Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-gestützte Terpenextraktion

  • Caryophyllenoxid ist ein Terpen, das in Cannabis, Hopfen, Pfeffer, Basilikum und Rosmarin vorkommt.
  • Als Wirkstoff wird das Terpen-Caryophyllenoxid als Aromazusatz und Nahrungsergänzungsmittel verwendet.
  • Die Ultraschallextraktion liefert nachweislich hohe Erträge an Caryophyllenoxid, z.B. aus Cannabis und Hopfen.

Verwendung von Caryophyllenoxid

Caryophyllenoxid zeichnet sich durch seinen aromatischen Geruch und Geschmack (z.B. Kräuter) aus. Aufgrund seines intensiven aromatischen Geruchs und Geschmacks wird es häufig als Aromazusatz in Lebensmitteln sowie als Duftkomponente eingesetzt. Darüber hinaus hat es auch die Fähigkeit, sich mit den endokrinen CB2-Rezeptoren im menschlichen Körper zu verbinden, was es zu einer interessanten pharmazeutischen Komponente macht.

Ultraschall-Extraktion aus Hopfen

Ultraschallextraktion von Caryophyllenoxid

Die Ultraschallextraktion ist eine ausgezeichnete Technik, um hohe Ausbeuten an Caryophyllenoxid zu erzielen, z.B. aus Cannabis und Hopfen. Lesen Sie mehr über akustische Kavitationdas aktive Prinzip der Ultraschallextraktion!
Als Beispiel wurde β-Caryophyllenoxid mit dem Ultraschallgerät ultraschallgetrennt. UP100H (100W, 30kHz) aus getrockneten Hopfenknospen.
Die GC-Analysedaten zeigen die Extraktionsausbeute von β-Caryophyllenoxid, extrahiert mit Hielscher's UP100H aus dem Hopfen.

UP400St mit Rührwerk für die Extraktion von Cannabinoiden.

UP400St – 400W leistungsstarker Ultraschallprozessor zur Extraktion mit Rührwerk

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GC-Analyse von Ultraschall-Caryophyllenoxid-Extrakt aus Hopfenknospen

Gaschromatographische Analyse von Ultraschall-Hopfenextrakt: β-Caryophyllenoxid, α-Caryophyllen, α-Pinen, Mycrol, Limonen, α-Caryophylen, Caryophyllenoxid und andere.

Neben β-Caryophyllenoxid wurden weitere Terpene wie α-Caryophyllen, α-Pinen, Mycrol, Limonen und α-Caryophylen erfolgreich extrahiert.

Protokoll der Ultraschallextraktion:

Der Hopfen wurde mit einer herkömmlichen Kaffeemühle gemahlen, um eine homogenere Partikelgröße der Hopfenprobe zu erhalten.
4,5 mg Hopfen wurden in ein Fläschchen gegeben und dann 5 ml Ethanol hinzugefügt. Das Fläschchen wurde zur Wärmeabfuhr in ein Becherglas mit Eiswasser gestellt. Dann wurde die Probe mit einer Sonographie mit einem UP100H, ausgestattet mit der Sonotrode MS7, mit einer Amplitudeneinstellung von 50% für 90 Sekunden.

GC-Analysedaten für Hopfenextrakte (extrahiert durch Ultraschall)

Gaschromatographische Analyse von Ultraschall-Hopfenextrakt:

Die Sondierung gewährleistet einen hohen Stoffaustausch zwischen der Zellmatrix und dem Lösungsmittel, so dass eine sehr hohe Ausbeute an hochwertigem Extrakt erreicht wird.

Vorteile der Ultraschallextraktion

  • Hochwertige Extrakte (kein thermischer Abbau)
  • hohe Erträge
  • schnelles Verfahren
  • Schneller ROI
  • mildere Lösungsmittel
  • weniger Lösungsmittelverbrauch
  • sicher und einfach zu bedienen
  • Geringer Wartungsaufwand
  • grüne, umweltfreundliche Gewinnung

Die Ultraschallextraktion zeichnet sich durch eine grüne Extraktionsmethode aus, die es ermöglicht, den Extraktionsvorgang deutlich zu beschleunigen und gleichzeitig nur weniger Energie als andere konventionelle Extraktionsverfahren (z.B. überkritisches CO2) zu benötigen, Soxhlet etc.). Weitere Vorteile, die mit dem Einsatz der Ultraschallextraktion verbunden sind, sind die einfache Handhabung des Ultraschallextraktionsers, der schnelle Prozess, keine chemischen Abfälle, hohe Ausbeute, umweltfreundlich, verbesserte Qualität durch milde Verarbeitungsbedingungen und die Vermeidung von thermischem Abbau.

Ultraschall-Extraktoren

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick, welches Ultraschallgerät für Ihre Prozessanforderungen am besten geeignet ist.

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
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 UIP4000
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallgeräte her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisierer vom Labor- bis zum industriellen Maßstab.

Literatur

  • Selvamuthukumaran, M.; Shi, J. (2017): Jüngste Fortschritte bei der Extraktion von Antioxidantien aus der Verarbeitungsindustrie von pflanzlichen Nebenprodukten. Lebensmittelqualität und -sicherheit, 2017, 1, 61-81.
  • Suslick, K.S. (1990): Sonochemie. Wissenschaft 23. März 1990: Bd. 247, Ausgabe 4949, S. 1439-1445


Wissenswertes

Caryophyllene

Caryophyllen oder (-)-β-Caryophyllen, ist ein natürliches bicyclisches Sesquiterpen, das in vielen ätherischen Ölen enthalten ist. Die folgenden Kräuter sind als gute Quelle für Caryophyllen bekannt: CannabisHanf (Cannabis sativa), schwarzer Kümmel (Carum nigrum), Nelken (Syzygium aromaticum), Hopfen (Humulus lupulus), Basilikum (Ocimum spp.), Oregano (Origanum vulgare), schwarzer Pfeffer (Piper nigrum)Lavendel (Lavandula angustifolia), Rosmarin (Rosmarinus officinali) und Copaiba-Öl (Copaifera spp.). β-Caryophyllen ist ein Phytocannabinoid mit starker Affinität zum Cannabinoidrezeptor Typ 2 (CB 2), aber nicht zum Cannabinoidrezeptor Typ 1 (CB 1).

Caryophyllenoxid

Caryophyllenoxid (auch β-Caryophyllenoxid) ist das Oxidationsderivat von β-Caryophyllen und ist ein weißes kristallines Feststoffpulver mit einem Schmelzpunkt von ca. 62°C.
Es wird wegen seiner entzündungshemmenden, lokalanästhetischen und antioxidativen Wirkung geschätzt. Erste Untersuchungen deuten darauf hin, dass Caryophyllenoxid auch ein potenzielles Medikament zur Krebsbehandlung sein könnte. Caryophyllenoxid ist Teil des Cyclobutanrings, der bereits in der medizinischen Forschung zur Synthese des weit verbreiteten Chemotherapeutikums Carboplatin eingesetzt wird.
Caryophyllenoxid, bei dem das Olefin von Caryophyllen zu einem Epoxid geworden ist, ist eine zugelassene Komponente für die Aromatisierung von Lebensmitteln.
Sowohl β-Caryophyllen als auch β-Caryophyllenoxid weisen eine geringe Wasserlöslichkeit auf, was ihre Aufnahme in die Zelle behindert. Um diese Sesquiterpene als Arzneimittel oder Nahrungsergänzungsmittel zu verwenden, wird die Verkapselung in Liposomen die schlechte Löslichkeit dieser Sesquiterpene in wässrigen Flüssigkeiten zu überwinden und die Bioverfügbarkeit und Bioaktivität sicherzustellen. Klicken Sie hier, um mehr über die Ultraschallverkapselung von bioaktiven Verbindungen zu erfahren!

Caryophyllenoxid in Cannabis

In der Cannabispflanze Sativa findet man Caryophyllenoxid als Sesquiterpen, das aus drei Isopreneinheiten besteht. Caryophyllenoxid ist eines der größten und am häufigsten vorkommenden Terpene in der Cannabispflanze und ist für das unverwechselbare Aroma und den Geruch von Cannabis verantwortlich. Die Ultraschallextraktion wird erfolgreich eingesetzt, um die Produktion von Vollspektrum-Cannabidiol-Öleso dass die Entourage-Wirkung der vielfältigen Verbindungen gegeben ist.

Ultraschallkavitation

Wenn Hochleistungs-Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit eingebracht werden, treten in der Flüssigkeit Kompressions- und Expansionszyklen (Raritäten) auf. Bei der Verdünnung entstehen Hohlräume oder sogenannte Kavitationsblasen in einer Flüssigkeit. Diese Kavitationsblasen, die winzige Vakuumblasen sind, entstehen bei Ausübung des Unterdrucks, so dass die lokale Zugfestigkeit der Flüssigkeit überwunden wird. Die Vakuumblasen wachsen über mehrere Kompressions- / Verdünnungszyklen, bis sie nicht mehr Energie aufnehmen können und die Kavitationsblase einen sn-implosiven Kollaps erfährt. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Laut Prof. Suslicks Forschung (1990) herrschen in Kavitationsblasen extreme Bedingungen mit Temperaturen von bis zu 5000 K, Drücken von 1000 Atmosphären, Heiz-Kühlraten über 1010 K/s und Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 280m/s Geschwindigkeit, die als sehr hohe Scherkraft und Turbulenzen in der Kavitationszone auftreten. Die Kombination dieser Faktoren (Druck, Wärme, Scherung und Turbulenz) wird genutzt, um den Stoffaustausch im Extraktionsprozess zu beschleunigen. Darüber hinaus werden diese lokal auftretenden Bedingungen auch in Ultraschallprozessen wie Homogenisierung, Emulgierung oder Dispergierung genutzt.

Die Ultraschall- / akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, die die Kristallisations- und Fällungsprozesse fördern (Zum Vergrößern anklicken!).

Die Ultraschall-Extraktion basiert auf akustischer Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften

Ultraschall-Extraktion

Das Prinzip der Ultraschallextraktion basiert auf zwei Effekten, die entstehen, wenn Hochleistungs-Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit oder Aufschlämmung eingekoppelt werden:
Zunächst wird das Lösungsmittel (umgebendes flüssiges Medium) in die Zellmatrix gedrückt. Je nach Amplitude und Stärke der Kavitation wird die Zellwand durch den Flüssigkeitsdruck perforiert oder durchbrochen.
Zweitens wird während des Verdünnungszyklus der Zellinhalt (d.h. intrazelluläres Material) aus der inneren Zelle gespült. Nach der Ultraschallextraktion befinden sich die Zielverbindungen im Lösungsmittel und können vom Lösungsmittel getrennt werden (z.B. durch Verdampfen des Lösungsmittels), so dass schließlich ein reiner Extrakt erhalten wird.
Die Zusammensetzung des Rohmaterials (wie Feuchtigkeitsgehalt, Mazerations-/Mahlgrad und Partikelgröße) und das ausgewählte Lösungsmittel sind sehr wichtige Faktoren, um einen effizienten und effektiven Ultraschallextraktionsprozess zu erhalten. Auch die Ultraschallprozessparameter sind unerlässlich: Amplitude, Druck, Temperatur und Ultraschallzeit müssen ermittelt und für beste Ergebnisse optimiert werden.