Ultraschallextraktion von Polyphenolen aus Baggibuti (Stachys parviflora)

Extrakte der Baggibuti-Pflanze (Stachys parviflora L.) werden als pflanzliche Arzneimittel zur Behandlung von Krämpfen, Arthralgien, Epilepsie, Fallsucht und Drakunkulose geschätzt. Ultraschallextraktoren werden erfolgreich zur Isolierung von Polyphenolen und anderen sekundären Pflanzenstoffen aus Stachys parviflora eingesetzt.

Was macht die Ultraschallextraktion überlegen? – Funktionsprinzip und Vorteile von Leistungsultraschall

Wenn bioaktive Verbindungen (also sekundäre Pflanzenstoffe bzw. sekundäre Metaboliten) aus Pflanzenmaterial isoliert werden sollen, müssen dessen Zellstrukturen aufgeschlossen werden, um die Zielverbindungen freizusetzen. Die Ultraschallextraktion ist eine hocheffiziente Methode, um die gesamte Menge an sekundären Pflanzenstoffen in einem schnellen Extraktionsprozess aus Pflanzenmaterial (z. B. Stachys parviflora, Kräutern usw.) zu isolieren. Der Einsatz von Hochleistungsultraschall erzeugt starke Kavitationseffekte, Strömungsstörungen bzw. Turbulenzen und Flüssigkeitsströmungen mit hoher Geschwindigkeit. Diese Ultraschallkräfte fördern den Zellaufschluss und die Durchmischung auf Makro- und Mikroebene. Darüber hinaus werden das Eindringen des Lösungsmittels, das Lösen bioaktiver Verbindungen und der Stofftransport deutlich verbessert. Dadurch ist die ultraschallgestützte Extraktion besonders wirksam und erzielt höhere Extraktionsausbeuten bei kurzer Prozessdauer.

Die Vorteile sekundärer Pflanzenstoffe aus Baggibuti (Stachys parviflora)

Stachys parviflora L., allgemein als „Baggibuti“ bekannt, ist eine Art der Lamicae. Verbindungen aus Stachys parviflora wie Iridoide, Flavonoide, Phenolsäuren und Diterpenoide werden als sekundäre Metaboliten beschrieben und sind für ihre antinephritischen, entzündungshemmenden, radikalfangenden und antimikrobiellen Eigenschaften bekannt.

Ultraschallextraktion bioaktiver Verbindungen aus Baggibuti (Stachys parviflora)

Die Ultraschallextraktion, auch als ultraschallgestützte Extraktion (UAE) bezeichnet, ist eine wissenschaftlich bewährte und industriell etablierte Technologie zur Isolierung bioaktiver Verbindungen wie Polyphenolen, Flavonoiden, Terpenen und vielen anderen sekundären Metaboliten aus Pflanzenmaterial.

Extraktion aus Baggibuti (Stachys parviflora): Funktionsprinzip und Protokoll

Die Ultraschallextraktion ist ein schonendes, nichtthermisches und dennoch hocheffizientes Extraktionsverfahren, das ausschließlich auf mechanischen Kräften beruht. Dadurch werden empfindliche pflanzliche Verbindungen vor thermischem Abbau geschützt. Gleichzeitig werden durch die Ultraschallbehandlung außergewöhnlich hohe Extraktionsausbeuten und Extrakte von überlegener Qualität erzielt.

Hochleistungsultraschall für die Extraktion

Der extraktionsverstärkende Mechanismus von niederfrequentem Ultraschall hoher Intensität wird hauptsächlich auf das Phänomen der akustischen Kavitation zurückgeführt. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche des Pflanzenmaterials kollabieren, brechen Erosion und Sonoporation die Matrix der Pflanzenzellen (etwa von Stachys parviflora) auf. Dies führt zur Zerstörung der Zellstruktur und zur Freisetzung intrazellulärer Substanzen wie Polyphenolen und anderen sekundären Pflanzenstoffen. Der dadurch intensivierte Stofftransport erleichtert die Freisetzung von Molekülen wie Proteinen, Lipiden und sekundären Pflanzenstoffen.
Durch Ultraschall erzeugte Scherkräfte verbessern das Eindringen des Lösungsmittels in die Zellmatrix des Pflanzenmaterials sowie die Durchlässigkeit der Zellmembranen. Diese Mechanismen des Leistungsultraschalls sind für die deutliche Prozessintensivierung verantwortlich, die beim Einsatz von Ultraschall zur Extraktion aus Pflanzenmaterial erzielt wird.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche von Stachys parviflora, (a) unbehandelte Probe, (b) Mazeration, (c) optimierte ultraschallgestützte Extraktion (UAE) (UP200Ht, 4 min Behandlungsdauer, 74,5% hohe Intensität und 74,2 % Lösungsmittelreinheit)
Studie und Abbildung: ©Salarbashi et al., 2016

Protokoll zur Ultraschallextraktion phenolischer Verbindungen aus Baggibuti

Das Forschungsteam von Salarbashi extrahierte polyphenolische Verbindungen aus Blättern von Stachys parviflora mit dem Ultraschallextraktor UP200Ht (200W, 26kHz). Für die vergleichende Untersuchung von Ultraschallextraktion und Mazeration wurden getrocknete oberirdische Pflanzenteile von S. parviflora, die während der Blütephase geerntet worden waren, zu Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als 149µm vermahlen. Die Extraktion aus dem Pflanzenmaterial erfolgte bei einer Temperatur von 35°C und natürlichem pH-Wert mit Methanol (60, 80 und 100 % (v v-1)) als Lösungsmittel über Zeiträume von 4, 7 und 10 min.
Für die Ultraschallextraktion wurde das Hielscher-Ultraschallgerät UP200Ht (200W, 26kHz) mit Sonotrode eingesetzt. Die Amplitude des Ultraschallextraktors UP200Ht wurde auf 100% eingestellt. Die Intensität der Ultraschallbehandlung betrug 21,8346 Wcm-2 bei 100% Amplitude.
Die Analyseergebnisse des mittels Ultraschall hergestellten Extrakts zeigten, dass der Gesamtflavonoidgehalt (TFC) der Extrakte mit der Ultraschallbehandlung linear zunahm, während die Extraktionsdauer den gegenteiligen Einfluss auf den TFC hatte. Der höchste Gesamtflavonoidgehalt wurde bei einer Beschallungsdauer von 4min erzielt (t = 4 min).
Kaffeesäure, Gerbsäure, Quercetin, trans-Ferulasäure und Rosmarinsäure wurden als wichtigste phenolische Verbindungen im mittels Ultraschall hergestellten Extrakt nachgewiesen.
Anhand der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen ist deutlich erkennbar, dass die Ultraschallbehandlung und die daraus resultierende akustische Kavitation eine wichtige Rolle beim wirksamen Aufschluss der Zellwände und der Struktur des Pflanzenmaterials spielen und dass Ultraschallschwingungen und kavitationsbedingte Mikroströmungen die Extraktionsausbeute erhöhen. Durch diese vom Leistungsultraschall hervorgerufenen Effekte verstärkt die ultraschallgestützte Extraktion das Quellen und Erweichen der Zellwände durch die Hydratation pektinhaltigen Materials aus der Mittellamelle. Dadurch wird die Matrix der Pflanzenzellen aufgebrochen, was anschließend zu einer wesentlich schnelleren und effizienteren Freisetzung bioaktiver Metaboliten führt als bei anderen klassischen Extraktionsverfahren. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen die Effizienz der Ultraschallextraktion phenolischer Verbindungen. Als schonende, nichtthermische Extraktionsmethode liefert die Beschallung Extrakte mit überlegener antioxidativer und antimikrobieller Aktivität, die jene konventionell hergestellter Extrakte übertrifft.
(vgl. Salarbashi et al., 2016)

HPLC-Chromatogramm eines Extrakts aus Stachys parviflora, der unter optimierten Bedingungen der ultraschallgestützten Extraktion gewonnen wurde
Studie und Abbildung: ©Salarbashi et al., 2016

Leistungsstarke Ultraschallgeräte auf dem neuesten Stand der Technik für die Extraktion aus Stachys parviflora

Die intelligenten Funktionen der Ultraschallgeräte von Hielscher sind darauf ausgelegt, einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten. Über ein intuitives Menü lassen sich die Betriebseinstellungen einfach aufrufen und auswählen. Das Menü ist über ein digitales Farb-Touchdisplay und die Fernsteuerung per Browser zugänglich. Alle Prozessbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur werden dabei automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet. So können Sie frühere Beschallungsvorgänge überprüfen und vergleichen sowie die Extraktion ätherischer Öle aus Stachys parviflora (Baggibuti) auf höchste Effizienz optimieren.
Systeme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit zur Herstellung hochwertiger Pflanzenextrakte eingesetzt. Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher können problemlos mit hohen Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) arbeiten. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich mit Standardsonotroden (Ultraschallsonotroden bzw. Ultraschallhörnern) problemlos kontinuierlich erzeugen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsbedarfs werden unsere Ultraschallextraktionssysteme häufig für Anwendungen unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen installiert.

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