Ultraschallextraktion von Quercetin

Quercetin gehört zu den am intensivsten untersuchten pflanzlichen Polyphenolen und wird für seine antioxidative Wirkung sowie seine Rolle in Nahrungsergänzungsmitteln, funktionellen Lebensmitteln und Nutrazeutika geschätzt. Da Quercetin und seine Glykoside (z. B. Rutin, Isoquercetin) wärme- und oxidationsempfindlich sind, erfordert die Herstellung eines hochreinen Extrakts ein effizientes, zugleich aber schonendes, nichtthermisches Extraktionsverfahren. Genau hier spielt die Ultraschallextraktion von Quercetin ihre Stärken aus.

Hochleistungsultraschall für hochwertige Quercetinextrakte

Die ultraschallgestützte Extraktion (UAE) nutzt leistungsstarken, niederfrequenten Ultraschall, um pflanzliche Zellwände mechanisch aufzuschließen und den Stofftransport erheblich zu steigern. Dadurch wird Quercetin innerhalb von Minuten statt Stunden in das Lösungsmittel freigesetzt. Im Vergleich zur Mazeration, Soxhlet-Extraktion oder wärmegestützten Digestion erzielt die Ultraschallextraktion höhere Ausbeuten, kürzere Verarbeitungszeiten, einen geringeren Lösungsmittelbedarf und eine besser erhaltene Bioaktivität – das macht sie zu einer attraktiven Option für Labore, Pilotanlagen und die industrielle Herstellung von Pflanzen- und Polyphenolextrakten.

Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Zellstruktur: Der ultraschallinduzierte Aufschluss der Zellwände ermöglicht die Freisetzung von Quercetin und Rutin aus Euonymus alatus.
Bild und Studie: ©Yang und Zhang, 2008.

Warum Quercetin ein schonendes Extraktionsverfahren erfordert

Quercetin kommt in vielen Obst- und Gemüsesorten sowie Kräutern vor – darunter Äpfel, Zwiebeln, Beeren, Tee, Trauben und Blattgemüse. Als Polyphenol beziehungsweise Flavonol kann es sich bei längerer Wärmeeinwirkung, unter stark alkalischen Bedingungen oder bei langem Kontakt mit Lösungsmitteln zersetzen. Dies verringert die Ausbeute und beeinträchtigt die Qualität des fertigen Extrakts. Ein schonendes, nichtthermisches Verfahren mit kurzer Dauer hilft daher, sowohl die Menge als auch die funktionelle Qualität (antioxidative Kapazität) des extrahierten Quercetins zu erhalten.

So funktioniert die Ultraschallextraktion von Quercetin

Die Rolle der akustischen Kavitation: Ultraschall hoher Intensität erzeugt mikroskopisch kleine Kavitationsblasen in der Flüssigkeit. Ihr implosiver Kollaps erzeugt lokale Hotspots, Scherkräfte und Mikrostrahlen, die pflanzliche Zellwände aufbrechen und Gewebematrizen auflösen. Dadurch werden die Zellkompartimente geöffnet, in denen Quercetin gespeichert ist, und seine Diffusion in das umgebende Lösungsmittel wird beschleunigt. So wird der Wirkstoff schneller und vollständiger freigesetzt.

Typischer Prozessablauf der Ultraschallextraktion von Quercetin

1. Vorbereitung: Mahlen, schneiden oder gefriertrocknen Sie das pflanzliche Rohmaterial (z. B. Blätter, Schalen, Samen), um die Oberfläche zu vergrößern.
2. Auswahl des Lösungsmittels: Wählen Sie ein umweltfreundliches Lösungsmittel in Lebensmittelqualität wie Wasser, Ethanol oder ein Wasser–Ethanol-Gemisch.
3. Ultraschallbehandlung: Extrahieren Sie im Chargenbetrieb (unter Rühren) oder im kontinuierlichen Betrieb mit einer Durchflusszelle für 5–30 Minuten.
4. Abtrennung: Filtrieren oder zentrifugieren Sie den Extrakt und gewinnen Sie die quercetinreiche Flüssigkeit.
5. Konzentrierung / Reinigung: Trocknen, fällen oder reinigen Sie das Produkt bei Bedarf.

Hinweis: Die konkreten Zeiten, Amplituden und Lösungsmittelverhältnisse hängen von der Pflanzenart und der zu extrahierenden Matrix ab – unsere Prozessexperten helfen Ihnen, die Prozessparameter für Ihren Rohstoff zu optimieren.

Fallstudie: Ultraschallgestützte Quercetinextraktion

Sharifi et al. (2017) haben gezeigt, dass die Ultraschallextraktion eine wirksame und praktische Methode ist, um Flavonoide wie Quercetin aus Heilpflanzen zu extrahieren. Sie verwendeten den Hielscher UP400St (400W, siehe Abbildung links) bei einer Amplitudeneinstellung von 50%. Die Blätter von Rettich (Raphanus Sativus) wurden in Methanol gegeben und 10 min. lang beschallt, wodurch eine Quercetinausbeute von 11,8% erzielt wurde. Die ultraschallgestützte Extraktion ist konventionellen Verfahren wie Mazeration, Soxhlet-Extraktion und thermischer Digestion überlegen. Sie zeichnet sich durch höhere Ausbeuten, deutlich kürzere Extraktionszeiten und einen geringeren Lösungsmittelbedarf aus. Die Anwendung von Ultraschallwellen erzeugt Kavitation, die die Zellwände des Pflanzenmaterials aufschließt und den Stofftransport fördert. Dadurch ist die Ultraschallextraktion wirksamer als herkömmliche Methoden und zeichnet sich bei der Extraktion von Quercetin aus organischen Matrizen aus. Obwohl die Ultraschallextraktion nur 10 min. benötigte – verglichen mit Extraktionszeiten von 24hrs für die Mazeration, 60min. für die thermische Digestion und 24hrs für die Soxhlet-Extraktion –, war die durch Ultraschall extrahierte Quercetinmenge höher als bei Digestion, Mazeration und Soxhlet-Extraktion.

Die Ultraschallextraktion (UAE) erzielt im Vergleich zu konventionellen Extraktionsmethoden deutlich höhere Quercetinausbeuten bei kürzeren Extraktionszeiten.
Quelle: Sharifi et al., 2017

Geräte für die Ultraschallextraktion

Hielscher Ultrasonics ist auf die Herstellung leistungsstarker Ultraschallprozessoren zur Gewinnung hochwertiger Pflanzenextrakte spezialisiert.
Hielscher bietet ein breites Produktportfolio, das von kleinen, leistungsstarken Laborultraschallgeräten bis hin zu robusten Tischgeräten und vollindustriellen Systemen reicht. Diese liefern Ultraschall hoher Intensität für die effiziente Extraktion und Isolierung bioaktiver Substanzen (z. B. Polyphenole, Gingerol, Piperin, Curcumin usw.). Alle Ultraschallgeräte von 200 Watt bis 16.000 Watt verfügen über ein Farbdisplay zur digitalen Steuerung, eine integrierte SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, eine Fernsteuerung über den Browser und viele weitere benutzerfreundliche Funktionen. Die Sonotroden und Durchflusszellen (die mit dem Medium in Kontakt stehenden Teile) 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 die benutzerfreundliche Steuerung des Ultraschallgeräts, sodass sich der Prozess präzise einstellen lässt. Unsere Systeme können niedrige bis sehr hohe Amplituden bereitstellen. Für die Extraktion von Polyphenolen wie Quercetin bieten wir spezielle Ultraschallsonotroden (auch als Ultraschallsonden oder Ultraschallhörner bezeichnet) an, die für die schonende Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Dank ihrer Robustheit ermöglichen Ultraschallgeräte von Hielscher den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die präzise Steuerung der Ultraschallprozessparameter gewährleistet Reproduzierbarkeit und Prozessstandardisierung.