Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall Anthocyanin-Extraktion

  • Anthocyane werden häufig als natürliche Farbstoffe und Nahrungsergänzungsmittel in Lebensmitteln verwendet.
  • Die Ultraschallextraktion fördert die Freisetzung hochwertiger Anthocyane aus Pflanzen, was zu höheren Erträgen und einem schnellen Prozess führt.
  • Die Sondierung ist eine milde, grüne und effiziente Technik für die industrielle Herstellung von lebensmittel-/pharmazeutischen Anthocyanen.

Anthocyane

Anthocyane werden häufig als natürliche Farbstoffe in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Sie haben ein breites Spektrum an Farbtönen, das von orange über rot bis 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 wachsender Umwelt- und Gesundheitsbedenken in Bezug auf synthetische Farbstoffe sind natürliche Farbstoffe eine gute Alternative als umweltfreundliches Farbmittel für die Lebensmittel- und Arzneimittelindustrie.

Ultraschallverbesserte Anthocyanin-Extraktion

Vorteile der Ultraschallextraktion

  • Höhere Erträge
  • Schneller Extraktionsprozess – innerhalb weniger Minuten
  • Hochwertige Extrakte – milde, nicht thermische Extraktion
  • Grüne Lösungsmittel (Wasser, Ethanol, Glycerin, pflanzliche Öle etc.)
  • einfache und sichere Bedienung
  • Niedrige Investitions- und Betriebskosten
  • Robustheit und geringer Wartungsaufwand
  • Grüne, umweltfreundliche Methode

UP100H mit MS14-Sonotrode zur Extraktion von Pflanzenstoffen

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Ultraschallextraktion kann im Batchbetrieb und kontinuierlichen Durchflussmodus durchgeführt werden. (Klicken um zu vergrößern!)

Ultraschall-Versuchsaufbau mit UIP1000hdT für die Extraktion von bioaktiven Verbindungen aus Pflanzenstoffen in einer Charge. [Petigny et al. 2013]

Wie extrahiert man Anthocyyanine mit Ultraschall? – Fallstudien

Ultraschall Anthocyanin-Extraktion aus lila Reis Oryza Sativa L.

Ultraschallextraktion mit UP200StVioletter Reis des Stammes Oryza Sativa (auch bekannt als Violet Nori oder Violetter Reis) ist außerordentlich reich an Phenolen wie der favonoiden Gruppe der Anthocyane. Turrini et al. (2018) isolierten mit Hilfe der Ultraschallextraktion Polyphenole wie Anthocyane und Antioxidantien aus der Karyopse (ganz, braun und parboiled) und den Blättern von lila Reis. Die Ultraschallextraktion wurde mit einem Hielscher durchgeführt. UP200St (200W, 26kHz, Abb. links) und Ethanol 60% als Lösungsmittel.
Um die Anthocyanintegrität zu erhalten, wurden die Ultraschallextrakte bei -20°C gelagert, so dass sie bis zu drei Monate lang gelagert werden konnten.
Cyanidin-3-Glucosid (auch bekannt als Chrysanthemin) war bei weitem das wichtigste nachgewiesene Anthocyanin in den in der Studie von Turrini et al. untersuchten Sorten "Violet Nori", "Artemide" und "Nerone", während Peonidin-3-Glucosid und Cyanidin-3-Rutinosid (auch Antirrhininin) in geringeren Mengen gefunden wurden.
Die violetten Blätter von Oryza Sativa sind eine ausgezeichnete Quelle für Anthocyane und den gesamten Phenolgehalt (TPC). Mit einem ca. 2-3fach höheren Anteil als bei Reis und Mehl stellen die Oryza-Blätter einen preiswerten Rohstoff für die Gewinnung von Anthocyanen dar. Ein geschätzter Ertrag von etwa 4 kg Anthocyan/t frischen Blättern ist deutlich höher als der von 1 kg Anthocyan/t Reis, berechnet auf der Grundlage der mittleren Anthocyanwerte, die im Violetten Nori"-Reis (1300 µg/g Reis, als Cyanidin-3-glucosid) nachgewiesen wurden, für einen Ertrag von etwa 68 kg Reis aus 100 kg Reis.

Ultraschall-Anthocyanin-Extraktion aus Rotkohl

Ravanfar et al. (2015) haben die Effizienz der Ultraschallextraktion von Anthocyanen aus Rotkohl untersucht. Die Ultraschallextraktionsversuche wurden mit einem Ultraschallsystem durchgeführt. UP100H (Hielscher Ultraschall, 30 kHz, 100 W). Die Sonotrode MS10 (10mm Spitzendurchmesser) wurde in der Mitte eines temperaturgesteuerten ummantelten Glasbechers eingesetzt.
UP400St mit Rührwerk im 8L-ExtraktionsbatchFür dieses Experiment wurden frisch geschnittene Rotkohlstücke von 5 mm Durchmesser (kubische Form) und 92.11 ± 0.45 % Feuchtigkeitsgehalt verwendet. Ein ummantelter Glasbecher (Volumen: 200ml) wurde mit 100ml destilliertem Wasser und 2g Rotkohlstücken gefüllt. Das Becherglas wurde mit Aluminiumfolie abgedeckt, um den Verlust von Lösungsmittel (Wasser) durch Verdampfung während des Prozesses zu verhindern. In allen Experimenten wurde die Temperatur im Becherglas mit einem thermostatischen Regler gehalten. Die Proben wurden schließlich gesammelt, gefiltert und bei 4000 U/min zentrifugiert, und die Überstände wurden zur Bestimmung der Anthocyanausbeute verwendet. Die Extraktion im Wasserbad wurde als Kontrollversuch durchgeführt.
Die optimale Ausbeute an Anthocyan aus Rotkohl wurde bei einer Leistung von 100 W, einer Zeit von 30 min und einer Temperatur von 15°C bestimmt, was zu einem Anthocyangehalt von etwa 21 mg/L führte.
Aufgrund seiner Farbänderung des pH-Wertes und seiner intensiven Färbung wurde Rotkohlfarbstoff als pH-Indikator in pharmazeutischen Formulierungen bzw. als Antioxidans und Farbstoff in Lebensmittelsystemen eingesetzt.

Die Ultraschallextraktion fördert die Freisetzung von Polyphenolen wie Anthocyanen aus Pflanzenstoffen.

Die Ultraschalltechnik intensiviert die Extraktion von Anthocyanen aus Pflanzenmaterial erheblich.
Quelle: Ravanfar et al. 2015

Weitere Studien belegen die erfolgreiche Ultraschall-Extraktion von Anthocyanen aus unter anderem Heidelbeeren, Brombeeren, Trauben, Kirschen, Erdbeeren und lila Süßkartoffeln.

Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallgeräte für sonochemische Anwendungen her.

Leistungsstarke Ultraschallprozessoren von Labor zu steuern und industrieller Maßstab.

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren

Ultraschall-Process Testing und AnalyseHielscher Ultrasonics ist spezialisiert auf die Herstellung von Hochleistungs-Ultraschallprozessoren zur Herstellung hochwertiger Extrakte aus pflanzlichen Stoffen.
Das breite Produktportfolio von Hielscher reicht von kleinen, leistungsstarken Labor-Sonden bis hin zu robusten Tisch- und vollindustrialen Systemen, die hochintensiven Ultraschall zur effizienten Extraktion und Isolierung von bioaktiven Substanzen (z.B. Anthocyanen) liefern, Gingerol, Piperin, Curcumin etc.). Alle Ultraschallgeräte von 200W bis 16.000W verfügen über ein farbiges Display zur digitalen Steuerung, eine integrierte SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, eine Browser-Fernbedienung und viele weitere komfortable Funktionen. Die Sonotroden und Durchflusszellen (die mit dem Medium in Berührung kommenden Teile) sind autoklavierbar und leicht zu reinigen.
Die robusten Ultraschallprozessoren von Hielscher sind für den 24/7-Betrieb unter Volllast ausgelegt, wartungsarm, einfach und sicher zu bedienen. Ein digitales Farbdisplay ermöglicht eine benutzerfreundliche Steuerung des Ultraschallgeräts.
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 sensible Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Alle unsere Systeme können für die Extraktion und anschließende Emulgierung von Cannabinoiden eingesetzt werden. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen Dauerbetrieb (24/7) bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Die präzise Steuerung der Ultraschallprozessparameter gewährleistet Reproduzierbarkeit und Prozessstandardisierung.
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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Ultraschallextraktionssystem UIP4000hdT

Ultraschallprozessor UIP4000hdT (4kW) für die Extraktion

Literatur

  • Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultraschallunterstützte Extraktion von Lebensmitteln und Naturprodukten. Mechanismen, Techniken, Kombinationen, Protokolle und Anwendungen. Eine Rezension. Ultraschall Sonochemie 34 (2017) 540-560.
  • Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimierung der ultraschallunterstützten Extraktion von Anthocyanen aus Rotkohl mittels Taguchi-Design-Methode. J Food Sci Technol. 2015 Dez; 52(12): 8140-8147.
  • Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimierung der ultraschallunterstützten Extraktion von Phenolverbindungen aus Oryza Sativa L.'Violet Nori' und Bestimmung der antioxidativen Eigenschaften seiner Karyopsen und Blätter. Moleküle 2018, 23, 844.


Wissenswertes

Wie funktioniert die ultraschallunterstützte Extraktion?

Die Anwendung intensiver Ultraschallwellen auf ein flüssiges Medium führt zu Kavitation. Das Phänomen der Kavitation führt lokal zu extremen Temperaturen, Drücken, Heiz-/Kühlraten, Druckdifferenzen und hohen Scherkräften im Medium. Wenn Kavitationsblasen auf der Oberfläche von Feststoffen (wie z.B. Partikel, Pflanzenzellen, Gewebe usw.) implodieren, erzeugen Mikrostrahlen und interpartikuläre Kollisionen Effekte wie Oberflächenschälung, Erosion und Partikelabbau. Zusätzlich erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Makroturbulenzen und Mikromischungen.
Die Ultraschall-Irraditation 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 verschiedener unabhängiger oder kombinierter Mechanismen ist, einschließlich Fragmentierung, Erosion, Kapillarität, Detexturierung und Sonoporation. Diese Effekte stören die Zellwand, verbessern den Stoffaustausch, indem sie das Lösungsmittel in die Zelle drücken und das mit Phytoverbindungen beladene Lösungsmittel heraussaugen, und sorgen für die Bewegung der Flüssigkeit durch Mikrovermischung.

Die ultraschall-akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, die die als Lyse bezeichneten Zellwände öffnen (Zum Vergrößern anklicken!).

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

Die Ultraschall-Irraditation 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 verschiedener unabhängiger oder kombinierter Mechanismen ist, einschließlich Fragmentierung, Erosion, Kapillarität, Detexturierung und Sonoporation. Diese Effekte stören die Zellwand, verbessern den Stoffaustausch, indem sie das Lösungsmittel in die Zelle drücken und das mit Phytoverbindungen beladene Lösungsmittel heraussaugen, und sorgen für die Bewegung der Flüssigkeit durch Mikrovermischung.
Die Ultraschallextraktion ermöglicht eine sehr schnelle Isolierung von Verbindungen - besser als herkömmliche Extraktionsmethoden in kürzerer Prozesszeit, höherer Ausbeute und bei niedrigeren Temperaturen. Als milde mechanische Behandlung vermeidet die ultraschallunterstützte Extraktion den thermischen Abbau bioaktiver Komponenten und zeichnet sich im Vergleich zu anderen Techniken wie der konventionellen Lösungsmittelextraktion, der Hydrodestillation oder der Soxhlet-Extraktion aus, die dafür bekannt sind, wärmeempfindliche Moleküle zu zerstören. Aufgrund dieser Vorteile ist die Ultraschallextraktion die bevorzugte Technik für die Freisetzung temperaturempfindlicher bioaktiver Verbindungen aus Pflanzenstoffen.

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)[Ressource: Vilkhu et al. 2011].

Anthocyanin – Ein wertvolles Pflanzenpigment

Anthocyane sind vakuolare Pflanzenpigmente, die rot, violett, blau oder schwarz erscheinen können. Die Farbexpression der wasserlöslichen Anthocyanpigmente ist abhängig von ihrem pH-Wert. Anthocyane finden sich in der Zellvakuole, meist in Blüten und Früchten, aber auch in Blättern, Stängeln und Wurzeln, wo sie vor allem in äußeren Zellschichten wie der Epidermis und peripheren Mesophyllzellen vorkommen.
Am häufigsten in der Natur vorkommend sind die Glykoside von Cyanidin, Delphinidin, Malvidin, Pelargonidin, Peonidin und Petunidin.
Prominente Beispiele für anthocyanreiche Pflanzen sind Impfstoffarten wie Blaubeere, Preiselbeere und Heidelbeere; Rubinbeeren, darunter schwarze Himbeere, rote Himbeere und Brombeere; schwarze Johannisbeere, Kirsche, Aubergine, schwarzer Reis, Ube, Okinawan Süßkartoffel, Concord-Traube, Muskadine, Rotkohl und Veilchenblätter. Rotfleischige Pfirsiche und Äpfel enthalten Anthocyane. Anthocyane sind weniger häufig in Bananen, Spargel, Erbsen, Fenchel, Birnen und Kartoffeln enthalten und können in bestimmten Sorten von grünen Stachelbeeren völlig fehlen.

Anthocyane wie Cyanidin, Delphinidin, Pelargonidin, Peonidin, Malvidin und Petunidin können effizient mit Hilfe von Leistungsultraschall extrahiert werden.

Struktur der wichtigsten Anthocyane

Anthocyane sind eine gute Alternative, um synthetische Farbstoffe in Lebensmitteln zu ersetzen. Anthocyane sind für die Verwendung als Lebensmittelfarbstoffe in der Europäischen Union, Australien und Neuseeland mit dem Farbstoffcode E163 zugelassen. Anthocyane kommen in Obst und Gemüse vor und können als eine Art wasserlöslicher Pflanzenpigmente bezeichnet werden. Chemisch gesehen sind Anthocyane Glykoside von Anthocyanidinen auf Basis der 2-Phenylbenzophyrylium (Flavylium) Struktur. Es gibt mehr als 200 verschiedene Phytochemikalien, die in die Kategorie der Anthocyane fallen. Als Hauptfarbpigment in Waldfrüchten und Beeren gibt es viele Quellen, aus denen Anthocyane gewonnen werden können. Eine wichtige Quelle für Anthocyane ist die Schale der Trauben. Die Anthocyanpigmente in der Traubenhaut bestehen hauptsächlich aus Di-Glucosiden, Monoglucosiden, acylierten Monoglucosiden sowie acylierten Di-Glucosiden von Peonidin, Malvidin, Cyanidin, Petunidin und Delphinidin. Der Anthocyangehalt in den Trauben variiert von 30-750mg/100g.
Die bekanntesten Anthocyane sind Cyanidin, Delphinidin, Pelargonidin, Peonidin, Malvidin und Petunidin.
So finden sich beispielsweise die Anthocyane Peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl-sophoroside-5-glucoside, Peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl-sophoroside)-5-glucoside und Cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl-sophoroside-5-glucoside in lila Süßkartoffeln.

Anthocyane – Gesundheitliche Vorteile

Neben ihrer großen Fähigkeit, als natürlicher Lebensmittelfarbstoff zu wirken, werden Anthocyane wegen ihrer antioxidativen Wirkung geschätzt. Anthocyane zeigen daher viele positive gesundheitliche Auswirkungen. Die Forschung hat gezeigt, dass Anthocyane DNA-Schäden in Krebszellen hemmen, Verdauungsenzyme hemmen, die Insulinproduktion in isolierten Bauchspeicheldrüsenzellen induzieren, Entzündungsreaktionen reduzieren, vor altersbedingter Verschlechterung der Gehirnfunktion schützen, die Dichtigkeit der kapillaren Blutgefäße verbessern und die Aggregation von Thrombozyten verhindern können.