Phytochemie und Ultraschallbehandlung: Hocheffiziente Ultraschallextraktion pflanzlicher bioaktiver Substanzen

Die Phytochemie ist die Wissenschaft von pflanzlichen chemischen Verbindungen – von Polyphenolen, Flavonoiden und Alkaloiden bis hin zu Terpenen, Saponinen, Glykosiden, Pigmenten, Antioxidantien und Bestandteilen ätherischer Öle. Diese sekundären Pflanzenstoffe sind wertvoll für Nutrazeutika, Arzneimittel, Kosmetika, Lebensmittelzutaten, natürliche Farbstoffe, Duftstoffe, Kräuterextrakte und die analytische Forschung.

Optimieren Sie Ihre Extraktion von sekundären Pflanzenstoffen mit Hielscher-Ultraschallgeräten

Mehr bioaktive Stoffe in kürzerer Zeit extrahieren
Die Sonden-Ultraschallgeräte von Hielscher intensivieren die pflanzliche Extraktion, indem sie Pflanzenzellen aufbrechen und den Stoffaustausch beschleunigen. Dies ermöglicht eine ertragsreiche Extraktion von sekundären Pflanzenstoffen aus Kräutern, Wurzeln, Blättern, Blüten, Früchten, Samen, Rinde, Algen und anderen pflanzlichen Materialien.

 
Warum sollten Sie sich für die Ultraschallextraktionssysteme von Hielscher entscheiden?

• Höhere Ausbeuten: Aus demselben pflanzlichen Rohstoff mehr Zielverbindungen gewinnen.
• Kürzere Bearbeitungszeiten: Ersetzen Sie langwierige Mazerations- oder wärmeintensive Extraktionsschritte durch eine schnelle Ultraschallbehandlung.
• Sanfte, nicht-thermische Extraktion: Erhaltung hitzeempfindlicher sekundärer Pflanzenstoffe wie Polyphenole, Terpene, Anthocyane, Vitamine und Antioxidantien.
• Flexibilität bei der Lösungsmittelwahl: Verwenden Sie Wasser, Ethanol, Ethanol-Wasser-Gemische, Glycerin, Öle, tief-eutektische Lösungsmittel oder andere geeignete Extraktionsmittel.
• Präzise Prozesssteuerung: Stellen Sie Amplitude, Leistung, Energiezufuhr, Zeit, Temperatur, Druck und Durchfluss ein.
• Lineare Skalierung: Entwickeln Sie Extraktionsparameter im Labor und übertragen Sie diese auf die Pilot- und industrielle Produktion.
• Batch- und Inline-Betrieb: Wählen Sie zwischen Ultraschallbehandlung im Becherglas, der Verarbeitung im Rührbehälter oder der kontinuierlichen Durchlaufextraktion.
• Robustes Industriedesign: Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für anspruchsvolle Produktionsumgebungen, einen reproduzierbaren Betrieb und eine einfache Integration ausgelegt.

Ultraschallbehandlung für eine schnellere, sauberere und vollständigere Extraktion von sekundären Pflanzenstoffen

Um sekundäre Pflanzenstoffe in Formulierungen, Assays oder kommerziellen Produkten einsetzen zu können, müssen sie zunächst aus der pflanzlichen Matrix freigesetzt werden. Hier hat sich die Ultraschallbehandlung zu einer der effektivsten Extraktionstechnologien entwickelt. Ultraschallgeräte mit Sonde erzeugen in Flüssigkeiten und Suspensionen intensive akustische Kavitation. Die daraus resultierenden Mikroturbulenzen, Scherkräfte und Druckschwankungen zerstören Pflanzenzellen, verbessern das Eindringen des Lösungsmittels und beschleunigen den Transfer bioaktiver Moleküle in das Extraktionsmedium.

Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke Ultraschallgeräte für die phytochemische Extraktion – von der Laborforschung bis hin zur industriellen Serienproduktion. Ganz gleich, ob Sie einen pflanzlichen Extrakt entwickeln, die analytische Probenvorbereitung optimieren oder einen Prozess zur Herstellung pflanzlicher Inhaltsstoffe hochskalieren möchten: Die Ultraschallbehandlung ermöglicht Ihnen eine präzise Steuerung der Extraktionsintensität, der Reproduzierbarkeit und des Durchsatzes.

Was versteht man in der Phytochemie unter Ultraschallbehandlung?

Unter Ultraschallbehandlung versteht man die Einwirkung von Hochleistungsultraschall auf eine Flüssigkeit oder eine Suspension. In der Phytochemie wird die Ultraschallbehandlung vor allem für die ultraschallunterstützte Extraktion, die Probenvorbereitung, das Aufbrechen von Zellen, die Dispersion, die Emulgierung und die Prozessintensivierung eingesetzt.
Wenn eine Hochleistungs-Ultraschallsonde Schallwellen in ein Extraktionsmedium aussendet, entsteht durch abwechselnde Hoch- und Niederdruckzyklen eine akustische Kavitation. Kavitationsblasen wachsen und brechen heftig zusammen. Dieser Zusammenbruch erzeugt lokale Scherkräfte, Flüssigkeitsmikrostrahlen und intensive Vermischungseffekte.

In der botanischen Extraktion tragen diese Wirkungen dazu bei, dass:

• Zellwände und Membranen aufbrechen
• den Zugang von Lösungsmitteln zu intrazellulären Verbindungen verbessern
• die Grenzschichten um Pflanzenpartikel herum verringern
• die Diffusion von sekundären Pflanzenstoffen in das Lösungsmittel verbessern
• die Extraktionszeit verkürzen
• die Reproduzierbarkeit verbessern
• den Bedarf an übermäßiger Hitze oder längerer Einwirkung von Lösungsmitteln verringern

Das Ergebnis ist ein schnellerer, effizienterer und oft schonenderer Extraktionsprozess im Vergleich zu herkömmlichen Mazerations-, Aufguss-, Perkolations- oder Rückflussverfahren.

Warum die Ultraschallbehandlung für die moderne Extraktion von sekundären Pflanzenstoffen wichtig ist

Pflanzliche Rohstoffe sind komplex. Bioaktive Verbindungen sind in Pflanzenzellen eingeschlossen, an Strukturkomponenten gebunden oder über verschiedene Gewebe verteilt. Herkömmliche Extraktionsverfahren erfordern oft lange Verweilzeiten, große Lösungsmittelmengen oder erhöhte Temperaturen. Diese Bedingungen können ineffizient sein und thermolabile Verbindungen zersetzen.
Die ultraschallunterstützte Extraktion überwindet diese Einschränkungen, indem sie die physikalische Freisetzung von sekundären Pflanzenstoffen verstärkt. Anstatt sich ausschließlich auf passive Diffusion zu verlassen, lockert die Ultraschallbehandlung die Pflanzenmatrix aktiv auf und fördert den Stoffaustausch.

Dies macht die Ultraschallextraktion besonders nützlich, wenn Verarbeiter Folgendes benötigen:

• höhere Ausbeute aus teuren Pflanzenstoffen
• kürzere Produktionszyklen
• Geringerer Lösungsmittelverbrauch
• verbesserte Extraktion wärmeempfindlicher Verbindungen
• reproduzierbare Extraktion zur Qualitätskontrolle
• skalierbare Verarbeitung vom Labor bis zur Produktion
• Verträglichkeit mit umweltfreundlichen Lösungsmitteln und Clean-Label-Inhaltsstoffen

In der phytochemischen Forschung verbessert die Ultraschallbehandlung zudem die analytische Probenvorbereitung. Labore können Zielverbindungen schnell und reproduzierbar extrahieren, bevor sie diese mittels HPLC, GC-MS, LC-MS, UV-Vis, Antioxidantien-Assays oder anderen analytischen Methoden untersuchen.

Chargen- und Inline-Ultraschallbehandlung für Pflanzenextrakte

Ultraschallextraktion im Chargenbetrieb

Die Chargenultraschallbehandlung eignet sich ideal für die Laborforschung, die Rezepturentwicklung, die Produktion im kleinen Maßstab und eine flexible Verarbeitung. Ein Ultraschallstab wird in ein Gefäß mit der Pflanzen-Lösungsmittel-Suspension eingetaucht. Die Chargenverarbeitung ist einfach einzurichten und eignet sich hervorragend zum Testen von Parametern wie Lösungsmittelart, Amplitude, Extraktionszeit und Temperatur.

Kontinuierliche Inline-Ultraschallextraktion

Bei größeren Produktionsmengen ist die kontinuierliche Inline-Ultraschallbehandlung die bevorzugte Methode. Die pflanzliche Suspension wird durch eine Ultraschall-Durchflusszelle gepumpt, wo sie einer kontrollierten Kavitation ausgesetzt wird. Die Inline-Verarbeitung verbessert die Reproduzierbarkeit, die Prozesssteuerung und den Durchsatz. Außerdem macht sie die Skalierung besser vorhersehbar, da Energiezufuhr, Verweilzeit und Durchflussmenge genau definiert werden können.
Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den Dauerbetrieb ausgelegt und lassen sich in Pumpen, Wärmetauscher, Vorratsbehälter, Filtersysteme, Lösungsmittelrückgewinnungsanlagen und nachgeschaltete Konzentrationsanlagen integrieren.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte für die Pflanzenextraktion

Durch Ultraschall extrahierte sekundäre Pflanzenstoffe

Die Ultraschallbehandlung eignet sich für eine Vielzahl von phytochemischen Stoffklassen. Das Extraktionsergebnis hängt vom Pflanzenmaterial, der Partikelgröße, dem Lösungsmittel, der Temperatur, der Ultraschallamplitude, der Verweilzeit und der anschließenden Trennung ab.

Polyphenole und Flavonoide

Polyphenole und Flavonoide gehören aufgrund ihrer antioxidativen Eigenschaften und ihrer Bedeutung in Lebensmitteln, Nutrazeutika und Kosmetika zu den am intensivsten erforschten sekundären Pflanzenstoffen. Die Ultraschallextraktion fördert 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 spielen eine wichtige Rolle bei Kräuterextrakten, Duftstoffen, Aromen sowie bei der Verarbeitung von Cannabis oder Hanf. Die Ultraschallbehandlung kann die Extraktion aus Pflanzengewebe verbessern und ermöglicht gleichzeitig eine schonende Temperaturregelung, was für flüchtige und oxidationsempfindliche Verbindungen von Bedeutung ist.

Alkaloide

Alkaloide kommen in vielen Heilpflanzen vor und werden häufig für analytische, pharmazeutische oder nutrazeutische Zwecke extrahiert. Die Ultraschallbehandlung verbessert die Aufschluss der Matrix und kann den Übergang der Alkaloide in geeignete Lösungsmittel beschleunigen.

Saponine, Glykoside und Gerbstoffe

Viele Wurzeln, Kräuter, Hülsenfrüchte und Heilpflanzen enthalten Saponine, Glykoside und Gerbstoffe. Durch Ultraschallbehandlung lassen sich diese Verbindungen aus faserigen oder dichten Pflanzenmatrizen lösen; der Prozess kann so optimiert werden, dass ein Gleichgewicht zwischen Ausbeute und Selektivität erreicht wird.

Pigmente und Antioxidantien

Natürliche Pigmente wie Anthocyane, Chlorophylle, Carotinoide und Betalaine sind für Anwendungen in den Bereichen Lebensmittel, Getränke, Kosmetik und Analytik von großem Wert. Da viele Pigmente empfindlich gegenüber Hitze, Sauerstoff und dem pH-Wert sind, bietet die Ultraschallextraktion unter kontrollierten Temperaturbedingungen erhebliche Vorteile.

Cannabinoide und sekundäre Pflanzenstoffe aus Hanf

Hanf und Cannabis enthalten Cannabinoide, Terpene, Flavonoide und andere Pflanzeninhaltsstoffe. Die Ultraschallextraktion verbessert die Freisetzung dieser Verbindungen aus gemahlener Biomasse und lässt sich an Ethanol-, Hydroethanol- oder andere Lösungsmittelsysteme anpassen.

Ultraschall-Extraktion von sekundären Pflanzenstoffen

Literatur / Literaturhinweise