Ultraschall-gestützte Tabak-Extraktion
Die konventionelle Tabakextraktion ist ein langsamer, zeitaufwendiger Prozess, bei dem giftige Lösungsmittel bei hohen Temperaturen verwendet werden, wodurch der Prozess gefährlich ist.
Die ultraschallunterstützte Extraktion von Alkaloiden aus Tabak kann mit Wasser oder milden Lösungsmitteln in einem schnellen Verfahren von wenigen Minuten durchgeführt werden. Mit Ultraschall extrahierte Alkaloide wie Nikotin aus Tabak werden in einem raschen und hocheffizienten Verfahren freigesetzt, das hohe Ausbeuten eines Vollspektrum-Extrakts (mit Nikotin, Nornicotin, Chlorogensäure, 5-Coffeoylchinasäure, Rutin, Kaffeesäure und Scopoletin, Solanesol usw.) liefert.
Ultraschall-Extraktion von Tabak
Die ultraschallunterstützte Extraktion (eng. ultrasonically assisted extraction = UAE) ist eine schnelle, effektive und bequeme Extraktionsmethode, die auf der Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall basiert. Intensive Ultraschallwellen erzeugen eine extrem schnelle Mikrobewegunge sowie akustische Kavitation in flüssig/fest-Systemen (z.B. pflanzliches Material in Lösungsmittel; Tabakblätter in Ethanol), was zu einem erhöhten Stoffaustausch sowie einem beschleunigten Extraktionsprozess führt. Im Vergleich zu anderen fortschrittlichen Extraktionstechniken wie der überkritischen Flüssigkeitsextraktion und der Ionenpaar-Extraktion ist die ultraschall-gestützte Extraktion deutlich ökonomischer, umweltfreundlicher, sicherer und einfacher zu bedienen. Daher ist die Ultraschallextraktion die bevorzugte Extraktionstechnik, um bioaktive Verbindungen aus Pflanzenstoffen zu gewinnnen.
Mit der Ultraschallextraktion wird ein Vollspektrumextrakt produziert, welches Nikotin, das mit 94-98% des Gesamtalkaloidgehalts das Hauptalkaloid des Tabaks ist, sowie die Alkaloide Nornikotin, Anabasin, Anatabin, Cotininin und Myosmin enthält.
SonoStation – ein Ultraschallsystem mit 2x 2kW Ultraschallprozessoren, gerührtem Tank und Pumpe – ist ein benutzerfreundliches System zur Extraktion.
Vollspektrum-Tabak-Extrakte mittels Ultraschall
Alkaloide wie Nikotin und Nornikotin, Chlorogensäure, Phenole, Solanesol und andere bioaktive Verbindungen können durch Ultraschallextraktion schnell, effizient und sicher isoliert werden. Bei der konventionellen Tabakextraktion werden giftige Lösungsmittel wie Heptan bei hohen Temperaturen verwendet, was den Extraktionsprozess zu einem gefährlichen Verfahren macht. Der gesamte konventionelle Extraktionsprozess dauert ca. 24 Stunden 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 Ultraschallbehandlung dauert einige Minuten, was die Extraktion zu einem schnellen Verfahren macht. Darüber hinaus ist der Prozess mit Wasser oder milden Lösungsmitteln absolut sicher und bedienerfreundlich.
Die mit Ultraschall hergestellten Vollspektrum-Extrakte enthalten das primäre Alkaloid 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-Formylnornicotin oder 2-(3-Pyridyl)pyrrolidincarbaldehyd, Myosmin oder 3-(1-Pyrrolin-2-yl)pyridin, Nornicotin oder 3-(Pyrrolidin-2-yl)pyridin und beta-Nicotyrin oder 3-(1-Methylpyrrol-2-yl)pyridin.
Der Gehalt an diesen Alkaloiden variiert je nach Tabakart und Tabakprodukt. Während Nikotin mit 94-98% des Gesamtalkaloidgehalts das primäre Alkaloid ist, sind Nornicotin und Anatabin die beiden häufigsten sekundären Alkaloide, die jeweils ca. 2% bis 6% des Gesamtalkaloidgehalts von Tabak ausmachen.
- höhere Ausbeute
- hohe Qualität
- schnelle Extraktion
- Mildes, nicht-thermisches Verfahren
- Wasser oder Lösungsmittel
- Einfach & sicherer Betrieb
Wählen Sie das ideale Lösungsmittel
Bei der Ultraschallextraktion können Sie aus verschiedenen Lösungsmitteln wählen, darunter Wasser, Alkohol, Ethanol, Methanol, Ethanol-Wasser-Gemische oder starke Lösungsmittel wie Heptan oder Hexan. Alle genannten Lösungsmittel wurden bereits erfolgreich getestet und haben sich als effektiv für die Isolierung von bioaktiven Verbindungen wie Alkaloiden, Terpenoiden, Phenolen und Solanesol aus Tabakpflanzenmaterialien erwiesen. Die Beschallung kann für die lösungsmittelfreien Kaltwasserextraktion (z.B. zur Herstellung bio-zertifizierter Extrakte) eingesetzt oder aber mit jedem anderen Lösungsmittel Ihrer Wahl kombiniert werden.
Erfahren Sie mehr über Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion von Pflanzenstoffen!
Ultraschall-Prozessor UP400St (400 Watt) zur Extraktion von Alkaloiden wie Nikotin und Harmala aus Tabakblättern.
Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren
Hielscher Ultraschallgeräte sind ein gängiges Extraktionswerkzeug für die Isolierung bioaktiver Verbindungen aus Pflanzenstoffen. Hielscher liefert Ultraschallextraktoren für alle Prozessvolumina und ist dadurch in der Lage, Ihnen das am besten geeignete Ultraschallsystem für Ihre Bedürfnisse zu empfehlen. Angefangen bei kompakten, aber leistungsstarken Laborsysteme für Analysen und Machbarkeitsuntersuchungen bietet Hielscher die gesamte Palette von Labor- und Technikums-Ultraschallgeräten bis hin zu vollindustriellen Ultraschall -Reaktoren. Mit dem umfassenden Portfolio an Ultraschallprozessoren bietet Hielscher die ideale Ausstattung für Ihren Extraktionsprozess. Je nach Prozessvolumen und -ziel kann die Ultraschallextraktion im Batch- oder kontinuierlichen Durchflussmodus durchgeführt werden. Vielfältiges Zubehör wie Sonotroden, Boosterhörner, Durchflusszellen und Reaktoren ermöglichen es, den Ultraschallprozessor so auszustatten, dass er für die Prozessziele ideal aufgebaut ist.
Hielscher Ultraschallprozessoren lassen sich präzise steuern und die Prozessdaten werden automatisch auf der integrierten SD-Karte unserer digitalen Ultraschallsysteme aufgezeichnet. Die zuverlässige Kontrolle über die Prozessparameter sichert eine gleichbleibend hohe Produktqualität. Die automatische Datenaufzeichnung der Prozessparameter ermöglicht eine einfache Prozessstandardisierung und die Erfüllung der Good Manufacturing Practices (GMP).
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Die einfache und sichere Bedienung sowie die geringe Wartung machen Hielscher Ultraschallsysteme zum zuverlässigen Arbeitstier in Ihrer Produktion.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 0,5 bis 1,5 ml | n.a. | VialTweeter |
| 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 | UIP4000 |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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UIP2000hdT, ein 2kW starkes Hochleistungs-Ultraschallgerät
Literatur
- 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; October 2005.
Wissenswertes
Weshalb ist die Ultraschallextraktion so effektiv?
Die ultraschall-gestützte Extraktion (UAE) basiert auf der Einkopplung hochintensiver Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit oder Slurry. Die akustischen Wellen erzeugen abwechselnde Hoch-/Niederdruckzyklen, die zum Phänomen der akustischen Kavitation führen. Das Phänomen der Ultraschall- oder akustischen Kavitation ist durch extreme, lokal begrenzte Bedingungen mit sehr hohen Drücken, Temperaturen und Scherkräften gekennzeichnet. In der Nähe der implodierenden Kavitationsblasen können Temperaturen von bis zu 5000K, Drücke von 1000 Atmosphären, Heiz-Kühl-Raten über 1010 K/s und Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 280m/s Geschwindigkeit gemessen werden, welche sehr hohe Scherkräfte und Turbulenzen in der Kavitationszone erzeugen. Die Kombination dieser Faktoren (Druck, Wärme, Scherung und Turbulenz) führt zu einem Aufbrechen der Zellen (Lyse) und zu einem verstärkten Stoffaustausch während des Extraktionsprozesses. Dadurch wird die Flüssig-Fest-Extraktion von Phytokonstituenten aus Pflanzenzellen gefördert. Die Ultraschallextraktionstechnik wird häufig für die erfolgreiche und effiziente Extraktion von Flavonoiden, Polysacchariden, Alkaloiden, Phytosterolen, Polyphenolen und Pigmenten aus Pflanzen eingesetzt.
Ultraschallextraktion aus Pflanzenzellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkungsmechanismus der Ultraschallextraktion aus Zellen (Vergrößerung 2000x)[Quelle: Vilkhu et al. 2011].
Tabak
Als Tabakpflanzen werden verschiedene Pflanzen der Gattung Nicotiana und der Familie der Nachtschattengewächse (Solanaceae) bezeichnet. Neben der allgemein verwendeten Bezeichnung für die Pflanze beschreibt Tabak auch die Produkte, die aus den getrockneten Blättern der Tabakpflanze hergestellt werden. Während Nicotiana tabacum die Hauptpflanze ist, welche für die Tabak- und Nikotinproduktion verwendet wird, gibt es über 70 Tabak-Pflanzenarten. N. tabacum ist die vorherrschende Art, die für Tabakprodukte verwendet wird, jedoch ist die potentere Variante N. rustica auf der ganzen Welt zu finden.
Tabak enthält das stimulierende Alkaloid Nikotin sowie die Harmala-Alkaloide. Getrocknete und getrocknete Tabakblätter werden hauptsächlich zum Rauchen in Zigaretten, Zigarren, Pfeifen, Shishas sowie E-Zigaretten, E-Zigarren, E-Pfeifen und Vaporizern verwendet. Alternativ können sie auch als Schnupftabak, Kautabak, Dipptabak und Snus konsumiert werden.
Die Tabakpflanzenfamilie enthält verschiedene (Unter-)Arten, die unterschiedliche Alkaloid- und Geschmacksprofile aufweisen.
Orienttabak (Nicotiana tabacum L.) ist eine Tabakart, die hauptsächlich in der Türkei, Griechenland und angrenzenden Gebieten angebaut wird und für die kommerzielle Produktion von Zigaretten, Zigarren und Kautabak verwendet wird. Er hat einen starken charakteristischen Geschmack, ist relativ nikotinarm und reich an reduzierenden Zuckern, Säuren und flüchtigen Aromaölen, die den Tabakprodukten ein intensives Aroma verleihen.
Es sind 67 natürlich vorkommende Tabakarten bekannt. Nachfolgend sind die häufigsten Arten aufgeführt:
- Nicotiana acuminata (Graham) Hook. - Vielblütentabak
- Nicotiana africana Merxm.
- Nicotiana alata Link & Otto - geflügelter Tabak, Jasmin-Tabak, Tanbaku (persisch)
- Nicotiana attenuata Torrey ex S. Watson - Kojoten-Tabak
- 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, „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. - kommerzieller Tabak, der für die Herstellung von Zigaretten, Zigarren, Kautabak usw. angebaut wird.
- Nicotiana tomentosiformis Goodsp.
Die drei folgenden Arten sind künstlich erzeugte Hybride:
- Nicotiana × didepta N. debneyi × N. tabacum
- Nicotiana × digluta N. glutinosa × N. tabacum
- Nicotiana × sanderae Hort. ex Wats. N. alata × N. forgetiana
Tabakarten
Der Trocknungs- und anschließende Alterungsprozess von Tabakblättern führt zu einer langsamen Oxidation und zum Abbau der vorhandenen Carotinoide im Tabakblatt. Durch die Oxidation werden bestimmte Verbindungen in den Tabakblättern synthetisiert, die zu süßen Heu-, Tee-, Rosenöl- oder fruchtig-aromatischen Geschmacksnoten führen, welche für die „Sanftheit“ des Rauches verantwortlich ist. Stärke wird in Zucker umgewandelt, der anschließend Proteine glykatisiert und zu fortgeschrittenen Glykationsendprodukten (AGEs) oxidiert wird. Dies ist ein Karamellisierungsprozess, der dem Rauch auch sein Aroma verleiht.
Die Zubereitungs- und Trocknungsmethode des Tabaks beeinflusst seine endgültigen Aromaeigenschaften. Die Trocknung kann durch Luft-, Feuer-, Rauch- und Sonnen-Trocknung erreicht werden. So enthält z.B. geräucherter Tabak (z.B. aus Frankreich) nur geringe Mengen an Alkaloiden, während luftgetrockneter Burley-Tabak (z.B. aus Guatemala) für seinen hohen Gehalt an Alkaloiden bekannt ist.