Ultraschallextraktion von Curcumin
Curcumin ist ein sekundärer Pflanzenstoff mit pharmakologischer und ernährungsphysiologischer Bedeutung, der in den Rhizomen von Curcuma longa vorkommt. Um hohe Curcuminausbeuten zu erzielen, werden Ultraschallextraktoren als effizienteste Extraktionstechnik eingesetzt. Die Ultraschallextraktion liefert Curcumin von hervorragender Qualität bei sehr hohen Ausbeuten. Gleichzeitig erfordert die Beschallung nur eine kurze Verarbeitungszeit des Kurkumarhizoms.
Isolierung von Curcumin mittels Ultraschall
Die Ultraschallextraktion ist eine hocheffiziente Alternative zu herkömmlichen Extraktionstechniken wie Mazeration, Heißlösungsmittelextraktion oder Soxhlet-Extraktion.
Die Isolierung von Curcumin und Curcuminoiden aus der Kurkumapflanze mittels Ultraschall (z. B. Curcuma longa, Curcuma amada) ist ein effizientes, schnelles und einfaches Verfahren. Im Vergleich zur Soxhlet-Extraktion und zur herkömmlichen Chargenextraktion zeichnet sich die ultraschallunterstützte Extraktion durch eine deutlich höhere Curcuminausbeute bei kürzerer Extraktionszeit aus.
Für die Ultraschallextraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe können verschiedene Lösungsmittel wie Wasser, wässrige Lösungsmittel, Ethanol, Methanol, Glycerin usw. verwendet werden. Für die Extraktion von Curcumin sind Wasser, Ethanol und Triacylglycerine wirksame und sichere Lösungsmittel, die eine hohe Extraktausbeute ermöglichen.
- Hohe Ausbeute
- Schnelle Extraktion
- Vollständigere Gewinnung
- Sicherer Betrieb
- Einfache Umsetzung
Ultraschallgerät UIP1000hdT mit Durchflusszelle zur Curcuminextraktion
Extraktionsverfahren mit Ultraschall
Die hochmodernen Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen die vollständige Kontrolle der Prozessparameter wie Amplitude, Temperatur, Druck und Energieeintrag.
Bei der Ultraschallextraktion lassen sich begleitende Parameter wie die Partikelgröße des Rohmaterials, die Art des Lösungsmittels, das Verhältnis von Feststoff zu Lösungsmittel und die Extraktionszeit einfach variieren und für optimale Ergebnisse anpassen.
Da die Ultraschallextraktion ein nichtthermisches Extraktionsverfahren ist, wird der thermische Abbau der bioaktiven Inhaltsstoffe vermieden.
Insgesamt machen Vorteile wie hohe Ausbeute, kurze Extraktionszeit, niedrige Extraktionstemperatur und geringe Lösungsmittelmengen die Beschallung zum überlegenen Extraktionsverfahren.
Ultraschallextraktion von Curcumin mit dem UP400ST und anschließende Trennung der bioaktiven Wirkstoffe vom Lösungsmittel mittels Rotationsverdampfer zur Lösungsmittelrückgewinnung
Die Ultraschallextraktion von Curcumin aus Kurkuma erwies sich als am effizientesten, wenn die Beschallung in einer kontinuierlichen Inline-Anordnung mit einer Ultraschalldurchflusszelle durchgeführt wurde. Prozesstemperaturen im Bereich von 60 bis 80°C begünstigen eine höhere Extraktausbeute.
Überlegene Prozesseffizienz: Die Ultraschallextraktion zeichnet sich als nachhaltige Technik aus, die nur eine moderate Investition in Ultraschallgeräte erfordert. Der Ultraschallprozess lässt sich linear auf die industrielle Produktion hochskalieren. Die Kosten für Lösungsmittel und Energie sind beim Ultraschallverfahren sehr gering. Weitere wichtige Vorteile sind die einfache und sichere Bedienung, die Wirtschaftlichkeit und die Reproduzierbarkeit, die für eine standardisierte Produktion entscheidend ist.
Liposomale Formulierung mittels Ultraschall
Curcumin ist ein hydrophobes, fettlösliches Molekül. Daher muss Curcumin in ein Wirkstoffträgersystem wie Liposomen, Nanoemulsionen, Nanosphären, polymere Nanopartikel oder einen Phyto-Phospholipid-Komplex eingebracht werden. Wässrige Curcuminlösungen können durch Zugabe von Tensiden, Lipiden, Albuminen, Cyclodextrinen, Biopolymeren usw. hergestellt werden. Die Herstellung von Nanoemulsionen und gleichmäßigen Suspensionen mittels Ultraschall ist eine sehr wirksame Technik, um Curcumin in Wirkstoffträgerkomplexe einzubringen. Wirkstoffträger verbessern die Löslichkeit, die Resorption, die Pharmakokinetik und die Bioverfügbarkeit von Curcumin. Durch die Formulierung von Curcumin in Nanokomplexen wird die Wasserlöslichkeit um etwa das 98.000-Fache erhöht, verglichen mit freiem Curcumin in Wasser. Die Nanokomplexierung verbesserte die Bioverfügbarkeit und die Lagerstabilität von Curcumin erheblich.
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Geräte zur Ultraschallextraktion
Hielscher Ultrasonics ist Ihr Partner für die Extraktion aus pflanzlichen Rohstoffen. Ob Sie kleine Mengen für Forschung und Analytik extrahieren oder große Volumina für die kommerzielle Produktion verarbeiten möchten: Wir haben den passenden Ultraschallextraktor für Sie. Unsere Ultraschallhomogenisatoren für das Labor sowie unsere Ultraschallgeräte für den Labortisch und die Industrie sind robust, einfach zu bedienen und für den 24/7-Betrieb unter Volllast ausgelegt. Eine breite Auswahl an Zubehör – darunter Sonotroden (Ultraschallsonden / -hörner) in verschiedenen Größen und Formen, Durchflusszellen, Reaktoren und Booster – ermöglicht die optimale Konfiguration für Ihren spezifischen Extraktionsprozess.
Alle digitalen Ultraschallgeräte sind mit einem Farb-Touchdisplay, einer integrierten SD-Karte zur automatischen Datenprotokollierung und einer Fernsteuerung über den Browser zur umfassenden Prozessüberwachung ausgestattet. Mit den ausgereiften Ultraschallsystemen von Hielscher lassen sich ein hoher Grad an Prozessstandardisierung und eine umfassende Qualitätskontrolle einfach umsetzen.
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Ultraschallgerät UIP4000hdT zur Inline-Produktion hochwertiger Curcuminextrakte
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Industrielles Ultraschallgerät UIP16000hdT zur Inline-Extraktion sekundärer Pflanzenstoffe aus Pflanzen
Protokoll: Nanoverkapselung von Curcumin mittels Ultraschall
Herstellung von Curcumin-beladenen Nanopartikeln
Mit Curcumin beladene Nanopartikel werden mittels Miniemulgierung und anschließender Verdampfung synthetisiert. Das Verfahren variiert je nach verwendetem Verkapselungsmaterial, wie nachfolgend beschrieben. Die verwendete Formulierung bestand aus 22,400g Wasser, 0,180g Lecithin, 11,500g Dichlormethan und 0,390g Verkapselungsmaterial (Poly(L-Milchsäure) PLLA, 4.000g/gmol oder poly(methacylic acid-co-Methylmethacrylat Eudragit S100, 125.000 g/gmol oder eine Mischung daraus werden als Verkapselungsmaterial verwendet). Ein Co-Stabilisator ist nicht erforderlich, da bekannt ist, dass vorgeformte Polymere den diffusionsbedingten Abbau der Emulsion wirksam verhindern.
Bei Verwendung von PLLA als Verkapselungsmaterial werden PLLA und Lecithin 10 Minuten lang in Dichlormethan gelöst. Anschließend wird Curcumin zugegeben und 5 min lang gemischt (1, 3, 6, 18 wt% der Gesamtmasse des Verkapselungsmaterials). Diese Lösung wird unter vorsichtigem Rühren zum destillierten Wasser gegeben. Die entstandene Makroemulsion wird mit einem Ultraschallhomogenisator wie dem UP100H für 180 Sekunden in Pulszyklen beschallt (30sec Beschallung, 10sec Pause). Anschließend wird das Lösungsmittel 18 Stunden lang bei 40°C verdampft. Wenn PLLA und Eudragit S100 gemeinsam als Verkapselungsmaterial verwendet werden, wird Eudragit S100 bei 60°C für 20 Minuten in Dichlormethan gelöst. Danach wird die Mischung abgekühlt und das verdampfte Lösungsmittel wieder zugegeben.
Literatur / Quellen
- M. V. Bagal; Aamir Deshmukh, Nihar Thakur, Anmol Valiyare (2020): Curcumin Extraction using Ultra sonication: A Review. JETIR Volume 7, Issue 6, June 2020.
- Dang, Le Hang; Vu, Minh Thanh; Chen, Jun; Nguyen, Cuu Khoa; Bach, Long Giang; Tran, Ngoc Quyen; Le, Van Thu (2019): Effect of Ultrasonication on Self-Assembled Nanostructures Formed by Amphiphilic Positive-Charged Copolymers and Negative-Charged Drug. ACS Omega 4, 2019. 4540-4552.
- Thorat, Alpana; Dalvi, Sameer (2014): Particle Formation Pathways and Polymorphism of Curcumin Induced by Ultrasound and Additives During Liquid Antisolvent Precipitation. CrystEngComm. 16, 2014.
- Chen, F.-P. et al. (2015): Nanocomplexation between Curcumin and Soy Protein Isolate: Influence on Curcumin Stability/Bioaccessibility and in Vitro Protein Digestibility. J. Agric. Food Chem. 63, 2015. 3559−3569.
- Kimthet, Ch. et al. (2017): Extraction of curcumin from Curcuma longa L. using ultrasound assisted supercritical carbon dioxide. AIP Conference Proceedings 184, 2017.
Wissenswertes
Ultraschall und seine extrahierende Wirkung
Die ultraschallunterstützte Extraktion beruht auf dem Prinzip der akustischen Kavitation. Wenn Leistungsultraschall (Ultraschall mit niedriger Frequenz und hoher Intensität) in ein flüssiges oder pastöses Medium eingekoppelt wird, erzeugen die Wellen abwechselnde Hochdruckzyklen (Kompression) und Niederdruckzyklen (Verdünnung). Während dieser Hochdruck- und Niederdruckzyklen entstehen Vakuumblasen, die über mehrere Zyklen hinweg wachsen. Sobald die Blasen keine weitere Energie aufnehmen können, implodieren sie heftig. Diese Blasenimplosion und ihre Auswirkungen werden als akustische Kavitation bezeichnet. Kavitation erzeugt Mikrostrahlen, Scherkräfte, Stoßwellen / hohe Druckdifferenzen, Radikalbildung, extreme Temperaturen und akustische Strömungen. Diese intensiven Bedingungen brechen Zellwände auf und bewirken einen hohen Stofftransport, sodass das intrazelluläre Material in das Lösungsmittel übergeht.
Milde, ungiftige Lösungsmittel
Pflanzliche Extrakte für medizinische und ernährungsbezogene Zwecke stoßen als pharmakologische Heilmittel und als Nahrungsergänzungsmittel (Nutraceuticals) auf rasch wachsendes Interesse. Um die gewünschten Verbindungen aus dem Pflanzenmaterial freizusetzen, müssen sie in einem Lösungsmittel gelöst werden. Wenn die gewünschten Extrakte aus der Masse des Pflanzenmaterials herausgelöst und in das Lösungsmittel überführt wurden, kann der Extrakt konzentriert werden. Die Ultraschallextraktion kann als lösungsmittelfreies Verfahren mit Wasser als Lösungsmittel angewendet werden. Extraktionen mit Alkohol und Glycerin sind ebenfalls ungiftig und wirksam und werden häufig zur Gewinnung von Inhaltsstoffen für Lebensmittel, Arzneimittel und Kosmetika eingesetzt.
Für die Herstellung hochwirksamer, gesunder und ungiftiger Extrakte ist es wichtig, ein effizientes Extraktionsverfahren einzusetzen, das die Verwendung milder, ungiftiger Lösungsmittel wie Wasser, Triacylglycerine oder Alkohol ermöglicht.
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Curcumin
Curcumin ist ein Kurkuma-Oleoresin und ein natürliches Pigment, das in den Rhizomen der Kurkumapflanze vorkommt. Weitere wichtige Curcuminoidverbindungen sind Demethoxycurcumin (DMC) und Bisdemethoxycurcumin (BDMC).
Curcumin (chemische Formel C21H20O6) kann aus Curcuma longa, Curcuma amada, Curcuma ochrorhiza Val. extrahiert oder chemisch synthetisiert werden.
Curcumin ist in Kurkuma in ein Polysaccharid-Lignin-Netzwerk eingebunden. Daher ist eine leistungsfähige Extraktionstechnik wie die Beschallung erforderlich, um die Zellwände aufzubrechen und den bioaktiven sekundären Pflanzenstoff freizusetzen.
Studien haben gezeigt, dass der in schwarzem Pfeffer enthaltene Wirkstoff Piperin die Bioverfügbarkeit von Curcumin um über 2.000% erhöht.
Kurkuma
Kurkuma (Curcuma longa) ist eine ausdauernde krautige Pflanze aus der Familie der Ingwergewächse, Zingiberaceae. Sie ist in Indien und Südostasien beheimatet. Die Rhizome der Kurkumapflanze werden zur Verwendung als Gewürz und Heilmittel geerntet.
Kurkuma ist das Gewürz, das Curry seine intensive gelbe Farbe verleiht, und wird in Indien seit Tausenden von Jahren sowohl als Küchengewürz als auch als ayurvedisches Heilmittel verwendet. Kurkumapulver zeichnet sich durch einen warmen, bitteren, pfefferartigen Geschmack und ein erdiges Aroma aus.
Kurkumapulver oder -paste wird zur Zubereitung eines beliebten Heißgetränks verwendet – der sogenannten „Kurkuma-Latte“ oder „goldenen Milch“ –, das mit Milch oder pflanzlichen Milchalternativen wie Soja-, Mandel- oder Kokosmilch zubereitet wird.
Kurkuma wird wegen seiner antioxidativen, entzündungshemmenden und schmerzlindernden Wirkung geschätzt.
Neben der kulinarischen und medizinischen Verwendung wird Kurkuma auch als natürlicher Farbstoff eingesetzt.