Ultraschall-gestützte Zellextraktion

Die ultraschall-gestützte Extraktion oder Sono-Extraktion ist eine prozess-intesivierende Technologie, bei der Hochleistungs-Ultraschall in eine Suspension aus Zellgewebe eingetragen wird. Hielscher Ultrasonics liefert zuverlässige Ultraschallgeräte für den Zellaufschluss sowie die Extraktion von kleinen Laborproben bis hin zu hohen Volumina für die industrielle Verarbeitung. Die Vorteile der ultraschall-gestützten Extraktion liegen in der nicht-thermische Behandlung des Materials, der einfachen Anwendung und der Skalierbarkeit vom Labor- zum Produktionsmaßstab.

Hielscher-Ultraschallgeräte erzeugen hochintensiven Ultraschall, der exakt auf Ihre Prozessanforderungen abgestimmt werden kann.

In der folgenden Liste finden Sie unterschiedliche Ultraschall-Protokolle, welche Ihnen die Bandbreite der ultraschall-gestützten Lyse & Extraktion in der Biologie, der Lebensmittel- und Pharmaproduktion demonstriert.
Egal, ob Sie eine bestimmte Pflanzenextraktion im Sinn haben oder sich allgemein über unsere Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren informieren möchten, nutzen Sie bitte das untenstehende Kontaktformular! Wir helfen Ihnen gerne weiter!

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Die Ultraschallextraktion ist eine einfache und effiziente Strategie zur Gewinnung hochwertiger Pflanzenextrakte mit höherer Ausbeute.

Industrielle Installation des Ultraschallextraktor UIP4000hdT zur Herstellung von botanischen Extrakten.

Ultraschallextraktion von Boldin aus Boldoblättern (Peumus Boldus Molina)

Ultraschallverfahren:
Eine wichtiger Wirkstoff der Boldo-Pflanze ist Boldine ((S)-2,9-Dihydroxy-1,10-Dimethoxiaporphine), welches neben Catechin ((2S,3R)-2-(3,4-dihydroxy-phenyl)-3,4-dihydro-1(2H)-benzopyran-3,5,7-triol) Hauptbestandteil des Alkaloid- und Flavonoidanteils in Boldo-Blättern ist. Boldine ist ein starkes Antioxidans, welches durch peroxidative freie Radikale geschädigt wird und als effektiver Hydroxyl-Radikalfänger fungiert.
Extraktionsverfahren: Für ein typisches Extraktionsverfahren wurden Proben der Boldo-Blätter in 1L destilliertem Wasser unter atmosphärischem Druck mit dem Ultraschallprozessor UIP1000hd sowohl im Batch als auch im Durchfluss extrahiert. Die Extraktionsdauer liegt zwischen 10 und 40 Min., mit einem Ultraschallintensität von 10 bis 23 W/cm2 und einem Temperaturbereich von 10 bis 70°C. Die besten Ergebnisse wurden unter folgenden Bedingungen erreicht: Ultraschallintensität von 23 W/cm2 für 40 min. bei einer Prozesstemperatur von 36°C
Ergebnisse: Die Analyseergebnisse zeigen, dass Hochleistungsultraschall die Freisetzung der Analyten aus den Pflanzenmatrizen des Boldo im Vergleich zu konventionellen Methoden deutlich verbessert: der gleiche Ertrag an Wirkstoffen wurde mit Beschallung in 30 Min. erzielt, während die herkömmliche Extraktionszeit bei 2 Std. lag.
Chemat (2013) und seine Mitarbeiter zeigten, dass eine ultraschallgestützte Extraktion die Effizienz der Pflanzenextraktion verbessert. Die Extraktionsdauer wird durch Ultraschall gesenkt, während Extraktausbeute (bei gleichbleibender Menge Lösungsmittel und pflanzlichem Ausgangsmaterial) steigt. Laut Analyse ergaben sich folgende Parameter für optimale Extraktionsbedingungen: Ultraschallintensität 23 W/cm2 mit UIP1000hd für 40 Min. und einer Temperatur von 36°C. Mit diesen optimierten Parametern für die Ultraschallextraktion lassen sich deutlich bessere Extraktionsergebnisse erzielen als mit einer konventionellen Mazeration. Die verbesserte Extraktion resultiert in kürzerer Extraktionsdauer (30 min. statt 120 min.), höherem Ertrag, besserer Energieeffizienz, höherer Reinheit, höherer Sicherheit und besserer Produktqualität.
Geräte-Empfehlung:
UIP1000hdT mit Sonotrode BS2d34 und Durchflusszelle
Referenz / Wissenschaftliche Literatur:
Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.

Die botanische Extraktion mit Ultraschall bringt höhere Ausbeuten. Der Hielscher UIP2000hdT, 2000 Watt Homogenisator ist leistungsfähig genug, um Chargen von 10 bis 120 Litern leicht zu extrahieren.

Ultraschall-Extraktion von pflanzlichen Stoffen - 30 Liter / 8 Gallonen Batch

Ultraschallextraktion von Chlorogensäure aus Tabakblättern

Ultraschallverfahren:
Für die Extraktionsexperimente wurden Tabakblätter aus Nicotiana tabacum auf kleinere Partikelgrößen von etwa >4 x ≧2 mm gemahlen. Für die Ultraschallextraktionsversuche wurden 20 g Proben des getrockneten Tabakblattmaterials mit destilliertem Wasser bei Temperaturen von 5°C bis 30°C extrahiert. Extraktionsexperimente wurden für Extraktionszykluszeitintervalle von 5 Minuten bis 30 Minuten pro Zyklus durchgeführt. Zu dem berechneten optimalen Volumen von 256 ml destilliertem Wasser, das benötigt wird, um die gesamte lösliche Chlorogensäure aus 20 g Proben getrockneter Tabakblätter zu extrahieren, wurden etwa 10 bis 15 Tropfen Ethanol hinzugefügt. Das 256 ml optimale Volumen des destillierten Wassers wurde dann in Fraktionsvolumina des Extraktionslösungsmittels aufgeteilt, das in jedem Ultraschallextraktionszyklus verwendet wird.
Für die Ultraschallbeschallung wurde der Ultraschallprozessor UP400S (400 Watt, 24 kHz) mit einer Sonotrode H7 aus Titan, die einen Spitzendurchmesser von 7 mm hatte, verwendet. Die Sonotrode H7 wurde auf ca. halbe Höhe der Extraktionsmischung eingeführt.
Protokoll: Folgende Parameter stellten sich für die Ultraschall-Extraktion von Chlorogensäure aus Tabakblättern als optimal heraus: 20g getrocknete Tabakblätter in destilliertem Wasser (optimales Flüssig-Feststoff-Verhältnis: 12,8mL/g) bei 20°C Prozesstemperatur, Ultraschallgerät UP400S (400W, 24kHz) für 3 Beschallungszyklen von je 15Min. (insgesamt Sonorisierung Dauer: 45 Min.).
Geräte-Empfehlung:
UP400S mit Sonotrode H7
Referenz / Wissenschaftliche Literatur:
Mazvimba, Martin Tongai; Yu, Ying; Zhang, Ying (2011): Optimization And Orthogonal Design Of An Ultrasonic Assisted Aqueous Extraction Process For Extracting Chlorogenic Acid From Dry Tobacco Leaves. Chinese Journal of Natural Medicines 2011.
Lesen Sie mehr über die Ultraschallextraktion aus Tabak!

Ultraschallextraktion von Mangiferin

Ultraschallverfahren:
Mangiferin (1,3,6,7-Tetrahydroxy-2-[3,4,5-trihydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-2-yl]xanthen-9-one; Formel: C19H18O11) ein Polyphenol der C-glycosylxanthone Struktur, die in vielen Pflanzenarten gefunden werden können. Mangiferin zeigt verschiedene pharmakologische Wirkungen. Die regioselektive Acylierung von Mangiferin kann sehr effizient durch Lipase unter gleichzwitiger Beschallung mit Ultraschall katalysiert werden. Im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren zeichnet sich die ultraschall-gestützte Katalyse vor allem durch zwei Vorteile aus: deutlich kürzere Reaktionszeiten und höhere Ausbeuten. Die optimalen Bedingungen für die ultraschall-gestützte Mangiferin-Acylierung waren wie folgt:
Lipase: PCL, Acyl-Donor: Vinylacetat; Reaktionslösungsmittel: DMSO, Reaktionstemperatur: 45°C, Ultraschallleistung: 200W; Substrat-Verhältnis: Acyl-Donor/Mangiferin 6/1, Enzymzugabe: 6 mg/ml
Der regioselektive Acylierungsertrag lag bei bis zu 84 %.
Geräte-Empfehlung:
UP200St oder UP200Ht
Referenz / Wissenschaftliche Literatur:
vgl.: Wang, Z.; Wang, R.; Tian, J.; Zhao, B; Wei, X.F.; Su, Y.L.; Li, C.Y.; Cao, S.G.; Wang, L. (2010): The effect of ultrasound on lipase-catalyzed regioselective acylation of mangiferin in non-aqueous solvents. J. Asian Nat Prod. Res. 12/1, 2010. 56-63.

Ultraschallextraktion von Capsaicinoiden

Ultraschallverfahren:
Extraktion von Capsaicinoiden (Capsaicin, Nordihydrocapsaicin) aus Chilischoten: Capsaicinoide aus Capsicum frutescens Schoten wurden mittels Ultraschallextraktion unter folgenden Bedingungen gewonnen: Lösungsmittel: 95 % (V/V) Ethanol, Lösungsmittel/Masse-Verhältnis: 10 ml/g, 40 Min. Ultraschall-Extraktionsdauer, Extraktionstemperatur 45°C. Extraktionsertrag: 85% der Capsaicinoide
Geräte-Empfehlung:
UP400St
Lesen Sie mehr über die ultraschall-gestützte Extraktion von Capsaicinoiden aus Chilischoten!

Die Ultraschall-Extraktion wird zur Herstellung von Isolaten aus pflanzlichen Stoffen verwendet. Das Video zeigt die effiziente Extraktion von Aromastoffen aus Chili-Flocken mit dem UP100H.

Ultraschall-Extraktion aus Chili-Flakes mit dem UP100H

Ultraschallextraktion von Silymarin aus Mariendistelsamen

Ultraschallverfahren:
Die ultraschall-gestützte Extraktion wurde mit einem Ultraschallgerät UP400S durchgeführt. In dieser Studie wurde eine Ultraschallsonotrode mit einem Durchmesser von 1,5 cm verwendet. 10 g entfettetes Mariendistelpulver wurden genau abgewogen und in 100ml Methanol gelöst. Das Becherglas wurde in ein Wasserbad gestellt und auf einer Temperatur von 25°C gehalten. Nach jedem Zeitintervall wurde die Lösung durch ein Whatman-Filterpapier filtriert und jedes Filtrat (ca. 80 ml) wurde mit einem Rotationsverdampfer eingedampft, bis 30 ml Lösung erreicht waren. Die Absorption der phenolischen Verbindungen wurde mit einem UV-Spektrophotometer bei einer Wellenlänge von 517 nm nach der DPPH-Methode gemessen. Wie erwartet führte eine Verlängerung der Extraktionszeit zu einem Anstieg des Silymaringehalts.
Die Autoren der Studie haben festgestellt, dass die Ultraschallextraktion (Sono-Extraktion) eine der besten Methoden zur Gewinnung alkoholischer Extrakte ist, mit der konventionelle Extraktionsverfahren durchaus ersetzt werden können. Die Ultraschall-Extraktion hat sich bewährt, um qualitativ hochwertigere Extrakte zu erhalten. Weitere Vorteile sind die Zeitersparnis, die höhere Effizienz etc.
Geräte-Empfehlung:
UP400St
Referenz / Wissenschaftliche Literatur:
Çağdaş, E.; Kumcuoğlu, S.; Güventürk, S.; Tavman, S. (2011): Ultrasound-Assisted Extraction of Silymarin Components from Milk Thistle Seeds (Silybum Marianum L.). GIDA 36/6, 2011. 311-318.
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Die Ultraschallextraktion von bioaktiven Phytochemikalien ermöglicht höhere Ausbeuten und eine vollständigere Extraktion in einem schnellen Prozess.

Ultraschallextraktion von Hanföl und CBD-Extrakten

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Extraktion von Steviosid mit Ultraschall

Ultraschallverfahren:
Proben von 10 g getrockneten und gemahlenen Steviablättern wurden in 100 mL Wasser unter ständigem Rühren (mit einem Magnetrührer) extrahiert. Der pH-Wert wurde mit 0,01 M pH-7-Natriumphosphat kontrolliert. Die Probe wurde in ein 150-mL-Glasgefäß gegeben und mit dem Ultraschallprozessor UIP500hT (20kHz, 500W)beschallt. Die Spitze der Sonotrode wurde etwa 1,5 cm tief in die Slurry der Steviablätter getaucht. Der Ultraschallextraktor wurde auf eine Ausgangsleistung von 350 W eingestellt. Eine milde Beschallung mit 350 W für 5-10 Minuten bei einer konstanten Prozesstemperatur von 30°C ergab eine Ausbeute an Rebaudiosid A von 30-34 g pro 100 g Probe. Nach der Beschallung wurde die Extraktionslösung zentrifugiert und durch eine mikroporöse 0,45-μm-Membran abfiltriert; das Filtrat wurde zur Analyse des Gesamt-Rebaudiosid-A-Gehalts entnommen. Die Extraktionsausbeute des Gesamtgehalts an Rebaudiosid A wurde mittels HPLC analysiert.
Mittels der lösungsmittelfreien ultraschall-gestützten Extraktion konnte im Vergleich zu traditionellen Extraktionsmethoden (z.B. Hitzeextraktion oder Mazeration) eine hohe Ausbeute an Rebaudiosid A gewonnen werden.
Geräte-Empfehlung:
UIP500hdT
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Ultraschallextraktion von Terpenen

Ultraschallverfahren:
Die Gewinnung von flüchtigen Verbindungen, wie z.B. Terpenen, aus den Blütenständen der faserreichen Hanfpflanze Cannabis Sativa L. kann durch die Ultraschall-gestützte Extraktion deutlich verbessert werden. Studien haben gezeigt, dass bereits nach einer kurzen Beschallung (Sonorisierung) Terpene gezielt aus dem Pflanzenmaterial extrahiert werden können.
Die Ergebnisse zeigen, dass mit eine Ultraschallbehandlung von weniger als 5 Min. eine höhere Terpen-Konzentration erreichen lässt al mit einer herkömmlichen Mazeration. Bei einer Ultraschall-Behandlung von mehr als 5 Min. stieg hingegen die Konzentration des δ-9-Tetraidrocannabinol (THC).
Ultraschall-Protokoll:
Für die Sono-Extraktion der Terpene wurde ein 200W Stabschwinger-Ultraschallgeräteingesetzt. Die Amplitudeneinstellung des Ultraschallgeräts wurde auf 25% eingestellt. Den drei Aliquot-Proben mit je 50g getrockneter Blütenstände wurde jeweils 250mL Ethanol 70 % v/v zugesetzt. Das Ethanol dient als Extraktionssolvent. Die Bechergläser mit den Proben wurden in ein Eisbad getaucht. Die Beschallung wurde für 5, 10 und 15 Min. durchgeführt. Das Eisbad gewährleistet eine schnelle und kontinuierliche Wärmeableitung während der Ultraschall-Extraktion , so dass die Prozesstemperatur konstant unter 30°C gehalten wird. Nach der ultraschall-gestützten Extrahierung wurde die Suspension unter Vakuum durch Whatman No. 3 Filterpapapier gefiltert und das Lösungsmittel wurde mittels Rotationsverdamper verdampft. Jeder Extraktionsversuch wurde jeweils dreifach mit je drei verschiedenen Proben durchgeführt.
Die Versuchsreihe der Ultraschall-gestützten Extraktion hat gezeigt, dass Ultraschall für die Extraktion flüchtiger Verbindungen (Terpene) aus der Cannabis-Pflanze ein vielversprechendes Verfahren ist, das sich durchaus als Alternativverfahren zur Mazeration eignet. Zudem konnte gezeigt werden, dass für die Terpenextraktion eine Ultraschallbehandlung von weniger als 5 Minuten bereits ausreichend ist, um eine erhöhte von Terpenkonzentration zu erhalten. Hingegen erhöht sich bei einer Beschallung von mehr als 5 Minuten die Konzentration des δ-9-Tetraidrocannabinol (gesteigerter THC-Gehalt). Das Terpen-Extrakt der Cannabis Sativa Hanfpflanze, welches bei der 5-minütigen Sonoextraktion gewonnen wurde, eignet sich als Zusatz für Parfüms oder als Aroma für Getränke. Es eine Alternative zum Nutzhanf, dessen Stengel in der Faser-Industrie verwendet werden und dessen Blütenstände für die Kosmetik- und Lebensmittelindustrie extrahiert werden.
Geräte-Empfehlung:
UP200St oder UP200Ht mit Sonotrode/ Titanhorn S26d14
Referenz / Wissenschaftliche Literatur:
Da Porto, C.; Decorti, D.; Natolino, A. (2014): „Ultrasound-assisted extraction of volatile compounds from industrial Cannabis sativa L. inflorescences“. IJARNP 2014, 7/ 1. 8-14.
Lesen Sie mehr über die ultraschall-gestützte Terpen-Extraktion!

Ultraschallextraktion und Aufreinigung von Phytochemikalien aus Pflanzen: Das Bild zeigt das Sonotroden-Ultraschallgerät UP400ST, einen Büchi-Vakuumfilter und einen Rotor-Verdampfer für die Extraktion von Curcumin.

Extraktionsanlage für die Isolierung von Phytochemikalien: Ultraschallgerät UP400ST mit Sonotrode, Büchi-Vakuumfilter und Rotor-Verdampfer für die Extraktion der botanischen Stoffe.

Ultraschallextraktion von Vanillin aus getrockneten Vanilleschoten

Ultraschallverfahren:
Die Vanillinextraktion wurde mittels Hochleistungs-Ultraschall optimiert. Dafür wurde ein 100-Watt-Ultraschallgerät im gepulsten Modus (Zyklen: je 5 Sek. AN und 5 Sek. AUS) eingesetzt.
Die besten Ergebnisse der Ultraschall-Extraktion wurden mit 40 % Ethanol bei einer Beschallung für 1h bei 30°C erzielt. Um die Ergebnisse der Sono-Extraktion mit konventionellen Extraktionsmethoden vergleichen zu Könnern, wurde die Extraktion der Vanilleschoten auch im Wasserbad und im Ultraschallbad durchgeführt. Die Ergebnisse ergaben, dass bei der Extraktion mit einem Ultraschall-Stabschwinger (Ultraschallgerät mit Sonotrode) in 40 % Ethanol für 1h bei 30°C vergleichbare Extraktkonzentrationen erzieltwurden wie bei einer Extraktion im Wasserbad in 40 % Ethanol bei 56°C für 15h. Die Ultraschallextraktion war deutlich schneller und konnte bei deutlich niedrigerer Temperatur ausgeführt werden.
Geräte-Empfehlung:
UP100H
Referenz / Wissenschaftliche Literatur:
Rasoamandrary, N.; Fernandes, A. M.; Bashari, M.; Masamba, K.; Xueming, X. (2013): Improved Extraction of Vanillin 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyde from Cured Vanilla Beans Using Ultrasound-Assisted Extraction: A Comparison of Ultrasound-Assisted and Hot Water Bath Extraction. Akademik Gıda 11/1, 2013. 6-12.
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Ultraschallextraktion von Phenolverbindungen aus Ziziphus Jujube

Ultraschallverfahren:
Für die ultraschallgestützte Extraktion von Phenolverbindungen aus Jujube (Ziziphus Jujube), wurde das Hochleistungs-Ultraschall-Laborgerät UP200H mit 200W Ultraschallleistung und und 24 kHz Frequenz verwendet. Das Ultraschallgerät wurde mit der Mikrospitzen-Sonotrode S2 ausgestattet (Ø Stirnfläche 2mm), die in ein Wasserbad getaucht wurde, in dem ein Becherglas mit der Probe platziert wurde (Innenmaße: 280:195:135 mm). 100% Amplitudeneinstellung (max. Amplitude 260 μm); Ultraschallleistung 0.171402 ; Intensität 21.8346 W/cm2. Die Ultraschall Intensität wurde kalorimetrisch durch die Messung des Temperaturanstiegs der Suspension im Zeitverlauf unter adiabatischen Bedingungen ermittelt. Mittels des Ultraschall-Extraktionsverfahren wurde entsprechend der Versuchsanordnung (zur Optimierung) der Totalgehalt der Phenole aus den Proben extrahiert.
Geräte-Empfehlung:
UP200H mit Sonotrode S2
Referenz / Wissenschaftliche Literatur:
Fooladi, H.; Mortazavi, S. A.; Rajaei, A.; Elhami Rad, A.H.; Salar Bashi, D.; Savabi Sani Kargar, S. (2013): Optimize the extraction of phenolic compounds of jujube (Ziziphus Jujube) using ultrasound-assisted extraction method. IECFP 2013.

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Die Ultraschallextraktion kann sowohl im Batch-Betrieb als auch im kontinuierlichen Durchflussmodus durchgeführt werden. (Bitte anklicken, um die Abbildung zu vergrößern!)

Ultraschall-Versuchsaufbau mit UIP1000hd für die Extraktion von Boldo-Blättern im Becherglas. [Petigny et al. 2013]


Die Ultraschallextraktion übertrifft andere Extraktionsverfahren durch hohe Geschwindigkeit (kürzere Dauer), höhere Ausbeute und bessere Extraktqualität.

Ultraschallgerät UP400St für die Hochgeschwindigkeitsextraktion von pflanzlichen Stoffen im Batch-Verfahren

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Literatur / Literaturhinweise

Wissenswertes

Ultraschall-Homogenisatoren werden oft als Sonicator, Ultraschall-Lysegerät, Ultraschall-Disruptor, Ultraschall-Labormühle, Sono-Ruptor, Sonifier, Dismembrator, Zell-Disruptor, Ultraschall-Dispergierer oder Ultraschalldispergiergerät bezeichnet. Die unterschiedlichen Bezeichnungen ergeben sich aus den zahlreichen verschiedenen Anwendungen, für die Ultraschallgeräte eingesetzt werden können.