Hielscher Ultraschalltechnik

Qualitativ-hochwertige Catechin-Extrakte mittels Ultraschall

Catechin wie Epigallocatechingallat (EGCG), Epigallocatechin (EGC), Epicatechingallat (ECG) und Epicatechin (EC) sind Polyphenole, die einen signifikanten gesundheitlichen Nutzen aufweisen. Während Catechin in kleineren Mengen in grünem Tee, Kakao, Früchten und einigen anderen Lebensmitteln enthalten ist, werden für hochdosierte Zufuhr Katechin-Extrakte bevorzugt. Die Ultraschall-Extraktion ist eine einfache und schnelle grüne Technik zur Isolierung von Katechinen aus Pflanzen, z.B. grünen Teeblättern, unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel. Mit Ultraschall hergestellte Katechin-Extrakte sind hochwertige, lösungsmittelfreie Verbindungen für die Verwendung in Nahrungsergänzungsmitteln und Arzneimitteln.

Ultraschall-Extraktion von Katechinen

Die Blätter des Grünen Tees sind reich an Katechinen wie Epigallocatechingallat (EGCG), Epigallocatechin (EGC), Epicatechingallat (EKG) und Epicatechin (EC), die durch Ultraschall extrahiert werden können.Die Ultraschallextraktion ist eine nicht-thermische Technik, die auf der Anwendung rein mechanischer Kräfte beruht. Niederfrequente, hochintensive Ultraschallwellen werden über eine Ultraschallsonde (Sonotrode) in ein flüssiges Medium eingekoppelt. Die intensiven Scherkräfte der akustischen Kavitation perforieren und durchbrechen die Zellmembranen, verbessern den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und dem Lösungsmittel und geben die intrazellulären Verbindungen in das Lösungsmittel ab.
In ihrer umfangreichen Überprüfung der Extraktionsmethoden aus grünem Tee (Camellia sinensis) stellten Banerjee und Chatterjee (2015) fest, dass Sonden-Ultraschallgeräte wesentlich effizienter sind als Ultraschallbäder. Darüber hinaus geben die Autoren an, dass die Ultraschallextraktion die bevorzugte Art der Extraktion von Teekatechinen ist, da der Extraktionsprozess bei niedrigerer Temperatur effizienter ist, was den thermischen Abbau wärmeempfindlicher Verbindungen verhindert und ihren medizinischen Wert bewahrt. Die Hochtemperaturextraktion führt häufig zum Abbau von Polyphenolen und erhöht die Freisetzung von Proteinen und Pektinen, die die organoleptische Qualität des Tees durch die Rahmbildung beeinträchtigen. Der Vorteil der Beschallung liegt in ihrem nichtthermischen Mechanismus. Die Ultraschall-Extraktion kann die Ausbeute an Polyphenolen im Tee bei 65°C erhöhen, während sie im Vergleich zur traditionellen Extraktion bei 85°C erfolgt.
Die Ultraschall-Extraktion liefert eine hohe Ausbeute an hochwertigen Nährstoffen. Als nicht-thermisches Verfahren vermeidet die Ultraschallextraktion den Verlust wärmeempfindlicher Nährstoffe.
Die Ultraschallextraktion kann auch bei Raumtemperatur oder in gekühlten Flüssigkeiten durchgeführt werden. Klicken Sie hier, um mehr über ultraschallkalt gebrauten Tee zu erfahren!

Vorteile der Ultraschall-EGCG-Extraktion

  • Lösemittelfrei / auf Wasserbasis
  • hohe Extraktionsausbeute
  • Hochwertige Extrakte
  • Vollspektrum-Extrakte
  • schnelles Verfahren
  • Grün, umweltfreundlich
  • einfacher und sicherer Betrieb
  • Geringer Wartungsaufwand
  • schneller ROI
Ultraschallprozessor UIP2000hdT (2kW) mit gerührtem Reaktor

Ultraschallhomogenisator UIP2000hdT (2kW) mit kontinuierlich gerührtem Batch-Reaktor

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Fallstudie zur Ultraschall-Katechin-Extraktion

Die Ultraschallextraktion kann mit verschiedenen Lösungsmitteln durchgeführt werden, darunter Wasser, Ethanol, Wasser-Ethanol-Gemisch, Isopropanol, Pflanzenöl, Glyzerin usw.
In einer Studie aus dem Jahr 2018 verglichen Ayyildiz et al. die Ultraschall-Extraktion mit Wasser und Ethanol als Lösungsmittel mit der konventionellen Heißwasserextraktionsmethode. Für diese Studie im Pilotmaßstab wurde die verwendete Hielscher UIP2000hd (2kW, 20kHz) Ultraschallgerät im Batch- und im kontinuierlichen Durchflussaufbau.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Ultraschallextraktion mit Ethanol signifikant (p < 0.05) effizienter, um höhere Ausbeuten an EGCG, EGC, EKG und EC zu extrahieren als konventionelle Heißwasserextraktion und Extraktion mit Ultraschall auf Wasserbasis. Unter optimierten Prozessbedingungen wurde bei der Ultraschall-Ethanolextraktion fast 100 % bzw. 50 % mehr EGCG-Gehalt erzielt als bei der konventionellen Heißwasserextraktion und der Ultraschall-Extraktion mit Wasser. Die optimalen Bedingungen für die Ultraschall-Extraktion von EGCG mit Ethanol waren 66,53ºC, 43,75 min und 67,81% Ethanol. Die Ultraschallextraktion ist die bevorzugte Extraktionsart der Teekatechine aufgrund der erhöhten Wirksamkeit des Extraktionsprozesses bei niedrigerer Temperatur durch Beibehaltung ihrer antioxidativen Aktivität. [/zwei_drittel] [ein_drittel_letztes] [/ein_drittel_letzter] [zwei_Drittel]

Leistungsstarke Ultraschall-Extraktoren

Die Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zur kommerziellen Herstellung von hochwertigen Pflanzenextrakten eingesetzt, die als Nahrungsergänzungsmittel und Arzneimittel verwendet werden. Ob Sie kleinere Chargen von Kaltbrühe-Tee herstellen oder große Mengen hochwertiger Polyphenol-/Catechin-Extrakte verarbeiten wollen, Hielscher Ultrasonics hat den passenden Ultraschall-Extraktor für Sie. Die Ultraschallgeräte sind einfach und sicher zu bedienen. Intuitive Software und digitale Steuerung über Touch-Display ermöglichen eine präzise Prozesskontrolle. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Prozess-Standardisierung mit Hielscher Ultrasconics

Lebensmittel- und pharmagerechte Extrakte sollten in Übereinstimmung mit der Guten Herstellungspraxis (GMP) und unter standardisierten Verarbeitungsspezifikationen hergestellt werden. Die digitalen Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind mit einer intelligenten Software ausgestattet, die eine präzise Einstellung und Steuerung des Beschallungsprozesses ermöglicht. Die automatische Datenaufzeichnung schreibt alle Ultraschall-Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur, Druck (bei montierten Temperatur- und Drucksensoren) mit Datum und Zeitstempel auf die eingebaute SD-Karte. Dies ermöglicht Ihnen, jede mit Ultraschall verarbeitete Charge zu überarbeiten. Gleichzeitig wird die Reproduzierbarkeit und die gleichbleibend hohe Produktqualität sichergestellt.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss 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
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur



Wissenswertes

Ultraschall-Extraktion – Funktionsprinzip

Die Ultraschallextraktion ist eine mechanische Methode zur Freisetzung und Isolierung intrazellulärer Verbindungen aus Zellmatrizen wie z.B. Pflanzenzellen. Wenn Hochleistungs-Ultraschallwellen in eine Aufschlämmung (z.B. bestehend aus mazerierten Pflanzenpartikeln in Wasser oder Lösungsmittel) eingekoppelt werden, erzeugen die hochenergetischen Ultraschallwellen Kavitation. Das Phänomen der Kavitation führt lokal zu extremen Temperaturen, Drücken, Heiz-/Kühlraten, Druckunterschieden und hohen Scherkräften im Medium. Wenn Kavitationsblasen auf der Oberfläche von Festkörpern (wie z.B. Partikel, Pflanzenzellen, Gewebe usw.) implodieren, erzeugen Mikrostrahlen und interpartiklulare Kollisionen Effekte wie Oberflächenabblätterung, Erosion und Partikelzerfall. Zusätzlich erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Makro-Turbulenzen und Mikrovermischungen.
Die Ultraschallbestrahlung stellt eine effiziente Methode zur Verbesserung von Stofftransportprozessen dar, da die Beschallung zu Kavitation und den damit verbundenen Mechanismen wie Mikrobewegung durch Flüssigkeitsstrahlen, Kompression und Dekompression im Material mit anschließender Zerstörung der Zellwände sowie zu hohen Aufheiz- und Abkühlraten führt.

Ultraschalldisruptoren werden für Extraktionen aus Phytoquellen (z.B. Pflanzen, Algen, Pilze) eingesetzt.

Ultraschallextraktion aus Pflanzenzellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkungsmechanismus der Ultraschallextraktion aus Zellen (Vergrößerung 2000x)[Quelle: Vilkhu et al. 2011].

Durch Ultraschall von Pflanzenmaterial wird die Matrix von Pflanzenzellen fragmentiert und deren Hydratation verbessert. Chemat et al. (2015) kommen zu dem Schluss, dass die Ultraschallextraktion bioaktiver Verbindungen aus Pflanzenmaterial das Ergebnis verschiedener unabhängiger oder kombinierter Mechanismen ist, darunter Fragmentierung, Erosion, Kapillarität, Detexturierung und Sonoporation. Diese Effekte stören die Zellwand, verbessern den Massentransfer, indem sie Lösungsmittel in die Zelle drücken und mit Phytoverbindungen beladenes Lösungsmittel heraussaugen, und sorgen für Flüssigkeitsbewegung durch Mikrovermischung.

Was sind die Hauptvorteile der Ultraschall-Extraktion?

  • Schneller Prozess und hohe Leistung
  • niedriger Energieverbrauch
  • Geringere Verarbeitungskosten
  • Nicht-thermische Technologie
  • Höhere Reinheit
  • Grüne Technologie

Akustische Kavitation und ihre Auswirkungen

In der Flüssigkeit erzeugen die Ultraschallwellen intensive, abwechselnde Hoch-/Niederdruckzyklen, die zur Bildung von Kavitationsblasen führen. Über mehrere Druckzyklen wachsen die Kavitationsblasen bis zu einer Grenze, an der die Blase nicht mehr Energie aufnehmen kann. An diesem Punkt implodiert die Blase heftig. Während der Blasen-Implosion treten extreme Bedingungen wie hohe Temperaturen von bis zu 5000K, Drücke von bis zu 2000atm, sehr hohe Heiz-/Kühlraten und Druckunterschiede auf. Da die Dynamik des Blasenkollapses schneller ist als der Massen- und Wärmeaustausch, ist die Energie im kollabierenden Hohlraum auf eine sehr kleine Zone, auch "Hot Spot" genannt, beschränkt. Die Implosion der Kavitationsblase führt auch zu Mikroturbulenzen, Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 280 m/s Geschwindigkeit und daraus resultierenden Scherkräften. Dieses Phänomen ist als Ultraschall- oder akustische Kavitation bekannt.

Die ultraschall-erzeugte bzw. akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, welche Zellen aufschließt und Zellwände aufbricht (sog. Lyse). (Zum Vergrößern anklicken!).

Die Ultraschallextraktion basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften.

Katechine

Grüner Tee ist bekanntermaßen reich an Polyphenolen wie Kaffeesäure, Gallussäure, Catechin, Epicatechin, Gallocatechin, Catechingallat, Gallocatechingallat, Epicatechingallat, Epigallocatechin und Epigallocatechingallat (EGCG), was grünen Tee zu einem beliebten Gesundheitsmittel macht, das als Getränk und als Extrakt konsumiert wird. EGCG ist ein bekanntes Catechin, das in hohen Mengen in den getrockneten Blättern von grünem Tee (7380 mg pro 100 g), weißem Tee (4245 mg pro 100 g) und in kleineren Mengen in schwarzem Tee (936 mg pro 100 g) enthalten ist. Bei der Herstellung von schwarzem Tee werden die Katechine meist über Polyphenoloxidasen in Theaflavine und Thearubigine umgewandelt.

Gesundheitlicher Nutzen von Epigallocatechingallat (EGCG)

Von der Gruppe der Katechine ist Epigallocatechingallat (EGCG) das am besten erforschte und vielversprechendste. Von krebshemmenden, antioxidativen, entzündungshemmenden, anti-fibrosierenden, anti-Kollagenase- und immunsystemstärkenden bis hin zu Anti-Aging-Effekten zeigt EGCG viele Vorteile und wird daher sowohl in Form von Grünteegetränken als auch in Form von Nahrungsergänzungsmitteln wie Kapseln, Pulver, Tabletten etc. konsumiert.
Forschungsstudien deuten darauf hin, dass Katechine wie Epigallocatechingallat (EGCG) Entzündungen reduzieren und bestimmten chronischen Erkrankungen wie Herzkrankheiten, Diabetes und einigen Krebsarten vorbeugen können.

EGCG und seine krebsbekämpfende Wirkung

Da Krebs eine oft lebensbedrohliche Krankheit ist, werden die krebsbekämpfenden Eigenschaften von EGCG intensiv erforscht. Studien deuten darauf hin, dass EGCG die Tumorentstehung hemmen kann, indem es die karzinogenen Auswirkungen reduziert oder eliminiert. Es gibt Befunde, die darauf hindeuten, dass EGCG die durch Diethylnitrosamin verursachte Adipositas-bezogene Lebertumorgenese verhindert, indem es die IGF/IGF-1R-Achse hemmt, die Hyperinsulinämie verbessert und die chronische Entzündung abschwächt. Ein weiterer Mechnaismus der krebsbekämpfenden Wirkung von EGCG ist die Hemmung der Angiogenese und damit die Eindämmung der Tumorproliferation.

EGCG und seine antioxidative Wirkung

Unzählige antioxidative Prozesse laufen im menschlichen Körper ab und tragen zu Gesundheit, Kraft und Wohlbefinden bei. EGCG ist ein Antioxidans. Antioxidantien können vor Zellschäden schützen, indem sie freie Radikale abfangen und neutralisieren. Die Phenolringe in der Struktur von EGCG wirken als Elektronenfänger und Fänger von freien Radikalen, hemmen die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies und reduzieren dadurch Schäden, die durch oxidativen Stress verursacht werden.

EGCG und seine entzündungshemmende Wirkung

Entzündungen können durch Krankheit, chronischen Stress und Umweltverschmutzung verursacht werden. Der Körper reagiert auf solche Stressfaktoren mit einer Entzündung, die sich durch die Aggregation einer großen Anzahl von Immunzellen an den Entzündungsherden, die Freisetzung von proinflammatorischen Zytokinen und reaktiven Sauerstoff/Stickstoff-Spezies (ROS/RNS) auszeichnet. ROS/RNS sind mit der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-B und des Aktivatorproteins -(AP-)1 verbunden. Nach der Aktivierung übertragen NF-jB und AP-1 vom Zytoplasma in den Zellkern und regulieren eine Vielzahl von entzündlichen Genexpressionen hoch, die in der Folge eine verstärkte Entzündungsreaktion und Gewebeschäden verursachen.
EGCG hemmt die Übertragung von NF-B und AP-1, so dass die Expression von iNOS und COX-2 vor allem durch das Abfangen von Stickstoffmonoxid, Peroxynitrit und anderen ROS/RNS herunterreguliert und die Produktion von Entzündungsfaktoren reduziert wird.

EGCG und seine Auswirkungen auf die Förderung der Osteogenese

Osteoporose ist eine schwere Erkrankung, die durch die Degeneration der Knochenmatrix und den Verlust der Knochendichte gekennzeichnet ist. EGCG zeigt regulatorische Auswirkungen auf den Knochenstoffwechsel. EGCG kann die Apoptose von Osteoklasten induzieren und die Bildung von Osteoklasten hemmen, indem es die Bildung von NF-B und IL-1b blockiert. Darüber hinaus kann es die Bildung von mineralisierten Knochenknötchen fördern.
[vgl. Chenyu Chu; Jia Deng; Yi Man; Yili Qu (2017): Grüner Tee extrahiert Epigallocatechin-3-Gallat für verschiedene Behandlungen. BioMed Research International Vol. 2017]