriellen Maßstab erhältlich. Prozesse, die mit kontrollierten Parametern wie Amplitude, Energieeintrag, Temperatur und Verweilzeit entwickelt wurden, können auf größere Chargensysteme oder kontinuierliche Inline-Systeme übertragen werden.
Eignet sich die Ultraschallbehandlung für die industrielle pflanzliche Extraktion?
Ja. Industrielle Ultraschallgeräte mit Durchflussreaktoren können pflanzliche Suspensionen kontinuierlich verarbeiten. Dadurch eignet sich die Ultraschallbehandlung für die kommerzielle Produktion nutrazeutischer Extrakte, Kräutertinkturen, kosmetischer Wirkstoffe, Lebensmittelzutaten und bioaktiver Stoffe pflanzlichen Ursprungs.
Was sind die wichtigsten Vorteile der Ultraschallgeräte von Hielscher für die Phytochemie?
Ultraschallgeräte von Hielscher bieten starke Kavitation, präzise Parametersteuerung, reproduzierbare Extraktion, Chargen- und Inline-Betrieb, skalierbare Geräteoptionen und Kompatibilität mit vielen Lösungsmitteln und pflanzlichen Materialien. Sie eignen sich für Forschung, Prozessentwicklung und Produktion im vollen Maßstab.
Wie wähle ich den richtigen Ultraschallextraktor aus?
Welcher Ultraschallextraktor am besten geeignet ist, hängt von Ihrem Pflanzenmaterial, den Zielverbindungen, dem Lösungsmittel, dem Volumen, dem Feststoffgehalt, den Temperaturgrenzen und dem erforderlichen Durchsatz ab. Hielscher kann auf Grundlage Ihres Extraktionsprozesses ein geeignetes Labor-, Pilot- oder industrielles Ultraschallgerät empfehlen.
Literatur / Referenzen
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- Turrini, F.; Beruto, M.; Mela, L.; Curir, P.; Triglia, G.; Boggia, R.; Zunin, P.; Monroy, F. (2021): Ultrasound-Assisted Extraction of Lavender (Lavandula angustifolia Miller, Cultivar Rosa) Solid By-Products Remaining after the Distillation of the Essential Oil. Applied Sciences 11, 2021.
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