Fütokeemia ja ultraheli töötlus: taimsete bioaktiivainete suure efektiivsusega ultraheliekstraheerimine
Fütokeemia on taimset päritolu keemiliste ühendite teadus – alates polüfenoolidest, flavonoididest ja alkaloididest kuni terpeenide, saponiinide, glükosiidide, pigmentide, antioksüdantide ja eeterlike õlide koostisosadeni. Need fütokemikaalid on väärtuslikud toidulisandite, farmaatsiatoodete, kosmeetika, toidu koostisainete, looduslike värvainete, lõhna- ja maitseainete, taimeekstraktide ja analüütilise uurimistöö jaoks.
Täiustage oma fütokemikaalide ekstraheerimist Hielscheri sonikaatoritega
Ekstraheerige rohkem bioaktiivaineid lühema ajaga
Hielscheri sondtüüpi sonikaatorid intensiivistavad taimset ekstraheerimist, murdes taimerakud avatuks ja kiirendades massiülekannet. See võimaldab fütokemikaalide suure saagisega ekstraheerimist ürtidest, juurtest, lehtedest, õitest, viljadest, seemnetest, koorest, vetikatest ja muudest taimsetest materjalidest.
Miks valida Hielscheri ultraheliekstraheerimise süsteemid
- Suurem ekstraheerimissaagis: Saate samast taimsest toorainest kätte rohkem sihtühendeid.
- Lühem töötlemisaeg: Asendage pikad leotus- ehk makeratsioonietapid või soojusmahukad ekstraheerimisetapid kiire ultraheli töötlusega.
- Õrn, mittetermiline ekstraheerimine: Säilitage kuumustundlikud fütokemikaalid, näiteks polüfenoolid, terpeenid, antotsüaniinid, vitamiinid ja antioksüdandid.
- Lahusti paindlikkus: Kasutage vett, etanooli, vesi-etanoolsegusid, glütseriini, õlisid, sügaveutektilisi lahusteid või muid sobivaid ekstraheerimiskeskkondi.
- Täpne protsessijuhtimine: Reguleerige amplituudi, võimsust, energiasisendit, aega, temperatuuri, rõhku ja vooluhulka.
- Lineaarne skaleerimine: Töötage ekstraheerimisparameetrid välja laboris ja kandke need üle pilootmahtudele ja tööstuslikule tootmisele.
- Partii- ja inline-töötlus: Valige keeduklaasi mahus ultraheli töötlus, segatud mahutis töötlemine või pidev läbivoolu-ekstraheerimine.
- Töökindel tööstuslik disain: Hielscheri ultraheliseadmed on välja töötatud nõudlikeks tootmiskeskkondadeks, reprodutseeritavaks tööks ja lihtsaks integreerimiseks.
Sonikaator UIP1000hdT fütokemikaalide ekstraheerimiseks
Ultraheli töötlus kiiremaks, puhtamaks ja täielikumaks fütokemikaalide ekstraheerimiseks
Fütokemikaalide kasutamiseks koostistes, analüüsides või kommertstoodetes tuleb need esmalt taimsest maatriksist vabastada. Siin on ultraheli töötlusest saanud üks tõhusamaid ekstraheerimistehnoloogiaid. Sondtüüpi ultraheliseadmed tekitavad vedelikes ja suspensioonides intensiivse akustilise kavitatsiooni. Selle tulemusel tekkiv mikroturbulents, nihkejõud ja rõhukõikumised lõhuvad taimerakke, parandavad lahusti tungimist ning kiirendavad bioaktiivsete molekulide ülekannet ekstraheerimiskeskkonda.
Hielscher Ultrasonics pakub suure jõudlusega ultraheliseadmeid fütokemikaalide ekstraheerimiseks alates laboriuuringutest kuni täismahulise tööstusliku tootmiseni. Olenemata sellest, kas arendate taimeekstrakti, optimeerite analüütilist proovide ettevalmistust või skaleerite taimse koostisaine protsessi, annab ultraheli töötlus teile täpse kontrolli ekstraheerimise intensiivsuse, reprodutseeritavuse ja läbilaskevõime üle.
Sonikaator UP200Ht fütokemikaalide ekstraheerimiseks
Mis on ultraheli töötlus fütokeemias?
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on suure võimsusega ultraheli rakendamine vedelikule või suspensioonile. Fütokeemias kasutatakse ultraheli töötlust kõige sagedamini ultraheli abil toimuvaks ekstraheerimiseks, proovide ettevalmistuseks, rakkude lõhkumiseks (desintegreerimiseks), dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja protsesside intensiivistamiseks.
Kui suure intensiivsusega ultrahelisond edastab helilained ekstraheerimiskeskkonda, tekitavad vahelduvad kõrg- ja madalrõhutsüklid akustilise kavitatsiooni. Kavitatsioonimullid kasvavad ja variseduvad vägivaldselt. See variseng tekitab lokaalseid nihkejõude, vedeliku mikrojugasid ja intensiivseid segunemisefekte.
Taimsel ekstraheerimisel aitavad need efektid:
- lõhkuda rakuseinu ja membraane
- suurendada lahusti juurdepääsu rakusisestele ühenditele
- vähendada taimeosakeste ümber olevaid piirkihte
- parandada fütokemikaalide difusiooni lahustisse
- lühendada ekstraheerimisaega
- suurendada reprodutseeritavust
- vähendada liigse kuumuse või pikaajalise lahustiga kokkupuute vajadust
Tulemuseks on kiirem, tõhusam ja sageli õrnem ekstraheerimisprotsess võrreldes tavapäraste maseratsiooni-, infusiooni-, perkolatsiooni- või tagasijooksuga (refluks) ekstraheerimismeetoditega.
Miks on ultraheli töötlus tänapäevase fütokemikaalide ekstraheerimise jaoks oluline
Taimsed toorained on keerukad. Bioaktiivsed ühendid on suletud taimerakkudesse, seotud struktuurikomponentidega või jaotunud erinevate kudede vahel. Tavapärane ekstraheerimine nõuab sageli pikka viibeaega, suuri lahustikoguseid või kõrgendatud temperatuure. Sellised tingimused võivad olla ebatõhusad ja võivad lagundada termolabiilseid ühendeid.
Ultraheli abil ekstraheerimine lahendab need piirangud, intensiivistades fütokemikaalide füüsilist vabanemist. Selle asemel, et tugineda ainult passiivsele difusioonile, lõhub ultraheli töötlus (sonikeerimine) aktiivselt taimemaatriksit ja soodustab massiülekannet.
See muudab ultraheliekstraheerimise eriti kasulikuks, kui töötlejad vajavad:
- suuremat saagist kallitest taimsetest toorainetest
- lühemaid tootmistsükleid
- väiksemat lahusti tarbimist
- kuumustundlike ühendite paremat ekstraheerimist
- korratavat ekstraheerimist kvaliteedikontrolliks
- skaleeritavat töötlust laborist tootmiseni
- ühilduvust roheliste lahustite ja puhta koostisega (clean-label) koostisainetega
Fütokeemilistes uuringutes parandab ultraheli töötlus (sonikeerimine) ka analüütilist proovi ettevalmistust. Laboratooriumid saavad sihtühendeid kiiresti ja järjepidevalt ekstraheerida enne HPLC, GC-MS, LC-MS, UV-Vis, antioksüdantsete analüüside või muude analüütiliste meetodite kasutamist.
Tavapärased vs ekstraheerimismeetodid – võrdlus
| Tavapärane ekstraheerimismeetod | Tavapärase meetodi piirangud | Ultraheli töötluse eelis |
|---|---|---|
| Maseratsioon | Maseratsioon on lihtne, kuid aeglane. Vastuvõetava ekstraheerimissaagise saavutamiseks võib kuluda tunde, päevi või isegi nädalaid. | Ultraheli töötlus (sonikeerimine) kiirendab sama lahustiga ekstraheerimise põhimõtet, lõhkudes aktiivselt taimerakke ja parandades difusiooni. See võib töötlemisaega oluliselt lühendada. |
| Tagasijooksuga (refluks) ekstraheerimine | Tagasijooksuga ekstraheerimisel kasutatakse kuumust lahustuvuse ja massiülekande parandamiseks. Kuumus võib aga lagundada tundlikke fütokemikaale ja suurendada energiatarbimist. | Ultraheli töötlus (sonikeerimine) saavutab kõrge ekstraheerimistõhususe madalamatel temperatuuridel, mistõttu sobib see kuumustundlike taimsete ühendite jaoks. |
| Soxhleti ekstraheerimine | Soxhleti ekstraheerimist kasutatakse laialdaselt laboratooriumides, kuid see on lahustimahukas ja aeganõudev. | Ultraheliekstraheerimine võib vähendada lahusti mahtu ja ekstraheerimisaega, mistõttu on see atraktiivne analüütilise töö, teadus- ja arendustegevuse ning protsessiarenduse jaoks. |
| Mehaaniline segamine | Segamine parandab seoste ühtlust, kuid ei taga sama kavitatsioonist põhjustatud rakkude lõhkumist (desintegreerimist) nagu sondtüüpi ultraheli. | Ultraheli töötlus (sonikeerimine) ühendab segamise, osakeste deaglomeratsiooni ja rakkude lõhkumise ühes protsessietapis, mille tulemuseks on intensiivsem ekstraheerimine. |
Partii- ja inline-ultraheli töötlus taimeekstraktide jaoks
Partii-ultraheliekstraheerimine
Partii-ultraheli töötlus (sonikeerimine) sobib ideaalselt laboriuuringuteks, koostiste arendamiseks, väikesemahuliseks tootmiseks ja paindlikuks töötlemiseks. Sondtüüpi sonikaator asetatakse taime ja lahusti suspensiooni sisaldavasse anumasse. Partiitöötlust on lihtne seadistada ning see sobib suurepäraselt selliste parameetrite nagu lahusti tüüp, amplituud, ekstraheerimisaeg ja temperatuur sõelumiseks.
Pidev inline-ultraheliekstraheerimine
Suuremate tootmismahtude jaoks on eelistatud lahenduseks pidev inline-ultraheli töötlus (sonikeerimine). Taimne suspensioon pumbatakse läbi ultraheli läbivoolukambri, kus see puutub kokku kontrollitud kavitatsiooniga. Inline-töötlus parandab korratavust, protsessi juhtimist ja läbilaskevõimet. Samuti muudab see skaleerimise etteaimatavamaks, sest energiasisendi, viibeaja ja vooluhulga saab täpselt määratleda.
Hielscheri tööstuslikud ultraheliseadmed on mõeldud pidevaks tööks ning neid saab integreerida pumpade, soojusvahetite, mahutite, filtreerimissüsteemide, lahusti taaskasutuse ja järgneva kontsentreerimisega.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest taimeekstraktide ekstraheerimisel
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatav sonikaator |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20 L | 0,2 kuni 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100 L | 2 kuni 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150 L | 3 kuni 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100 L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | suurem | klaster: UIP16000hdT |
Ultraheli abil ekstraheeritavad fütokemikaalid
Ultraheli töötlus sobib paljudele fütokemikaalide klassidele. Ekstraheerimistulemus sõltub taimsest materjalist, osakeste suurusest, lahustist, temperatuurist, ultraheli amplituudist, viibeajast ja järgnevast eraldamisest.
Polüfenoolid ja flavonoidid
Polüfenoolid ja flavonoidid kuuluvad antioksüdantsete omaduste ning tähtsuse tõttu toidu-, toidulisandi- ja kosmeetikakoostistes enimuuritud fütokemikaalide hulka. Ultraheliekstraktsioon soodustab fenoolhapete, katehhiinide, kvertsetiini, rutiini, antotsüaniinide ja nendega seotud ühendite vabanemist lehtedest, viljadest, koortest, õitest, seemnetest ja puukoorest.
Terpeenid ja eeterlike õlide koostisosad
Terpeenid ja aromaatsed ühendid on olulised taimeekstraktide, lõhnaainete, maitseainete ning kanepi- või humalataolise kanepitöötluse jaoks. Ultraheli töötlus võib parandada ekstraheerimist taimekudedest, võimaldades samal ajal leebet temperatuuri reguleerimist, mis on oluline lenduvate ja oksüdatsioonitundlike ühendite puhul.
Alkaloidid
Alkaloidid esinevad paljudes ravimtaimedes ja neid ekstraheeritakse sageli analüütilisteks, farmatseutilisteks või toidulisandite eesmärkideks. Ultraheli töötlus parandab maatriksi lõhkumist ja võib kiirendada alkaloidide ülekannet sobivatesse lahustitesse.
Saponiinid, glükosiidid ja tanniinid
Paljud juured, ürdid, kaunviljad ja ravimtaimed sisaldavad saponiine, glükosiide ja tanniine. Ultraheli töötlus aitab need ühendid vabastada kiulistest või tihedatest taimemaatriksitest ning seda saab optimeerida, et tasakaalustada ekstraktsioonisaagist ja selektiivsust.
Pigmendid ja antioksüdandid
Looduslikud pigmendid, näiteks antotsüaniinid, klorofüllid, karotenoidid ja betalaiinid, on väärtuslikud toidu-, joogi-, kosmeetika- ja analüütilistes rakendustes. Kuna paljud pigmendid on tundlikud kuumuse, hapniku ja pH suhtes, on ultraheliekstraktsioon kontrollitud temperatuuritingimustes väga kasulik.
Kannabinoidid ja kanepi fütokemikaalid
Kanep ja kannabis sisaldavad kannabinoide, terpeene, flavonoide ja muid taimseid koostisosi. Ultraheliekstraktsioon parandab nende ühendite vabanemist jahvatatud biomassist ning seda saab kohandada etanooli, hüdroetanoolsete või muude lahustisüsteemidega.
Fütokemikaalide ultraheliekstraktsioon
KKK: ultraheli töötlus ja fütokeemia
Mis on ultraheli töötlus fütokeemias?
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) fütokeemias tähendab suure võimsusega ultraheli kasutamist taimset päritolu keemiliste ühendite ekstraheerimiseks, vabastamiseks või töötlemiseks. Seda kasutatakse tavaliselt fütokemikaalide, näiteks polüfenoolide, flavonoidide, terpeenide, alkaloidide, pigmentide, antioksüdantide ja eeterlike õlide koostisosade ultraheliabistatud ekstraheerimiseks.
Kuidas ultraheli töötlus fütokemikaale taimedest ekstraheerib?
Ultraheli töötlus tekitab ekstraheerimisvedelikus akustilise kavitatsiooni. Kavitatsioon tekitab nihkejõudusid, mikrojoasid ja intensiivset segunemist, mis lõhuvad taimerakkude struktuure ja parandavad lahusti tungimist. See kiirendab fütokemikaalide ülekannet taimemaatriksist lahustisse.
Milliseid fütokemikaale saab ultrahelit kasutades ekstraheerida?
Ultraheliekstraktsiooni saab kasutada polüfenoolide, flavonoidide, antotsüaniinide, terpeenide, kannabinoidide, alkaloidide, saponiinide, tanniinide, glükosiidide, klorofüllide, karotenoidide, eeterlike õlide koostisosade ja paljude teiste taimset päritolu ühendite jaoks.
Kas ultraheliekstraktsioon sobib kuumustundlikele fütokemikaalidele?
Jah. Ultraheli töötlust peetakse leebeks, mittetermiliseks ekstraheerimismeetodiks, kui temperatuuri reguleeritakse õigesti. See muudab selle sobivaks kuumustundlikele ühenditele, näiteks antioksüdantidele, pigmentidele, terpeenidele ja teatud vitamiinidele.
Kas sondiga ultraheli töötlus on fütokemikaalide ekstraheerimisel parem kui ultrahelivann?
Tõhusaks ekstraheerimiseks on sondtüüpi ultraheli töötlus üldiselt palju võimsam ja paremini kontrollitav kui ultrahelivann. Sondtüüpi sonikaator annab energia otse vedelikku, tekitades proovis või protsessivoos intensiivse kavitatsiooni. Ultrahelivannid on oluliselt vähem intensiivsed ning nende tulemused ei ole nõudlike ekstraheerimisülesannete puhul reprodutseeritavad. Vaadake, kuidas erinevad ultraheliekstraktsiooni tulemused sondtüüpi sonikaatori ja ultrahelivanni kasutamisel!
Milliseid lahusteid saab ultraheliga fütokemikaalide ekstraheerimisel kasutada?
Levinud lahustid on vesi, etanool, etanooli-vee segud, glütseriin, õlid ja muud rakendusspetsiifilised lahustid. Analüütilise ekstraheerimise puhul võib kasutada metanooli või muid laborilahusteid. Sonikeerimist saab kombineerida ka sügaveutektiliste lahustitega ja looduslike sügaveutektiliste lahustitega.
Kas sonikeerimine võib ekstraktsiooniaega lühendada?
Jah. Ultraheliekstraktsioon võib ekstraktsiooniaega tavapärase maseratsiooni, infusiooni või lahustiekstraktsiooniga võrreldes märkimisväärselt lühendada, sest kavitatsioon kiirendab rakkude lõhkumist ja massiülekannet.
Kas ultraheliekstraktsiooni saab suuremasse mastaapi viia?
Jah. Hielscheri sonikaatorid on saadaval laborist tööstusliku mastaabini. Kontrollitud parameetritega, nagu amplituud, energiasisend, temperatuur ja viibeaeg, välja töötatud protsessid saab üle kanda suurematele partiisüsteemidele või pidevatele in-line süsteemidele.
Kas sonikeerimine sobib tööstuslikuks taimse materjali ekstraheerimiseks?
Jah. Läbivoolureaktoritega tööstuslikud ultraheliseadmed suudavad taimseid suspensioone pidevalt töödelda. See muudab sonikeerimise sobivaks toidulisandite ekstraktide, taimsete tinktuuride, kosmeetiliste toimeainete, toidu koostisosade ja taimsete bioaktiivainete tööstuslikuks tootmiseks.
Millised on Hielscheri ultraheliseadmete peamised eelised fütokeemias?
Hielscheri sonikaatorid pakuvad võimsat kavitatsiooni, täpset parameetrite juhtimist, reprodutseeritavat ekstraheerimist, partii- ja in-line töötlust, skaleeritavaid seadmevariante ning ühilduvust paljude lahustite ja taimsete materjalidega. Need sobivad teadustööks, protsessi arendamiseks ja täismahus tootmiseks.
Kuidas valida sobiv ultraheliekstraktor?
Parim ultraheliekstraktor sõltub teie taimsest materjalist, sihtühenditest, lahustist, mahust, tahkete osakeste sisaldusest, temperatuuripiirangutest ja nõutavast läbilaskevõimest. Hielscher saab teie ekstraktsiooniprotsessi põhjal soovitada sobiva labori-, pilootmastaabi- või tööstusliku sonikaatori.
Kirjandus / viited
- Turrini, Federica; Donno, Dario; Beccaro, Gabriele; Zunin, Paola; Pittaluga, Anna; Boggia, Raffaella (2019): Pulsed Ultrasound-Assisted Extraction as an Alternative Method to Conventional Maceration for the Extraction of the Polyphenolic Fraction of Ribes nigrum Buds: A New Category of Food Supplements Proposed by The FINNOVER Project. Foods. 8. 466; 2019
- Larasati, I.D.; Oktaviani, N.M.D.; Lioe, H.N.; Estiasih, T.; Palma, M.; Setyaningsih, W. (2023): Optimization of Ultrasound-Assisted Cold-Brew Method for Developing Roselle (Hibiscus sabdariffa L.)-Based Tisane with High Antioxidant Activity. Beverages, 9, 58; 2023.
- Turrini, F.; Beruto, M.; Mela, L.; Curir, P.; Triglia, G.; Boggia, R.; Zunin, P.; Monroy, F. (2021): Ultrasound-Assisted Extraction of Lavender (Lavandula angustifolia Miller, Cultivar Rosa) Solid By-Products Remaining after the Distillation of the Essential Oil. Applied Sciences 11, 2021.
- 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.
- kõrge efektiivsus
- tipptasemel tehnoloogia
- töökindlus ja vastupidavus
- reguleeritav, täpne protsessijuhtimine
- partii- ja in-line töötlus
- mis tahes mahule
- intelligentne tarkvara
- nutikad funktsioonid (nt programmeeritavus, andmete logimine, kaugjuhtimine)
- lihtne ja ohutu kasutada
- vähene hooldusvajadus
- CIP (kohapealne puhastus)
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laboriskaalast kuni tööstusliku suuruseni.