Διαλύτες για εκχύλιση από φυτά με υπερήχους

• Η εκχύλιση με υπερήχους προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, όπως υψηλές αποδόσεις, γρήγορους ρυθμούς εκχύλισης, φιλικότητα προς το περιβάλλον και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
• Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα είναι η χρήση νερού ως μέσου εκχύλισης. Ωστόσο, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ποικίλα συστήματα διαλυτών, ώστε να προσφέρει ανώτερα αποτελέσματα για το επιδιωκόμενο εκχύλισμα.
• Ο βέλτιστος διαλύτης για την εκχύλιση φυτικών βιοδραστικών ουσιών με υπερήχους επιλέγεται με βάση την πρώτη ύλη.

Εκχύλιση με υπερήχους

Οι υπέρηχοι είναι ευρέως γνωστό ότι διαρρηγνύουν τις κυτταρικές δομές και βελτιώνουν τη μεταφορά μάζας, αυξάνοντας έτσι την εκχυλισιμότητα βιολογικών ενώσεων (π.χ. φαινολικών ενώσεων, καροτενοειδών).
Καθώς οι μηχανικές επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους ενισχύουν σημαντικά τη διαδικασία εκχύλισης χάρη στη βελτιωμένη μεταφορά μάζας, η χρήση οργανικών διαλυτών είναι συχνά περιττή. Αυτό σημαίνει ότι, για την εκχύλιση με υπερήχους, το νερό αποτελεί συχνά επαρκές μέσο εκχύλισης, με πολλά πλεονεκτήματα, όπως το χαμηλό κόστος, η απουσία επικινδυνότητας, η εύκολη διαθεσιμότητα και η φιλικότητα προς το περιβάλλον.
Ωστόσο, για συγκεκριμένες βιοδραστικές ενώσεις, τα καλύτερα αποτελέσματα ενδέχεται να επιτευχθούν με εκχύλιση με υπερήχους σε συνδυασμό με έναν πτητικό διαλύτη.
Για την επιλογή του κατάλληλου διαλύτη πρέπει να λαμβάνονται υπόψη η πρώτη ύλη (π.χ. νωπό ή αποξηραμένο, διαβρεγμένο/αλεσμένο ή κονιοποιημένο φυτικό υλικό) και οι ουσίες που επιδιώκεται να εκχυλιστούν (π.χ. λιπόφιλες, υδρόφιλες).
 

Ο ακόλουθος πίνακας παραθέτει διάφορους διαλύτες που αποτελούν καθιερωμένους διαλύτες εκχύλισης και χρησιμοποιούνται για την εκχύλιση από φυτικό υλικό με υπερήχους.

Ισχυρά κύματα υπερήχων διαρρηγνύουν την κυτταρική μήτρα των βιολογικών δομών και απελευθερώνουν τις βιοδραστικές ενώσεις. Η μεταφορά μάζας μεταξύ του φυτικού υλικού και του διαλύτη εντείνεται. Χάρη σε αυτούς τους μηχανισμούς, η εκχύλιση με υπερήχους είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική για την εκχύλιση φυτικών ουσιών.

Συσκευές υπερήχων για εκχύλιση

Από εργαστηριακές και επιτραπέζιες συσκευές υπερήχων έως πλήρως βιομηχανικά συστήματα εκχύλισης με υπερήχους – η Hielscher Ultrasonics είναι ο συνεργάτης σας με πολυετή εμπειρία στις ισχυρές και αξιόπιστες συσκευές υπερήχων για επιτυχημένες διεργασίες εκχύλισης.
Τα συστήματα υπερήχων μας χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιοχημικά εργαστήρια και εγκαταστάσεις παραγωγής φαρμάκων. Τα ηχοτρόδια και οι αντιδραστήρες υπερήχων μπορούν να αποστειρωθούν σε αυτόκλειστο και πληρούν τα πρότυπα φαρμακευτικής παραγωγής.

Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων της Hielscher μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης για τη διάρρηξη των κυτταρικών μητρών και την απελευθέρωση των επιθυμητών ουσιών. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Η ισχύς και η ανθεκτικότητα των συσκευών υπερήχων της Hielscher εξασφαλίζουν υψηλές αποδόσεις, υψηλούς ρυθμούς εκχύλισης και πληρέστερη εκχύλιση – υπερτερώντας των συμβατικών διεργασιών εκχύλισης.
Οι επεξεργαστές υπερήχων μας μπορούν να συνδυαστούν με συμβατικές μεθόδους εκχύλισης όπως η εκχύλιση Soxhlet ή η εκχύλιση με υπερκρίσιμο CO2. Η ενσωμάτωσή τους σε υπάρχουσες γραμμές παραγωγής μπορεί να πραγματοποιηθεί εύκολα.

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• Dent M., Dragović-Uzelac V., Elez Garofulić I., Bosiljkov T., Ježek D., Brnčić M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound Assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q. 29(3), 2015. 475–484.
• 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.
• Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk(2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.

Χρήσιμες πληροφορίες

Εκχύλιση με υπερήχους μέσω σπηλαίωσης

Τα έντονα υπερηχητικά κύματα δημιουργούν ακουστική σπηλαίωση στα υγρά. Οι δυνάμεις διάτμησης που προκαλούνται από τη σπηλαίωση διαρρηγνύουν το κυτταρικό τοίχωμα και τις μεμβράνες, με αποτέλεσμα να απελευθερώνεται το ενδοκυτταρικό υλικό. Η εκχύλιση με υπερήχους επιτυγχάνει μεγαλύτερη διείσδυση του διαλύτη στον φυτικό ιστό και βελτιώνει τη μεταφορά μάζας. Έτσι, η εκχύλιση με υπερήχους εντατικοποιεί σημαντικά τη διεργασία εκχύλισης, οδηγώντας σε υψηλότερες αποδόσεις, υψηλότερους ρυθμούς εκχύλισης και πληρέστερη εκχύλιση.

Συστήματα διαλυτών

Για την εκχύλιση βιοδραστικών ενώσεων από φυτικό υλικό διατίθενται διάφορα συστήματα διαλυτών. Για την εκχύλιση υδρόφιλων ενώσεων επιλέγονται κυρίως πολικοί διαλύτες όπως η μεθανόλη, η αιθανόλη ή ο οξικός αιθυλεστέρας, ενώ για την εκχύλιση λιπόφιλων ενώσεων (π.χ. λιπιδίων) προτιμώνται συστήματα διαλυτών όπως το διχλωρομεθάνιο ή το διχλωρομεθάνιο/μεθανόλη (v/v 1:1). Το εξάνιο χρησιμοποιείται συχνά ως διαλύτης για την εκχύλιση χλωροφύλλης.

Τι είναι οι βιοδραστικές ενώσεις;

Ως βιοδραστικές ενώσεις ή φυτοχημικές ουσίες ορίζονται οι ουσίες που επιδρούν σε ζωντανούς οργανισμούς, ιστούς ή κύτταρα. Στις βιολογικά δραστικές ουσίες περιλαμβάνονται τα αντιβιοτικά, τα ένζυμα και οι βιταμίνες. Βιοδραστικές ουσίες όπως τα καροτενοειδή και οι πολυφαινόλες μπορούν να εκχυλιστούν π.χ. από φρούτα, φύλλα και λαχανικά, ενώ οι φυτοστερόλες βρίσκονται στα φυτικά έλαια.
Στις βιοδραστικές ενώσεις φυτικής προέλευσης περιλαμβάνονται τα φλαβονοειδή, η καφεΐνη, τα καροτενοειδή, η χολίνη, οι διθειολοθειόνες, οι φυτοστερόλες, οι πολυσακχαρίτες, τα φυτοοιστρογόνα, οι γλυκοσινολικές ενώσεις, οι πολυφαινόλες και οι ανθοκυανίνες. Πολλές βιοδραστικές ουσίες εκτιμώνται για την αντιοξειδωτική τους δράση και, ως εκ τούτου, θεωρούνται ευεργετικές για την υγεία.

Πώς επιλέγω τον καλύτερο διαλύτη εκχύλισης;

Οι παρακάτω κατευθυντήριες οδηγίες σάς βοηθούν να επιλέξετε έναν κατάλληλο διαλύτη για εκχύλιση φυτικού υλικού με υπερήχους. Καθώς η κατεργασία με υπερήχους είναι συμβατή με οποιονδήποτε συνήθη διαλύτη, μπορείτε να επιλέξετε τον ιδανικότερο διαλύτη με βάση τη φυτική πρώτη ύλη σας, τις επιθυμητές φυτοχημικές ουσίες και την οικονομική αποδοτικότητα.

• Εκλεκτικότητα: Επιλέξτε έναν διαλύτη που διαλύει ειδικά τις επιθυμητές ενώσεις, αφήνοντας τα ανεπιθύμητα συστατικά αδιάλυτα. Για παράδειγμα, χρησιμοποιήστε αιθανόλη για πολικές ενώσεις όπως τα αλκαλοειδή και τα φλαβονοειδή.
• Διαλυτότητα: Με βάση την αρχή «τα όμοια διαλύουν όμοια», επιλέξτε έναν διαλύτη με πολικότητα παρόμοια με εκείνη της διαλυόμενης ουσίας. Οι πολικοί διαλύτες (π.χ. νερό, αιθανόλη) διαλύουν πολικές ενώσεις, ενώ οι μη πολικοί διαλύτες (π.χ. εξάνιο) διαλύουν μη πολικές ενώσεις όπως τα λιπίδια και τα έλαια.
• Κόστος: Λάβετε υπόψη τη σχέση κόστους και αποτελεσματικότητας του διαλύτη. Ορισμένοι διαλύτες μπορεί να είναι ακριβότεροι, αλλά να προσφέρουν υψηλότερες αποδόσεις ή καλύτερη εκλεκτικότητα, εξισορροπώντας το συνολικό κόστος εκχύλισης.
• Ασφάλεια: Βεβαιωθείτε ότι ο διαλύτης είναι ασφαλής για χρήση και χειρισμό. Στους παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη περιλαμβάνονται η τοξικότητα, η αναφλεξιμότητα και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Για παράδειγμα, το νερό και η αιθανόλη αποτελούν ασφαλέστερες επιλογές σε σύγκριση με το χλωροφόρμιο ή το τολουόλιο.

Πολικότητα και επιλογή διαλύτη
Σύμφωνα με τον νόμο της ομοιότητας και της αμοιβαίας αναμειξιμότητας, οι διαλύτες με τιμή πολικότητας κοντά σε εκείνη της διαλυμένης ουσίας είναι πιθανό να αποδίδουν καλύτερα. Ακολουθούν ορισμένα παραδείγματα:

• Πολικοί διαλύτες: Νερό, αιθανόλη, μεθανόλη – Χρησιμοποιούνται για την εκχύλιση πολικών ενώσεων, όπως αλκαλοειδή, φλαβονοειδή, γλυκοζίτες και πρωτεΐνες.
• Μέτρια πολικοί διαλύτες: Ακετόνη, οξικός αιθυλεστέρας, ισοπροπανόλη – Κατάλληλοι για την εκχύλιση ενός ευρέος φάσματος ενώσεων, συμπεριλαμβανομένων φαινολικών ενώσεων και ορισμένων αλκαλοειδών.
• Μη πολικοί διαλύτες: Εξάνιο, τολουόλιο, πετρελαϊκός αιθέρας – Ιδανικοί για την εκχύλιση μη πολικών ενώσεων, όπως λιπίδια, κηροί, τερπένια και αιθέρια έλαια.

Παραδείγματα χρήσης διαλυτών

• Αιθανόλη: Ένας από τους συνηθέστερους διαλύτες για την εκχύλιση φυτικών υλικών. Ως πολικός διαλύτης, η αιθανόλη διαλύει πολικές ενώσεις, όπως αλκαλοειδή και φλαβονοειδή.
• Νερό: Ο καθολικός διαλύτης, που χρησιμοποιείται συχνά για την εκχύλιση υδρόφιλων ενώσεων, όπως πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες και ορισμένοι γλυκοζίτες.
• Μεθανόλη: Ένας διαλύτης υψηλής πολικότητας, αποτελεσματικός στην εκχύλιση ενός ευρέος φάσματος φυτικών ενώσεων, συμπεριλαμβανομένων φαινολικών ενώσεων, φλαβονοειδών και ορισμένων αλκαλοειδών.
• Εξάνιο: Ένας μη πολικός διαλύτης που χρησιμοποιείται κυρίως για την εκχύλιση μη πολικών ενώσεων, όπως λιπίδια, κηροί και αιθέρια έλαια.
• Ακετόνη: Ως πολικός απρωτικός διαλύτης, η ακετόνη είναι αποτελεσματική στην εκχύλιση ενός ευρέος φάσματος φυτικών ενώσεων, ιδιαίτερα εκείνων που είναι λιγότερο πολικές από τις ενώσεις που εκχυλίζονται με νερό ή μεθανόλη.
• Ισοπροπανόλη: Ένας πολικός διαλύτης παρόμοιος με την αιθανόλη, που χρησιμοποιείται συνήθως για την εκχύλιση αιθέριων ελαίων, ρητινών και ορισμένων αλκαλοειδών.
• Χλωροφόρμιο: Ένας μη πολικός διαλύτης, αποτελεσματικός στην εκχύλιση αλκαλοειδών, τερπενοειδών και ορισμένων γλυκοζιτών. Χρησιμοποιείται λιγότερο συχνά λόγω της τοξικότητάς του.
• Οξικός αιθυλεστέρας: Ένας μέτρια πολικός διαλύτης που χρησιμοποιείται για την εκχύλιση διαφόρων ενώσεων, συμπεριλαμβανομένων φλαβονοειδών, αλκαλοειδών και φαινολικών ενώσεων.
• Τολουόλιο: Ένας μη πολικός διαλύτης που χρησιμοποιείται για την εκχύλιση μη πολικών ενώσεων, όπως αιθέρια έλαια, τερπένια και κηροί.
• Βουτανόλη: Ένας μέτρια πολικός διαλύτης, αποτελεσματικός στην εκχύλιση ενώσεων μέτριας πολικότητας, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων γλυκοζιτών και σαπωνινών.
• Πετρελαϊκός αιθέρας: Ένας μη πολικός διαλύτης που χρησιμοποιείται κυρίως για την εκχύλιση λιπών, ελαίων και άλλων μη πολικών ενώσεων από φυτικά υλικά.

Οι ακόλουθοι διαλύτες δοκιμάστηκαν σε ερευνητικές μελέτες που διερευνούσαν την εκχύλιση συγκεκριμένων φυτικών υλικών και φυτοχημικών ουσιών με υπερήχους.

Τι είναι οι οργανικοί διαλύτες;

Ένας οργανικός διαλύτης είναι ένας τύπος πτητικής οργανικής ένωσης (VOC). Οι VOC είναι οργανικές χημικές ουσίες που εξατμίζονται σε θερμοκρασία δωματίου.
Στις οργανικές ενώσεις που χρησιμοποιούνται ως διαλύτες περιλαμβάνονται:

• αρωματικές ενώσεις, π.χ. βενζόλιο και τολουόλιο
• αλκοόλες, π.χ. μεθανόλη
• εστέρες και αιθέρες
• κετόνες, π.χ. ακετόνη
• αμίνες
• νιτρωμένοι και αλογονωμένοι υδρογονάνθρακες

Πολλοί οργανικοί διαλύτες ταξινομούνται ως τοξικοί ή καρκινογόνοι. Σε περίπτωση λανθασμένου χειρισμού, μπορεί να είναι επικίνδυνοι για τον άνθρωπο και να μολύνουν τον αέρα, το νερό και το έδαφος. Χάρη στον ισχυρό μηχανισμό της εκχύλισης με υπερήχους, η χρήση οργανικών διαλυτών μπορεί να αποφευχθεί με την αντικατάστασή τους από ηπιότερους, μη τοξικούς διαλύτες.