Ultrazvučna ekstrakcija dubokim eutektičkim otapalima
Duboka eutektička otapala (DES) i prirodna duboka eutektička otapala (NADES) snažni su, prilagodljivi i ekološki prihvatljivi ekstrakcijski mediji za biljne sirovine, hranu, nutraceutike, kozmetiku i farmaceutske sastojke. Hielscher sonikatori sa sondom intenziviraju ekstrakciju otapalima DES ubrzavanjem prijenosa tvari, razaranjem struktura biljnih stanica i poboljšanjem prodiranja otapala – čak i pri radu s viskoznim sustavima otapala kao što su NADES na bazi glicerola.
Bilo da u laboratoriju ispitujete formulacije otapala, optimizirate parametre ekstrakcije za određenu fitokemikaliju ili povećavate mjerilo do kontinuirane proizvodnje u liniji, Hielscher ultrazvučni ekstraktori omogućuju ponovljivu kontrolu amplitude, pouzdan rad 24/7 i skalabilnu obradu od mililitarskih volumena do industrijskih protoka.
Zašto proizvođači ekstrakata odabiru Hielscher za ekstrakciju otapalima DES
- Veća učinkovitost ekstrakcije polifenola, flavonoida, kanabinoida, terpena, antocijana i drugih bioaktivnih spojeva
- Brža ekstrakcija u usporedbi s konvencionalnom maceracijom i ekstrakcijom otapalima u spremniku s miješalicom
- Kompatibilnost s otapalima DES, NADES, glicerinom, vodom, etanolom i mješovitim sustavima otapala
- Učinkovita obrada visokoviskoznih otapala sonikacijom visoke amplitude s pomoću sonde
- Sustavi za šaržni rad, recirkulaciju i kontinuirani protočni rad
- Precizna kontrola amplitude, unosa energije, temperature i vremena obrade
- Jednostavno povećanje mjerila od ispitivanja izvedivosti do pilot-proizvodnje i pune industrijske proizvodnje
Ultrazvučna ekstrakcija (prirodnim) dubokim eutektičkim otapalima vrlo je učinkovita metoda za dobivanje vrhunskih biljnih ekstrakata. Slika prikazuje ultrazvučni procesor UP400St (400W) sa šaržom od 8L za ekstrakciju biljnih sirovina.
Zašto sonikacija poboljšava ekstrakciju otapalima DES i NADES
Ultrazvučna ekstrakcija s pomoću sonde uz primjenu dubokih eutektičkih otapala i prirodnih dubokih eutektičkih otapala može ponuditi nekoliko prednosti pri ekstrakciji bioaktivnih spojeva. Jedna od glavnih prednosti jest povećana učinkovitost ekstrakcije fenolnih spojeva i drugih fitokemikalija iz prirodnih izvora. Duboka eutektička otapala poznata su po visokoj učinkovitosti ekstrakcije, koja se može dodatno povećati ultrazvučno potpomognutom ekstrakcijom. Zbog svoje netoksičnosti izvrstan su izbor otapala za farmaceutske i prehrambene proizvode. Time je ultrazvučna ekstrakcija dubokim eutektičkim otapalima ekološki prihvatljiva i održiva metoda za dobivanje bioaktivnih spojeva. Znanstveno je dokazano da sinergijska primjena ultrazvuka i dubokih eutektičkih otapala rezultira većim prinosima različitih bioaktivnih spojeva. Sveukupno, ultrazvučna ekstrakcija s pomoću sonde uz primjenu dubokih eutektičkih otapala i prirodnih dubokih eutektičkih otapala pruža učinkovitiji i ekološki prihvatljiviji pristup ekstrakciji bioaktivnih spojeva.
Ultrazvučna ekstrakcija antocijana otapalima DES
Antocijani su vrijedni prirodni pigmenti i antioksidansi koji se nalaze u crnoj mrkvi, bobičastom voću, grožđu, ljubičastom kukuruzu i drugim biljnim materijalima. Duboka eutektička otapala vrlo su prikladna za ekstrakciju antocijana jer se njihova mreža vodikovih veza može prilagoditi zahtjevima tih obojenih spojeva u pogledu polarnosti i stabilnosti. U kombinaciji sa sonikacijom s pomoću sonde ekstrakcija otapalima DES postaje znatno učinkovitija: ultrazvučna kavitacija razara strukture biljnih stanica, poboljšava prodiranje otapala i ubrzava otpuštanje antocijana u ekstrakcijski medij. Istraživanje antocijana iz crne mrkve uz primjenu sonikatora UP400St pokazuje da DES na bazi kolin-klorida, osobito u kombinaciji s ultrazvučno potpomognutom ekstrakcijom, mogu pružiti održivu i učinkovitu alternativu konvencionalnoj ekstrakciji zakiseljenim etanolom ili metanolom. (usp. Türker i sur., 2021)
Ultrazvučna ekstrakcija polifenola otapalima DES
Polifenoli, uključujući flavonoide, fenolne kiseline i srodne antioksidacijske spojeve, važne su ciljne molekule pri ekstrakciji iz biljnih materijala te u prehrambenoj, nutraceutskoj i kozmetičkoj proizvodnji. Duboka eutektička otapala na bazi glicerola posebno su privlačna za izdvajanje polifenola jer njihova polarnost i sposobnost stvaranja vodikovih veza podupiru otapanje fenolnih spojeva. Ultrazvuk koji se primjenjuje sondom dodatno intenzivira proces povećanjem prijenosa tvari, skraćivanjem vremena ekstrakcije i poboljšanjem kontakta između DES-a i biljne matrice.
U jednom je istraživanju korišten DES na bazi glicerola i amonijeva acetata uz ultrazvučno potpomognutu ekstrakciju pri optimiranim parametrima kao što su temperatura, koncentracija DES-a i amplituda ultrazvuka. Rezultat je pokazao da je ultrazvučna ekstrakcija DES-om omogućila učinkovito izdvajanje ukupnih fenola, flavonoida i antioksidacijske aktivnosti iz plodova očenašice, čime je potvrđen potencijal ultrazvučne ekstrakcije s pomoću DES-a kao zelene metode ekstrakcije za industrijsku preradu biljnih materijala. (usp. Jamshed et al., 2022)
- Visoka učinkovitost
- Brz proces
- Netoksičnost
- Precizna prilagodljivost određenom biljnom materijalu
- Blagi uvjeti obrade
- Šaržni i protočni način rada
- Jednostavnost i sigurnost
- Ekološka prihvatljivost / biorazgradivost
- Mogućnost recikliranja
- Nezapaljivost
- Niska cijena
- Laka dostupnost
Što su duboka eutektička otapala (DES)?
Duboka eutektička otapala (DESs) smjese su najmanje jednog akceptora vodikove veze (HBA) i jednog donora vodikove veze (HBD), uključujući karboksilne kiseline i druge obnovljive spojeve. Prema Cai et al. (2019), “snažna interakcija vodikovim vezama između HBA-a i HBD-a najvažniji je čimbenik za nastanak DES-ova.” [Cai et al. 2019]
Kao donori vodikove veze često se upotrebljavaju spojevi poput šećera, aminokiselina, karboksilnih kiselina (npr. benzojeve kiseline, limunske kiseline, jantarne kiseline) ili amina (npr. ureje, benzamida). Potencijal donora vodikove veze za kemijske interakcije glavni je čimbenik koji pridonosi nastanku i učinkovitosti dubokih eutektičkih otapala. Halogenidne soli poput kolin-klorida ili cinkova klorida također se mogu upotrebljavati u kombinaciji s donorima vodikove veze. Druga duboka eutektička otapala na bazi kolin-klorida nastaju s malonskom kiselinom, fenolom ili glicerinom. Zbog snažnih interakcija vodikovim vezama talište dubokih eutektičkih otapala znatno je niže u usporedbi s talištima njihovih pojedinačnih sastojaka. Za razliku od konvencionalnih otapala (npr. etanola, metanola, heksana, butana itd.), duboka eutektička otapala nisu hlapljiva, što znači da imaju vrlo nizak tlak pare te su stoga teško zapaljiva. Toksičnost dubokih eutektičkih otapala niska je, njihova biorazgradivost visoka, a potrebni prekursori jeftini su, lako dostupni u velikim količinama te obnovljivi.
Prirodna duboka eutektička otapala (NADES) još su prihvatljivija za okoliš jer svi prekursori potječu iz prirodnih izvora. Duboka eutektička otapala također nude prilagodljivu sposobnost otapanja koja ovisi o kemijskim svojstvima otopljene tvari i kemijskim vrstama upotrijebljenima za njihovo stvaranje. Neka prirodna duboka eutektička otapala imaju visoku viskoznost i stoga nisu osobito prikladna za šaržnu ekstrakciju. Međutim, prirodna duboka eutektička otapala veće viskoznosti mogu se uspješno primijeniti kao otapala u ultrazvučnoj protočnoj ekstrakciji.
U tablici u nastavku prikazano je nekoliko primjera sastava prirodnih dubokih eutektičkih otapala (NADES) za ekstrakciju fitokemikalija:
| 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 |
Industrijski sonikator UIP4000hdT s protočnim ćelijama za kontinuiranu ekstrakciju u proizvodnoj liniji
Kako funkcionira ultrazvučna ekstrakcija s pomoću dubokih eutektičkih otapala?
Ultrazvučna ekstrakcija temelji se na sonomehaničkim učincima ultrazvuka visokog intenziteta i niske frekvencije. Kako bi se ultrazvukom potaknula i intenzivirala ekstrakcija biljnih spojeva (tj. bioaktivnih tvari), ultrazvučni valovi velike snage uvode se ultrazvučnom sondom (koja se naziva i ultrazvučni rog ili sonotroda) u tekući medij, tj. suspenziju koja se sastoji od biljne sirovine i (prirodnog) dubokog eutektičkog otapala. Ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu i stvaraju izmjenične cikluse niskog i visokog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka nastaju sićušni vakuumski mjehurići (takozvani kavitacijski mjehurići), koji rastu tijekom nekoliko tlačnih ciklusa. Tijekom tih ciklusa rasta mjehurića plinovi otopljeni u tekućini ulaze u vakuumski mjehurić, pa se vakuumski mjehurić pretvara u rastući plinski mjehurić. Nakon rasta tijekom nekoliko ciklusa vakuumski mjehurići dosežu određenu veličinu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju, pa snažno implodiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Imploziju mjehurića obilježavaju intenzivne kavitacijske sile, uključujući vrlo visoku temperaturu i tlak koji dosežu do 4000K odnosno 1000atm, kao i odgovarajuće velike razlike u temperaturi i tlaku. Te ultrazvučno nastale turbulencije i smične sile razaraju biljne stanice i oslobađaju unutarstanične bioaktivne spojeve u (prirodno) duboko eutektičko otapalo. Ultrazvučna ekstrakcija otvara staničnu strukturu biljnog materijala i intenzivira prijenos mase između biljnog materijala i otapala. Sonikacija time povećava učinkovitost prirodnih dubokih eutektičkih otapala. Ultrazvučna ekstrakcija s (prirodnim) dubokim eutektičkim otapalima daje iznimno visoke prinose u vrlo kratkom vremenu obrade.
Ultrazvučni valovi velike snage razaraju staničnu strukturu biljnog materijala, oslobađaju bioaktivne spojeve i potiču prijenos mase između biljnog materijala i otapala (npr. dubokih eutektičkih otapala).
Kombinacija ultrazvučne ekstrakcije s (prirodnim) dubokim eutektičkim otapalima omogućuje vam da snagu ultrazvuka za intenziviranje procesa spojite s izvanrednim učincima otapanja i iznimnim mogućnostima prilagodbe dubokih eutektičkih otapala. Zahvaljujući vrhunskoj učinkovitosti ultrazvučne ekstrakcije, ultrazvučni uređaji uspješno se upotrebljavaju i za ekstrakciju vodom.
Kontaktirajte nas odmah kako biste saznali više o snažnoj primjeni ultrazvučne ekstrakcije s dubokim eutektičkim otapalima!
Ultrazvučni ekstraktor UIP2000hdT (2kW) za proizvodnju biljnih ekstrakata
Ultrazvučni ekstraktori za laboratorijsku, pilot i industrijsku ekstrakciju s DES-om
Ultrazvučna ekstrakcija pouzdana je tehnologija obrade koja olakšava i ubrzava proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata iz različitih biljnih materijala uz upotrebu bilo kojeg otapala. Ultrazvučna ekstrakcija izrazito je kompatibilna s (prirodnim) dubokim eutektičkim otapalima, koja su povoljna zbog svoje izvrsne sposobnosti otapanja, mogućnosti prilagodbe ekstraktu, održivosti, biorazgradivosti i ekološke prihvatljivosti. Kombinacija intenziviranja procesa ultrazvukom velike snage s prednostima (prirodnih) dubokih eutektičkih otapala daje ovoj procesnoj tehnologiji nadmoć na mnogim razinama. Ponuda tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća cijeli raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih sustava za ekstrakciju. Svi su oni, naravno, prikladni za ekstrakciju s dubokim eutektičkim otapalima.
Naše osoblje s dugogodišnjim iskustvom pomoći će vam od ispitivanja izvedivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sustava na konačnoj proizvodnoj razini.
| Volumen ekstrakcije | Preporučeni sonikator |
|---|---|
| Razvoj metode, istraživanje i razvoj, probir | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Šarže viskoznih DES/NADES otapala | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Pilot proizvodnja | UIP1000hdT ili UIP2000hdT (2000W) |
| Kontinuirana industrijska ekstrakcija | UIP4000hdT (4000W), UIP6000hdT (6000W), UIP16000hdT (16kW) ili skupine uređaja |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Često postavljana pitanja o ultrazvučnoj ekstrakciji s dubokim eutektičkim otapalima
Što je ultrazvučna ekstrakcija dubokim eutektičkim otapalima?
Ultrazvučna ekstrakcija dubokim eutektičkim otapalima kombinira sonikaciju sondom sa sustavima otapala DES ili NADES. Ultrazvučna sonda uvodi zvučne valove visokog intenziteta u suspenziju biljnog materijala u otapalu. Nastala kavitacija razara strukture biljnih stanica, poboljšava prodiranje otapala i ubrzava prijenos bioaktivnih spojeva u duboko eutektičko otapalo.
Zašto koristiti ultrazvuk za ekstrakciju otapalima DES i NADES?
Ultrazvuk poboljšava ekstrakciju otapalima DES i NADES povećanjem prijenosa tvari, skraćivanjem vremena ekstrakcije i omogućavanjem učinkovitijeg dopiranja otapala do unutarstaničnih spojeva. To je osobito korisno za biljne materijale u kojima su ciljni spojevi zarobljeni unutar biljnih stanica, vlakana ili smolastih struktura.
Koji se spojevi mogu ekstrahirati otapalima DES i NADES uz primjenu sonikacije?
Ultrazvučna ekstrakcija otapalima DES i NADES može se koristiti za mnoge bioaktivne spojeve, uključujući polifenole, flavonoide, antocijane, terpene, kanabinoide, alkaloide, antioksidanse, pigmente, aromatske spojeve i druge fitokemikalije. Sastav otapala treba odabrati prema polarnosti, stabilnosti i topljivosti ciljnog spoja.
Jesu li duboka eutektička otapala kompatibilna s ultrazvučnim ekstraktorima Hielscher?
Da. Sonikatori Hielscher sa sondom prikladni su za ekstrakciju dubokim eutektičkim otapalima, prirodnim dubokim eutektičkim otapalima, sustavima otapala na bazi glicerina, vodom, etanolom i mnogim drugim ekstrakcijskim medijima. Za viskozne sustave DES ili NADES snažan sonikator sa sondom osobito je koristan jer omogućuje intenzivno miješanje, kavitaciju i prijenos tvari izravno u tekućini.
Mogu li se ultrazvučnom ekstrakcijom otapalima DES obrađivati otapala visoke viskoznosti?
Da. Mnoge formulacije otapala DES i NADES imaju veću viskoznost od konvencionalnih otapala. Ultrazvučni procesori Hielscher vrlo su prikladni za viskozne ekstrakcijske medije jer sonotroda uvodi ultrazvuk visoke amplitude izravno u smjesu otapala i materijala. Za veće volumene ili kontinuiranu obradu protočni reaktori mogu poboljšati miješanje, kontrolu topline i ujednačenost procesa.
Je li ultrazvučna ekstrakcija otapalima DES prikladna za proizvodnju hrane, nutraceutika i kozmetike?
Da. DES i NADES često se odabiru za primjene u kojima su važni niska hlapljivost, smanjene opasnosti povezane s otapalima i prilagodljiva učinkovitost ekstrakcije. Ovisno o odabranim komponentama otapala i regulatornim zahtjevima, ultrazvučna ekstrakcija otapalima DES može se koristiti za sastojke hrane, nutraceutičke ekstrakte, kozmetičke aktivne tvari, biljne koncentrate i ekstrakte kvalitete prikladne za istraživanja.
Može li se ultrazvučna ekstrakcija otapalima DES prenijeti na veće proizvodno mjerilo?
Da. Ultrazvučna ekstrakcija vrlo je prilagodljiva povećanju mjerila jer se isti procesni parametri – poput amplitude, unosa energije, vremena zadržavanja, temperature i omjera čvrste i tekuće faze – mogu prenijeti iz laboratorijskih ispitivanja u pilot-proizvodnju i industrijsku proizvodnju. Hielscher isporučuje ultrazvučne ekstraktore za male laboratorijske uzorke, optimizaciju na stolnim uređajima, pilot-šarže i kontinuiranu industrijsku protočnu ekstrakciju.
Trebam li za procese s otapalima DES koristiti šaržnu ili linijsku ultrazvučnu ekstrakciju?
Šaržna ekstrakcija često je najbolja za laboratorijska ispitivanja, probir formulacija i male proizvodne volumene. Linijska ultrazvučna ekstrakcija obično se preferira za pilot-proizvodnju i industrijsku proizvodnju jer omogućuje kontrolirano vrijeme zadržavanja, poboljšanu ponovljivost, lakše hlađenje i kontinuirani kapacitet obrade. Najbolja konfiguracija ovisi o viskoznosti, biljnom materijalu, omjeru otapala, ciljnom spoju i proizvodnom kapacitetu.
Kako odabrati odgovarajući ultrazvučni ekstraktor za ekstrakciju otapalima DES?
Odgovarajući ultrazvučni ekstraktor ovisi o volumenu uzorka, veličini šarže, protoku, viskoznosti otapala, ciljnom spoju, temperaturi ekstrakcije i proizvodnom cilju. Mali laboratorijski uređaji prikladni su za razvoj metoda, dok se industrijski ultrazvučni uređaji serije UIP koriste za ekstrakciju otapalima DES u pilot-proizvodnji i u proizvodnom mjerilu. Hielscher može preporučiti konfiguraciju na temelju vaše sirovine, sustava otapala i potrebnog kapaciteta obrade.
Koji su procesni parametri važni za ultrazvučnu ekstrakciju s DES-om?
Važni parametri uključuju amplitudu ultrazvuka, unos energije, vrijeme ekstrakcije, temperaturu, sastav DES-a ili NADES-a, udio vode, omjer krute i tekuće faze, veličinu čestica, viskoznost i protok. Te parametre treba optimizirati za svaki biljni materijal i ciljni spoj kako bi se postigli visok prinos, dobra kvaliteta ekstrakta i ponovljiva proizvodnja.
Literatura / Reference
- 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.
Ultrazvuk visokih performansi! Asortiman proizvoda tvrtke Hielscher obuhvaća cijeli spektar od kompaktnog laboratorijskog ultrazvučnog uređaja preko stolnih uređaja do potpuno industrijskih ultrazvučnih sustava.