Ultraschallgestützte Dreiphasenpartitionierung

• Die Dreiphasenpartitionierung (TPP) ist ein Verfahren zur Extraktion, Trennung und Reinigung von Komponenten, z. B. Lipiden, Enzymen, Polysacchariden und anderen Biomolekülen, aus biologischem Material.
• Die ultraschallgestützte Dreiphasenpartitionierung übertrifft die konventionelle Dreiphasenpartitionierung durch höhere Ausbeuten, verbesserte Reinheit und außergewöhnliche Geschwindigkeit.
• Die ultraschallgestützte Dreiphasenpartitionierung eignet sich für kleine und große Volumina und lässt sich einfach auf die industrielle Produktion skalieren.

Ultraschallgestützte Dreiphasenpartitionierung

Dreiphasenpartitionierung

Die Dreiphasenpartitionierung (TPP) ist ein einfaches und effizientes einstufiges Verfahren zur Trennung, Reinigung und Konzentrierung von Biomolekülen wie Enzymen, Lipiden, Polysacchariden usw. aus komplexen Gemischen.
TPP erfolgt durch die aufeinanderfolgende Zugabe einer ausreichenden Menge Salz (üblicherweise Ammoniumsulfat) und eines organischen Lösungsmittels (hauptsächlich t-Butanol/tert-Butanol). Salze wie Ammoniumsulfat werden bei einem bestimmten Sättigungsgrad eingesetzt, um das Protein auszufällen. Ein organisches Lösungsmittel wie t-Butanol wird zugegeben, um drei Phasenschichten zu bilden und niedermolekulare Verbindungen wie Lipide, phenolische Verbindungen und einige Detergenzien zu entfernen. Da t-Butanol einen hohen Siedepunkt hat, aber weniger entzündlich als Ethanol und Methanol ist, ist t-Butanol das bevorzugte Lösungsmittel für TPP.
Nach der Behandlung des Rohextrakts und dem Dekantieren trennt sich das Gemisch in drei klar voneinander abgegrenzte Phasen: Die obere Lösungsmittelphase (t-Butanol) enthält unpolare Verbindungen, die durch ein Proteinpräzipitat an der Phasengrenze von der unteren wässrigen Phase (mit polaren Verbindungen) getrennt werden. Die gewünschten Proteine verteilen sich selektiv in einer Phase und andere, verunreinigende Proteine in der anderen Phase. Dadurch wird das Protein teilweise gereinigt und konzentriert. Der Extraktionsprozess kombiniert die kosmotrope Fällung, das Aussalzen, die Fällung mit isotonischem Cosolvens und die osmolytische Fällung von Proteinen.

Ultraschallgestützte Dreiphasenpartitionierung

Die Ultraschallbehandlung intensiviert den TPP-Prozess erheblich. Die ultraschallgestützte Dreiphasenpartitionierung wird erfolgreich zur Trennung und Reinigung von Biomolekülen eingesetzt. Eine Vielzahl von Biomolekülen wurde effizienter und in kürzerer Zeit isoliert. Beispielsweise wurden Enzyme aus Pflanzen (z. B. Bromelain, Papain, Invertase, Polyphenoloxidase und Trypsininhibitoren), Tieren (z. B. Trypsin, α-Chymotrypsin, Chymosin, Pepsin und Luciferase) und Mikroorganismen (z. B. Lipase, α-Amylase, α-Galactosidase, Serratiopeptidase, Cyclodextrin-Glycosyltransferase und fibrinolytische Enzyme) mittels ultraschallgestützter TPP gereinigt. Ein zusätzlicher Vorteil der ultraschallgestützten Dreiphasenpartitionierung ist die erhöhte Aktivität verschiedener Enzyme, die zu scheinbar höheren Ausbeuten (um etwa 100%) führt, da das betreffende Enzym oder Protein in der mittleren Schicht zwischen der organischen und der wässrigen Phase ausfällt.
Die ultraschallgestützte Dreiphasenpartitionierung lässt sich wirksam mit Rohproben einsetzen und einfach auf größere Maßstäbe übertragen.

Beispiele für die ultraschallgestützte Dreiphasenpartitionierung (US-TPP)

Ultraschallgestützte TPP zur Extraktion von Astaxanthin

Zur Extraktion von Astaxanthin (AX) ist die Kombination aus TPP und Ultraschallbehandlung mit dem Hielscher-Ultraschallgerät UP400S nicht nur ein einfaches und leicht anwendbares, sondern auch ein sehr effizientes Verfahren zur Isolierung von AX aus der bakteriellen Biomasse von Paracoccus NBRC 101723. Die Betriebsparameter der Ultraschallbehandlung lassen sich optimieren, um optimale Extraktionsergebnisse zu erzielen. Ultraschall-Prozessparameter wie Amplitude, Zeit, Temperatur und Extraktionsgefäß (Größe, Form) sowie die Partikelgröße der Biomasse beeinflussen die ultraschallgestützte Freisetzung von AX aus der Biomasse erheblich. Für eine schnelle und effiziente Extraktion von AX liefert die Ultraschallbehandlung feuchter Biomasse bessere Ergebnisse als die ultraschallgestützte TPP getrockneter Biomasse. Die ultraschallgestützte TPP führt zu einer um 37% höheren AX-Rückgewinnung als die konventionelle Lösungsmittelextraktion. (vgl. Chougle et al. 2013)

Ultraschallgestützte TPP zur Abtrennung von Andrographolid aus Andrographis paniculata

Andrographolid ist ein Labdan-Diterpenoid, das für seine ausgeprägten entzündungshemmenden, antioxidativen, leberschützenden, antikarzinogenen und antidiabetischen Wirkungen geschätzt wird. Vergleichsstudien zeigen, dass die ultraschallgestützte TPP gegenüber der konventionellen TPP nicht nur die Ausbeute an Andrographolid erhöht, sondern auch die antioxidative Aktivität verbessert.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Dreiphasenpartitionierung

Hielscher Ultrasonics ist auf die Entwicklung und Herstellung leistungsstarker Ultraschallsysteme für die Extraktion sowie zahlreiche weitere Prozesse spezialisiert.
Unser Produktsortiment umfasst kleine, leistungsstarke Labor-Ultraschallgeräte, robuste Tischhomogenisatoren und industrielle Hochleistungs-Ultraschallsysteme. Das vielfältige Zubehör ermöglicht eine optimale Anpassung des Ultraschallsystems an Ihre spezifischen Prozessanforderungen. Alle Hielscher-Ultraschallgeräte sind für den 24/7-Betrieb unter Volllast ausgelegt.
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Literatur/Referenzen

• Chougle, J.A: et al. (2013): Ultrasound assisted three phase partitioning (UATPP): A novel technique developed for extraction of astaxanthin from Paracoccus NBRC 101723. CSBE/SCGAB 2013 – Annual Conference University of Saskatchewan, Saskatoon, 7–10th July 2013.
• Ketnawa, S. et al (2017): Phase partitioning for enzyme separation: An overview and recent applications. International Food Research Journal 24(1), 2017. 1–24.
• Varakumar, S. et al. (2017): Verbesserte Extraktion von Oleoresin aus Ingwerrhizompulver (Zingiber officinale) mittels enzymgestützter Dreiphasenpartitionierung. Food Chemistry 216, 2017. 27–36.
• Yan J.-K. et al. (2018): Ultrasound synergized with three-phase partitioning for extraction and separation of Corbicula fluminea polysaccharides and possible relevant mechanisms. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 40, Part A, 2018. 128–134.