Terpeenien uutto ultraäänellä

Terpeenien ultraääniuuton on osoitettu tuottavan suuria saantoja karyofylleenioksiditerpeeniä esimerkiksi kannabiksesta ja humalasta. Karyofylleenioksidi on terpeeni, jota esiintyy kannabiksessa, humalassa, pippurissa, basilikassa ja rosmariinissa. Uutettua karyofylleenioksiditerpeeniä käytetään vaikuttavana yhdisteenä aromiaineena ja ravintolisänä.

Uutetun karyofylleenioksidin käyttö

Karyofylleenioksidille ovat ominaisia sen aromaattinen tuoksu ja maku (eli yrttien tuoksu ja maku). Voimakkaan aromaattisen tuoksunsa ja makunsa vuoksi sitä käytetään usein elintarvikkeiden aromiaineena sekä hajustekomponenttina. Lisäksi se kykenee sitoutumaan ihmiskehon endokriinisiin CB2-reseptoreihin, mikä tekee siitä kiinnostavan farmaseuttisen komponentin.

Terpeenien ultraääniuutto humalasta: Hielscher UP100H -laitteella eristetään karyofylleeniä ja muita terpeenejä humalankävyistä.

Karyofylleenioksidin ultraääniuutto

Karyofylleenioksiditerpeenin ultraääniuutto on erinomainen menetelmä suurten saantojen tuottamiseen esimerkiksi kannabiksesta ja humalasta. Lue lisää akustisesta kavitaatiosta, joka on ultraääniuuton toimintaperiaate!
Esimerkiksi β-karyofylleenioksidia uutettiin ultraäänellä käyttäen ultraäänilaitetta UP100H (100W, 30kHz) kuivatuista humalakävyistä.
GC-analyysitiedot osoittavat β-karyofylleenioksidin uuttosaannon, joka saatiin Hielscherin laitteella UP100H humalasta.

Humalakävyistä ultraäänellä valmistetun karyofylleenioksidiuutteen GC-analyysi

Ultraäänellä valmistetun humalauutteen kaasukromatografinen analyysi: β-karyofylleenioksidi, α-karyofylleeni, α-pineeni, mycrene, limoneeni, α-caryophylene sekä karyofylleenioksidi ja muita yhdisteitä.

β-karyofyleenioksidin lisäksi uutettiin onnistuneesti muita terpeenejä, muun muassa α-karyofylleeniä, α-pineeniä, mycrene-yhdistettä, limoneenia ja α-caryophylene-yhdistettä.

Miten terpeenejä uutetaan kasveista anturityyppisellä ultraäänikäsittelyllä? Vaiheittaiset ohjeet!

Ensin kasvimateriaali jauhetaan tai pilkotaan pieniksi paloiksi uutossa käytettävissä olevan pinta-alan kasvattamiseksi.
Sitten kasvimateriaali sekoitetaan liuottimeen (kuten etanoliin tai veteen) terpeenien uuttamiseksi.
Seuraavaksi uuttoprosessia tehostetaan anturityyppisellä ultraäänikäsittelyllä kohdistamalla lietteeseen voimakkaita, matalataajuisia ultraääniaaltoja noin 20kHz:n taajuudella. Tämä aiheuttaa akustista kavitaatiota ja liuottimen nopeaa värähtelyä, mikä edistää kasvisolujen hajoamista ja hajotusta sekä terpeenien vapautumista.
Seos suodatetaan sitten kiinteän kasvimateriaalin erottamiseksi nesteestä, joka sisältää uutetut terpeenit.
Neste haihdutetaan tai sitä käsitellään edelleen liuottimen poistamiseksi ja terpeenien väkevöimiseksi.
Lopputuote on runsaasti terpeenejä sisältävä uute, jota voidaan käyttää erilaisissa käyttökohteissa, kuten ravintolisissä, funktionaalisissa elintarvikkeissa ja kosmetiikassa.

Terpeenien ultraääniuuton menetelmäohje

Humala jauhettiin tavallisella kahvimyllyllä humalanäytteen hiukkaskoon yhdenmukaistamiseksi.
Näytepulloon pantiin 4,5mg humalaa ja lisättiin sitten 5mL etanolia. Näytepullo asetettiin jäävettä sisältävään dekantterilasiin lämmön poistamiseksi. Sen jälkeen näyte käsiteltiin ultraäänellä käyttäen laitetta UP100H, joka oli varustettu sonotrodilla MS7, 50%:n amplitudiasetuksella 90sec ajan.

Humalauutteiden GC-analyysitiedot (uutettu ultraäänikäsittelyllä)

Ultraäänellä valmistetun humalauutteen kaasukromatografinen analyysi:

Ultraäänikäsittely varmistaa tehokkaan aineensiirron solumatriisin ja liuottimen välillä, jolloin saadaan erittäin suuri saanto korkealaatuista uutetta.

Terpeenien ultraääniuuton edut

korkealaatuiset terpeeniuutteet (ei lämpöhajoamista)
suuret saannot
nopea menetelmä
investoinnin nopea takaisinmaksu
miedommat liuottimet
pienempi liuottimenkulutus
turvallinen ja helppo käyttää
vähäinen huoltotarve
ekologinen, ympäristöystävällinen terpeenien uutto

Terpeenien ultraääniuutto erottuu ekologisena uuttomenetelmänä, jolla terpeenien uuttoprosessia voidaan nopeuttaa merkittävästi ja joka kuluttaa vähemmän energiaa kuin muut tavanomaiset uuttomenetelmät (eli ylikriittinen CO2, Soxhlet jne.). Muita terpeenien ultraääniuuton etuja ovat ultraääniuuttolaitteen helppo käyttö, nopea prosessi, kemiallisen jätteen puuttuminen, suuri saanto, ympäristöystävällisyys, hellävaraisten käsittelyolosuhteiden ansiosta parantunut laatu sekä lämpöhajoamisen estäminen.

Ultraääniuuttolaitteet terpeeneille

Alla oleva taulukko antaa viitteitä siitä, mikä ultraäänilaite voisi soveltua parhaiten terpeenien uuttotarpeisiisi.

Erätilavuus	Tilavuusvirta	Suositellut laitteet
10–2000mL	20–400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1–20L	0,2–4L/min	UIP2000hdT
10–100L	2–10L/min	UIP4000
n.a.	10–100L/min	UIP16000
n.a.	suurempi	laiteryhmä: UIP16000

Tässä esityksessä tutustutaan kasviuutteiden valmistukseen. Selitämme laadukkaiden kasviuutteiden valmistuksen haasteet ja sen, miten ultraäänilaite auttaa ratkaisemaan ne. Esityksessä näytetään, miten ultraääniuutto toimii. Opit, mitä hyötyjä ultraäänilaitteen käytöstä uuttamisessa voi odottaa ja miten ultraääniuutin voidaan ottaa käyttöön uutetuotannossa.

Liittyvät aiheet

Kirjallisuus/viitteet

Selvamuthukumaran, M.; Shi, J. (2017): Recent advances in extraction of antioxidants from plant by-products processing industries. Food Quality and Safety, 2017, 1, 61–81.
Suslick, K.S. (1990): Sonochemistry. Science 23 Mar 1990: Vol. 247, Issue 4949, pp. 1439-1445

Hyödyllistä tietoa

Karyofylleeni

Karyofylleeni eli (−)-β-karyofylleeni on luonnollinen bisyklinen seskviterpeeni, jota esiintyy monissa eteerisissä öljyissä. Seuraavat yrtit tunnetaan hyvinä karyofylleenin lähteinä: kannabis, hamppu (Cannabis sativa), mustakumina (Carum nigrum), neilikka (Syzygium aromaticum), humala (Humulus lupulus), basilika (Ocimum spp.), oregano (Origanum vulgare), mustapippuri (Piper nigrum), laventeli (Lavandula angustifolia), rosmariini (Rosmarinus officinali, ja kopaibaöljy (Copaifera spp.). β-karyofylleeni on fytokannabinoidi, jolla on voimakas affiniteetti tyypin 2 kannabinoidireseptoriin (CB 2), mutta ei tyypin 1 kannabinoidireseptoriin (CB 1).

Karyofylleenioksidi

Karyofylleenioksidi (myös β-karyofylleenioksidi) on β-karyofylleenin hapettumisjohdannainen ja valkoinen kiteinen kiinteä jauhe, jonka sulamispiste on noin 62°C.
Sitä arvostetaan sen tulehdusta ehkäisevien, paikallispuuduttavien ja antioksidatiivisten vaikutusten vuoksi. Alustavat tutkimukset viittaavat siihen, että karyofylleenioksidi saattaisi olla mahdollinen lääke myös syövän hoitoon. Karyofylleenioksidi on osa syklobutaanirengasta, jota käytetään jo lääketieteellisessä tutkimuksessa laajalti käytetyn solunsalpaajalääkkeen karboplatiinin syntetisointiin.
Karyofylleenioksidi, jossa karyofylleenin olefiini on muuttunut epoksidiksi, on hyväksytty elintarvikkeiden aromiaine.
Sekä β-karyofylleenin että β-karyofylleenioksidin vesiliukoisuus on heikko, mikä vaikeuttaa niiden imeytymistä soluun. Kun näitä seskviterpeenejä käytetään lääkkeinä tai ravintolisinä, kapselointi liposomeihin poistaa näiden seskviterpeenien heikon liukoisuuden ongelman vesipohjaisissa nesteissä ja varmistaa biologisen hyötyosuuden ja bioaktiivisuuden. Napsauta tästä ja lue lisää bioaktiivisten yhdisteiden kapseloinnista ultraäänellä!

Karyofylleenioksidi kannabiksessa

Cannabis sativa -kasvissa karyofylleenioksidia esiintyy seskviterpeeninä, joka koostuu kolmesta isopreeniyksiköstä. Karyofylleenioksidi on yksi kannabiskasvin suurimmista ja runsaimmin esiintyvistä terpeeneistä, ja se vastaa kannabiksen tunnusomaisesta aromista ja tuoksusta. Ultraääniuuttoa käytetään onnistuneesti valmistamaan täyden spektrin kannabidioliöljyjä, jolloin moninaisten yhdisteiden yhteisvaikutus toteutuu.

Ultraäänikavitaatio uutossa

Kun nesteeseen johdetaan suuritehoisia ultraääniaaltoja, siinä esiintyy vuorottelevia puristus- ja laajenemisvaiheita (harvenemisvaiheita). Harvenemisen aikana nesteeseen syntyy onteloita eli niin kutsuttuja kavitaatiokuplia. Nämä pienet tyhjiökuplat syntyvät negatiivisen paineen vaikutuksesta, kun nesteen paikallinen vetolujuus ylittyy. Tyhjiökuplat kasvavat useiden puristus- ja harvenemisjaksojen aikana, kunnes ne eivät enää pysty absorboimaan lisää energiaa ja kavitaatiokupla luhistuu sisäänpäin. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Professori Suslickin tutkimuksen (1990) mukaan kavitaatiokuplissa vallitsevat äärimmäiset olosuhteet: lämpötilat ovat jopa 5000 K, paineet 1000 ilmakehää, kuumenemis- ja jäähtymisnopeus yli 1010 K/s ja nestesuihkujen nopeus jopa 280m/s. Nämä ilmenevät erittäin voimakkaina leikkausvoimina ja turbulenssina kavitaatioalueella. Näiden tekijöiden (paineen, lämmön, leikkausvaikutuksen ja turbulenssin) yhdistelmää käytetään aineensiirron nopeuttamiseen uuttoprosessissa. Lisäksi näitä paikallisesti esiintyviä olosuhteita hyödynnetään myös ultraääniprosesseissa, kuten homogenoinnissa, emulgoinnissa ja dispergoinnissa.

Ultraäänikavitaatio / akustinen kavitaatio synnyttää erittäin voimakkaita voimia, jotka edistävät kiteytymis- ja saostumisprosesseja (Suurenna napsauttamalla!)

Ultraääniuutto perustuu akustiseen kavitaatioon ja sen hydrodynaamisiin leikkausvoimiin

Terpeenien ultraääniuutto

Ultraääniuuton periaate perustuu kahteen vaikutukseen, jotka syntyvät, kun suuritehoiset ultraääniaallot kytkeytyvät nesteeseen tai lietteeseen:
Ensinnäkin liuotin (ympäröivä nestemäinen väliaine) työntyy solumatriisiin. Kavitaation amplitudista ja voimakkuudesta riippuen nesteen paine rei’ittää tai hajottaa soluseinämän.
Toiseksi harvenemisvaiheen aikana solun sisältö (eli solunsisäinen materiaali) huuhtoutuu ulos solun sisältä. Ultraääniuuton jälkeen tavoitellut yhdisteet ovat liuottimessa, ja ne voidaan erottaa siitä (esimerkiksi haihduttamalla liuotin), jolloin saadaan lopulta puhdas uute.
Raaka-aineen koostumus (kuten kosteuspitoisuus, maserointi- tai jauhatusaste ja hiukkaskoko sekä valittu liuotin ovat erittäin tärkeitä tekijöitä tehokkaan ja tuloksellisen ultraääniuuttoprosessin aikaansaamiseksi. Myös ultraääniprosessin parametrit ovat olennaisia: amplitudi, paine, lämpötila ja ultraäänikäsittelyn kesto on määritettävä ja optimoitava parhaiden tulosten saavuttamiseksi.