Ultraheli ekstraheerimine sügavate eutektiliste lahustitega
Sügavad eutektilised lahustid (DES) ja looduslikud sügavad eutektilised lahustid (NADES) on võimsad, kohandatavad ja keskkonnasõbralikud ekstraheerimiskeskkonnad taimsete materjalide, toidu, toidulisandite, kosmeetika ja farmaatsiatoorainete jaoks. Hielscheri sondtüüpi sonikaatorid intensiivistavad DES-ekstraheerimist, kiirendades massiülekannet, lõhkudes taimerakkude struktuure ja parandades lahusti tungimist – isegi viskoossete lahustisüsteemide, näiteks glütserooli-põhiste NADES-ide puhul.
Olenemata sellest, kas skriinite laboris lahustiretsepte, optimeerite konkreetse fütokemikaali ekstraheerimisparameetreid või suurendate mahtu pidevale in-line tootmisele, pakuvad Hielscheri ultraheli ekstraktorid reprodutseeritavat amplituudi juhtimist, töökindlat 24/7 tööd ja skaleeritavat töötlust milliliitritest tööstuslike vooluhulkadeni.
Miks ekstraktitootjad valivad DES-ekstraheerimiseks Hielscheri
- Suurem ekstraheerimise efektiivsus polüfenoolide, flavonoidide, kannabinoidide, terpeenide, antotsüaniinide ja muude bioaktiivsete ühendite puhul
- Kiirem ekstraheerimine võrreldes tavapärase maatseratsiooni ja segamismahutis toimuva lahustiekstraktsiooniga
- Ühilduv DES-i, NADES-i, glütseriini, vee, etanooli ja segalahustisüsteemidega
- Kõrge viskoossusega lahustite tõhus töötlemine suure amplituudiga sondiga ultraheli töötluse abil
- Partii-, retsirkulatsiooni- ja pidevad läbivoolusüsteemid
- Täpne amplituudi, energiasisendi, temperatuuri ja protsessiaja juhtimine
- Lihtne skaleerimine teostatavuskatsetelt pilootmahtudele ja täismahulisele tööstuslikule tootmisele
Ultraheli ekstraheerimine (looduslike) sügavate eutektiliste lahustitega on väga tõhus meetod parima kvaliteediga taimeekstraktide saamiseks. Pildil on ultraheli protsessor UP400St (400W) 8 L partiiga taimeekstraktsiooniks.
Miks ultraheli töötlus parandab DES- ja NADES-ekstraheerimist
Sondtüüpi ultraheli ekstraheerimine sügavate eutektiliste lahustite ja looduslike sügavate eutektiliste lahustitega pakub bioaktiivsete ühendite ekstraheerimisel mitmeid eeliseid. Üks peamisi eeliseid on fenoolsete ühendite ja muude fütokemikaalide suurem ekstraheerimise efektiivsus looduslikest allikatest. Sügavad eutektilised lahustid on tuntud oma kõrge ekstraheerimisefektiivsuse poolest, mida saab ultraheliga toetatud ekstraheerimisega veelgi suurendada. Mittetoksilisuse tõttu on need suurepärane lahustivalik farmaatsia- ja toidutoodete jaoks. See muudab ultraheli ekstraheerimise sügavate eutektiliste lahustitega rohelisek ja jätkusuutlikuks meetodiks bioaktiivsete ühendite eraldamisel. Ultraheli töötluse sünergilise kasutamise koos sügavate eutektiliste lahustitega on teaduslikult tõestatud andvat mitmesuguste bioaktiivsete ühendite suuremaid saagiseid. Üldiselt pakub sondtüüpi ultraheli ekstraheerimine sügavate eutektiliste lahustite ja looduslike sügavate eutektiliste lahustitega bioaktiivsete ühendite ekstraheerimiseks tõhusamat ja keskkonnasõbralikumat lähenemisviisi.
Antotsüaniinide ultraheli ekstraheerimine DES-iga
Antotsüaniinid on väärtuslikud looduslikud pigmendid ja antioksüdandid, mida leidub mustades porganditest, marjades, viinamarjades, lillas maisis ja muudes taimsetes materjalides. Sügavad eutektilised lahustid sobivad antotsüaniinide ekstraheerimiseks hästi, kuna nende vesiniksidemete võrgustikku saab kohandada vastavalt nende värvusühendite polaarsuse ja stabiilsuse nõuetele. Sondtüüpi ultraheli töötlusega kombineerituna muutub DES-ekstraheerimine oluliselt tõhusamaks: ultraheli kavitatsioon lõhub taimerakkude struktuure, parandab lahusti tungimist ja kiirendab antotsüaniinide vabanemist ekstraheerimiskeskkonda. Uuring musta porgandi antotsüaniinide kohta sonikaatoriga UP400St näitab, et koliinkloriidi-põhine DES, eriti kombineerituna ultraheliga toetatud ekstraheerimisega, võib olla jätkusuutlik ja tõhus alternatiiv tavapärasele hapestatud etanooli või metanooliga ekstraheerimisele. (vrd Türker et al., 2021)
Polüfenoolide ultraheli ekstraheerimine DES-iga
Polüfenoolid, sealhulgas flavonoidid, fenoolhapped ja nendega seotud antioksüdantsed ühendid, on olulised sihtmolekulid botaanilises, toidu-, toidulisandite ja kosmeetika ekstraheerimises. Glütserooli-põhised sügaveutektilised lahustid on polüfenoolide eraldamiseks eriti atraktiivsed, kuna nende polaarsus ja vesiniksidemete moodustamise võime toetavad fenoolsete ühendite solubiliseerimist. Sondtüüpi ultraheli intensiivistab protsessi veelgi, suurendades massiülekannet, lühendades ekstraheerimisaega ja parandades DES-i ning taimse maatriksi kontakti.
Uurimuses kasutati glütserooli-ammooniumatsetaadi DES-i ultrahelitoega ekstraheerimisel optimeeritud parameetritel, nagu temperatuur, DES-i kontsentratsioon ja ultraheli amplituud. Tulemus näitas, et ultraheli DES-ekstraheerimine võimaldas tõhusalt eraldada kogufenoole, flavonoide ja antioksüdantset aktiivsust meliaviljadest (Melia azedarach), näidates ultraheliekstraheerimise DES-iga kui rohelise ekstraheerimismeetodi potentsiaali tööstuslikuks botaaniliseks töötlemiseks. (vrd Jamshed et al., 2022)
- Väga tõhus
- Kiire protsess
- Mittetoksiline
- Täpselt kohandatav konkreetsele taimsele materjalile
- Leebed töötlemistingimused
- Partii- ja läbivoolurežiim
- Lihtne ja ohutu
- Keskkonnasõbralik / biolagunev
- Taaskasutatav
- Mittesüttiv
- Odav
- Lihtsasti kättesaadav
Mis on sügaveutektilised lahustid (DES)?
Sügaveutektilised lahustid (DES-id) on segud, mis sisaldavad vähemalt ühte vesinikside aktseptorit (HBA) ja ühte vesinikside doonorit (HBD), sealhulgas karboksüülhappeid ja muid taastuvaid ühendeid. Cai et al. (2019) sõnul on „tugev vesiniksideme interaktsioon HBA ja HBD vahel DES-ide tekkimise jaoks kõige olulisem tegur.” [Cai et al. 2019]
Vesinikside doonoritena kasutatakse sageli selliseid ühendeid nagu suhkrud, aminohapped, karboksüülhapped (nt benseenkarboksüülhape ehk bensoehape, sidrunhape, merevaikhape) või amiinid (nt uurea, benseenkarboksamiid ehk benzamiid). Vesinikside doonorite keemiline interaktsioonipotentsiaal on peamine tegur, mis määrab sügaveutektiliste lahustite tekkimise ja tõhususe. Halogeniidsoolasid, nagu koliinkloriid või tsinkkloriid, võib samuti kasutada koos vesinikside doonoritega. Teised koliinkloriid-põhised sügaveutektilised lahustid moodustatakse malonhappe, fenooli või glütseriiniga. Tugevate vesiniksidemete interaktsioonide tulemusena on sügavNeutektiliste lahustite sulamistemperatuur oma üksikkomponentidega võrreldes märkimisväärselt langenud. Erinevalt tavalistest lahustitest (nt etanool, metanool, heksaan, butaan jne) on sügaveutektilised lahustid mittelenduvad, mis tähendab, et nende aururõhk on väga madal ja seetõttu on nad raskesti süttivad. Sügavate eutektiliste lahustite toksilisus on madal, nende biolagunevus on kõrge ning vajalikud lähteühendid on odavad, lihtsasti ja rikkalikult kättesaadavad ning taastuvad.
Loomulikud sügaveutektilised lahustid (NADES) on veelgi keskkonnasõbralikumad, kuna kõik lähteühendid pärinevad looduslikest allikatest. Sügavad eutektilised lahustid pakuvad ka kohandatavat lahustusvõimet, mis põhineb lahustuva aine keemial ja liikidel, mida kasutatakse sügavate eutektiliste lahustite loomiseks. Mõned looduslikud sügavad eutektilised lahustid on suure viskoossusega ja seetõttu pole need partiiekstraheerimiseks väga sobivad. Kõrgema viskoossusega looduslikke sügavaid eutektilisi lahusteid saab siiski edukalt kasutada lahustitena ultraheli läbivoolu-ekstraheerimisel.
Alljärgnev tabel näitab mõningaid näidiskoostisi looduslike sügavate eutektiliste lahustite (NADES) kohta fütokemikaalide ekstraheerimiseks:
| NADES Composition | Molar Ratio |
|---|---|
| Choline chloride:Lactic acid | 1:2 |
| Choline chloride:Citric acid:Water | 1:1:2 |
| Choline chloride:Malic acid:Water | 1:1:2 |
| Choline chloride:Tartaric acid | 1:2 |
| Choline chloride:Glycerol | 1:2 |
| Choline chloride:1,2-propanediol | 1:3 |
| Choline chloride:Sorbitol | 1:1 |
| Choline chloride:Glucose:Water | 2:1:1 |
| Choline chloride:Fructose:Water | 2:1:1 |
| Choline chloride:Urea | 1:2 |
Tööstuslik sonikaator UIP4000hdT läbivoolukambritega pideva inline-ekstraheerimise jaoks
Kuidas toimib ultraheliekstraheerimine sügaveutektiliste lahustitega?
Ultraheli ekstraheerimine põhineb suure intensiivsusega madalsagedusliku ultraheli sonomehaanilistel efektidel. Botaaniliste ühendite (st bioaktiivsete ainete) ekstraheerimise soodustamiseks ja intensiivistamiseks ultraheli töötluse abil juhitakse suure võimsusega ultraheli lained ultrahelisondi (nimetatakse ka ultraheli sarveks või sonotroodiks) kaudu vedelasse keskkonda, st botaanilisest toorainest ja (looduslikust) sügaveutektilisest lahustist koosnevasse suspensiooni. Ultraheli lained levivad läbi vedeliku ja tekitavad vahelduvaid madalrõhu- ja kõrgrõhutsükleid. Madalrõhutsüklite ajal tekivad pisikesed vaakumimullid (nn kavitatsioonimullid), mis kasvavad mitme rõhutsükli jooksul. Nende mullide kasvutsüklite ajal satuvad vedelikus lahustunud gaasid vaakumimulli, nii et vaakumimull muutub kasvavaks gaasimulliks. Pärast mitme tsükli jooksul kasvamist saavutavad vaakumimullid teatud suuruse, mille juures nad ei suuda rohkem energiat neelata, mistõttu nad implodeeruvad kõrgrõhutsükli ajal vägivaldselt. Mulli implosiooni iseloomustavad intensiivsed kavitatsioonijõud, sealhulgas väga kõrge temperatuur ja rõhk, mis ulatuvad vastavalt kuni 4000K ja 1000atm; samuti vastavad suured temperatuuri- ja rõhuerinevused. Need ultraheli abil tekitatud turbulentsid ja nihkejõud lõhuvad taimerakke ja vabastavad rakusisesed bioaktiivsed ühendid (looduslikku) sügaveutektilisse lahustisse. Ultraheli ekstraheerimine avab botaaniliste materjalide rakustruktuuri ja intensiivistab massiülekannet taimse materjali ja lahusti vahel. Ultraheli töötlus soodustab seeläbi looduslike sügaveutektiliste lahustite tõhusust. Ultraheli ekstraheerimine (looduslike) sügaveutektiliste lahustitega annab erakordselt suure saagise väga lühikese töötlusaja jooksul.
Võimsad ultraheli lained lõhuvad botaaniliste materjalide rakustruktuuri, vabastavad bioaktiivsed ühendid ja soodustavad massiülekannet taimse materjali ja lahusti (nt sügaveutektiliste lahustite) vahel.
Ultraheli ekstraheerimise ja (looduslike) sügaveutektiliste lahustite kombineerimine annab võimaluse ühendada ultraheli protsessi intensiivistav jõud sügaveutektiliste lahustite tähelepanuväärse lahustusvõime ja suurepärase kohandatavusega. Tänu ultraheli ekstraheerimise suurepärasele tõhususele kasutatakse ultraheli seadmeid edukalt ka vesiekstraktsiooniks.
Võtke meiega kohe ühendust, et saada lisateavet sügaveutektilisi lahusteid kasutava võimsa ultraheli ekstraheerimise rakenduse kohta!
Ultraheli ekstraktor UIP2000hdT (2kW) botaaniliste ekstraktide tootmiseks
Ultraheli ekstraktorid laboratoorseks, pilootmastaabiliseks ja tööstuslikuks DES-ekstraheerimiseks
Ultraheli ekstraheerimine on usaldusväärne töötlustehnoloogia, mis hõlbustab ja kiirendab kvaliteetsete ekstraktide tootmist erinevatest botaanilistest materjalidest mis tahes lahustit kasutades. Ultraheli ekstraheerimine sobib väga hästi kokku (looduslike) sügaveutektiliste lahustitega, mis on soodsad tänu oma suurepärasele lahustusvõimele, ekstraktile kohandatavusele, jätkusuutlikkusele, biolagunevusele ja keskkonnasõbralikkusele. Ultraheli protsessi intensiivistamise ja (looduslike) sügaveutektiliste lahustite eeliste kombineerimine annab sellele protsessitehnoloogiale paremuse paljudes aspektides. Hielscher Ultrasonicsi tootevalik hõlmab kogu spektrit kompaktsetest laboratoorsetest ultraheli seadmetest tööstuslike ekstraheerimissüsteemideni. Kõik need sobivad loomulikult ekstraheerimiseks sügaveutektiliste lahustitega.
Meie pikaajalise kogemusega töötajad toetavad Teid teostatavuskatsetest ja protsessi optimeerimisest kuni Teie ultraheli süsteemi paigaldamiseni lõplikul tootmistasandil.
| Ekstraheerimismaht | Soovitatav sonikaator |
|---|---|
| Meetodi arendus, T&A, sõelkatsed | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Viskoossed DES/NADES partiid | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Pilootmastaabiline tootmine | UIP1000hdT või UIP2000hdT (2000W) |
| Pidev tööstuslik ekstraheerimine | UIP4000hdT (4000W), UIP6000hdT (6000W), UIP16000hdT (16kW) või klastrid |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Korduma kippuvad küsimused ultraheli ekstraheerimise kohta sügaveutektiliste lahustitega
Mis on ultraheli abil toimuv ekstraheerimine süvaeutektiliste lahustitega?
Ultraheli abil toimuv ekstraheerimine süvaeutektiliste lahustitega ühendab sondtüüpi ultraheli töötluse (sonikeerimise) DES- või NADES-lahustisüsteemidega. Ultraheli sond juhib taimse materjali ja lahusti suspensiooni suure intensiivsusega helilaineid. Tekkiv kavitatsioon lõhub taimerakkude struktuure, parandab lahusti tungimist ja kiirendab bioaktiivsete ühendite ülekannet süvaeutektilisse lahustisse.
Miks kasutada DES- ja NADES-ekstraheerimisel ultraheli?
Ultraheli parandab DES- ja NADES-ekstraheerimist, suurendades massiülekannet, lühendades ekstraheerimisaega ja aidates lahustil rakusisesteni ühenditeni tõhusamalt jõuda. See on eriti kasulik taimsete materjalide puhul, kus sihtühendid on lõksus taimerakkudes, kiududes või vaigustes struktuurides.
Milliseid ühendeid saab DES- ja NADES-lahustitega ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutades ekstraheerida?
Ultraheli abil toimuvat DES- ja NADES-ekstraheerimist saab kasutada paljude bioaktiivsete ühendite jaoks, sealhulgas polüfenoolid, flavonoidid, antotsüaniinid, terpeenid, kannabinoidid, alkaloidid, antioksüdandid, pigmendid, aroomiühendid ja muud fütokemikaalid. Lahusti koostis tuleks valida sihtühendi polaarsuse, stabiilsuse ja lahustuvuse järgi.
Kas süvaeutektilised lahustid sobivad kokku Hielscheri ultraheli ekstraktoritega?
Jah. Hielscheri sondtüüpi sonikaatorid sobivad ekstraheerimiseks süvaeutektiliste lahustite, looduslike süvaeutektiliste lahustite, glütseriinipõhiste lahustisüsteemide, vee, etanooli ja paljude teiste ekstraheerimiskeskkondadega. Viskoossete DES- või NADES-süsteemide puhul on võimas sondsonikaator eriti kasulik, kuna see tagab vedelikus otse intensiivse segamise, kavitatsiooni ja massiülekande.
Kas ultraheli abil toimuv DES-ekstraheerimine suudab töödelda suure viskoossusega lahusteid?
Jah. Paljudel DES- ja NADES-koostistel on kõrgem viskoossus kui tavalistel lahustitel. Hielscheri ultraheli protsessorid sobivad hästi viskoossete ekstraheerimiskeskkondade jaoks, sest sonotrood juhib suure amplituudiga ultraheli otse lahusti ja materjali segusse. Suuremate mahtude või pidevtöötluse korral võivad läbivoolureaktorid parandada segunemist, soojuse reguleerimist ja protsessi ühtlust.
Kas ultraheli abil toimuv DES-ekstraheerimine sobib toidu-, toidulisandite ja kosmeetikatoodete tootmiseks?
Jah. DES- ja NADES-lahusteid valitakse sageli rakenduste jaoks, kus on olulised väike lenduvus, vähenenud lahustiohud ja häälestatav ekstraheerimistulemus. Olenevalt valitud lahusti komponentidest ja regulatiivsetest nõuetest saab ultraheli abil toimuvat DES-ekstraheerimist kasutada toidu koostisosade, toidulisandite ekstraktide, kosmeetiliste toimeainete, taimsete kontsentraatide ja uurimiskvaliteediga ekstraktide jaoks.
Kas ultraheli abil toimuvat ekstraheerimist DES-lahustitega saab suuremasse mastaapi viia?
Jah. Ultraheli abil toimuv ekstraheerimine on väga skaleeritav, sest samu protsessiparameetreid – näiteks amplituudi, energiasisendit, viibeaega, temperatuuri ja tahke aine ja vedeliku suhet – saab laborikatsetelt üle kanda pilootmahule ja tööstuslikule tootmisele. Hielscher tarnib ultraheli ekstraktoreid väikeste laboriproovide, laualtöötluse optimeerimise, pilootpartiide ja pideva tööstusliku läbivoolu-ekstraheerimise jaoks.
Kas DES-protsesside puhul peaksin kasutama partiipõhist või in-line ultraheli ekstraheerimist?
Partiiekstraheerimine on sageli parim laborikatsete, koostiste sõeluuringu ja väikeste tootmismahtude jaoks. In-line ultraheli ekstraheerimist eelistatakse tavaliselt pilootmahu ja tööstusliku tootmise jaoks, sest see tagab kontrollitud viibeaja, parema korratavuse, lihtsama jahutamise ja pideva läbilaske. Parim lahendus sõltub viskoossusest, taimsest materjalist, lahusti suhtest, sihtühendist ja tootmisvõimsusest.
Kuidas valida DES-ekstraheerimiseks sobiv ultraheli ekstraktor?
Sobiv ultraheli ekstraktor sõltub proovi mahust, partii suurusest, vooluhulgast, lahusti viskoossusest, sihtühendist, ekstraheerimistemperatuurist ja tootmiseesmärgist. Väikesed laboriseadmed sobivad meetodi arendamiseks, samas kui seeria UIP tööstuslikke ultraheli seadmeid kasutatakse pilootmahu ja tootmismahu ekstraheerimiseks DES abil. Hielscher oskab soovitada konfiguratsiooni teie tooraine, lahustisüsteemi ja nõutava läbilaske põhjal.
Millised protsessiparameetrid on ultraheli DES-ekstraktsiooni jaoks olulised?
Olulised parameetrid on ultraheli amplituud, energiasisend, ekstraktsiooniaeg, temperatuur, DES- või NADES-lahusti koostis, veesisaldus, tahke aine ja vedeliku suhe, osakeste suurus, viskoossus ja vooluhulk. Need parameetrid tuleks iga taimse materjali ja sihtühendi jaoks optimeerida, et saavutada kõrge saagis, hea ekstrakti kvaliteet ja korratav tootmine.
Kirjandus / viited
- Türker, D.A., Doğan, M. (2021): Application of deep eutectic solvents as a green and biodegradable media for extraction of anthocyanin from black carrots. LWT – Food Science and Technology, Volume 138, March 2021.
- Duygu Aslan Türker, Mahmut Doğan (2022): Ultrasound-assisted natural deep eutectic solvent extraction of anthocyanin from black carrots: Optimization, cytotoxicity, in-vitro bioavailability and stability. Food and Bioproducts Processing, Volume 132, 2022. 99-113.
- Sumbal Jamshed, Dildar Ahmed (2022): Optimization of ultrasound-assisted extraction of valuable compounds from fruit of Melia azedarach with glycerol-choline chloride deep eutectic solvent. Sustainable Chemistry and Pharmacy, Volume 29, 2022.
- Křížek, et al. (2018): Menthol-based Hydrophobic Deep Eutectic Solvents: Towards Greener and Efficient Extraction of Phytocannabinoids. Journal of Cleaner Production, 193, 2018. 391-396.
- Chemat F, et al. (2019): Review of Alternative Solvents for Green Extraction of Food and Natural Products: Panorama, Principles, Applications and Prospects. Molecules, vol.24, no.16, 2019. 3007.
- Lores, H.; Romero, Vanesa; Costas Mora, Isabel; Bendicho, Carlos; Lavilla, Isela (2016): Natural deep eutectic solvents in combination with ultrasonic energy as a green approach for solubilisation of proteins: application to gluten determination by immunoassay. Talanta 2017. 453-459.
- Cai, et al. (2019): Green Extraction of Cannabidiol from Industrial Hemp (Cannabis sativa L.) Using Deep Eutectic Solvents Coupled with Further Enrichment and Recovery by Macroporous Resin. Journal of Molecular Liquids, 2019.
Suure jõudlusega ultraheli! Hielscheri tootevalik hõlmab kogu spektrit kompaktsetest laboratoorsetest ultraheli seadmetest lauaseadmeteni ja täismahus tööstuslike ultraheli süsteemideni.