Ultraschallextraktion von Tabak
Die konventionelle Tabakextraktion ist ein langsames, zeitaufwendiges Verfahren, bei dem giftige Lösungsmittel bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, was den Prozess gefährlich macht. Die ultraschallgestützte Extraktion von Alkaloiden aus Tabak lässt sich mit Wasser oder milden Lösungsmitteln in einem schnellen Verfahren innerhalb weniger Minuten durchführen. Alkaloide wie Nikotin werden durch Ultraschallextraktion schnell und hocheffizient aus Tabak freigesetzt. Das Verfahren liefert hohe Ausbeuten eines Vollspektrumextrakts, der Nikotin, Nornikotin, Chlorogensäure, 5-Caffeoylchinasäure, Rutin, Kaffeesäure, Scopoletin, Solanesol usw. enthält.
Ultraschallextraktion von Tabak
Die ultraschallgestützte Extraktion ist eine schnelle, effektive und einfach anzuwendende Extraktionsmethode, die auf dem Einsatz von Leistungsultraschall beruht. Intensive Ultraschallwellen erzeugen schnelle Mikrobewegungen und akustische Kavitation in Fest-Flüssig-Systemen (z. B. Pflanzenmaterial in einem Lösungsmittel, etwa Tabakblätter in Ethanol). Dies verbessert den Stofftransport und beschleunigt den Extraktionsprozess. Im Vergleich zu anderen fortschrittlichen Extraktionstechniken wie der Extraktion mit überkritischen Fluiden und der Ionenpaarextraktion ist die ultraschallgestützte Extraktion deutlich wirtschaftlicher, umweltfreundlicher, sicherer und einfacher anzuwenden. Daher ist die Ultraschallextraktion die bevorzugte Extraktionstechnik zur Freisetzung bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Rohstoffen.
Die Ultraschallextraktion liefert einen Breitspektrumextrakt, der Nikotin als Hauptalkaloid mit einem Anteil von 94–98% am Gesamtalkaloidgehalt des Tabaks sowie die Alkaloide Nornikotin, Anabasin, Anatabin, Cotinin und Myosmin enthält.
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Ultraschallgerät UP400St (400 Watt) zur Extraktion von Alkaloiden wie Nikotin, Nornikotin, Chlorogensäure usw. aus Tabakblättern.
Vollspektrum-Tabakextrakte durch Ultraschallbehandlung
Alkaloide wie Nikotin und Nornikotin, Chlorogensäure, phenolische Verbindungen, Solanesol und weitere bioaktive Verbindungen lassen sich durch Ultraschallextraktion schnell, effizient und sicher isolieren. Bei der konventionellen Tabakextraktion werden giftige Lösungsmittel wie Heptan bei hohen Temperaturen eingesetzt, was den Extraktionsprozess gefährlich macht. Der gesamte konventionelle Extraktionsprozess dauert etwa 24 h und ist damit sehr zeitaufwendig.
Die Ultraschallextraktion kann als Kaltwasserextraktion oder mit milden Lösungsmitteln wie Ethanol oder einem Ethanol-Wasser-Gemisch bei Raumtemperatur oder leicht erhöhten Temperaturen durchgeführt werden. Die Beschallung dauert nur wenige Minuten, wodurch die Extraktion zu einem schnellen Verfahren wird. Darüber hinaus ist der Prozess bei Verwendung von Wasser oder milden Lösungsmitteln vollkommen sicher und einfach durchzuführen.
Die durch Ultraschall hergestellten Vollspektrumextrakte enthalten das Hauptalkaloid Nikotin sowie die sekundären oder Nebenalkaloide wie Anabasin oder 3-(2-Piperidinyl)pyridin, Anatabin oder 3-(2-1,2,3,6-Tetrahydropyridyl)pyridin, Cotinin oder 1-Methyl-5-(3-pyridyl)-2-pyrrolidinon), 2,3’-Dipyridyl oder Isonicotein, N-Formylnornikotin oder 2-(3-Pyridyl)pyrrolidincarbaldehyd, Myosmin oder 3-(1-Pyrrolin-2-yl)pyridin, Nornikotin oder 3-(Pyrrolidin-2-yl)pyridin und beta-Nicotyrin oder 3-(1-Methylpyrrol-2-yl)pyridin.
Der Gehalt dieser Alkaloide variiert je nach Tabakart und Tabakprodukt. Während Nikotin mit 94–98% des Gesamtalkaloidgehalts das Hauptalkaloid ist, sind Nornikotin und Anatabin die beiden häufigsten Nebenalkaloide. Sie machen jeweils etwa 2% bis 6% des Gesamtalkaloidgehalts von Tabak aus.
- Höhere Ausbeute
- Hohe Qualität
- Schnelle Extraktion
- Schonendes, nichtthermisches Verfahren
- Wasser oder Lösungsmittel
- Einfache und sichere Bedienung
Wählen Sie aus einer breiten Auswahl an Lösungsmitteln
Bei der Ultraschallextraktion können Sie zwischen verschiedenen Lösungsmitteln wählen, darunter Wasser, Alkohol, Ethanol, Methanol, Ethanol-Wasser-Gemische oder starke Lösungsmittel wie Heptan oder Hexan. Alle zuvor genannten Lösungsmittel wurden bereits erfolgreich getestet und haben sich bei der Isolierung bioaktiver Verbindungen wie Alkaloiden, Terpenoiden, phenolischen Verbindungen und Solanesol aus Tabakpflanzenmaterial als wirksam erwiesen. Die Beschallung kann bei der lösungsmittelfreien Kaltwasserextraktion eingesetzt werden (z. B. zur Herstellung von Bioextrakten) oder mit einem Lösungsmittel Ihrer Wahl kombiniert werden.
Erfahren Sie mehr über Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion aus pflanzlichen Rohstoffen!
Erfahren Sie mehr über die durch Ultraschall intensivierte Hexanextraktion!
Ultraschallextraktion von Nikotin aus Tabakblättern mit dem Ultraschallgerät UP200Ht
Hochleistungs-Ultraschallextraktoren
Die Ultraschallgeräte von Hielscher werden häufig als Extraktionswerkzeuge zur Isolierung bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Rohstoffen eingesetzt. Da Hielscher Ultraschallextraktoren für alle Prozessmaßstäbe anbietet, kann das Unternehmen Ihnen das für Ihre Anforderungen am besten geeignete Ultraschallsystem empfehlen. Angefangen bei kompakten, aber leistungsstarken Laborsystemen für Analysen und Machbarkeitsprüfungen bietet Hielscher das gesamte Spektrum von Ultraschallgeräten für Labor und Technikum bis hin zu Ultraschallreaktoren für den industriellen Maßstab. Mit seinem umfassenden Angebot an Ultraschallprozessoren bietet Hielscher die ideale Ausstattung für Ihren Extraktionsprozess. Je nach Prozessvolumen und Zielsetzung kann die Ultraschallextraktion im Chargenbetrieb oder im kontinuierlichen Durchfluss erfolgen. Vielfältiges Zubehör wie Sonotroden, Boosterhörner, Durchflusszellen und Reaktoren ermöglicht es, den Ultraschallprozessor optimal auf die Prozessziele abzustimmen.
Die Ultraschallprozessoren von Hielscher lassen sich präzise steuern. Die Prozessdaten werden automatisch auf der integrierten SD-Karte unserer digitalen Ultraschallsysteme aufgezeichnet. Die zuverlässige Kontrolle der Prozessparameter gewährleistet eine gleichbleibend hohe Produktqualität. Die automatische Aufzeichnung der Prozessparameter ermöglicht eine einfache Prozessstandardisierung und die Einhaltung der Guten Herstellungspraxis (GMP).
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen. Die einfache und sichere Bedienung sowie der geringe Wartungsaufwand machen die Ultraschallsysteme von Hielscher zu zuverlässigen Arbeitspferden in Ihrer Produktion.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 0,5 bis 1,5 mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 bis 500 mL | 10 bis 200 mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000 mL | 20 bis 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20 L | 0,2 bis 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 L | 2 bis 10 L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 bis 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- über den Technikums- bis zum Industriemaßstab.
UIP2000hdT, ein Hochleistungs-Ultraschallgerät mit 2 kW Leistung
Literatur/Quellen
- Esclapez, M.D.; García-Pérez, J.V.; Mulet, A.; Cárcel, J.A. (2011): Ultrasound-Assisted Extraction of Natural Products. Food Engineering Reviews, Volume 3, 2011. 108–120.
- Vinatoru, M. (2001): An overview of the ultrasonically assisted extraction of bioactive principles from herbs. Ultrasonics Sonochemistry 8(3):303-13.
- Chen, P.X.; Qian, N.; Burton, H.R.; Moldoveanu, S.C. (2005): Analysis of Minor Alkaloids in Tobacco: A Collaborative Study. Contributions to Tobacco Research, Vol. 21, No.7, 2005.
- Yuegang Zuo, Liliang Zhang, Jingping Wu, Johnathan W. Fritz, Suzanne Medeiros, Christopher Rego (2004): Ultrasonic extraction and capillary gas chromatography determination of nicotine in pharmaceutical formulations. Analytica Chimica Acta, Volume 526, Issue 1, 2004. 35-39.
Wissenswertes
Warum ist die Ultraschallextraktion so effektiv?
Ultrasonically-assisted extraction (UAE) beruht auf der Einkopplung hochintensiver Ultraschallwellen (akustischer Wellen) in eine Flüssigkeit oder Suspension. Die akustischen Wellen erzeugen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen, die zum Phänomen der akustischen Kavitation führen. Ultraschallkavitation beziehungsweise akustische Kavitation ist durch extreme, lokal begrenzte Bedingungen mit sehr hohen Drücken, Temperaturen und Scherkräften gekennzeichnet. In der Nähe implodierender Kavitationsblasen lassen sich Temperaturen von bis zu 5000 K, Drücke von 1000 Atmosphären, Aufheiz- und Abkühlraten von über 1010 K/s sowie Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280 m/s messen, die sich als sehr hohe Scherkräfte und Turbulenzen in der Kavitationszone äußern. Die Kombination dieser Faktoren (Druck, Wärme, Scherung und Turbulenz) schließt Zellen auf (Lyse) und intensiviert den Stofftransport während des Extraktionsprozesses. Dadurch wird die Fest-Flüssig-Extraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe aus Pflanzenzellen gefördert. Die Ultraschallextraktion wird häufig zur erfolgreichen und effizienten Extraktion von Flavonoiden, Polysacchariden, Alkaloiden, Phytosterolen, Polyphenolen und Pigmenten aus Pflanzen eingesetzt.
Ultraschallextraktion aus Pflanzenzellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkmechanismus bei der Ultraschallextraktion aus Zellen (Vergrößerung 2000x) [Quelle: Vilkhu et al. 2011]
Tabak
Verschiedene Pflanzen der Gattung Nicotiana aus der Familie der Solanaceae (Nachtschattengewächse) werden als Tabakpflanzen bezeichnet. Neben der üblichen Bezeichnung für die Pflanze beschreibt Tabak auch die Produkte, die aus den getrockneten und aufbereiteten Blättern der Tabakpflanze hergestellt werden. Während Nicotiana tabacum die wichtigste Kulturpflanze für die Tabak- und Nikotinproduktion ist, gibt es über 70 Tabakarten. N. tabacum ist die vorherrschende Art für Tabakprodukte. Die stärker wirksame Variante N. rustica ist jedoch weltweit verbreitet und wird zur Herstellung von Pestiziden verwendet. Beim Vergleich des Nikotingehalts weisen die Blätter von N. rustica bis zu 9% Nikotin auf, während die Blätter von N. tabacum etwa 1 bis 3% enthalten.
Tabak enthält das stimulierende Alkaloid Nikotin sowie Harmala-Alkaloide. Getrocknete und aufbereitete Tabakblätter werden hauptsächlich zum Rauchen in Zigaretten, Zigarren, Pfeifen, Shishas sowie E-Zigaretten, E-Zigarren, E-Pfeifen und Verdampfern verwendet. Alternativ können sie als Schnupftabak, Kautabak, Dipping-Tabak und Snus konsumiert werden.
Die Familie der Tabakpflanzen umfasst verschiedene Arten und Unterarten mit unterschiedlichen Alkaloid- und Geschmacksprofilen.
Orienttabak (Nicotiana tabacum L.) ist eine Tabakart, die hauptsächlich in der Türkei, in Griechenland und in benachbarten Gebieten angebaut und zur kommerziellen Herstellung von Zigaretten, Zigarren und Kautabak verwendet wird. Er hat einen ausgeprägten charakteristischen Geschmack, einen relativ niedrigen Nikotingehalt sowie einen hohen Gehalt an reduzierenden Zuckern, Säuren und flüchtigem Aromaöl, das den Tabakprodukten ein intensives Aroma verleiht.
Es sind 67 natürliche Tabakarten bekannt. Nachfolgend sind die häufigsten Arten aufgeführt:
- Nicotiana acuminata (Graham) Hook. – Vielblütiger Tabak
- Nicotiana africana Merxm.
- Nicotiana alata Link & Otto – Geflügelter Tabak, Jasmin-Tabak, Tanbaku (persisch)
- Nicotiana attenuata Torrey ex S. Watson – Kojotentabak
- Nicotiana benthamiana Domin
- Nicotiana clevelandii A. Gray
- Nicotiana glauca Graham – Baumtabak, Brasilianischer Baumtabak, Strauchtabak, Senfbaum
- Nicotiana glutinosa L.
- Nicotiana langsdorffii Weinm.
- Nicotiana longiflora Cav.
- Nicotiana occidentalis H.-M. Wheeler
- Nicotiana obtusifolia M. Martens & Galeotti – Wüstentabak, Punche, „Tabaquillo“
- Nicotiana otophora Griseb.
- Nicotiana plumbaginifolia Viv.
- Nicotiana quadrivalvis Pursh
- Nicotiana rustica L. – Aztekentabak, Mapacho
- Nicotiana suaveolens Lehm. – Australischer Tabak
- Nicotiana sylvestris Speg. & Comes – Südamerikanischer Tabak, Waldtabak
- Nicotiana tabacum L. – kommerziell angebauter Tabak zur Herstellung von Zigaretten, Zigarren, Kautabak usw.
- Nicotiana tomentosiformis Goodsp.
Die drei folgenden Arten sind vom Menschen erzeugte Hybriden:
- Nicotiana × didepta N. debneyi × N. tabacum
- Nicotiana × digluta N. glutinosa × N. tabacum
- Nicotiana × sanderae Hort. ex Wats. N. alata × N. forgetiana
Tabaksorten
Die Trocknung und der anschließende Reifungsprozess der Tabakblätter bewirken eine langsame Oxidation und einen Abbau der im Tabakblatt vorhandenen Carotinoide. Durch die Oxidation werden bestimmte Verbindungen in den Tabakblättern synthetisiert, die süßliche Heu-, Tee-, Rosenöl- oder fruchtige Aromanoten erzeugen und zur „Milde“ des Rauchs beitragen. Stärke wird in Zucker umgewandelt, die anschließend Proteine glykieren und zu fortgeschrittenen Glykierungsendprodukten (AGEs) oxidiert werden. Dies ist ein Karamellisierungsprozess, der dem Rauch ebenfalls seinen Geschmack verleiht.
Die Aufbereitung und das Trocknungsverfahren des Tabaks beeinflussen seine endgültigen Aromaeigenschaften. Die Trocknung kann an der Luft, über Feuer, durch indirekte Heißluft oder in der Sonne erfolgen. Beispielsweise enthält mit indirekter Heißluft getrockneter Tabak (z. B. aus Frankreich) nur geringe Mengen an Alkaloiden, während luftgetrockneter Burley-Tabak (z. B. aus Guatemala) für seinen hohen Alkaloidgehalt bekannt ist.