Lösungsmittel für die ultraschall-gestütze Gewinnung von Pflanzenextrakten

• Die Ultraschallextraktion bietet zahlreiche Vorteile wie z.B. eine hohe Ausbeute, sehr schnelle Extraktionsrate, Umweltfreundlichkeit sowie einen geringen Energieverbrauch.
• Als Hauptvorteil gilt u.a. die Verwendung von Wasser als Extraktionsmedium. Bei der Ultraschallextraktion können Sie jedoch zahlreiche andere Lösungsmittel auswählen, um optimale Extraktionsergebnisse zu erzielen.
• Das optimale Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion pflanzlicher Biokomponenten wird immer unter Beachtung des Ausgangsmaterial gewählt.

Ultraschall-Extraktion

Intensiver Ultraschall ist dafür bekannt, Zellstrukturen aufzuschließen und den Stoffaustausch zu intensivieren, wodurch die Extrahierbarkeit biochemischer Verbindungen deutlich verbessert wird (z.B. Phenole, Carotinoide).
Da die Scherkräfte des Ultraschalls den Stoffaustausch und damit den Extraktionsprozess deutlich intensivieren, ist die Verwendung organischer Lösungsmitteln häufig überflüssig. Dies bedeutet, dass Wasser für die Ultraschallextraktion oftmals als ein Lösungsmittel ausreicht. Dies bringt zahlreiche Vorteile mit sich, da Wasser kostengünstig, ungefährlich, leicht verfügbar und umweltfreundlich ist.
Für einige spezielle bioaktive Verbindungen werden die besten Ergebnissen einer Ultraschallextraktion jedoch in Kombination mit einem flüchtigen Lösungsmittel erreicht.
Um das richtige Lösungsmittel auszuwählen, müssen sowohl Ausgangsstoff (z.B. frisches o. getrocknetes, mazeriertes/gemahlenes oder pulverisiertes Pflanzenmaterial) als auch die Zielsubstanzen (z.B. lipophiles o. hydrophiles Extrakt) berücksichtigt werden.
 

In der folgenden Tabelle sind einige Lösungsmittel aufgeführt, die sich als Extraktionslösungsmittel bewährt haben und für die Ultraschallextraktion aus Pflanzenmaterial verwendet werden.

Starke Ultraschallwellen zerstören die Zellmatrix biologischer Strukturen und setzen die bioaktiven Verbindungen frei. Der Stoffaustausch zwischen dem Pflanzenmaterial und dem Lösungsmittel wird intensiviert. Aufgrund dieser Mechanismen ist die Ultraschallextraktion für die Extraktion von Pflanzen hocheffizient.

Ultraschallsysteme für die Extraktion

Von kleinen Labor- und Benchtop-Ultraschallgeräten bis zu industriellen Ultraschall-Extraktionsanlagen – Hielscher Ultrasonics ist Ihr langjährig erfahrener Partner, wenn es um leistungsstarke und zuverlässige Ultraschallprozessoren für erfolgreiche Extraktionsverfahren geht.
Unsere Ultraschallsysteme werden weltweit in biochemischen Laboratorien und pharmazeutischen Produktionsanlagen eingesetzt. Die Ultraschallsonotroden und Reaktoren sind autoklavierbar und erfüllen die pharmazeutischen Produktionsstandards.

Hielscher Industrie-Sonicatoren können sehr hohe Amplituden liefern, um Zellmatrizen aufzubrechen und gezielt Substanzen freizusetzen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Die Leistung und Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte gewährleisten hohe Ausbeuten, schnelle Extraktionsraten und eine vollständigere Extraktion – und übertrifft damit herkömmliche Extraktionsverfahren.
Unsere Ultraschallsysteme können auch mit konventionellen Extraktionsmethoden, wie z.B. der Soxhlet-Extraktion oder überkritische CO2-Extraktion. Eine Nachrüstung in bestehende Produktionslinien ist problemlos möglich.

Literatur / Literaturhinweise

Wissenswertes

Ultraschallextraktion mittels Kavitation

Intensive Ultraschallwellen erzeugen in Flüssigkeiten akustische Kavitation. Die durch Kavitation generierten Scherkräfte brechen Zellwände und Membranen auf, so dass das intrazelluläre Material freigesetzt wird. Bei der Ultraschallextraktion wird das Lösungsmittels in die Zellen hinein- und herausgepresst, wodurch der Stoffaustausch zwischen Zellinnenraum und Zellaußenraum deutlich verbessert wird. Durch Ultraschall wird der Extraktionsprozess also erheblich intensiviert, wodurch höhere Ausbeuten, schnelle Extraktionsraten und eine vollständigere Extraktion erzielt werden.

Lösungsmittelsysteme

Für die Extraktion von bioaktiven Verbindungen aus pflanzlichem Material stehen verschiedene Lösungsmittelsysteme zur Verfügung. Für die Extraktion von hydrophilen Verbindungen werden vor allem polare Lösungsmittel, wie Methanol, Ethanol oder Ethyl-Acetat gewählt, während für die Extraktion von lipophilen Verbindungen (z.B. Lipiden) Lösungsmittelsysteme wie Dichlormethan oder Dichlormethan / Methanol (V/V 1:1) bevorzugt werden. Hexan wird häufig als Lösungsmittel für die Chlorophyllextraktion verwendet.

Was sind bioaktive Wirkstoffe?

Bioaktive Verbindungen oder Phytochemikalien werden als Stoffe definiert, die Auswirkungen auf lebende Organismen, Gewebe oder Zellen haben. Zu den biologisch aktiven Substanzen gehören Antibiotika, Enzyme und Vitamine. Bioaktive Stoffe wie Carotinoide und Polyphenole können z. B. aus Früchten, Blättern und Gemüse extrahiert werden, während Phytosterine in Pflanzenölen vorkommen.
Zu den aus Pflanzen gewonnenen bioaktiven Stoffen gehören z.B. Flavonoide, Koffein, Carotenoide, Choline, Dithiolthione, Phytosterole, Polysaccharide, Phytoöstrogene, Glucosinolate, Polyphenole sowie Anthocyanine. Viele bioaktive Substanzen werden aufgrund ihrer antioxidativen Wirkung als gesundheitsfördernd eingestuft.

Wie wähle ich das beste Extraktionslösungsmittel aus?

Die nachstehenden Leitlinien helfen Ihnen bei der Auswahl eines geeigneten Lösungsmittels für die botanische Ultraschallextraktion. Da die Beschallung mit jedem Standardlösungsmittel kompatibel ist, können Sie das Lösungsmittel auswählen, das für Ihr pflanzliches Rohmaterial, die gewünschten Phytochemikalien und die Kosteneffizienz am besten geeignet ist.

• Selektivität: Wählen Sie ein Lösungsmittel, das die gewünschten Verbindungen spezifisch auflöst und unerwünschte Bestandteile zurücklässt. Verwenden Sie zum Beispiel Ethanol für polare Verbindungen wie Alkaloide und Flavonoide.
• Löslichkeit: Basierend auf dem Prinzip „wie löst sich wie auf,“ Wählen Sie ein Lösungsmittel mit einer ähnlichen Polarität wie die des gelösten Stoffes. Polare Lösungsmittel (z. B. Wasser, Ethanol) lösen polare Verbindungen, während unpolare Lösungsmittel (z. B. Hexan) unpolare Verbindungen wie Lipide und Öle auflösen.
• Kosten: Berücksichtigen Sie das Kosten-Nutzen-Verhältnis des Lösungsmittels. Einige Lösungsmittel sind zwar teurer, bieten aber höhere Ausbeuten oder eine bessere Selektivität, wodurch sich die Gesamtextraktionskosten ausgleichen.
• Sicherheit: Vergewissern Sie sich, dass das Lösungsmittel für die Verwendung und Handhabung sicher ist. Zu den Faktoren gehören Toxizität, Entflammbarkeit und Umweltverträglichkeit. Wasser und Ethanol sind zum Beispiel sicherer als Chloroform oder Toluol.

Polarität und Lösungsmittelauswahl
Nach dem Gesetz der Ähnlichkeit und der Mischbarkeit sind Lösungsmittel mit einem Polaritätswert, der der Polarität des gelösten Stoffes nahe kommt, wahrscheinlich besser geeignet. Hier sind einige Beispiele:

• Polare Lösungsmittel: Wasser, Ethanol, Methanol – Wird zur Extraktion von polaren Verbindungen wie Alkaloiden, Flavonoiden, Glykosiden und Proteinen verwendet.
• Mäßig polare Lösungsmittel: Aceton, Ethylacetat, Isopropanol – Geeignet für die Extraktion eines breiten Spektrums von Verbindungen, einschließlich Phenole und einige Alkaloide.
• Unpolare Lösungsmittel: Hexan, Toluol, Petrolether – Ideal für die Extraktion unpolarer Verbindungen wie Lipide, Wachse, Terpene und ätherische Öle.

Beispiele für die Verwendung von Lösungsmitteln

• Ethanol: Eines der gebräuchlichsten Lösungsmittel für die botanische Extraktion. Als polares Lösungsmittel löst Ethanol polare Verbindungen wie Alkaloide und Flavonoide auf.
• Wasser: Das universelle Lösungsmittel, das häufig für die Extraktion hydrophiler Verbindungen wie Polysaccharide, Proteine und einige Glykoside verwendet wird.
• Methanol: Ein hochpolares Lösungsmittel, das sich für die Extraktion einer breiten Palette von Pflanzenstoffen eignet, darunter Phenole, Flavonoide und einige Alkaloide.
• Hexan: Ein unpolares Lösungsmittel, das hauptsächlich für die Extraktion unpolarer Verbindungen wie Lipide, Wachse und ätherische Öle verwendet wird.
• Aceton: Aceton ist ein polares aprotisches Lösungsmittel und eignet sich für die Extraktion einer Vielzahl pflanzlicher Verbindungen, insbesondere solcher, die weniger polar sind als diejenigen, die mit Wasser oder Methanol extrahiert werden.
• Isopropanol: Ein polares, ethanolähnliches Lösungsmittel, das häufig zur Extraktion von ätherischen Ölen, Harzen und einigen Alkaloiden verwendet wird.
• Chloroform: Ein unpolares Lösungsmittel, das sich zur Extraktion von Alkaloiden, Terpenoiden und einigen Glykosiden eignet. Aufgrund seiner Toxizität wird es seltener verwendet.
• Ethylacetat: Ein mäßig polares Lösungsmittel, das für die Extraktion einer Reihe von Verbindungen wie Flavonoiden, Alkaloiden und Phenolen verwendet wird.
• Toluol: Ein unpolares Lösungsmittel, das zur Extraktion von unpolaren Verbindungen wie ätherischen Ölen, Terpenen und Wachsen verwendet wird.
• Butanol: Ein mäßig polares Lösungsmittel, das sich für die Extraktion mittelpolarer Verbindungen einschließlich einiger Glykoside und Saponine eignet.
• Petroleum Ether: Ein unpolares Lösungsmittel, das hauptsächlich zur Extraktion von Fetten, Ölen und anderen unpolaren Verbindungen aus Pflanzenmaterialien verwendet wird.

Die folgenden Lösungsmittel wurden in Forschungsstudien zur Ultraschallextraktion von bestimmten Pflanzenmaterialien und Phytochemikalien getestet.

Was sind organische Lösungsmittel?

Ein organisches Lösungsmittel ist eine Form flüchtiger organischer Verbindungen (engl. volatile organic compound, abbrev. VOC). Flüchtige organische Verbindungen sind organische Chemikalien, die bereits bei Raumtemperatur verdampfen.
Zu den organische Verbindungen, die häufig als Lösungsmittel verwendet werden, gehören u.a.:

• 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 für den Menschen gefährlich sein und Luft, Wasser und Boden verunreinigen. Aufgrund des leistungsstarken Mechanismus der Ultraschallextraktion kann die Verwendung organischer Lösungsmittel vermieden und durch mildere, ungiftige Lösungsmittel ersetzt werden.