Ultraschall Anthocyanin-Extraktion

Anthocyane werden häufig als natürliche Farbstoffe und Nahrungsergänzungsmittel in Lebensmitteln verwendet. Die Ultraschallextraktion ist eine äußerst effiziente und einfache Technik zur Gewinnung hochwertiger Anthocyane. Der Einsatz von Sondenschallgeräten fördert die Freisetzung hochwertiger Anthocyane aus Pflanzen, was zu höheren Ausbeuten und einem schnellen Prozess führt. Gleichzeitig ist die Beschallung eine milde, umweltfreundliche und effiziente Technik für die industrielle Herstellung von Anthocyanen in Lebensmittel- und Pharmaqualität.

Anthocyane – Wie man mit einem Sonicator hochwertige Anthocyane extrahiert

Anthocyane werden in der Lebensmittelindustrie häufig als natürliche Farbstoffe verwendet. Sie haben ein breites Spektrum an Farbtönen, das von Orange über Rot bis hin zu Violett und Blau reicht, je nach Molekularstruktur und pH-Wert. Das Interesse an Anthocyanen beruht nicht nur auf ihrer färbenden Wirkung, sondern auch auf ihren gesundheitsfördernden Eigenschaften. Aufgrund der zunehmenden Umwelt- und Gesundheitsbedenken in Bezug auf synthetische Farbstoffe sind natürliche Farbstoffe eine hervorragende Alternative als umweltfreundliche Farbstoffe für die Lebensmittel- und Arzneimittelindustrie.

Verbesserte Extraktion von Anthocyanen durch Ultraschall

Wie extrahiert man Anthocyyanine mit Ultraschall? – Fallstudien

Extraktion von Anthocyanen aus Purpurreis Oryza Sativa L. mittels Ultraschall

Purpurreis der Sorte Oryza Sativa (auch bekannt als Violet Nori oder violetter Reis) ist außerordentlich reich an Phenolen wie der Favonoidgruppe der Anthocyane. Turrini et al. (2018) verwendeten Ultraschallextraktion, um Polyphenole wie Anthocyane und Antioxidantien aus der Karyopse (in ganzer, brauner und parboiled Form) und den Blättern von violettem Reis zu isolieren. Die Ultraschallextraktion wurde mit einem Hielscher UP200St (200W, 26kHz, Abb. links) und Ethanol 60% als Lösungsmittel.
Um die Unversehrtheit der Anthocyane zu bewahren, wurden die Ultraschallextrakte bei -20°C gelagert, wodurch sie mindestens drei Monate lang aufbewahrt werden konnten.
Cyanidin-3-glucosid (auch als Chrysanthemin bekannt) war das bei weitem wichtigste Anthocyan, das in den in der Studie von Turrini et al. untersuchten Sorten 'Violet Nori', 'Artemide' und 'Nerone' nachgewiesen wurde, während Peonidin-3-glucosid und Cyanidin-3-rutinosid (auch Antirrhinin) in geringeren Mengen gefunden wurden.
Die violetten Blätter von Oryza Sativa sind eine hervorragende Quelle für Anthocyane und den Gesamtphenolgehalt (TPC). Mit einem ca. 2-3-fach höheren Gehalt als in Reis und Mehl stellen die Oryza-Blätter einen kostengünstigen Rohstoff für die Extraktion von Anthocyanen dar. Eine geschätzte Ausbeute von etwa 4 kg Anthocyanen/t frischer Blätter ist deutlich höher als die von 1 kg Anthocyanen/t Reis, berechnet auf der Grundlage der mittleren Anthocyanmengen, die in "Violet Nori"-Reis nachgewiesen wurden (1300 µg/g Reis, als Cyanidin-3-glucosid), bei einer Ausbeute von etwa 68 kg Reis aus 100 kg Paddy.

Extraktion von Anthocyanen aus Rotkohl mit Ultraschall

Ravanfar et al. (2015) haben die Effizienz der Ultraschallextraktion von Anthocyanen aus Rotkohl untersucht. Die Experimente zur Ultraschallextraktion wurden mit einem Ultraschallsystem durchgeführt UP100H (Hielscher-Ultraschall, 30 kHz, 100 W). Die Sonotrode MS10 (10 mm Spitzendurchmesser) wurde in der Mitte eines temperaturgeregelten, ummantelten Glasbechers eingesetzt.

Für diesen Versuch wurden frisch geschnittene Rotkohlstücke von 5 mm Größe (kubische Form) und 92,11 ± 0,45 % Feuchtigkeitsgehalt verwendet. Ein ummantelter Glasbecher (Volumen: 200 ml) wurde mit 100 ml destilliertem Wasser und 2 g Rotkohlstücken gefüllt. Das Becherglas wurde mit Aluminiumfolie abgedeckt, um den Verlust von Lösungsmittel (Wasser) durch Verdunstung während des Prozesses zu verhindern. Bei allen Versuchen wurde die Temperatur im Becherglas mit einem Thermostatregler aufrechterhalten. Die Proben wurden schließlich gesammelt, filtriert und bei 4000 U/min zentrifugiert, und der Überstand wurde zur Bestimmung der Anthocyanausbeute verwendet. Die Extraktion im Wasserbad wurde als Kontrollversuch durchgeführt.
Die optimale Ausbeute an Anthocyanen aus Rotkohl wurde bei einer Leistung von 100 W, einer Zeit von 30 Minuten und einer Temperatur von 15 °C ermittelt, was zu einer Anthocyanausbeute von etwa 21 mg/L führte.
Aufgrund seiner Farbveränderungen in Abhängigkeit vom pH-Wert und seiner intensiven Färbung wurde der Rotkohlfarbstoff als pH-Indikator in pharmazeutischen Formulierungen oder als Antioxidationsmittel bzw. Farbstoff in Lebensmittelsystemen verwendet.

Durch Ultraschall wird die Extraktion von Anthocyanen aus Pflanzenmaterial deutlich intensiviert.
Quelle: Ravanfar et al. 2015

 
Andere Studien belegen die erfolgreiche Ultraschallextraktion von Anthocyanen aus Blaubeeren, Brombeeren, Trauben, Kirschen, Erdbeeren und violetten Süßkartoffeln, um nur einige zu nennen.

Leistungsstarke Ultraschall-Extraktoren

Hielscher Ultrasonics ist auf die Herstellung von Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für die Produktion hochwertiger Extrakte aus pflanzlichen Stoffen spezialisiert.
Die breite Palette der Hielscher Ultraschallgeräte reicht von kleinen, leistungsstarken Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu robusten Tischgeräten und vollindustriellen Systemen, die hochintensiven Ultraschall für die effiziente Extraktion und Isolierung bioaktiver Substanzen (z. B. Anthocyane) liefern, gingerol, Piperin, Curcumin usw.).
Alle Ultraschallgeräte von 200W bis 16.000W verfügen über ein farbiges Touch-Display zur digitalen Steuerung, eine integrierte SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, eine Browser-Fernbedienung und viele weitere benutzerfreundliche Funktionen. Die Sonotroden und Durchflusszellen (die Teile, die mit dem Medium in Kontakt kommen) können autoklaviert werden und sind leicht zu reinigen.
Hielscher Ultraschallgeräte sind sehr robust und für den 24/7-Betrieb unter Volllast ausgelegt, dabei wartungsarm und einfach und sicher in der Bedienung. Ein digitales Farbdisplay ermöglicht eine benutzerfreundliche Steuerung des Ultraschallgerätes.
Unsere Systeme sind in der Lage, von niedrigen bis zu sehr hohen Amplituden zu liefern. Für die Extraktion von Cannabinoiden und Terpenen bieten wir spezielle Ultraschallsonotroden (auch bekannt als Ultraschallsonden oder -hörner) an, die für die sinnvolle Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Alle unsere Systeme können für die Extraktion und die anschließende Emulgierung von Cannabinoiden eingesetzt werden. Die Robustheit der Hielscher-Sonicatoren erlaubt den Dauerbetrieb (24/7) bei hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Die präzise Kontrolle der Ultraschallprozessparameter sichern Reproduzierbarkeit und Prozessstandardisierung.
 

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Literatur / Literaturhinweise

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Wissenswertes

Wie funktioniert die ultraschallgestützte Extraktion?

Die Einwirkung von intensiven Ultraschallwellen auf ein flüssiges Medium führt zu Kavitation. Das Phänomen der Kavitation führt lokal zu extremen Temperaturen, Drücken, Erwärmungs- und Abkühlungsraten, Druckunterschieden und hohen Scherkräften im Medium. Wenn Kavitationsblasen auf der Oberfläche von Festkörpern (wie Partikeln, Pflanzenzellen, Geweben usw.) implodieren, führen Mikrostrahlen und Kollisionen zwischen den Partikeln zu Effekten wie Oberflächenablösung, Erosion und Partikelzerfall. Außerdem führt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien zu Makroturbulenzen und Mikrovermischung.
Die Beschallung (d.h. die Behandlung mit Hiochleistungs-Ultraschall) von Pflanzenmaterial fragmentiert die Matrix der Pflanzenzellen und erhöht die Hydratation derselben. Chemat et al. (2015) kommen zu dem Schluss, dass die Ultraschallextraktion bioaktiver Verbindungen aus Pflanzenstoffen das Ergebnis der folgenden verschiedenen Mechanismen ist, zu denen die Fragmentierung, Erosion, Kapillarität, Detexturierung und Sonoperforation gehören. Durch diese Ultraschalleffekte werden die Zellwände aufgeschlossen und der Stoffaustausch verbessert, da das Lösungsmittel in die Zellen gedrückt und das mit Phytoverbindungen beladene Lösungsmittel herausgesaugt wird. Zudem wird die Flüssigkeit durch ultraschall-induzierte Mikroturbulenzen intensiv durchmischt.

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

Durch die Ultraschallbestrahlung von Pflanzenmaterial wird die Matrix der Pflanzenzellen fragmentiert und die Hydratation der Zellen verbessert. Chemat et al. (2015) kommen zu dem Schluss, dass die Ultraschallextraktion bioaktiver Verbindungen aus Pflanzen das Ergebnis verschiedener unabhängiger oder kombinierter Mechanismen ist, darunter Fragmentierung, Erosion, Kapillarität, Detexturierung und Sonoporation. Diese Effekte zerstören die Zellwand, verbessern den Stofftransport, indem sie das Lösungsmittel in die Zelle drücken und das mit Phytowirkstoffen beladene Lösungsmittel heraussaugen, und sorgen für eine Flüssigkeitsbewegung durch Mikrovermischung.
Die Ultraschallextraktion ermöglicht eine sehr schnelle Isolierung von Verbindungen und übertrifft herkömmliche Extraktionsmethoden durch kürzere Prozesszeiten, höhere Ausbeute und niedrigere Temperaturen. Als milde mechanische Behandlung vermeidet die ultraschallunterstützte Extraktion den thermischen Abbau bioaktiver Komponenten und schneidet im Vergleich zu anderen Techniken wie der konventionellen Lösungsmittelextraktion, der Hydrodistillation oder der Soxhlet-Extraktion, die bekanntermaßen hitzeempfindliche Moleküle zerstören, hervorragend ab. Aufgrund dieser Vorteile ist die Ultraschallextraktion die bevorzugte Technik für die Freisetzung temperaturempfindlicher bioaktiver Verbindungen aus Pflanzenstoffen.

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

Anthocyan – Ein wertvoller Pflanzenfarbstoff

Anthocyane sind vakuoläre Pflanzenpigmente, die rot, violett, blau oder schwarz erscheinen können. Die Farbausprägung der wasserlöslichen Anthocyanpigmente hängt von ihrem pH-Wert ab. Anthocyane befinden sich in der Zellvakuole, vor allem in Blüten und Früchten, aber auch in Blättern, Stängeln und Wurzeln, wo sie hauptsächlich in den äußeren Zellschichten wie der Epidermis und den peripheren Mesophyllzellen vorkommen.
Die in der Natur am häufigsten vorkommenden Glykoside sind Cyanidin, Delphinidin, Malvidin, Pelargonidin, Peonidin und Petunidin.
Prominente Beispiele für Pflanzen, die reich an Anthocyanen sind, sind Vaccinium-Arten wie Heidelbeere, Preiselbeere und Blaubeere; Rubus-Beeren, darunter schwarze Himbeere, rote Himbeere und Brombeere; schwarze Johannisbeere, Kirsche, Aubergine, schwarzer Reis, Uube, Süßkartoffel aus Okinawa, Concord-Traube, Muskattraube, Rotkohl und Veilchenblüten. Rotfleischige Pfirsiche und Äpfel enthalten Anthocyane. In Bananen, Spargel, Erbsen, Fenchel, Birnen und Kartoffeln sind Anthocyane weniger reichlich vorhanden, während sie in bestimmten Sorten grüner Stachelbeeren ganz fehlen können.

Struktur der wichtigsten Anthocyane

Anthocyane sind eine hervorragende Alternative zum Ersatz synthetischer Farbstoffe in Lebensmitteln. Anthocyane sind in der Europäischen Union, Australien und Neuseeland als Lebensmittelfarbstoffe zugelassen und haben den Farbstoffcode E163. Anthocyane kommen in Obst und Gemüse vor und können als eine Art wasserlöslicher Pflanzenpigmente beschrieben werden. Chemisch gesehen sind Anthocyane Glykoside von Anthocyanidinen, die auf der 2-Phenylbenzophyrylium-Struktur (Flavylium) basieren. Es gibt mehr als 200 verschiedene Phytochemikalien, die in die Kategorie der Anthocyane fallen. Als Hauptfarbpigment in Wildfrüchten und Beeren gibt es viele Quellen, aus denen Anthocyane extrahiert werden können. Eine wichtige Quelle für Anthocyane ist die Schale von Weintrauben. Die Anthocyanpigmente in der Traubenhaut bestehen hauptsächlich aus Di-Glucosiden, Mono-Glucosiden, acylierten Monoglucosiden sowie acylierten Di-Glucosiden von Peonidin, Malvidin, Cyanidin, Petunidin und Delphinidin. Der Anthocyan-Gehalt in Weintrauben schwankt zwischen 30 und 750 mg/100 g.
Zu den wichtigsten Anthocyanen gehören Cyanidin, Delphinidin, Pelargonidin, Peonidin, Malvidin und Petunidin.
Die Anthocyane Peonidin-3-Caffeoyl-p-hydroxybenzoylsophorosid-5-glucosid, Peonidin-3-(6″-Caffeoyl-6‴-feruloylsophorosid)-5-glucosid und Cyanidin-3-Caffeoyl-p-hydroxybenzoylsophorosid-5-glucosid sind beispielsweise in violetten Süßkartoffeln enthalten.

Anthocyane – Gesundheitliche Vorteile

Neben ihrer großen Fähigkeit, als natürlicher Lebensmittelfarbstoff zu fungieren, werden Anthocyane wegen ihrer antioxidativen Wirkung sehr geschätzt. Daher haben Anthocyane viele positive Auswirkungen auf die Gesundheit. Die Forschung hat gezeigt, dass Anthocyane DNA-Schäden in Krebszellen hemmen, Verdauungsenzyme hemmen, die Insulinproduktion in isolierten Zellen der Bauchspeicheldrüse anregen, Entzündungsreaktionen verringern, vor altersbedingtem Rückgang der Gehirnfunktion schützen, die Dichtigkeit der Kapillargefäße verbessern und die Thrombozytenaggregation verhindern können.