Ultraschallextraktion von Quillaja-Saponinen
- Saponinextrakte aus dem Baum Quillaja saponaria Molina sind die Hauptquelle für Saponine für industrielle Anwendungen.
- Die Ultraschallextraktion von Quillaja-Saponinen liefert hochwertige Saponine.
- Die Ultraschallextraktion ist eine hocheffiziente Methode, um in kurzer Zeit hohe Ausbeuten an Quillaja-Saponinextrakt zu erzielen.
Quillaja-Saponinextrakt
Quillaja-Saponinextrakt (Synonyme: Quillaia-Extrakte, bois de Panama, Panamarindenextrakte, Quillai-Extrakte, Quillay-Rindenextrakte, Seifenrindenextrakte) ist eine Substanz, die aus dem Baum Quillaja Saponaria Molina (Q. saponaria) gewonnen wird. Der Quillaja-Extrakt besteht aus über 100 Triterpenoid-Saponinen. Die hauptsächlich enthaltenen Saponine sind Glykoside der Quillajasäure. Weitere Hauptbestandteile sind Polyphenole und Tannine sowie geringe Mengen an Salzen und Zuckern. Quillaja-Extrakt wird durch wässrige Extraktion der gemahlenen inneren Rinde oder des Holzes zurückgeschnittener Stämme und Äste des Quillaja-saponaria-Baums gewonnen. Da Quillaja-Saponinextrakte sowohl Tenside als auch phenolische Verbindungen enthalten, sind sie für die Formulierung empfindlicher funktioneller Lebensmittelzutaten und deren Schutz vor Oxidation außerordentlich interessant.
Die Verwendung von Saponinen als natürliche Emulgatoren nimmt aufgrund der steigenden Nachfrage nach gesunden, natürlichen Produkten ohne synthetische Zusatzstoffe deutlich zu. Quillaja-Saponine sind hervorragende Emulgatoren für O/W-Emulsionen und Nanoemulsionen und haben in verschiedenen Formulierungen wie Getränken und Ölmischungen sehr gute Wirkungen gezeigt. Eine häufige Anwendung von Quillaja-Saponinextrakt ist die Emulgierung von CBD-Ölen, durchscheinenden Getränken und aufgeschäumten Lebensmitteln. Quillaja-Saponine können allein oder in Kombination mit anderen Emulgatoren eingesetzt werden.
Q-Naturale® ist ein Lebensmittelzusatzstoff auf Basis von Quillaja-Rindensaponinen, der von der FDA als wirksamer Emulgator für Lebensmittel und Getränke zugelassen ist. Neben ihrer Verwendung als Emulgatoren werden Quillaja-Saponine aufgrund ihrer antibakteriellen, antiviralen, antimykotischen, antiparasitären, antitumoralen, hepatoprotektiven und immunadjuvanten Eigenschaften in pharmazeutischen Formulierungen eingesetzt.
- Hervorragende Ausbeute
- Schnelle Extraktion – innerhalb weniger Minuten
- Hochwertige Extrakte – schonend, nichtthermisch
- Umweltfreundliches Lösungsmittel (Wasser)
- Kosteneffizient
- Einfache und sichere Bedienung
- Geringe Investitions- und Betriebskosten
- 24/7-Betrieb unter hoher Belastung
- Umweltschonendes, umweltfreundliches Verfahren
Chargenweise Ultraschallextraktion von Pflanzenmaterial im 120L-Maßstab mit UIP2000hdT und Rührwerk
Fallstudie zur Ultraschallextraktion von Saponinen aus Quillaja
Um einen hochwertigen Quillaja-Extrakt herzustellen, der die gewünschten Funktionen als Lebensmittel- und pharmazeutischer Zusatzstoff erfüllt, müssen die aktiven Pflanzeninhaltsstoffe, nämlich Saponine, isoliert werden. Quillaja-Saponin ist ein Triterpensaponin, das aus der Rinde des Seifenbaums isoliert wird. Ultraschallkavitation fördert die Extraktion, indem sie den Kontakt zwischen Feststoffen und Flüssigkeit verbessert und den Stofftransport erhöht.
Cares et al. zeigen in ihrer Studie deutlich, dass die ultraschallgestützte Extraktion (UAE) den Extraktionsprozess bioaktiver Wirkstoffe aus Quillaja Saponaria Molina verbessern kann. Sie verwendeten Quillaja-Holz- und Rindenschnitzel und extrahierten die Saponine mittels Ultraschallbehandlung in Wasser, sodass das Endprodukt ausschließlich natürliche Inhaltsstoffe und Rohstoffe enthält und in Lebensmittelherstellungsprozessen eingesetzt werden könnte. Bei diesem nichtthermischen Extraktionsverfahren wurde die Extraktionstemperatur während der Ultraschallbehandlung konstant bei 20ºC (68ºF) gehalten. Die Extraktionsausbeuten stiegen mit einer Verlängerung der Beschallungsdauer von 10 auf 30 Minuten deutlich an. Die Ausbeuten nach 20 Minuten bei 20ºC in der ultraschallgestützten Extraktion waren mit denen vergleichbar, die mit dem konventionellen Verfahren nach 3 Stunden Extraktion bei 60ºC erzielt wurden.
Ultraschallgeräte werden zur Herstellung langfristig stabiler O/W-Emulsionen eingesetzt, wobei Quillaja-Saponinextrakt die Emulsion physikalisch und chemisch stabilisiert. Klicken Sie hier, um mehr über die Emulgierung mit Ultraschall zu erfahren!
Hochleistungs-Ultraschallextraktoren
Hielscher Ultrasonics ist auf die Herstellung von Hochleistungs-Ultraschallprozessoren zur Gewinnung hochwertiger Extrakte aus Pflanzenmaterial spezialisiert.
Das breite Produktportfolio von Hielscher reicht von kleinen, leistungsstarken Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu robusten Tischgeräten und Industriesystemen, die Ultraschall hoher Intensität für die effiziente Extraktion und Isolierung bioaktiver Bestandteile liefern (z. B. Quercetin, Koffein, Curcumin, Terpene usw.). Alle Ultraschallgeräte von 200W bis 16.000W verfügen über ein Farbdisplay zur digitalen Steuerung, eine integrierte SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, eine Fernsteuerung per Browser und viele weitere benutzerfreundliche Funktionen. Die Sonotroden und Durchflusszellen (die Teile, die mit dem Medium in Kontakt kommen) sind autoklavierbar und leicht zu reinigen. Alle unsere Ultraschallgeräte sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt, wartungsarm sowie einfach und sicher zu bedienen.
Ein digitales Farbdisplay ermöglicht eine benutzerfreundliche Steuerung der Ultraschallgeräte. Unsere Systeme können niedrige bis sehr hohe Amplituden erzeugen. Für die Extraktion chemischer Verbindungen wie Astaxanthin bieten wir spezielle Ultraschallsonotroden (auch als Ultraschallsonden oder Hörner bezeichnet) an, die für die schonende Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die präzise Steuerung der Ultraschallprozessparameter gewährleistet Reproduzierbarkeit und Prozessstandardisierung. Die automatisierten Ultraschallextraktionssysteme von Hielscher im industriellen Maßstab sind für hohe Produktionskapazitäten bei der Gewinnung hochwertiger Extrakte ausgelegt und reduzieren gleichzeitig Arbeitsaufwand, Kosten und Energieverbrauch.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 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 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Literatur/Quellen
- M. G. Cares, Y. Vargas, L. Gaete, J. Sainz, J. Alarcón (2009): Ultraschallgestützte Extraktion bioaktiver Wirkstoffe aus Quillaja Saponaria Molina. Internationaler Ultraschallkongress, Universidad de Santiago de Chile, Januar 2009.
- J. Deise Fleck, A. Heemann Betti, F. Pereira da Silva, E. A. Troian, C. Olivaro, F. Ferreira, S. Gasparin Verza (2019): Saponine aus Quillaja saponaria und Quillaja brasiliensis: Besondere chemische Merkmale und biologische Aktivitäten. Molecules. 2019 Jan.; 24(1): 171.
- K. Kaur, R. Kumar, S.K. Mehta (2015): Formulierung einer saponinstabilisierten Nanoemulsion mittels Ultraschall und ihre Rolle beim Schutz von Quercitin vor dem Abbau durch UV-Licht. Ultrasonics Sonochemistry 31, 2015.
- R.R.T. Majinda (2012): Extraktion und Isolierung von Saponinen. In: Satyajit D. Sarker und Lutfun Nahar (Hrsg.), Isolierung von Naturstoffen, Methods in Molecular Biology, Bd. 864, 2012.
- N. Riquelme, R.N. Zúñiga, C. Arancibia (2019): Physical stability of nanoemulsions with emulsifier mixtures: Replacement of tween 80 with quillaja saponin. LWT – Food Science and Technology 111, 2019. 760–766.
Wissenswertes
Über den Quillaja-Baum und seine Saponine
Der Baum Quillaja Saponaria Molina, auch als südamerikanischer Seifenbaum bekannt, wächst in Chile wild und ist dort weit verbreitet. Der Quillaja-Saponaria-Baum (Familie Rosaceae) ist ein großer, immergrüner Baum mit dicker Rinde, der in mehreren südamerikanischen Ländern heimisch ist, insbesondere in Bolivien, Chile und Peru.
Quillaja-Saponinextrakt enthält hauptsächlich Saponine, aber auch Polyphenole, Tannine sowie geringe Mengen an Salzen und Zuckern. Quillaja-Saponine sind Moleküle, die aus einem Triterpen-Grundgerüst mit zwei Zuckerketten aufgebaut sind. Diese Zuckerketten verleihen den Saponinen hydrophile Eigenschaften (= wasserlöslich), während das Triterpen-Grundgerüst hydrophob (= wasserabweisend) ist. Aufgrund dieser Eigenschaften handelt es sich um ein amphotisches Tensid, wodurch Saponine als nichtionische oberflächenaktive Substanzen wirken, die eine Verringerung der Oberflächenspannung, die Solubilisierung hydrophober Produkte in wässrigen Lösungen sowie die Bildung von Mikro-/Nanoemulsionen ermöglichen.
Beim Quillaja-Baum enthält die Rinde mit etwa 5% den höchsten Saponinanteil, während das Holz einen Saponingehalt von etwa 2% aufweist.
Da Saponine natürliche Substanzen mit guten schaumbildenden und emulgierenden Eigenschaften sind, werden sie häufig als Schaumbildner in der Lebensmittel-, Getränke- und Bierindustrie, als Tenside in Kosmetika, als Zusatzstoffe in Agrochemikalien und Tierfutter sowie als Adjuvanzien in Impfstoffen eingesetzt.
Quillaja-Extrakte werden durch wässrige Extraktion hergestellt; andere Lösungsmittel werden bei ihrer Herstellung nicht verwendet. Das Endprodukt, entweder ein roher oder ein gereinigter Extrakt in flüssiger oder pulverförmiger Form, enthält ausschließlich natürliche Inhaltsstoffe und Rohstoffe, die für den Einsatz in Lebensmittelherstellungsprozessen zugelassen sind. (Cares et al. 2009)
Was sind Saponine?
Das Wort Saponin leitet sich vom lateinischen Wort sapo ab, das Seife bedeutet. Saponine sind Pflanzeninhaltsstoffe, die hauptsächlich, aber nicht ausschließlich in Pflanzen vorkommen, schaumbildende Eigenschaften aufweisen und aus polyzyklischen Aglykonen bestehen, an die eine oder mehrere Zuckerseitenketten gebunden sind. Der Aglykonanteil, auch Sapogenin genannt, ist entweder ein Steroid (C27) oder ein Triterpen (C30). Die Schaumbildungsfähigkeit der Saponine beruht auf der Kombination eines hydrophoben (fettlöslichen) Sapogenins mit einem hydrophilen (wasserlöslichen) Zuckeranteil. [Majinda, 2012: S. 515] Pflanzenmaterialien mit hohem Saponingehalt werden traditionell als Emulgatoren verwendet. Bekannte Beispiele für saponinreiche Pflanzen sind der Seifenrindenbaum (Quillaja saponaria; Rosaceae), das Seifenkraut (Saponaria officinalis; Caryophyllaceae) und Shikakai-Pulver (Gleditsia sinensis; Leguminosae). Saponine sind amphipathische Glykoside mit hohem Molekulargewicht, deren Struktur eine oder mehrere hydrophile Glykosidgruppen aufweist, die mit einem lipophilen Triterpenderivat verbunden sind. Insbesondere in der pharmazeutischen Industrie haben Saponine aufgrund ihrer vielfältigen biologischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt. Dazu gehört ihre Fähigkeit, eine Immunantwort zu stimulieren, wodurch sie besonders geeignete Kandidaten für Adjuvanzien sind.
Alles Wissenswerte über die Ultraschallextraktion
Die ultraschallgestützte Extraktion (UAE), auch Sonoextraktion genannt, ist ein hocheffizientes, umweltfreundliches Extraktionsverfahren zur Isolierung bioaktiver Substanzen wie Proteinen, Vitaminen, Polyphenolen, natürlichen Pigmenten, Lipiden usw. aus pflanzlichen Matrizes. Die Ultraschallextraktion beruht auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation.
Wenn intensive Ultraschallwellen in flüssige Systeme eingebracht werden, tritt akustische Kavitation auf. Dieses Phänomen umfasst die Entstehung, das Wachstum und den anschließenden Kollaps von Vakuumblasen (siehe Abbildung unten). Während der Ausbreitung der Ultraschallwellen oszillieren und wachsen die Vakuumblasen, bis sie keine weitere Energie mehr aufnehmen können. Bei maximaler Blasengröße kollabieren sie heftig, was lokal thermische, mechanische und chemische Effekte verursacht. Zu den mechanischen Effekten gehören hohe Drücke von bis zu 1000atm, Turbulenzen und starke Scherkräfte. Diese Kräfte brechen Zellwände auf und fördern den Stofftransport zwischen dem Zellinneren und dem Lösungsmittel, wodurch bioaktive Verbindungen in die umgebende Flüssigkeit (das Lösungsmittel) freigesetzt werden.
Die Ultraschallextraktion beruht auf akustischer Kavitation und den dabei entstehenden hydrodynamischen Scherkräften
Die ultraschallgestützte Fest-Flüssig-Extraktion von Verbindungen aus Pflanzenmaterial und Zellgewebe ist gut erforscht. Der Einsatz hochintensiver Ultraschallwellen fördert Extraktionsprozesse erheblich. Neben der Prozessintensivierung – die zu höheren Ausbeuten und kürzeren Extraktionszeiten führt – werden der thermische Abbau und der Verlust temperaturempfindlicher Inhaltsstoffe verhindert, da die Ultraschallbehandlung eine nichtthermische Behandlung ist. Darüber hinaus zeichnet sich die Ultraschallextraktion durch geringe Investitions- und Betriebskosten aus, reduziert den Lösungsmittelverbrauch und/oder ermöglicht den Einsatz umweltfreundlicherer Lösungsmittel, was sie zu einem wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Extraktionsverfahren macht. Die ultraschallgestützte Extraktion (UAE), die konventionellen Extraktionsverfahren überlegen ist, wurde aus der Lebensmittelindustrie übernommen, um bioaktive Substanzen mit wirtschaftlichen Vorteilen herzustellen.
Ultraschallextraktion aus Pflanzenzellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkmechanismus bei der Ultraschallextraktion aus Zellen (Vergrößerung 2000x) [Quelle: Vilkhu et al. 2011]
Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- über den Pilot- bis zum Industriemaßstab.