Liuottimet kasvien ultraääniuuttoon

• Ultraääniuutolla on monia etuja, kuten suuret saannot, nopea uutto, ympäristöystävällisyys ja pieni energiankulutus.
• Yksi merkittävimmistä eduista on veden käyttö uuttoväliaineena. Ultraäänikäsittelyä voidaan kuitenkin käyttää monenlaisten liuotinjärjestelmien kanssa, jotta tavoitellulle uutteelle saavutetaan erinomaiset tulokset.
• Optimaalinen liuotin kasvien bioaktiivisten aineiden ultraääniuuttoon valitaan raaka-aineen perusteella.

Ultraääniuutto

Ultraäänen tiedetään hajottavan solurakenteita ja parantavan aineensiirtoa, mikä lisää biologisten yhdisteiden (esim. fenolisten yhdisteiden ja karotenoidien) uutettavuutta.
Koska ultraäänikäsittelyn mekaaniset vaikutukset tehostavat uuttoprosessia huomattavasti parantamalla aineensiirtoa, orgaanisten liuottimien käyttö on usein tarpeetonta. Tämä tarkoittaa, että ultraääniuutossa vesi on usein riittävä uuttoväliaine, jolla on monia etuja: se on edullista, vaaratonta, helposti saatavilla ja ympäristöystävällistä.
Tiettyjen bioaktiivisten yhdisteiden kohdalla parhaat tulokset voidaan kuitenkin saavuttaa yhdistämällä ultraääniuutto haihtuvan liuottimen käyttöön.
Oikean liuottimen valinnassa on otettava huomioon raaka-aine (esim. tuore tai kuivattu, maseroitu/jauhettu tai jauhemainen kasvimateriaali) ja tavoitellut aineet (esim. lipofiiliset tai hydrofiiliset).
 

Seuraavassa taulukossa luetellaan useita vakiintuneita uuttoliuottimia, joita käytetään kasvimateriaalin ultraääniuutossa.

Voimakkaat ultraääniaallot hajottavat biologisten rakenteiden solumatriisia ja vapauttavat bioaktiivisia yhdisteitä. Aineensiirto kasvimateriaalin ja liuottimen välillä tehostuu. Näiden mekanismien ansiosta ultraääniuutto on erittäin tehokas menetelmä kasvien uuttamiseen.

Ultraäänilaitteet uuttoon

Laboratorio- ja pöytämallisista ultraäänilaitteista aina täyden teollisen mittakaavan ultraääniuuttojärjestelmiin – Hielscher Ultrasonics on pitkän kokemuksen omaava kumppanisi, kun tarvitset tehokkaita ja luotettavia ultraäänilaitteita onnistuneisiin uuttoprosesseihin.
Ultraäänijärjestelmiämme käytetään laajalti biokemiallisissa laboratorioissa ja lääketehtaissa. Ultraäänisonotrodit ja reaktorit voidaan autoklavoida, ja ne täyttävät lääkkeiden valmistuksen standardit.

Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja solumatriisien hajottamiseksi ja tavoiteltujen aineiden vapauttamiseksi. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä. Hielscherin ultraäänilaitteiden teho ja kestävyys takaavat suuret saannot, nopean uuton ja täydellisemmän uuton – ylittäen tavanomaisten uuttoprosessien suorituskyvyn.
Ultraääniprosessorimme voidaan yhdistää tavanomaisiin uuttomenetelmiin, kuten Soxhlet-uuttoon tai ylikriittiseen CO2-uuttoon. Jälkiasennus olemassa oleviin tuotantolinjoihin onnistuu helposti.

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.

Hyödyllistä tietoa

Ultraääniuutto kavitaation avulla

Voimakkaat ultraääniaallot synnyttävät akustista kavitaatiota nesteissä. Kavitaation aiheuttamat leikkausvoimat rikkovat soluseinämän ja solukalvot, jolloin solunsisäinen materiaali vapautuu. Ultraääniuutto edistää liuottimen tunkeutumista kasvikudokseen ja parantaa aineensiirtoa. Näin ultraääniuutto tehostaa uuttoprosessia merkittävästi, mikä johtaa suurempiin saantoihin, nopeampaan uuttoon ja täydellisempään uuttoon.

Liuotinjärjestelmät

Bioaktiivisten yhdisteiden uuttamiseen kasvimateriaalista on käytettävissä erilaisia liuotinjärjestelmiä. Hydrofiilisten yhdisteiden uuttamiseen valitaan useimmiten polaarisia liuottimia, kuten metanolia, etanolia tai etyyliasetaattia, kun taas lipofiilisten yhdisteiden (esim. lipidien) uuttamiseen suositaan liuotinjärjestelmiä, kuten dikloorimetaania tai dikloorimetaania/metanolia (v/v 1:1). Heksaania käytetään usein liuottimena klorofyllin uuttamisessa.

Mitä bioaktiiviset yhdisteet ovat?

Bioaktiiviset yhdisteet eli fytokemikaalit määritellään aineiksi, jotka vaikuttavat eläviin organismeihin, kudoksiin tai soluihin. Biologisesti aktiivisia aineita ovat muun muassa antibiootit, entsyymit ja vitamiinit. Bioaktiivisia aineita, kuten karotenoideja ja polyfenoleja, voidaan uuttaa esimerkiksi hedelmistä, lehdistä ja vihanneksista, kun taas fytosteroleja esiintyy kasviöljyissä.
Kasviperäisiä bioaktiivisia yhdisteitä ovat muun muassa flavonoidit, kofeiini, karotenoidit, koliini, ditiolitionit, fytosterolit, polysakkaridit, fytoestrogeenit, glukosinolaatit, polyfenolit ja antosyaanit. Monia bioaktiivisia aineita arvostetaan niiden antioksidanttivaikutuksen vuoksi, ja siksi niitä pidetään terveydelle hyödyllisinä.

Miten valitsen parhaan uuttoliuottimen?

Alla olevat ohjeet auttavat valitsemaan sopivan liuottimen kasvien ultraääniuuttoon. Koska ultraäänikäsittely on yhteensopiva minkä tahansa tavanomaisen liuottimen kanssa, voit valita kasviraaka-aineellesi, tavoitelluille fytokemikaaleille ja kustannustehokkuudelle ihanteellisimman liuottimen.

• Selektiivisyys: Valitse liuotin, joka liuottaa nimenomaan halutut yhdisteet ja jättää ei-toivotut komponentit uuttumatta. Käytä esimerkiksi etanolia polaarisille yhdisteille, kuten alkaloideille ja flavonoideille.
• Liukoisuus: Valitse periaatteen ”samanlainen liuottaa samanlaista” mukaisesti liuotin, jonka polaarisuus on samankaltainen kuin liuotettavan aineen. Polaariset liuottimet (esim. vesi ja etanoli) liuottavat polaarisia yhdisteitä, kun taas poolittomat liuottimet (esim. heksaani) liuottavat poolittomia yhdisteitä, kuten lipidejä ja öljyjä.
• Kustannukset: Ota huomioon liuottimen kustannustehokkuus. Jotkin liuottimet saattavat olla kalliimpia mutta tuottaa suurempia saantoja tai paremman selektiivisyyden, mikä tasapainottaa uuton kokonaiskustannuksia.
• Turvallisuus: Varmista, että liuotinta on turvallista käyttää ja käsitellä. Huomioitavia tekijöitä ovat myrkyllisyys, syttyvyys ja ympäristövaikutukset. Esimerkiksi vesi ja etanoli ovat turvallisempia vaihtoehtoja kuin kloroformi tai tolueeni.

Polaarisuus ja liuottimen valinta
Samankaltaisuuden ja keskinäisen sekoittuvuuden lain mukaan liuottimet, joiden polaarisuusarvo on lähellä liuotettavan aineen polaarisuutta, toimivat todennäköisesti paremmin. Tässä on joitakin esimerkkejä:

• Polaariset liuottimet: Vesi, etanoli, metanoli – käytetään polaaristen yhdisteiden, kuten alkaloidien, flavonoidien, glykosidien ja proteiinien, uuttamiseen.
• Kohtalaisen polaariset liuottimet: Asetoni, etyyliasetaatti, isopropanoli – soveltuvat monenlaisten yhdisteiden, kuten fenolisten yhdisteiden ja joidenkin alkaloidien, uuttamiseen.
• Poolittomat liuottimet: Heksaani, tolueeni, petrolieetteri – ihanteellisia poolittomien yhdisteiden, kuten lipidien, vahojen, terpeenien ja eteeristen öljyjen, uuttamiseen.

Esimerkkejä liuottimien käytöstä

• Etanoli: Yksi yleisimmistä kasvien uuttoliuottimista. Polaarisena liuottimena etanoli liuottaa polaarisia yhdisteitä, kuten alkaloideja ja flavonoideja.
• Vesi: Yleisliuotin, jota käytetään usein hydrofiilisten yhdisteiden, kuten polysakkaridien, proteiinien ja joidenkin glykosidien, uuttamiseen.
• Metanoli: Erittäin polaarinen liuotin, joka uuttaa tehokkaasti monenlaisia kasviyhdisteitä, kuten fenolisia yhdisteitä, flavonoideja ja joitakin alkaloideja.
• Heksaani: Pooliton liuotin, jota käytetään pääasiassa poolittomien yhdisteiden, kuten lipidien, vahojen ja eteeristen öljyjen, uuttamiseen.
• Asetoni: Asetoni on polaarinen aproottinen liuotin, joka uuttaa tehokkaasti monenlaisia kasviyhdisteitä, erityisesti yhdisteitä, jotka ovat vähemmän polaarisia kuin vedellä tai metanolilla uutettavat yhdisteet.
• Isopropanoli: Etanolin kaltainen polaarinen liuotin, jota käytetään yleisesti eteeristen öljyjen, hartsien ja joidenkin alkaloidien uuttamiseen.
• Kloroformi: Pooliton liuotin, joka uuttaa tehokkaasti alkaloideja, terpenoideja ja joitakin glykosideja. Sitä käytetään harvemmin sen myrkyllisyyden vuoksi.
• Etyyliasetaatti: Kohtalaisen polaarinen liuotin, jota käytetään erilaisten yhdisteiden, kuten flavonoidien, alkaloidien ja fenolisten yhdisteiden, uuttamiseen.
• Tolueeni: Pooliton liuotin, jota käytetään poolittomien yhdisteiden, kuten eteeristen öljyjen, terpeenien ja vahojen, uuttamiseen.
• Butanoli: Kohtalaisen polaarinen liuotin, joka uuttaa tehokkaasti kohtalaisen polaarisia yhdisteitä, kuten joitakin glykosideja ja saponiineja.
• Petrolieetteri: Pooliton liuotin, jota käytetään pääasiassa rasvojen, öljyjen ja muiden poolittomien yhdisteiden uuttamiseen kasvimateriaaleista.

Seuraavia liuottimia testattiin tutkimuksissa, joissa tarkasteltiin tiettyjen kasvimateriaalien ja fytokemikaalien ultraääniuuttoa.

Mitä orgaaniset liuottimet ovat?

Orgaaninen liuotin on eräänlainen haihtuva orgaaninen yhdiste (VOC). VOC-yhdisteet ovat orgaanisia kemikaaleja, jotka höyrystyvät huoneenlämmössä.
Liuottimina käytettäviä orgaanisia yhdisteitä ovat muun muassa:

• aromaattiset yhdisteet, esim. bentseeni ja tolueeni
• alkoholit, esim. metanoli
• esterit ja eetterit
• ketonit, esim. asetoni
• amiinit
• nitratut ja halogenoidut hiilivedyt

Monet orgaaniset liuottimet luokitellaan myrkyllisiksi tai syöpää aiheuttaviksi. Virheellisesti käsiteltyinä ne voivat olla vaarallisia ihmisille ja saastuttaa ilmaa, vettä ja maaperää. Ultraääniuuton tehokkaan mekanismin ansiosta orgaanisten liuottimien käyttö voidaan välttää korvaamalla ne miedommilla, myrkyttömillä liuottimilla.