Ultraschall übertrifft andere Extraktionsmethoden an Geschwindigkeit
Das schnelle Verfahren der Ultraschallextraktion und die daraus resultierende Zeitersparnis bei der Herstellung von Pflanzenextrakten ist einer von vielen Vorteilen der Ultraschallextraktion von bioaktiven botanischen Verbindungen. Die Ultraschallextraktion wurde wissenschaftlich mit alternativen Extraktionstechniken wie der überkritischen CO2-Extraktion, der Mazeration, der thermischen Rückfluss-, Soxhlet- oder Mikrowellenextraktion verglichen. Die Forschungsergebnisse belegen den erheblichen Vorteil der Ultraschallextraktion hinsichtlich Extraktionsgeschwindigkeit und Ausbeute.
Ultraschallextraktion als Schnell-Extraktionsverfahren
Die Ultraschallextraktion bioaktiver Verbindungen ist bekannt für ihre hohe Ausbeute, die hohe Qualität der Extrakte, die kurze Extraktionszeit, den geringen Energieverbrauch und die Möglichkeit, mit sehr milden Lösungsmitteln zu arbeiten. All diese Faktoren tragen zur außerordentlichen Gesamteffizienz der Ultraschallextraktion bioaktiver Bestandteile aus Pflanzenmaterialien bei.
Nachfolgend finden Sie eine Auswahl an wissenschaftlichen Forschungsberichten, in denen die Ultraschallextraktion (auch ultraschall-gestützte Extraktion / UAE) mit anderen Extraktionsverfahren wie Mazeration, Soxhlet, Wärmereflux, überkritisches CO2und Mikrowellenextraktion verglichen wurde.
Ultraschallgerät UP400St für die Hochgeschwindigkeitsextraktion von pflanzlichen Stoffen im Batch-Verfahren
| Extraktionsanwendung | Extraktionszeit mit Ultraschall | Zeit bei alternativer Extraktionsmethode | Zusätzliche Informationen | Quelle |
|---|---|---|---|---|
| Extraktion von Anthocyanen aus Myrtenbeeren | 5 min | 15 min Mikrowelle |
Ultraschallgerät UP200S | Gonzalez et al. (2019) |
| Extraktion von Boldo-Blättern | 5-30 min | 15-90 min Mazeration |
Ultraschallgerät UIP1000hdT "Wir stellen fest, dass die Ausbeute bei einer Beschallungsdauer von 5 bis 30 Minuten einer Ausbeute bei konventioneller Mazeration bei 15 bis 90 Minuten entspricht: UAE benötigt ein Drittel der Zeit, um die löslichen Bestandteile der Blätter bei der herkömmlichen Mazeration zu extrahieren". |
Petigny et al., 2013 |
| Extraktion der Gesamtphenole und Flavonoide aus Salbei | 11 min | 30 min konventionelle Extraktion mit Wasserbadschüttler bei 60ºC |
Ultraschall-Extraktoren UP100H, UP400S |
Dent et al., 2015 |
| Extraktion von Olivenblatt-Polyphenolen | 21 min | 60min konventionelle Wärme-Rückfluss-Extraktion |
Ultraschallgerät UP400S | Dobrinčić et al., 2020 |
| Extraktion bioaktiver Phenole aus Malva sylvestris Blättern | 49 min 48°C bei 110W |
5 h gerührte Extraktion bei 150 U/min |
Ultraschallgerät UP200S Die HPLC-Analyse ergab, dass die Konzentration der bioaktiven Phenole unter optimalen Ultraschall- UAE Bedingungen signifikant anstieg (p≺0,05). |
Bimakr et al., 2017 |
| Extraktion von Lipiden aus den Samen der Wintermelone (Benincasa hispida) | ∼36 min | Überkritische Kohlendioxid-Extraktion kombiniert mit Druckwechseltechnik (SCE-PST) (∼50 min), überkritisches CO2 (∼97 min), und die konventionelle Soxhlet-Extraktion (∼360 min) | Ein Vergleich von superkritischem Kohlendioxid (sCO2), ultraschall-gestützter Extraktion (UAE), überkritischer Kohlendioxid-Extraktion kombiniert mit Druckwechseltechnik (SCE-PST) und Soxhlet-Extraktion zeigt, dass UAE die effizienteste und schnellste Extraktionstechnik ist. | Bimakr et al. (2015) |
Ein Vergleich von superkritischem Kohlendioxid (sCO2), ultraschall-gestützter Extraktion (UAE), überkritischer Kohlendioxid-Extraktion kombiniert mit Druckwechseltechnik (SCE-PST) und Soxhlet-Extraktion zeigt, dass UAE die effizienteste und schnellste Extraktionstechnik ist.
- Hohe Extraktionseffizienz
- Hervorragende Extraktionsausbeute
- schnelles Verfahren
- Niedrige Temperaturen
- Geeignet zur Extraktion thermolabiler Verbindungen
- kompatibel mit allen Lösungsmitteln
- Geringer Energieverbrauch
- Grüne, umweltfreundliche Extraktionstechnik
- einfache und sichere Bedienung
- geringe Investitions- und Betriebskosten
- 24/7 Betrieb unter hoher Last
Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren für die Express-Isolierung bioaktiver Komponenten
Die hochmodernen Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglichen eine schnelle Extraktion von hochwertigen Biomolekülen aus Pflanzen. Die volle Kontrolle über die Prozessparameter wie Amplitude, Temperatur, Druck und Energiezufuhr ermöglichen hoch-effiziente und schonendste Extraktionsbedingungen, wodurch unbeschädigte, hoch-bioaktive Extrakte produziert werden. Die Optimierung der Ultraschallextraktionsparameter, wie z.B. die Partikelgröße des Rohmaterials, die Art des Lösungsmittels, das Verhältnis von Feststoff zu Lösungsmittel und die Extraktionszeit, kann auf höchste Effizienz und ideale Gesamtergebnisse optimiert werden. Da es sich bei der Ultraschallextraktion um eine nicht-thermische Extraktionsmethode handelt, kann eine thermischer Zersetzung der bioaktiven Inhaltsstoffe vermieden werden, wodurch eine hervorragende Extraktqualität erzielt wird.
Insgesamt machen die zahlreichen Vorteile wie die hohe Ausbeute, die kurze Extraktionszeit, die niedrige Extraktionstemperatur und der geringere Bedarf an Lösungsmitteln die Beschallung zur bevorzugten Extraktionsmethode.
Ultraschall übertrifft Mikrowellen bei der Extraktion von Anthocyanen aus Myrtenbeeren. Ultraschall (US) ist dreimal schneller als die Mikrowellenextraktion.
Der Vergleich der Ultraschallextraktion und der konventionellen Extraktion mit einem Wasserbadschüttler zeigt, dass sich die Extraktionszeit für die Gesamtphenole und Flavonoide aus Salbei bei der Ultraschallextraktion deutlich verringert. Die Ultraschallextraktion benötigt nur ein Drittel der Extraktionszeit, welche für die Extraktion mit einem Wasserbadschüttler notwendig ist.
Extraktion mit Ultraschall: Bewährt in Labor und Industrie
Die Ultraschallextraktion findet breite Anwendung bei der Extraktion jeder Art von bioaktiven Verbindungen aus Pflanzen, Pilzen, Algen, Bakterien und Säugetierzellen. Die Ultraschallextraktion hat sich als einfaches, kostengünstiges und hocheffizientes Verfahren etabliert, das andere traditionelle Extraktionstechniken durch höhere Extraktionsausbeuten und kürzere Verarbeitungszeiten übertrifft.
Mit der Verfügbarkeit von Labor-, Tisch-, Pilot- und vollindustriellen Ultraschallsystemen ist die Ultraschallextraktion heute eine etablierte und bewährte Technologie. Hielscher Ultraschallextraktoren werden weltweit in industriellen Verarbeitungsanlagen zur Herstellung von bioaktiven Substanzen mit Lebensmittel- und Pharmaziequalität eingesetzt.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
| 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 Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
Literatur / Literaturhinweise
- Bimakr, Mandana; Ganjloo, Ali; Zarringhalami, Soheila; Ansarian, Elham (2017): Ultrasound-assisted extraction of bioactive compounds from Malva sylvestris leaves and its comparison with agitated bed extraction technique. Food Science and Biotechnology 26(6); 2017.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Bimakr, Mandana; Abdul Rahman, Russly; Ganjloo, Ali; Taip, Farah; Mohd Adzahan, Noranizan; Sarker, Md Zaidul (2016): Characterization of Valuable Compounds from Winter Melon (Benincasa hispida (Thunb.) Cogn.) Seeds Using Supercritical Carbon Dioxide Extraction Combined with Pressure Swing Technique. Food and Bioprocess Technology 9, 2016. 396-406.
- Bimakr, Mandana, Russly Abdul Rahman, Farah Saleena Taip, Noranizan Mohd Adzahan, Md. Zaidul Islam Sarker, Ali Ganjloo (2012): Optimization of Ultrasound-Assisted Extraction of Crude Oil from Winter Melon (Benincasa hispida) Seed Using Response Surface Methodology and Evaluation of Its Antioxidant Activity, Total Phenolic Content and Fatty Acid Composition. Molecules 17, No. 10, 2012 11748-11762.
- González de Peredo; Ana V., Vázquez-Espinosa, Mercedes; Espada-Bellido, Estrella; Ferreiro-González, Marta; Amores-Arrocha, Antonio; Palma, Miguel; Barbero, Gerardo; Jiménez-Cantizano, Ana (2019): Alternative Ultrasound-Assisted Method for the Extraction of the Bioactive Compounds Present in Myrtle (Myrtus communis L.). Molecules. 2019 Mar 2;24(5):882.
- Dent, Maja; Verica, Dragović-Uzelac; Garofulić, Ivona; Bosiljkov, Tomislav; Ježek, Damir; Brncic, Mladen (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound Assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from sage (Salvia officinalis L.). Chemical and Biochemical Engineering Quarterly 29 (3), 2015.
- Dobrinčić, Ana; Maja Repajić, Ivona E. Garofulić, Lucija Tuđen, Verica Dragović-Uzelac; Branka Levaj (2020): Comparison of Different Extraction Methods for the Recovery of Olive Leaves Polyphenols. Processes 8, no. 9, 2020.
Wissenswertes
Das Wirkprinzip der Ultraschallextraktion
Die Ultraschallextraktion ist eine weit verbreitete Methode zur Isolierung und Abtrennung bioaktiver Bestandteile aus Pflanzenmaterialien. Da die Beschallung mit jeder Art von Lösungsmittel kompatibel ist, kann das Ultraschallextraktionsverfahren im Hinblick auf bioaktive Verbindungen (d.h. die Zielverbindungen), ihre Polarität, Löslichkeit, Hitzeempfindlichkeit und andere Faktoren optimal gestaltet werden. Durch die spezifische Anpassung des Beschallungsprozesses an eine oder mehrere verschiedene Verbindungen kann der idealste Extraktionsaufbau gewählt werden, um ein Extrakt von außerordentlich hoher Qualität zu produzieren.
Ultraschallwellen, die in eine Flüssigkeit oder eine Slurry eingekoppelt werden, erzeugen intensive Vibrationen und akustische Kavitation. Die akustische Kavitation, auch Ultraschallkavitation genannt, ist durch lokal auftretende extrem hohe Druckunterschiede, Scherkräfte und Flüssigkeitsstrahlen gekennzeichnet. Diese Kräfte brechen Zellwände auf, zerstören pflanzliche Zellen und intensivieren den Stoffaustausch zwischen Zellinnerem und Lösungsmittel. Dadurch werden bioaktive Inhaltsstoffe effizient in das umgebende Lösungsmittel freigesetzt, aus dem die Zielmoleküle leicht isoliert und aufgereinigt werden können (z.B. mittels Rotorverdampfung, Dampfdestillation oder HPLC).
Ultraschallextraktion aus Pflanzenzellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkungsmechanismus bei der Ultraschallextraktion aus pflanzlichen Zellen (Vergrößerung 2000x)
[Quelle: Vilkhu et al. 2011]
Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.