Hielscher Ultraschalltechnik

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 Erträge in hochwertigen Saponinen.
  • Die Ultraschallextraktion ist eine hocheffiziente Methode, um in kurzer Zeit eine hohe Ausbeute an Quillaja-Saponinextrakt zu erzielen.

Quillaja Saponin-Extrakt

Quillaja Saponinextrakt (Synonyme: Quillaia-Extrakte, Bois de Panama, Panama-Rindenextrakte, 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 triterpenoiden Saponinen. Die wichtigsten Saponine sind Glykoside der Chinasäure. Weitere Hauptbestandteile sind Polyphenole und Tannine sowie geringe Mengen an Salzen und Zuckern. Der Quillaja-Extrakt wird durch wässrige Extraktion der gemahlenen inneren Rinde oder des Holzes von beschnittenen Stängeln und Zweigen 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 Oxidationsschutz außerordentlich interessant.
Der Einsatz von Saponinen als natürliche Emulgatoren nimmt aufgrund der steigenden Nachfrage nach gesunden, natürlichen Produkten ohne synthetische Zusatzstoffe deutlich zu. Quillaja-Saponine sind große Emulgatoren für O/W-Emulsionen und Nanoemulsionen und haben in verschiedenen Formulierungen wie Getränken und Ölmischungen sehr gute Effekte gezeigt. Eine häufige Anwendung des Quillaja-Saponinextrakts ist die Emulgierung von CBD-Öletransluzente Getränke und geschäumte Lebensmittel. Quillaja-Saponine können einzeln oder in Kombination mit anderen Emulgatoren verwendet 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 dem Emulgator werden Quillaja-Saponine in pharmazeutischen Formulierungen wegen ihrer antibakteriellen, antiviralen, antifungalen, antiparasitären, antitumoralen, hepatoprotektiven und immunoadjuvanten Eigenschaften verwendet.

Vorteile der Ultraschall Quillaja Saponin Extraktion

  • Überlegene Rendite
  • Schnelle Extraktion – innerhalb weniger Minuten
  • Hochwertige Extrakte – Mild, nicht thermisch
  • Grünes Lösungsmittel (z.B. Wasser)
  • kostengünstig
  • einfache und sichere Bedienung
  • Niedrige Investitions- und Betriebskosten
  • 24/7 Betrieb unter hoher Belastung
  • Grüne, umweltfreundliche Methode
2kW Batch-Ultraschallsanlage zur Herstellung von Kräuterextrakten

120L Ultraschall Batch-Extraktion von Pflanzenschutzmitteln mit UIP2000hdT und Rührwerk

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Fallstudie zur Ultraschallextraktion von Saponinen aus Quillaja

Ultraschallextraktion von Quillaja Saponinen (Seifenrinde)
Um einen hochwertigen Quillaja-Extrakt herzustellen, der die gewünschten Funktionalitäten als Lebensmittel- und Pharmazusatz bietet, müssen die aktiven Phytochemikalien, nämlich Saponine, isoliert werden. Das Quillaja-Saponin ist ein Triterpen-Saponin, das aus der Rinde des Seifenbaums isoliert wird. Die Ultraschallkavitation fördert die Extraktion, indem sie den Kontakt zwischen Feststoffen und Flüssigkeit verbessert und den Stoffaustausch erhöht.
Cares et al. zeigen in ihrer Studie deutlich, dass die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) den Extraktionsprozess von bioaktiven Prinzipien aus Quillaja Saponaria Molina verbessern kann. Sie verwendeten Quillaja-Holz- und Rindenspäne und extrahierten die Saponine in Wasser mit Ultraschall, so dass das Endprodukt nur natürliche Inhaltsstoffe und Rohstoffe enthält und in der Lebensmittelherstellung eingesetzt werden konnte. Als nicht-thermisches Extraktionsverfahren wurde die Extraktionstemperatur während der Ultraschallbestimmung konstant bei 20ºC (68ºF) gehalten. Die Extraktionsergebnisse stiegen signifikant mit der Sondierungszeit von 10 bis 30 Minuten. Die Ausbeuten von 20 Minuten bei 20ºC in der ultraschallunterstützten Extraktion waren vergleichbar mit denen der konventionellen Methode 3 Stunden Extraktion bei 60ºC.

Mit Ultraschallgeräten werden langzeitstabile O/W-Emulsionen mit Quillaja-Saponinextrakt hergestellt, um die Emulsion physikalisch und chemisch zu stabilisieren. Klicken Sie hier, um mehr über die ultraschall-gestützte Emulgierung zu erfahren!

Leistungsstarke Ultraschall-Extraktoren

Hielscher Ultrasonics ist spezialisiert auf die Herstellung von Hochleistungs-Ultraschallprozessoren zur Herstellung hochwertiger Extrakte aus pflanzlichen Stoffen.
Das breite Produktportfolio von Hielscher reicht von kleinen, leistungsstarken Labor-Sonden bis hin zu robusten Tisch- und vollindustrialen Systemen, die hochintensiven Ultraschall für die effiziente Extraktion und Isolierung bioaktiver Komponenten liefern (z.B. Quercetin, Koffein, Curcumin, Terpene etc.). Alle Ultraschallgeräte von 200W bis 16.000W verfügen über ein farbiges Display zur digitalen Steuerung, eine integrierte SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, eine Browser-Fernbedienung und viele weitere komfortable Funktionen. Die Sonotroden und Durchflusszellen (die mit dem Medium in Berührung kommenden Teile) sind autoklavierbar und leicht zu reinigen. Alle unsere Ultraschallgeräte sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt, wartungsarm, einfach und sicher zu bedienen.
Ein digitales Farbdisplay ermöglicht eine benutzerfreundliche Steuerung der Ultraschallgeräte. Unsere Systeme sind in der Lage, von niedrigen bis zu sehr hohen Amplituden zu liefern. Für die Extraktion von chemischen Verbindungen wie Astaxanthin bieten wir spezielle Ultraschallsonotroden (auch bekannt als Ultraschallsonden oder Hörner) an, die für die sensible Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die präzise Steuerung der Ultraschallprozessparameter gewährleistet Reproduzierbarkeit und Prozessstandardisierung. Die automatisierten Ultraschall-Extraktionssysteme von Hielscher im industriellen Maßstab sind für hohe Produktionskapazitäten hochwertiger Extrakte bei gleichzeitiger Reduzierung von Arbeitsaufwand, Kosten und Energie ausgelegt.
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 UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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UIP4000hdT 4kW leistungsstarker Ultraschallprozessor für die Extraktion

Literatur



Wissenswertes

Über den Quillaja-Baum und seine Saponine

Der Quillaja Saponaria Molina Baum, auch bekannt als südamerikanischer Seifenbaum, wächst in Chile natürlich und extensiv. Der Quillaja Saponaria Baum (Familie Rosaceae) ist ein großer immergrüner Baum mit einer dicken Rinde, der in mehreren südamerikanischen Ländern, insbesondere in Bolivien, Chile und Peru, heimisch ist.
Quillaja Saponinextrakt enthält hauptsächlich Saponine, aber auch Polyphenole, Tannine sowie Salze und Zucker in kleinen Mengen. Die Quillaja-Saponine sind Moleküle, die aus einem triterpenischen Kern mit zwei Zuckerketten bestehen. Diese Zuckerketten verleihen Saponinen eine hydrophile Eigenschaft (= in Wasser löslich), während der triterpenische Kern hydrophob (= wasserabweisend) ist. Für diese ist es ein amphotisches Tensid, das Saponine zu einer nichtionischen tensoaktiven Substanz macht, die die Reduzierung der Oberflächenspannung, die Löslichkeit hydrophober Produkte in wässrigen Lösungen sowie die Bildung von Mikro-/Nanoemulsionen ermöglicht.
Im Quillaja-Baum enthält die Rinde mit ca. 5% den höchsten Anteil an Saponinen, während das Holz einen Anteil von ca. 2% an Saponinen hat.
Da es sich bei Saponinen um Naturstoffe mit guten schäumenden und emulgierenden Eigenschaften handelt, werden sie häufig als Schaumbildner in der Lebensmittel-, Getränke- und Bierindustrie, als Tensid in der Kosmetik, als Zusatz in Agrochemikalien und Futtermitteln sowie als Hilfsstoff in Impfstoffen eingesetzt.
Die Herstellung der Quillaja-Extrakte erfolgt mit einer wässrigen Extraktion; bei der Herstellung werden keine anderen Lösungsmittel verwendet. Das Endprodukt, entweder ein roher oder gereinigter Extrakt, in flüssiger oder pulverförmiger Formulierung, enthält nur natürliche Inhaltsstoffe und Rohstoffe, die für die Verwendung in Lebensmittelprozessen zugelassen sind. (Cares et al. 2009)

Was sind Saponine?

Das Wort Saponin leitet sich vom lateinischen Wort sapo ab, das Seife bedeutet. Saponine sind Phytochemikalien, die hauptsächlich, aber nicht ausschließlich in Pflanzen vorkommen, die schäumende Eigenschaften aufweisen und aus polyzyklischen Aglykonen bestehen, die an eine oder mehrere Zuckerseitenketten gebunden sind. Der Aglykonteil, auch Sapogenin genannt, ist entweder ein Steroid (C27) oder ein Triterpen (C30). Die Schaumfähigkeit von Saponinen wird durch die Kombination eines hydrophoben (fettlöslichen) Sapogenins mit einem hydrophilen (wasserlöslichen) Zuckeranteil verursacht. Pflanzenmaterialien mit hohem Saponingehalt werden traditionell als Emulgatoren eingesetzt. Prominente Beispiele für saponinreiche Pflanzen sind Seifenrinde (Quillaja saponaria; Rosaceae), Seifenkraut (Saponaria officinalis; Caryophyllaceae) und Shikakai-Pulver (Gleditsia sinensis; Leguminosae). Saponine sind amphipathische Glykoside mit hohem Molekulargewicht, die strukturell eine oder mehrere hydrophile Glykosideinheiten aufweisen, die mit einem lipophilen Triterpenderivat kombiniert sind. Vor allem in der pharmazeutischen Industrie haben Saponine aufgrund ihrer vielfältigen biologischen Eigenschaften, einschließlich ihrer Fähigkeit, eine Immunantwort zu stimulieren, viel Aufmerksamkeit erregt und sind somit die besten Kandidaten für Adjuvantien.

Alles, was Sie über die Ultraschallextraktion wissen müssen

Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE), auch Sonoextraktion, ist eine hocheffiziente, grüne Extraktionsmethode, um bioaktive Substanzen wie Proteine, Vitamine, Polyphenole, natürliche Pigmente, Lipide etc. aus Pflanzenmatrices zu isolieren. Die Ultraschallextraktion basiert auf dem Funktionsprinzip der akustischen Kavitation.
Wenn intensive Ultraschallwellen auf Flüssigkeitssysteme angewendet werden, tritt akustische Kavitation auf, die das Phänomen der Erzeugung, des Wachstums und des eventuellen Kollapses von Vakuumblasen ist (siehe Bild unten). Während der Ausbreitung der Ultraschallwellen schwingen und wachsen die Vakuumblasen, bis sie einen Punkt erreichen, an dem sie keine weitere Energie aufnehmen können. Auf dem Höhepunkt des Blasenwachstums kollabieren sie heftig, was lokal thermische, mechanische und chemische Effekte verursacht. Zu den mechanischen Effekten gehören hohe Drücke von bis zu 1000atm, Turbulenzen und intensive Scherkräfte. Diese Kräfte stören die Zellwände und fördern den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und den lösungsmittelfreien bioaktiven Verbindungen in die umgebende Flüssigkeit (d.h. Lösungsmittel).

Die ultraschall-akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, die die als Lyse bezeichneten Zellwände öffnen (Zum Vergrößern anklicken!).

Die Ultraschallextraktion basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften.

Die Ultraschall-Feststoff-Flüssigkeitsextraktion von Verbindungen aus Pflanzen- und Zellgewebe wurde gut untersucht. Die Anwendung von hochintensiven Ultraschallwellen fördert die Extraktionsprozesse erheblich. Neben der Prozessintensivierung – was zu höheren Ausbeuten und kürzeren Extraktionszeiten führt. – Thermischer Abbau und Verlust temperaturempfindlicher Bestandteile wird verhindert, da die Ultraschallbehandlung nicht thermisch erfolgt. Darüber hinaus hat die Ultraschallextraktion niedrige Investitions- und Betriebskosten, reduziert den Einsatz von Lösungsmitteln und/oder ermöglicht den Einsatz umweltfreundlicherer Lösungsmittel, was sie zu einer wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Extraktionstechnik macht. Im Vergleich zu herkömmlichen Extraktionsmethoden wurde die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) aus der Lebensmittelindustrie übernommen, um Bioaktivstoffe mit wirtschaftlichem Gewinn herzustellen.

Ultraschalldisruptoren werden für Extraktionen aus Phytoquellen (z.B. Pflanzen, Algen, Pilze) eingesetzt.

Ultraschallextraktion aus Pflanzenzellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkungsmechanismus der Ultraschallextraktion aus Zellen (Vergrößerung 2000x)[Ressource: Vilkhu et al. 2011].

Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallgeräte für die Extraktion von Phytochemikalien aus Pflanzenstoffen her.

Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- über den Pilot- bis zum industriellen Maßstab.