Ultraschallextraktion von Anthocyanen

Anthocyane werden häufig als natürliche Farbstoffe und Nährstoffzusätze in Lebensmitteln eingesetzt. Die Ultraschallextraktion ist ein hocheffizientes und einfaches Verfahren zur Gewinnung hochwertiger Anthocyane. Der Einsatz von Ultraschallgeräten mit Sonotrode fördert die Freisetzung hochwertiger Anthocyane aus Pflanzen und ermöglicht dadurch höhere Ausbeuten und einen schnellen Prozess. Gleichzeitig ist die Ultraschallbehandlung ein schonendes, umweltfreundliches und effizientes Verfahren zur industriellen Herstellung von Anthocyanen in Lebensmittel- und Pharmaqualität.

Anthocyane – So extrahieren Sie hochwertige Anthocyane mit einem Ultraschallgerät

Anthocyane werden in der Lebensmittelindustrie häufig als natürliche Farbstoffe eingesetzt. Sie weisen ein breites Farbspektrum auf, das je nach Molekülstruktur und pH-Wert von Orange über Rot bis hin zu Violett und Blau reicht. Das Interesse an Anthocyanen beruht nicht nur auf ihrer färbenden Wirkung, sondern auch auf ihren gesundheitsfördernden Eigenschaften. Angesichts zunehmender Umwelt- und Gesundheitsbedenken hinsichtlich synthetischer Farbstoffe bieten natürliche Farbstoffe eine hervorragende umweltfreundliche Alternative für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie.

Verbesserte Anthocyanextraktion durch Ultraschall

Wie lassen sich Anthocyane mit Ultraschall extrahieren? – Fallstudien

Ultraschallextraktion von Anthocyanen aus violettem Reis Oryza Sativa L.

Violetter Reis der Art Oryza Sativa (auch als Violet Nori oder violetter Reis bekannt) ist außerordentlich reich an phenolischen Verbindungen wie den Anthocyanen, einer Gruppe der Flavonoide. Turrini et al. (2018) nutzten die Ultraschallextraktion, um polyphenolische Verbindungen wie Anthocyane und Antioxidantien aus den Karyopsen (in ganzer Form, als Naturreis und als Parboiled-Reis) und den Blättern von violettem Reis zu isolieren. Die Ultraschallextraktion erfolgte mit einem Hielscher UP200St (200W, 26kHz, Abb. links) und 60%igem Ethanol als Lösungsmittel.
Um die Integrität der Anthocyane zu erhalten, wurden die durch Ultraschall gewonnenen Extrakte bei −20°C gelagert, wodurch eine Lagerung für mindestens bis zu drei Monate möglich war.
Cyanidin-3-glucosid (auch als Chrysanthemin bekannt) war das mit Abstand vorherrschende nachgewiesene Anthocyan in den Sorten ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ und ‘Nerone’, die in der Studie von Turrini et al. untersucht wurden. Peonidin-3-glucosid und Cyanidin-3-rutinosid (auch Antirrhinin) wurden hingegen in geringeren Mengen gefunden.
Die violetten Blätter von Oryza Sativa sind eine hervorragende Quelle für Anthocyane und weisen einen hohen Gesamtphenolgehalt (TPC) auf. Mit einem etwa 2–3-mal so hohen Gehalt wie in Reis und Mehl stellen die Oryza-Blätter einen kostengünstigen Rohstoff für die Extraktion von Anthocyanen dar. Eine geschätzte Ausbeute von etwa 4 kg Anthocyan/t frischer Blätter ist deutlich höher als die Ausbeute von 1 kg Anthocyan/t Reis. Letztere wurde auf Grundlage der mittleren, in ‘Violet Nori’-Reis nachgewiesenen Anthocyanmengen (1300 µg/g Reis, als Cyanidin-3-glucosid) bei einer Ausbeute von etwa 68 kg Reis aus 100 kg Rohreis berechnet.

Ultraschallextraktion von Anthocyanen aus Rotkohl

Ravanfar et al. (2015) untersuchten die Effizienz der Ultraschallextraktion von Anthocyanen aus Rotkohl. Die Versuche zur Ultraschallextraktion wurden mit dem Ultraschallsystem UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W) durchgeführt. Die Sonotrode MS10 (10mm Spitzendurchmesser) wurde mittig in ein temperiertes doppelwandiges Becherglas eingeführt.

Für diesen Versuch wurden frisch geschnittene, würfelförmige Rotkohlstücke mit einer Kantenlänge von 5mm und einem Feuchtigkeitsgehalt von 92,11 ± 0,45 % verwendet. Ein doppelwandiges Becherglas (Volumen: 200ml) wurde mit 100ml destilliertem Wasser und 2g Rotkohlstücken befüllt. Das Becherglas wurde mit Aluminiumfolie abgedeckt, um während des Prozesses einen Verlust von Lösungsmittel (Wasser) durch Verdunstung zu verhindern. Bei allen Versuchen wurde die Temperatur im Becherglas mithilfe eines Thermostatreglers konstant gehalten. Abschließend wurden Proben entnommen, filtriert und bei 4000rpm zentrifugiert. Die Überstände wurden zur Bestimmung der Anthocyanausbeute verwendet. Als Kontrollversuch wurde eine Extraktion im Wasserbad durchgeführt.
Die optimale Anthocyanausbeute aus Rotkohl wurde bei einer Leistung von 100 W, einer Dauer von 30 min und einer Temperatur von 15°C ermittelt. Dabei betrug die Anthocyanausbeute etwa 21 mg/L.
Aufgrund seiner pH-abhängigen Farbänderungen und seiner intensiven Färbung wurde Rotkohlfarbstoff als pH-Indikator in pharmazeutischen Formulierungen beziehungsweise als Antioxidans und Farbstoff in Lebensmitteln eingesetzt.

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

Weitere Studien belegen die erfolgreiche Ultraschallextraktion von Anthocyanen unter anderem aus Heidelbeeren, Brombeeren, Trauben, Kirschen, Erdbeeren und violetten Süßkartoffeln.

Hochleistungs-Ultraschallextraktoren

Hielscher Ultrasonics ist auf die Herstellung leistungsstarker Ultraschallprozessoren zur Gewinnung hochwertiger Extrakte aus pflanzlichen Rohstoffen spezialisiert.
Das breite Portfolio an Ultraschallgeräten von Hielscher reicht von kleinen, leistungsstarken Laborgeräten bis hin zu robusten Tischgeräten und Anlagen für den industriellen Einsatz. Sie erzeugen Ultraschall hoher Intensität zur effizienten Extraktion und Isolierung bioaktiver Substanzen (z. B. Anthocyane, Gingerol, Piperin, Curcumin usw.).
Alle Ultraschallgeräte von 200W bis 16.000W verfügen über ein Farb-Touchdisplay zur digitalen Steuerung, eine integrierte SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, eine Fernsteuerung über den Browser und viele weitere benutzerfreundliche Funktionen. Die Sonotroden und Durchflusszellen (die mit dem Medium in Kontakt stehenden Teile) sind autoklavierbar und leicht zu reinigen.
Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind sehr robust und für den 24/7-Betrieb unter Volllast ausgelegt. Zugleich sind sie wartungsarm sowie einfach und sicher zu bedienen. Ein digitales Farbdisplay ermöglicht die benutzerfreundliche Steuerung des Ultraschallgeräts.
Unsere Systeme können niedrige bis sehr hohe Amplituden erzeugen. Für die Extraktion von Cannabinoiden und Terpenen bieten wir spezielle Ultraschallsonotroden (auch als Ultraschallsonden oder Hörner bezeichnet) an, die für die schonende Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Alle unsere Systeme können zur Extraktion und anschließenden Emulgierung von Cannabinoiden eingesetzt werden. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den Dauerbetrieb (24/7) unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Die präzise Steuerung der Ultraschallprozessparameter gewährleistet Reproduzierbarkeit und Prozessstandardisierung.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Literatur / Quellen

• 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 intensiver Ultraschallwellen auf ein flüssiges Medium führt zu Kavitation. Das Phänomen der Kavitation führt lokal zu extremen Temperaturen, Drücken, Aufheiz- und Abkühlraten, Druckunterschieden und hohen Scherkräften im Medium. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche von Feststoffen (wie Partikeln, Pflanzenzellen, Geweben usw.) implodieren, erzeugen Mikrostrahlen und Kollisionen zwischen Partikeln Effekte wie das Abschälen von Oberflächenschichten, Erosion und Partikelzerkleinerung. Darüber hinaus erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Makroturbulenzen und Mikrovermischung.
Die Beschallung von Pflanzenmaterial fragmentiert die Matrix der Pflanzenzellen und verbessert deren Hydratation. Chemat et al. (2015) kommen zu dem Schluss, dass die Ultraschallextraktion bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Rohstoffen auf verschiedenen unabhängigen oder kombinierten Mechanismen beruht, darunter Fragmentierung, Erosion, Kapillarwirkung, Destrukturierung und Sonoporation. Diese Effekte brechen die Zellwand auf, verbessern den Stofftransport, indem sie Lösungsmittel in die Zelle drücken und mit Pflanzeninhaltsstoffen beladenes Lösungsmittel heraussaugen, und sorgen durch Mikrovermischung für Flüssigkeitsbewegung.

Die Ultraschallextraktion beruht auf akustischer Kavitation und den damit verbundenen hydrodynamischen Scherkräften

Die Beschallung von Pflanzenmaterial fragmentiert die Matrix der Pflanzenzellen und verbessert deren Hydratation. Chemat et al. (2015) kommen zu dem Schluss, dass die Ultraschallextraktion bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Rohstoffen auf verschiedenen unabhängigen oder kombinierten Mechanismen beruht, darunter Fragmentierung, Erosion, Kapillarwirkung, Destrukturierung und Sonoporation. Diese Effekte brechen die Zellwand auf, verbessern den Stofftransport, indem sie Lösungsmittel in die Zelle drücken und mit Pflanzeninhaltsstoffen beladenes Lösungsmittel heraussaugen, und sorgen durch Mikrovermischung für Flüssigkeitsbewegung.
Die Ultraschallextraktion ermöglicht eine sehr schnelle Isolierung von Verbindungen und übertrifft herkömmliche Extraktionsverfahren durch kürzere Prozesszeiten, höhere Ausbeuten und niedrigere Temperaturen. Als schonende mechanische Behandlung vermeidet die ultraschallgestützte Extraktion den thermischen Abbau bioaktiver Komponenten und ist anderen Verfahren wie der herkömmlichen Lösungsmittelextraktion, der Hydrodestillation oder der Soxhlet-Extraktion überlegen, die bekanntermaßen wärmeempfindliche Moleküle zerstören. Aufgrund dieser Vorteile ist die Ultraschallextraktion das bevorzugte Verfahren zur Freisetzung temperaturempfindlicher bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Rohstoffen.

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

Anthocyan – ein wertvoller Pflanzenfarbstoff

Anthocyane sind in Vakuolen vorkommende Pflanzenfarbstoffe, die rot, violett, blau oder schwarz erscheinen können. Die Farbausprägung der wasserlöslichen Anthocyanpigmente hängt vom pH-Wert ab. Anthocyane befinden sich in der Zellvakuole, überwiegend in Blüten und Früchten, aber auch in Blättern, Stängeln und Wurzeln. Dort kommen sie hauptsächlich in äußeren Zellschichten wie der Epidermis und in peripheren Mesophyllzellen vor.
Am häufigsten kommen in der Natur die Glycoside von Cyanidin, Delphinidin, Malvidin, Pelargonidin, Peonidin und Petunidin vor.
Bekannte Beispiele für anthocyanreiche Pflanzen sind Vaccinium-Arten wie Kulturheidelbeeren, Cranberrys und Waldheidelbeeren; Rubus-Beeren, darunter schwarze Himbeeren, rote Himbeeren und Brombeeren; schwarze Johannisbeeren, Kirschen, Auberginen, schwarzer Reis, Ube, Okinawa-Süßkartoffeln, Concord-Trauben, Muscadine-Trauben, Rotkohl und Veilchenblütenblätter. Rotfleischige Pfirsiche und Äpfel enthalten Anthocyane. In Bananen, Spargel, Erbsen, Fenchel, Birnen und Kartoffeln sind Anthocyane weniger reichlich vorhanden; in bestimmten Sorten grüner Stachelbeeren können sie vollständig fehlen.

Struktur der wichtigsten Anthocyane

Anthocyane bieten eine hervorragende Alternative zum Ersatz synthetischer Farbstoffe in Lebensmitteln. Sie sind in der Europäischen Union, Australien und Neuseeland unter der Farbstoffnummer E163 als Lebensmittelfarbstoffe zugelassen. Anthocyane kommen in Obst und Gemüse vor und lassen sich als eine Gruppe wasserlöslicher Pflanzenfarbstoffe beschreiben. Chemisch gesehen sind Anthocyane Glycoside von Anthocyanidinen, die auf der 2-Phenylbenzophyrylium-Struktur (Flavylium) basieren. Es gibt mehr als 200 verschiedene Pflanzeninhaltsstoffe, die zur Kategorie der Anthocyane gehören. Da Anthocyane zu den Hauptfarbpigmenten in Wildfrüchten und Beeren zählen, gibt es zahlreiche Quellen für ihre Extraktion. Eine bedeutende Anthocyanquelle ist die Schale von Weintrauben. Die Anthocyanpigmente in Traubenschalen bestehen hauptsächlich aus Diglucosiden, Monoglucosiden, acylierten Monoglucosiden sowie acylierten Diglucosiden von Peonidin, Malvidin, Cyanidin, Petunidin und Delphinidin. Der Anthocyangehalt in Trauben variiert zwischen 30 und 750mg/100g.
Die bekanntesten Anthocyane sind Cyanidin, Delphinidin, Pelargonidin, Peonidin, Malvidin und Petunidin.
Beispielsweise kommen die Anthocyane Peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl-sophorosid-5-glucosid, Peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl-sophorosid)-5-glucosid und Cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl-sophorosid-5-glucosid in violetten Süßkartoffeln vor.

Anthocyane – gesundheitliche Vorteile

Neben ihrer hervorragenden Eignung als natürliche Lebensmittelfarbstoffe werden Anthocyane wegen ihrer antioxidativen Wirkung sehr geschätzt. Daher zeigen Anthocyane zahlreiche positive gesundheitliche Wirkungen. Untersuchungen haben gezeigt, dass Anthocyane DNA-Schäden in Krebszellen hemmen, Verdauungsenzyme hemmen, die Insulinproduktion in isolierten Bauchspeicheldrüsenzellen anregen, Entzündungsreaktionen reduzieren, vor dem altersbedingten Nachlassen der Gehirnfunktion schützen, die Dichtigkeit kapillarer Blutgefäße verbessern und die Thrombozytenaggregation verhindern können.