Hielscher Ultraschalltechnik

Lösungsmittelfreie Knoblauchextraktion mittels Ultraschall

Knoblauch (Allium sativum) ist reich an schwefelorganischen Verbindungen (z.B. Allicin, Glutathion), die für ihre gesundheitsfördernde Wirkung bekannt sind. Die Ultraschallextraktion ist eine zuverlässige und effiziente Technik zur Herstellung hochkonzentrierter Knoblauchextrakte. Die Ultraschall-Extraktion führt zu hohen Erträgen an qualitativ hochwertigen Vollspektrum-Extrakten innerhalb einer sehr kurzen Extraktionszeit.

Ultraschall-Extraktion

Das Funktionsprinzip der Ultraschall-Extraktion (auch als Sono-Extraktion bekannt) beruht auf dem Phänomen der akustischen Kavitation. Die durch Ultraschall erzeugte Kavitation erzeugt hohe Scherkräfte, Mikroturbulenzen, Flüssigkeitsstrahlen sowie lokal begrenzt extreme Temperatur- und Druckunterschiede. Die mechanischen Effekte des Hochleistungs-Ultraschalls schließen Zellwände auf, fördern das Eindringen von Lösungsmittel in das Zellinnere und erhöhen den Massentransfer. Als nicht-thermisches Extraktionsverfahren wird bei der Ultraschllextraktion der thermische Abbau bioaktiver Verbindungen vermieden. Die Prozessparameter des Ultraschalls lassen sich exakt auf den Rohstoff und die extrahierten Substanzen abstimmen, so dass eine hohe Extraktqualität gewährleistet ist.

Lösungsmittelfreie Allicin-Extraktion mittels Ultraschall

Knoblauch - Ultraschall-Extraktion führt zu hohen Erträgen und überlegener Qualität schwefelhaltiger Moleküle aus KnoblauchAllicin ist das am häufigsten vorkommende Thiosulfinat-Molekül in Knoblauchextrakt. Allicin weist antibakterielle, antivirale, antimykotische, antiprotozoische, antikarzinomatöse und hypoglykämische Wirkungen auf und ist zudem dafür bekannt, die kardiovaskuläre Gesundheit und das Immunsystem zu unterstützen. Die pharmakologischen Aktivitäten des Knoblauchs entstehen vor allem durch die Thiol-Disulfid-Austauschreaktionen mit den thiolhaltigen Proteinen.
Für die Herstellung hochkonzentrierter Knoblauchextrakte mit einem hohen Gehalt an schwefelorganischen Verbindungen ist die Ultraschallextraktion eine zuverlässige und effiziente Technik zur Isolierung von Thiolen und anderen bioaktiven Substanzen aus Knoblauch. Durch die Ultraschall-Extraktion werden die Thiole aus dem Inneren der Knoblauchzellen freigesetzt und ermöglichen die Herstellung eines Vollspektrum-Extrakts mit Knoblauch-Biomolekülen. Für die Ultraschallextraktion von Knoblauch kann Wasser als ungiftiges, kostengünstiges und umweltfreundliches Lösungsmittel verwendet werden.

Die Ultraschall-Knoblauchextraktion ergibt hohe Ausbeuten an Allicin und anderen schwefelorganischen Verbindungen.

Querschnitt durch eine Knoblauchzehe vor und nach der Beschallung
Studie und Bilder von Bose et al. 2014

Ultraschallprozessor UIP2000hdT (2kW) mit gerührtem Reaktor

Ultraschallhomogenisator UIP2000hdT (2kW) mit kontinuierlich gerührtem Batch-Reaktor

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Protokolle zur ultraschall-gestützen Allicin-Extraktion

Arzanlou et al. (2010) berichten über die Ultraschallextraktion von Allicin aus Knoblauch mit Wasser als Lösungsmittel. Sie verwendeten 20 g von Hand zerdrückte Knoblauchzehen. Sie beschallten den mazerierten Knoblauch 5 Minuten lang mit einem Hielscher UP200S (200 Watt) Ultraschallgerät bei 100 % Amplitude in 600 ml destilliertem Wasser. Um die Temperatur niedrig zu halten, wurde das Probengefäß in einem Eisbad plaziert. Nach der Ultraschallextraktion wurde der Knoblauchbrei durch einen fünflagigen Käsetuchfilter gepresst. Die Suspension wurde in ein 50mL-Röhrchen gefüllt und bei 1258g bei 4ºC für 20 min zentrifugiert, um die restlichen Rückstände von der Flüssigkeit zu trennen. Der Überstand wurde in ein steriles 50mL-Röhrchen überführt und für die Lagerung verschlossen.

Ismail et al. (2014) berichten über die effiziente Ultraschall-Extraktion der schwefelhaltigen Biomoleküle Cystein und Glutathion aus Knoblauchzwiebeln. Sie wandten die wasserbasierte Ultraschallextraktion an, um Thiole aus Knoblauchzwiebeln mit Hilfe eines UP100H bei 100% Amplitudeneinstellung zu extrahieren. Sie fanden heraus, dass die optimale Knoblauchkonzentration 10% (w/v) in einer offenen Batch-Extraktion betrug. Die Quantifizierung der Thiole erfolgte mit Hilfe der Ellman'schen Reagensmethode. Sie erhielten eine Extraktausbeute von 0,170 mM Thiolen. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass die Extraktion mit Ultraschall auf Wasserbasis eine einfache, sichere und kostengünstige Methode zur Isolierung von Thiolen aus Knoblauch ist.

Bose et al. (2014) verglichen die Ultraschall-Sonotroden-Extraktion mit der traditionellen Mazeration, der Extraktion im Ultraschallbad und der Mikrowellenextraktion. Die Ergebnisse zeigten, dass die Extraktion mit einer Ultraschallsonotrode (Ultraschallstab) die höchsten Allicin-Ausbeuten erbrachte.

Ultraschall-Extraktion von getrocknetem Ingwer

Vorteile der ultraschall-gestützten Knoblauchextraktion

  • Lösemittelfrei / auf Wasserbasis
  • hohe Extraktionsausbeute
  • Hochwertige Extrakte
  • nicht-thermisch
  • Vollspektrum-Extrakte
  • schnelles Verfahren
  • Grün, umweltfreundlich
  • einfacher und sicherer Betrieb
  • Geringer Wartungsaufwand
  • schneller ROI

Leistungsstarke Ultraschall-Extraktoren

Die Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zur kommerziellen Herstellung von hochwertigen Pflanzenextrakten eingesetzt, welche als Lebensmittelzusatzstoffe, Nahrungsergänzungsmittel und Therapeutika verwendet werden. Egal ob es Ihr Ziel ist, kleinere Chargen Knoblauchextrakte herzustellen oder große Mengen hochwertiger Pflanzenextrakte zu verarbeiten, Hielscher Ultrasonics hat den idealen Ultraschall-Extraktor für Sie.

Wettbewerbsvorteile durch Ultraschall-Extraktion

Zu den Hauptvorteilen der Ultraschall-Extraktion bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Materialien wie z.B. Knoblauch gehören die erheblich verkürzte Extraktions- und Verarbeitungszeit, die Umweltfreundlichkeit aufgrund der wasser-basierten Extraktion (bzw. ein deutlich reduzierter Lösungsmittelverbrauch), ein vernachlässigbar geringer CO2Ausstoß, der geringe Energieverbrauch sowie der einfache und sichere Betrieb der Ultraschallsysteme.

Prozess-Standardisierung mit Hielscher Ultrasconics

Extrakte, die in Lebensmitteln oder Pharmazeutika verwendet werden, sollten in Übereinstimmung mit den Good Manufacturing Practices (GMP) und unter standardisierten Verarbeitungsspezifikationen hergestellt werden. Die digitalen Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind mit einer intelligenten Software ausgestattet, mit der sich der Beschallungsprozess einfach und präzise einstellen und steuern lässt. Die automatische Datenprotokollierung schreibt alle Ultraschall-Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur, Druck (wenn Temperatur- und Drucksensoren montiert sind) mit Datum und Zeitstempel auf die integrierte SD-Karte. Dies erlaubt Ihnen, jede mit Ultraschall verarbeitete Charge zu prüfen. Gleichzeitig wird die Reproduzierbarkeit und eine gleichbleibend hohe Produktqualität gewährleistet. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
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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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur / Literaturhinweise



Wissenswertes

Knoblauch und sein gesundheitlicher Nutzen

Knoblauch ist reich an Biomolekülen, welche dem Knoblauch seine Wirksamkeit als Heilpflanze und Nahrungsergänzungsmittel verleihen. 200 verschiedene Verbindungen tragen zu den vielen positiven Auswirkungen des Knoblauchs auf die Gesundheit bei. Knoblauchzehen haben einen aussergewöhnlich hohen Gehalt an schwefelorganischen Verbindungen wie Alliin, Allicin und γ-Glutamylcystein-Verbindungen, z.B. γ-Glutamyl-S-Allylcystein, γ-Glutamyl-S-trans-1-Propenylcystein. Knoblauch enthält mindestens viermal mehr Schwefel als andere schwefelreiche Gemüse wie Zwiebel, Brokkoli und Blumenkohl. Diese schwefelhaltigen Verbindungen verleihen dem Knoblauch seinen scharfen Geruch und Geschmack.
Schwefelhaltige Biomoleküle werden als Sulfhydrylverbindungen bezeichnet und gehören zur Gruppe der Thiole. Sie kommen in allen Geweben und Zellen des menschlichen Körpers vor und spielen bei vielen lebenswichtigen biochemischen Reaktionen eine entscheidende Rolle. Cystein und Glutathion (GHS) sind zwei wichtige Thiole, die in Knoblauch zu finden sind. Cystein ist eine schwefelhaltige Aminosäure, die eine chemisch sehr reaktive Sulfhydrylgruppe aufweist. Glutathion (GHS), ein Tripeptid, das aus den Aminosäuren Glutamat, Cystein und Glycin besteht, ist die allgegenwärtigste niedermolekulare Sulfhydrylverbindung im menschlichen Körper. Glutathion wirkt als Super-Antioxidans und hat eine lebenswichtige Funktion im menschlichen Körper (z.B. Immunsystem).

Allicin

Allicin ist eines der wichtigsten Biomoleküle im Knoblauch mit verschiedenen gesundheitsfördernden Wirkungen. Allicin ist nicht in der intakten Knoblauchzehe vorhanden, sondern wird beim Schneiden oder Zerkleinern des Knoblauchs synthetisiert. Durch Mazeration des Knoblauchgewebes wird ein Enzym namens Allinase aktiviert. Das Allinase-Enzym leitet die Umwandlung der Aminosäure Alliin in Allicin und andere Allylthiosulfinate ein. Die Bildung von Allicin ist ein schneller Prozess, der bereits innerhalb weniger Sekunden nach dem Zerdrücken einer frischen Knoblauchknolle abgeschlossen ist.