Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion aus Pflanzen

• Die Ultraschallextraktion bietet zahlreiche Vorteile wie hohe Ausbeuten, hohe Extraktionsgeschwindigkeiten, Umweltfreundlichkeit und einen geringen Energieverbrauch.
• Einer der größten Vorteile ist die Verwendung von Wasser als Extraktionsmedium. Die Beschallung kann jedoch mit vielfältigen Lösungsmittelsystemen eingesetzt werden, um hervorragende Ergebnisse für den gewünschten Extrakt zu erzielen.
• Das optimale Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion bioaktiver Pflanzenstoffe wird anhand des Ausgangsmaterials ausgewählt.

Ultraschallextraktion

Ultraschall ist dafür bekannt, Zellstrukturen aufzubrechen und den Stofftransport zu verbessern, wodurch sich biologische Verbindungen (z. B. phenolische Verbindungen, Carotinoide) leichter extrahieren lassen.
Da die mechanischen Wirkungen der Beschallung den Extraktionsprozess durch einen verbesserten Stofftransport erheblich fördern, ist der Einsatz organischer Lösungsmittel häufig überflüssig. Das bedeutet, dass Wasser bei der Ultraschallextraktion oft als Extraktionsmedium ausreicht und zahlreiche Vorteile bietet: Es ist kostengünstig, ungefährlich, leicht verfügbar und umweltfreundlich.
Bei bestimmten bioaktiven Verbindungen lassen sich die besten Ergebnisse jedoch durch Ultraschallextraktion in Kombination mit einem flüchtigen Lösungsmittel erzielen.
Bei der Wahl des richtigen Lösungsmittels müssen das Ausgangsmaterial (z. B. frisches oder getrocknetes, mazeriertes/gemahlenes oder pulverisiertes Pflanzenmaterial) und die Zielsubstanzen (z. B. lipophil, hydrophil) berücksichtigt werden.
 

Die folgende Tabelle führt mehrere bewährte Extraktionslösungsmittel auf, die für die Ultraschallextraktion aus Pflanzenmaterial eingesetzt werden.

Leistungsstarke Ultraschallwellen brechen die Zellmatrix biologischer Strukturen auf und setzen die bioaktiven Verbindungen frei. Der Stofftransport zwischen dem Pflanzenmaterial und dem Lösungsmittel wird intensiviert. Dank dieser Mechanismen ist die Ultraschallextraktion für die Extraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe besonders effizient.

Ultraschallgeräte für die Extraktion

Von Labor- und Tischgeräten bis hin zu Ultraschallextraktionssystemen für den industriellen Maßstab – Hielscher Ultrasonics ist Ihr Partner mit langjähriger Erfahrung, wenn es um leistungsstarke und zuverlässige Ultraschallgeräte für erfolgreiche Extraktionsprozesse geht.
Unsere Ultraschallsysteme werden vielfach in biochemischen Laboren und pharmazeutischen Produktionsanlagen eingesetzt. Die Ultraschallsonotroden und Reaktoren sind autoklavierbar und erfüllen die Standards der pharmazeutischen Produktion.

Industrielle Ultraschallgeräte von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen, um Zellmatrizen aufzubrechen und Zielsubstanzen freizusetzen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb einsetzen. Die Leistung und Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher gewährleisten hohe Ausbeuten, hohe Extraktionsgeschwindigkeiten und eine vollständigere Extraktion – und übertreffen damit konventionelle Extraktionsverfahren.
Unsere Ultraschallprozessoren lassen sich mit konventionellen Extraktionsmethoden wie der Soxhlet-Extraktion oder der Extraktion mit überkritischem CO2 kombinieren. Die Nachrüstung bestehender Produktionslinien ist problemlos möglich.

Literatur / Quellen

• Dent M., Dragović-Uzelac V., Elez Garofulić I., Bosiljkov T., Ježek D., Brnčić M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound Assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q. 29(3), 2015. 475–484.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk(2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.

Wissenswertes

Ultraschallextraktion durch Kavitation

Intensive Ultraschallwellen erzeugen akustische Kavitation in Flüssigkeiten. Die durch Kavitation entstehenden Scherkräfte brechen Zellwände und Membranen auf, sodass das intrazelluläre Material freigesetzt wird. Die Ultraschallextraktion ermöglicht ein stärkeres Eindringen des Lösungsmittels in pflanzliches Gewebe und verbessert den Stofftransport. Dadurch intensiviert die Ultraschallextraktion den Extraktionsprozess erheblich und führt zu höheren Ausbeuten, höheren Extraktionsgeschwindigkeiten und einer vollständigeren Extraktion.

Lösungsmittelsysteme

Für die Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Pflanzenmaterial stehen verschiedene Lösungsmittelsysteme zur Verfügung. Zur Extraktion hydrophiler Verbindungen werden meist polare Lösungsmittel wie Methanol, Ethanol oder Ethylacetat gewählt, während zur Extraktion lipophiler Verbindungen (z. B. Lipide) Lösungsmittelsysteme wie Dichlormethan oder Dichlormethan/Methanol (v/v 1:1) bevorzugt werden. Hexan wird häufig als Lösungsmittel zur Chlorophyllextraktion eingesetzt.

Was sind bioaktive Verbindungen?

Bioaktive Verbindungen oder sekundäre Pflanzenstoffe werden als Substanzen definiert, die auf lebende Organismen, Gewebe oder Zellen wirken. Zu den biologisch aktiven Substanzen zählen Antibiotika, Enzyme und Vitamine. Bioaktive Substanzen wie Carotinoide und Polyphenole lassen sich z. B. aus Früchten, Blättern und Gemüse extrahieren, während Phytosterole in pflanzlichen Ölen vorkommen.
Zu den bioaktiven Verbindungen pflanzlichen Ursprungs zählen Flavonoide, Koffein, Carotinoide, Cholin, Dithiolthione, Phytosterole, Polysaccharide, Phytoöstrogene, Glucosinolate, Polyphenole und Anthocyane. Viele bioaktive Substanzen werden wegen ihrer antioxidativen Wirkung geschätzt und gelten daher als gesundheitsfördernd.

Wie wähle ich das beste Extraktionslösungsmittel aus?

Die folgenden Hinweise helfen Ihnen, ein geeignetes Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe auszuwählen. Da die Beschallung mit allen gängigen Lösungsmitteln kompatibel ist, können Sie das Lösungsmittel wählen, das für Ihr pflanzliches Ausgangsmaterial, die gewünschten sekundären Pflanzenstoffe und die Wirtschaftlichkeit am besten geeignet ist.

• Selektivität: Wählen Sie ein Lösungsmittel, das gezielt die gewünschten Verbindungen löst und unerwünschte Bestandteile zurücklässt. Verwenden Sie beispielsweise Ethanol für polare Verbindungen wie Alkaloide und Flavonoide.
• Löslichkeit: Wählen Sie nach dem Prinzip „Ähnliches löst sich in Ähnlichem“ ein Lösungsmittel, dessen Polarität der des zu lösenden Stoffes ähnelt. Polare Lösungsmittel (z. B. Wasser, Ethanol) lösen polare Verbindungen, während unpolare Lösungsmittel (z. B. Hexan) unpolare Verbindungen wie Lipide und Öle lösen.
• Kosten: Berücksichtigen Sie die Wirtschaftlichkeit des Lösungsmittels. Manche Lösungsmittel sind möglicherweise teurer, bieten jedoch höhere Ausbeuten oder eine bessere Selektivität, wodurch sich die Gesamtkosten der Extraktion ausgleichen können.
• Sicherheit: Stellen Sie sicher, dass das Lösungsmittel sicher eingesetzt und gehandhabt werden kann. Dabei sind unter anderem Toxizität, Entflammbarkeit und Umweltauswirkungen zu berücksichtigen. Beispielsweise sind Wasser und Ethanol im Vergleich zu Chloroform oder Toluol die sicherere Wahl.

Polarität und Lösungsmittelauswahl
Nach dem Prinzip der Ähnlichkeit und gegenseitigen Mischbarkeit erzielen Lösungsmittel voraussichtlich bessere Ergebnisse, wenn ihre Polarität der des zu lösenden Stoffes nahekommt. Hier einige Beispiele:

• Polare Lösungsmittel: Wasser, Ethanol, Methanol – werden zur Extraktion polarer Verbindungen wie Alkaloiden, Flavonoiden, Glykosiden und Proteinen eingesetzt.
• Mäßig polare Lösungsmittel: Aceton, Ethylacetat, Isopropanol – eignen sich zur Extraktion eines breiten Spektrums von Verbindungen, darunter phenolische Verbindungen und einige Alkaloide.
• Unpolare Lösungsmittel: Hexan, Toluol, Petrolether – sind ideal für die Extraktion unpolarer Verbindungen wie Lipiden, Wachsen, Terpenen und ätherischen Ölen.

Beispiele für den Einsatz von Lösungsmitteln

• Ethanol: Eines der gebräuchlichsten Lösungsmittel zur Extraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe. Als polares Lösungsmittel löst Ethanol polare Verbindungen wie Alkaloide und Flavonoide.
• Wasser: Das universelle Lösungsmittel, das häufig zur Extraktion hydrophiler Verbindungen wie Polysacchariden, Proteinen und einigen Glykosiden verwendet wird.
• Methanol: Ein stark polares Lösungsmittel, das ein breites Spektrum pflanzlicher Verbindungen effizient extrahiert, darunter phenolische Verbindungen, Flavonoide und einige Alkaloide.
• Hexan: Ein unpolares Lösungsmittel, das hauptsächlich zur Extraktion unpolarer Verbindungen wie Lipiden, Wachsen und ätherischen Ölen verwendet wird.
• Aceton: Als polar-aprotisches Lösungsmittel eignet sich Aceton zur effizienten Extraktion eines breiten Spektrums pflanzlicher Verbindungen, insbesondere solcher, die weniger polar sind als die mit Wasser oder Methanol extrahierten Verbindungen.
• Isopropanol: Ein polares, dem Ethanol ähnliches Lösungsmittel, das häufig zur Extraktion ätherischer Öle, Harze und einiger Alkaloide verwendet wird.
• Chloroform: Ein unpolares Lösungsmittel, das Alkaloide, Terpenoide und einige Glykoside effizient extrahiert. Aufgrund seiner Toxizität wird es seltener verwendet.
• Ethylacetat: Ein mäßig polares Lösungsmittel, das zur Extraktion verschiedener Verbindungen verwendet wird, darunter Flavonoide, Alkaloide und phenolische Verbindungen.
• Toluol: Ein unpolares Lösungsmittel, das zur Extraktion unpolarer Verbindungen wie ätherischen Ölen, Terpenen und Wachsen verwendet wird.
• Butanol: Ein mäßig polares Lösungsmittel, das Verbindungen mittlerer Polarität effizient extrahiert, darunter einige Glykoside und Saponine.
• Petrolether: Ein unpolares Lösungsmittel, das hauptsächlich zur Extraktion von Fetten, Ölen und anderen unpolaren Verbindungen aus Pflanzenmaterial verwendet wird.

Die folgenden Lösungsmittel wurden in Forschungsstudien zur Ultraschallextraktion bestimmter Pflanzenmaterialien und sekundärer Pflanzenstoffe getestet.

Was sind organische Lösungsmittel?

Ein organisches Lösungsmittel ist eine Art flüchtiger organischer Verbindung (VOC). VOCs sind organische Chemikalien, die bei Raumtemperatur verdampfen.
Zu den organischen Verbindungen, die als Lösungsmittel eingesetzt werden, zählen:

• aromatische Verbindungen, z. B. Benzol und Toluol
• Alkohole, z. B. Methanol
• Ester und Ether
• Ketone, z. B. Aceton
• Amine
• nitrierte und halogenierte Kohlenwasserstoffe

Viele organische Lösungsmittel sind als giftig oder krebserregend eingestuft. Bei unsachgemäßer Handhabung können sie Menschen gefährden und Luft, Wasser und Boden verunreinigen. Dank des wirkungsvollen Mechanismus der Ultraschallextraktion lässt sich der Einsatz organischer Lösungsmittel vermeiden, indem sie durch mildere, ungiftige Lösungsmittel ersetzt werden.