Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-Extraktion von Heilpilzen

  • Heilpilze sind seit der Antike für ihre außergewöhnlich positive Auswirkung auf die Gesundheit bekannt. In letzter Zeit haben sich medizinische Pilze zu einem Mainstream-Produkt weiterentwickelt, welche die Gesundheit unterstützen und die Energie spenden.
  • Um das volle Spektrum gesundheitsfördernder Wirkungen von Vitalpilzen zu erleben, müssen chemische Verbindungen wie z.B. Polysaccharide aus den Pilzzellen freigesetzt werden.
  • Die Ultraschall-Extraktion ist eine hervorragende Technik, um bioaktive Verbindungen aus botanischem Material z.B. Reishi, Lion's Mane, Cordyceps, Shiitake, Chaga etc. zu isolieren.

Medizinische Pilze

Medizinische Pilze haben sich aufgrund ihrer außergewöhnlichen Wirkung auf die kognitiven Funktionen und das Immunsystem als Superfood und Nootropikum etabliert. Neben ihrer gesundheits- und kognitiv-fördernden Wirkung werden Heilpilze zur Vorbeugung und Behandlung von Krankheiten (z.B. Krebs, Diabetes, Entzündungen etc.) eingesetzt. Zu den bekanntesten Arten essbarer Pilze gehören Chaga, Reishi, Lion's Mane, Cordyceps, Shiitake und Maitake.

Ultraschallextraktion von Shiitake-Pilzen mit dem UP400St

Hinsichtlich der bekanntesten positiven Effekte auf die Gesundheit der Vitalpilze hat sich gezeigt, dass sie die Immunität stärken, den Nervenwachstumsfaktor (NGF) erhöhen, die Ausdauer bei körperlicher Aktivität und die Langlebigkeit verbessern. Die bioaktiven Verbindungen, welche die gesundheitsfördernden Wirkungen hervorrufen, sind Polysaccharide wie 𝛼-Glucane und 𝛃-Glucane. Das Glucan-Profil ist in den jeweiligen Pilzarten unterschiedlich und ist verantwortlich für die spezifische Verwendung von verschiedenen Pilzen, da die jeweiligen Glucan-Profile unterschiedliche Wirkungen hervorrufen. Zum Beispiel steigert Lion's Mane den Nervenwachstumsfaktor (NGF), während der Cordyceps-Pilz die Ausdauer verbessert und Reishi das Immunsystem sowie Langlebigkeit unterstützt.

Hielscher's UP400St is a powerful ultrasonic extractor (Click to enlarge!)

UP400St für die Polysaccharid-Extraktion aus Pilzen

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Ultraschallextraktion von Polysacchariden

Um Polysaccharide (wie alpha-Glucane und beta-Glucane), Triterpene und andere bioaktive Verbindungen aus Heilpilzen zu isolieren, hat sich die Ultraschall-Extraktion als die bequemste, effektivste und effizienteste Methode herauskristallisiert.
Weitere gesundheitsförderliche Bestandteile, welche in vielen essbaren Pilzen zu finden sind, sind Selen, Vitamin D und Vitamin B3. Durch intensive Beschallung mittels Hochleistung-Ultraschall werden die (aus Chitin bestehenden) Zellwände von Pilzen perforiert und lysiert, so dass die chemischen Verbindungen wie Polysaccharide, Vitamine usw. in das umgebende Lösungsmittel freigesetzt werden. Die Ultraschallextraktion ist hoch effizient und extrahiert das gesamte Spektrum der bioaktiven Verbindungen innerhalb einer sehr kurzen Extraktionszeit im Vergleich zu herkömmlichen Extraktionstechniken.
Nach der Extraktion können die bioaktiven Verbindungen durch Filtration, Destillation / Evaporation und Ausfällung abgetrennt und gereinigt werden, um hochkonzentrierte, hochwirksame Pilzextrakte zu gewinnen. Diese Pilzextrakte werden später zu Medikamenten, Nahrungsergänzungsmitteln, funktionellen Lebensmittelzutaten, Tinkturen und Tonika verarbeitet.

Ultraschall-gestützte Wasser- oder Lösungsmittel-Extraktion

Ein großer Vorteil der Ultraschall-Extraktion ist die breite Auswahl an Lösungsmitteln, welche sich mit der Ultraschallmethode kombinieren lassen. Die ultraschall-gestützte Isolierung von phytochemischen Stoffen und bioaktiven Verbindungen kann in Lösungsmitteln wie Wasser, Ethanol, Methanol, Isopropanol, Wasser/Ethanol-Gemischen, Glycerin, Pflanzenölen usw. durchgeführt werden.
Je nach den zu isolierenden chemischen Verbindungen eignen sich für die ultraschall-gestützte Extraktion entweder Wasser oder Lösungsmitteln wie Ethanol, Methanol, Isopropanol usw. besser. Da Pilze meist wasserlösliche bioaktive Verbindungen und nur wenige nicht-wasserlösliche Komponenten enthalten, ist eine Wasserextraktion häufig die bevorzugte Methode. Lösungsmittel mit einem hohen Alkoholanteil werden speziell verwendet, um Extrakte mit hohem Triterpengehalt zu isolieren.

Hielscher Ultrasonics' Das Ultraschallsystem SonoStation ist ein einfach zu bedienendes Setup für den Produktionsmaßstab. (Anklicken, um Bild zu vergrößern!)

SonoStation – ein Ultraschallsystem mit 2x 2kW Ultraschallgeräten, gerührtem Tank und Pumpe – eignet sich hervorragend für die Extraktion größerer Mengen.

Vorteile der Ultraschallextraktion

  • Hocheffizient
  • Schnelle Extraktion
  • vollständigere Extraktion
  • Hochwertige Vollspektrum-Extrakte
  • Milder, nicht-thermischer Prozess (Kaltextraktion)
  • Pharma- / Lebensmittelqualität
  • Standardisierter Prozess
  • Verschiedene Lösungsmittel zur Auswahl
  • sicher & einfach zu bedienen

Ergebnisse der Ultraschall-Extraktion

Bei der Isolierung und Gewinnung von phytochemischen Stoffen sind die Ultraschall-Prozessparameter entscheidend für die Prozesseffizienz und die Extraktqualität. Zum einen sind Ultraschallparameter wie Amplitude, Druck und Temperatur äußerst wichtige Faktoren, um den Extraktionsprozess auf eine möglichst hohe Ausbeute und Qualität zu optimieren. Zum anderen sorgen präzise kontrollierte Prozessbedingungen dafür, dass die Extrakte nicht durch zu starke Prozesseinflüsse geschädigt werden. Botanische Verbindungen, wie Polysaccharide, neigen beispielsweise dazu, durch hohe Temperaturen geschädigt zu werden.
Hielscher Ultrasonics‘ Extraktoren können präzise kontrolliert und gesteuert werden – Amplitude, Druck und Temperatur können optimal an Rohstoff und Extrakt angepasst werden. Dadurch ist es möglich, Prozessergebnisse exakt zu reproduzieren sowie Extraktqualität und Prozessstandardisierung zu gewährleisten.
Die Forschungsergebnisse (Alzorqi et al.) haben gezeigt, dass (1-3; 1-6)-β-d-Glucane malaysischer Pilze, welche mittels Ultraschall extrahiert wurden, eine höhere antioxidative Aktivität, höheres Molekulargewicht und optimalen Verzweigungsgrad im Vergleich zu Extrakten, die mittels herkömmliches Extraktionstechniken gewonnen wurden, aufweisen.

Hochleistungs-Ultraschallextraktoren

Hielscher Ultrasonics ist langjährig erfahrener Hersteller von Hochleistungs-Ultraschallgeräten, welche erfolgreich zur Isolierung bioaktiver Komponenten aus Pflanzen und Pilzen eingesetzt werden. Mit einer Produktlinie, die das gesamte Spektrum von kleineren Hand-Ultraschallgeräten über Benchtop- und Pilotanlagen bis hin zu vollindustriellen Anlagen abdeckt, ist Hielscher Ultrasonics Ihr Partner, der Sie von den ersten Machbarkeitstest und die Prozessoptimierung bis zur endgültigen Installation Ihrer industriellen Produktionslinie begleitet. Um bioaktive Verbindungen aus botanschen Materialien freizusetzen, können hohe Amplituden erforderlich sein – besonders wenn robuste Zellwände perforiert und lysiert werden müssen. Hielscher Ultrasonics 'Ultraschallprozessoren, z.B. UIP500hdT oder UIP2000hdT, können sehr hohe Amplituden von bis zu 200μm liefern. Diese hohen Amplituden können natürlich im 24/7 Betrieb kontinuierlich erzielt werden. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte gewährleistet einen reibungslosen 24/7-Betrieb bei Heavy-Duty-Anwendungen ebenso wie in anspruchsvollen Umgebungen.

Warum Hielscher Ultrasonics?

  • Hochleistungs-Ultraschallextraktoren
  • Präzise steuerbar
  • reproduzierbare Ergebnisse
  • die lineare Skalierbarkeit
  • Robust & Geringer Wartungsaufwand
  • Beratung & Service
  • einfacher & sicher zu bedienen

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 UIP4000
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallgeräte für Vollspektrum-Extrakte her.

Hochleistungs-Ultraschallextraktoren vom Labor- bis zum Pilot- und Industerie-Maßstab.

Literatur

  • Alzorqi I., Sudheer S., Lu T.J., Manickam S. (2017): Ultrasonically extracted β-d-glucan from artificially cultivated mushroom, characteristic properties and antioxidant activity. Ultrasonic Sonochemistry 2017. 531-540.
  • Alzorqi I., Singh A., Manickam S., Al-Qrimli H. (2016): Optimization of ultrasound assisted extraction (UAE) of β-D-glucan polysaccharides from Ganoderma lucidum for prospective scale-up. Resource-Efficient Technologies 2016.
  • Khan, A.A., Gani A., Masoodi F., Kousar S., Ahmad M. (2014): Antioxidant and Functional Properties of β-Glucan Extracted from Edible Mushrooms Agaricus Bisporus, Pleurotus Ostreatus and Coprinus Atramentarius. Proceedings of the 8th International Conference on Mushroom Biology and Mushroom Products (ICMBMP8) 2014.
  • Vardanega R., Santos D.T., Meireles M.A.M. (2014): Intensification of bioactive compounds extraction from medicinal plants using ultrasonic irradiation. Pharmacogn Rev. 2014 Jul-Dec; 8(16): 88–95.


Wissenswertes

Ultraschall-Extraktion – Wirkungsprinzip

Die Ultraschall-Extraktion ist eine einfache, kostengünstige, schnelle und effiziente Technologie, welche die Flüssig-Feststoff-Extraktion intensiviert und herkömmliche Extraktionstechniken übertrifft. Die Hauptvorteile der ultraschall-gestützten Flüssig-Feststoff-Extraktion entstehen durch beschleunigte Extraktionskinetik und Massetransfer sowie durch die gesteigerte Extraktausbeute. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, den Extraktionsprozess bei niedrigeren Temperaturen durchzuführen, um temperatur-empfindliche Verbindungen vor thermischer Schädigung zu schützen. Im Vergleich zu alternativen Extraktionstechniken (wie z.B. Mikrowelle oder überkritischem CO2) ist der Ultraschall-Extraktor kostengünstiger (sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb) sowie benutzerfreundlich und betriebssicher.

Ultraschall- / akustische Kavitation erzeugt sehr intensive Kräfte, welche Zellwände zerstört. Der Zellaufschluß wird auch Lyse genannt. (Zum Vergrößern anklicken!)

Die Ultraschall-Extraktion basiert auf akustischer Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften. Hielscher Ultrasonics‘ Geräte erzeugen intensive Ultraschallwellen und Kavitation für die Extraktion von Photochemikalien aus botanischem Material.

akustische Kavitation – das Phänomen des Ultraschallprozesses: Wenn intensive Ultraschallwellen in ein flüssiges Medium eingekoppelt werden, wird die Flüssigkeit Kompressions- und Expansionszyklen ausgesetzt. Während der Expansion (Rarefaktion) entstehen Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Diese Vakuumblasen werden erzeugt, wenn der ausgeübte Unterdruck die Zugfestigkeit der Flüssigkeit übersteigt. Während mehrerer Kompressions- / Rarefaktionszyklen wachsen die Vakuumblasen bis zu einer Größe heran, mit welcher sie keine weitere Energie absorbieren können, so dass sie heftig implodieren (Blasenimplosion). Während der Blasenimplosion treten lokal extreme Bedingungen wie sehr hohe Temperatur- und Druckdifferenzen, Flüssigkeitsstrahlen und Scherkräfte auf. Diese intensiven Kräfte brechen Zellen (von Pflanzen und Gewebe) auf, so dass das intrazelluläre Material (z. B. Polysaccharide, Terpene, Proteine, Flavone etc.) in das Lösungsmittel freigesetzt werden. Der Prozess der Bildung, des Wachstums und der Implosion der Vakuumblasen ist bekannt als sogenannte Kavitation.

Pilze

Unter der botanische Bezeichnung "Pilze" werden alle eukaryotischen Organismen zusammengefasst; dazu gehören Mikroorganismen wie Hefen, Schimmelpilze und Fungi. Besonders in der traditionellen Medizin (z.B. asiatische / chinesische Medizin) werden Pilze genutzt, um Effekte wie verbesserte Gedächtnisleistung, Stärkung des Immunsystems oder Langlebigkeit zu erreichen. Heutzutage werden Heilpilze nicht nur als Alternativmedizin verwendet, sondern Pilzextrakte werden auch als funktionelle Lebensmittel oder Superfoods konsumiert. So werden Pilze wie Maitake, Cordyceps, Coriolus, Reishi eingenommen, um von ihrer Wirkung als Immunmodulatoren zu profitieren. Andere Pilzarten wie Psilocybin-Pilze (umgangssprachlich als Magic Mushrooms bekannt) sind für ihre psychedelischen Eigenschaften bekannt. Pilze sind keine Pflanzen und werden als Fungi eingeordnet.

Polysaccharide

Polysaccharide sind wichtige bioaktive Verbindungen, welche in medizinischen Pilzen vorhanden sind. Sie werden als biochemisch aktive Verbindungen in pharmazeutischen und nutrazeutischen Produkten genutzt, z.B. zur Immunregulation, Umkehrung oder Verhinderung von Strahlungsschäden, Anti-Blutgerinnung sowie zur Behandlung von Krebs-, Virus- und Hypoglykämie-Krankheiten. Die aus Pilzen extrahierten Polysaccharide Lentinan, Schizophyllan und Krestin sind in Japan, Korea und China als Immuno-Ceuticals (Arzneimittel, die das Immunsystem stärken) zugelassen.
Neben Pilzen enthalten Pilze u.a. Phenole, Heteropolysaccharide, Glykogene, Vitamine und Triterpene.

Medizinische Pilzarten

In Chaga Pilzen, die auch als Inonotus obliquus oder Black Tree Fungus (umgangssprachlich Cinder conk, Birken Conk, Klinker Polypore), bekannt sind, sind Polysaccharide die wichtigsten Wirkstoffe. Chaga-Polysaccharide haben eine sehr starke antioxidative Aktivität, welche als Radikalfänger fungieren.

Lion's Mane (Hericium erinaceus) ist ein essbarer und medizinischer Pilz, der zur Gruppe der Zahnpilze gehört. Lion's Mane ist für seine neuroprotektiven und nootropischen Effekte bekannt (d.h. Lion's Mane verbessert Gedächtnisleistung und kognitiven Funktionen).

Der Reishi-Pilz enthält Polysaccharide, die durch Ultraschall (z.B. mit Hielscher Ultrasonics) am effektivsten isoliert werden können.' UP400St).Reishi (Ganoderma lucidum, auch bekannt als Ling Zhi / Lingzhi, Mannentake, Pilz der Unsterblichkeit) ist ein Polyporenpilz, der leicht an seiner rot lackierten, nierenförmigen Kappe zu erkennen ist. Der Reishi-Pilz produziert verschiedene Triterpene, sogenannte Ganodersäuren. Ganodersäuren weisen eine molekulare Struktur auf, die der von Steroidhormonen ähnlich ist. Weitere wertvolle Verbindungen im Reisei-Pilz sind Polysaccharide (z.B. Beta-Glucan), Cumarin, Mannitol und Alkaloide. Zu den Sterolen, die aus dem Pilz isoliert werden können, gehören Ganoderol, Ganoderinsäure, Ganoderiol, Ganodermanontriol, Lucidadiol und Ganodermadiol. In der kulinarischen Küche ist Reihi für seinen bitteren Geschmack bekannt und wird oftmals in Kaffeegetränken konsumiert.

Shitake (Lentinula edodes; umgangssprachlich als Black Forest Tree Mushroom, Xiang Gu,Duftpilz bekannt) ist eine weit verbreitete Zutat in asiatischen Gerichten. In der alternativen Medizin wird Shiitake verabreicht, um das Immunsystem zu stärken. Durch die Verabreichung von Shitake können Entzündungen deutlich gemindert werden.

Coriolus versicolor (Trametes versicolor, Polyporus versicolorYun Zhi, Kawaratake) enthält die Polysaccharide PSK, PSP und Kresin sowie B-1,3 und B-1,4 Glukane. Die Polysaccharide werden zur Verbesserung der Immunfunktion bei Patienten mit bestimmten Krebsarten zusammen mit einer Chemotherapie eingesetzt. In der traditionellen chinesischen Medizin wird Turkey Tail als Tonikum verwendet.

Cordyceps sinensis (Ophiocordyceps sinensis; auch Chinese Caterpillar Fungus, Dong Chong Xia Cao, yartsa gunbu bekannt) ist ein weiterer Pilz mit außergewöhnlichen antioxidativen Eigenschaften. Der Cordyceps beinhaltet starke Antioxidantien, welche schädliche freie Radikale neutralisieren und die Aktivität des körpereigenen antioxidativen Systems stärken.

Maitake (Grifola frondosa; auch Cloud Mushroom, Hui Shu Hua, Hen-of-the-wood-, Ram’s Head-, Sheep’s Head-Pilz genannt) ist ein Polyporenpilz, für den nachgewiesen wurde, dass er sowohl das angeborene (innate) als auch das erworbene (adaptive) Immunsystem stimuliert. Forschungsergebnisse zeigen bspw., dass Maitake das Immunsystem von Brustkrebspatienten stimuliert. Außerdem zeigt Maitake blutzuckersenkende Wirkungen, da der Pilz einen Alpha-Glucosidasehemmer enthält.

Agaricus subrufescens (auch bekannt als Agaricus blazei, Agaricus brasiliensis, Agaricus rufotegulis; umgangssprachlich Mandelpilz, Sonnenpilz, Gottespilz, Pilz des Lebens, Jisongrong oder Himematsutake) ist ein essbarer Pilz, der sich durch seinen süßen Geschmack und den Mandeldurft auszeichnet. Der Agaricus-Pilz ist ein beliebter Heilpilz, der hauptsächlich für seine stärkende Wirkung des Immunsystems verabreicht wird.