Fitokemija i sonikacija: visokoučinkovita ultrazvučna ekstrakcija bioaktivnih biljnih spojeva
Fitokemija je znanost o kemijskim spojevima biljnog podrijetla – od polifenola, flavonoida i alkaloida do terpena, saponina, glikozida, pigmenata, antioksidansa i sastojaka eteričnih ulja. Ti su fitokemijski spojevi vrijedni za nutraceutike, farmaceutske proizvode, kozmetiku, prehrambene sastojke, prirodna bojila, mirise, biljne ekstrakte i analitička istraživanja.
Unaprijedite ekstrakciju fitokemijskih spojeva sonikatorima Hielscher
Ekstrahirajte više bioaktivnih spojeva u kraćem vremenu
Sonikatori Hielscher sa sondom intenziviraju ekstrakciju iz biljnog materijala razaranjem biljnih stanica i ubrzavanjem prijenosa mase. Time se omogućuje ekstrakcija fitokemijskih spojeva s visokim prinosom iz bilja, korijenja, lišća, cvjetova, plodova, sjemenki, kore, algi i drugih biljnih materijala.
Zašto odabrati sustave Hielscher za ultrazvučnu ekstrakciju
- Veći prinosi ekstrakcije: Izdvojite više ciljanih spojeva iz iste biljne sirovine.
- Kraće vrijeme obrade: Zamijenite dugotrajnu maceraciju ili korake ekstrakcije koji zahtijevaju intenzivno zagrijavanje brzom ultrazvučnom obradom.
- Blaga, netermička ekstrakcija: Očuvajte fitokemijske spojeve osjetljive na toplinu, poput polifenola, terpena, antocijana, vitamina i antioksidansa.
- Fleksibilan izbor otapala: Upotrebljavajte vodu, etanol, hidroetanolne smjese, glicerol, ulja, duboka eutektička otapala ili druge prikladne ekstrakcijske medije.
- Precizna kontrola procesa: Podesite amplitudu, snagu, unos energije, vrijeme, temperaturu, tlak i protok.
- Linearno povećanje mjerila: Razvijte parametre ekstrakcije u laboratoriju i prenesite ih u pilotnu i industrijsku proizvodnju.
- Šaržni rad i rad u protočnoj liniji: Odaberite sonikaciju u laboratorijskoj čaši, obradu u spremniku s miješalom ili kontinuiranu protočnu ekstrakciju.
- Robusna industrijska izvedba: Ultrazvučni uređaji Hielscher projektirani su za zahtjevna proizvodna okruženja, ponovljiv rad i jednostavnu integraciju.
Sonikator UIP1000hdT za ekstrakciju fitokemijskih spojeva
Ultrazvučna obrada za bržu, čišću i potpuniju ekstrakciju fitokemijskih spojeva
Da bi se fitokemijski spojevi mogli upotrebljavati u formulacijama, ispitivanjima ili komercijalnim proizvodima, najprije ih je potrebno osloboditi iz biljne matrice. Upravo se za tu svrhu sonikacija razvila u jednu od najučinkovitijih tehnologija ekstrakcije. Ultrazvučni uređaji sa sondom stvaraju intenzivnu akustičnu kavitaciju u tekućinama i suspenzijama. Nastale mikroturbulencije, smične sile i fluktuacije tlaka razaraju biljne stanice, poboljšavaju prodiranje otapala i ubrzavaju prijenos bioaktivnih molekula u ekstrakcijski medij.
Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne uređaje visokih performansi za ekstrakciju fitokemijskih spojeva, od laboratorijskih istraživanja do pune industrijske proizvodnje. Bilo da razvijate biljni ekstrakt, optimizirate pripremu analitičkih uzoraka ili povećavate mjerilo procesa proizvodnje sastojaka biljnog podrijetla, sonikacija vam omogućuje preciznu kontrolu intenziteta ekstrakcije, ponovljivosti i kapaciteta obrade.
Sonikator UP200Ht za ekstrakciju fitokemijskih spojeva
Što je sonikacija u fitokemiji?
Sonikacija je primjena ultrazvuka velike snage na tekućinu ili suspenziju. U fitokemiji se sonikacija najčešće upotrebljava za ekstrakciju potpomognutu ultrazvukom, pripremu uzoraka, razaranje stanica, dispergiranje, emulgiranje i intenziviranje procesa.
Kada ultrazvučna sonda visokog intenziteta prenosi zvučne valove u ekstrakcijski medij, izmjenični ciklusi visokog i niskog tlaka stvaraju akustičnu kavitaciju. Kavitacijski mjehurići rastu i snažno kolabiraju. Taj kolaps stvara lokalizirane smične sile, mikromlazove tekućine i intenzivne učinke miješanja.
Pri ekstrakciji iz biljnog materijala ti učinci pomažu:
- razoriti stanične stijenke i membrane
- povećati pristup otapala unutarstaničnim spojevima
- smanjiti granične slojeve oko biljnih čestica
- poboljšati difuziju fitokemijskih spojeva u otapalo
- skratiti vrijeme ekstrakcije
- povećati ponovljivost
- smanjiti potrebu za prekomjernim zagrijavanjem ili dugotrajnim izlaganjem otapalu
Rezultat je brži, učinkovitiji i često blaži postupak ekstrakcije u usporedbi s konvencionalnim metodama maceracije, infuzije, perkolacije ili ekstrakcije uz refluks.
Zašto je sonikacija važna za suvremenu ekstrakciju fitokemikalija
Biljne sirovine su složene. Bioaktivni spojevi zatvoreni su u biljnim stanicama, vezani za strukturne komponente ili raspoređeni u različitim tkivima. Konvencionalna ekstrakcija često zahtijeva dugo vrijeme zadržavanja, velike volumene otapala ili povišene temperature. Ti uvjeti mogu biti neučinkoviti i mogu uzrokovati razgradnju termolabilnih spojeva.
Ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom prevladava ta ograničenja intenziviranjem fizičkog oslobađanja fitokemikalija. Umjesto da se oslanja samo na pasivnu difuziju, sonikacija aktivno razara biljni matriks i potiče prijenos tvari.
Zbog toga je ultrazvučna ekstrakcija osobito korisna kada je prerađivačima potrebno sljedeće:
- veći prinos iz skupih biljnih sirovina
- kraći proizvodni ciklusi
- manja potrošnja otapala
- poboljšana ekstrakcija spojeva osjetljivih na toplinu
- ponovljiva ekstrakcija za kontrolu kvalitete
- obrada koja se može povećati s laboratorijskog na proizvodno mjerilo
- kompatibilnost s ekološki prihvatljivim otapalima i sastojcima s čistom deklaracijom
U fitokemijskim istraživanjima sonikacija također poboljšava pripremu uzoraka za analizu. Laboratoriji mogu brzo i dosljedno ekstrahirati ciljane spojeve prije primjene metoda HPLC, GC-MS, LC-MS, UV-Vis, ispitivanja antioksidacijske aktivnosti ili drugih analitičkih metoda.
Konvencionalne metode naspram metoda ekstrakcije – usporedba
| Konvencionalna metoda ekstrakcije | Ograničenja konvencionalne metode | Prednost sonikacije |
|---|---|---|
| Maceracija | Maceracija je jednostavna, ali spora. Za postizanje prihvatljivog prinosa ekstrakcije mogu biti potrebni sati, dani ili čak tjedni. | Sonikacija ubrzava isti princip ekstrakcije otapalom aktivnim razaranjem biljnih stanica i poboljšavanjem difuzije. Time se vrijeme obrade može drastično skratiti. |
| Ekstrakcija uz refluks | Ekstrakcija uz refluks koristi toplinu za poboljšanje topljivosti i prijenosa tvari. Međutim, toplina može uzrokovati razgradnju osjetljivih fitokemikalija i povećati potrošnju energije. | Sonikacijom se postiže visoka učinkovitost ekstrakcije pri nižim temperaturama, što je čini prikladnom za biljne spojeve osjetljive na toplinu. |
| Ekstrakcija po Soxhletu | Ekstrakcija po Soxhletu široko se primjenjuje u laboratorijima, ali zahtijeva velike količine otapala i mnogo vremena. | Ultrazvučna ekstrakcija može smanjiti volumen otapala i vrijeme ekstrakcije, što je čini privlačnom za analitički rad, istraživanje i razvoj te razvoj procesa. |
| Mehaničko miješanje | Miješanje miješalicom poboljšava izmiješanost, ali ne omogućuje jednako razaranje stanica djelovanjem kavitacije kao ultrazvuk koji se primjenjuje sondom. | Sonikacija objedinjuje miješanje, deaglomeraciju čestica i razaranje stanica u jednom procesnom koraku, čime se postiže intenzivnija ekstrakcija. |
Šaržna i protočna sonikacija za biljne ekstrakte
Šaržna ultrazvučna ekstrakcija
Šaržna sonikacija idealna je za laboratorijska istraživanja, razvoj formulacija, proizvodnju u malom mjerilu i fleksibilnu obradu. Sonikator sa sondom umeće se u posudu koja sadrži suspenziju biljnog materijala u otapalu. Šaržnu obradu lako je uspostaviti i izvrsna je za ispitivanje parametara kao što su vrsta otapala, amplituda, vrijeme ekstrakcije i temperatura.
Kontinuirana protočna ultrazvučna ekstrakcija
Za veće proizvodne volumene prednost se daje kontinuiranoj protočnoj sonikaciji. Suspenzija biljnog materijala pumpa se kroz ultrazvučnu protočnu ćeliju u kojoj se izlaže kontroliranoj kavitaciji. Protočna obrada poboljšava ponovljivost, kontrolu procesa i kapacitet obrade. Također čini povećanje mjerila predvidljivijim jer se unos energije, vrijeme zadržavanja i protok mogu precizno definirati.
Industrijski ultrazvučni uređaji Hielscher projektirani su za kontinuirani rad i mogu se integrirati s pumpama, izmjenjivačima topline, spremnicima za zadržavanje, sustavima za filtraciju, sustavima za oporabu otapala i naknadnim postupcima koncentriranja.
Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših sonikatora za ekstrakciju iz biljnog materijala
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni sonikator |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000hdT |
Fitokemikalije ekstrahirane sonikacijom
Sonikacija je prikladna za širok raspon skupina fitokemikalija. Rezultat ekstrakcije ovisi o biljnom materijalu, veličini čestica, otapalu, temperaturi, ultrazvučnoj amplitudi, vremenu zadržavanja i naknadnom odvajanju.
Polifenoli i flavonoidi
Polifenoli i flavonoidi ubrajaju se među najistraživanije fitokemikalije zbog svojih antioksidacijskih svojstava i važnosti u prehrambenim, nutraceutskim i kozmetičkim formulacijama. Ultrazvučna ekstrakcija pospješuje oslobađanje fenolnih kiselina, katehina, kvercetina, rutina, antocijana i srodnih spojeva iz listova, plodova, kora plodova, cvjetova, sjemenki i kore drveća.
Terpeni i sastojci eteričnih ulja
Terpeni i aromatski spojevi važni su za biljne ekstrakte, mirise, arome te preradu kanabisa ili konoplje. Sonikacija može poboljšati ekstrakciju iz biljnih tkiva uz održavanje blagih temperaturnih uvjeta, što je važno za hlapljive spojeve i spojeve osjetljive na oksidaciju.
Alkaloidi
Alkaloidi se nalaze u mnogim ljekovitim biljkama i često se ekstrahiraju u analitičke, farmaceutske ili nutraceutske svrhe. Ultrazvučna obrada poboljšava razaranje matrice i može ubrzati prijenos alkaloida u prikladna otapala.
Saponini, glikozidi i tanini
Mnoge vrste korijenja, zeljastih biljaka, mahunarki i ljekovitih biljaka sadrže saponine, glikozide i tanine. Sonikacija pomaže osloboditi te spojeve iz vlaknastih ili gustih biljnih matrica i može se optimizirati kako bi se uravnotežili prinos ekstrakcije i selektivnost.
Pigmenti i antioksidansi
Prirodni pigmenti poput antocijana, klorofila, karotenoida i betalaina vrijedni su za primjenu u hrani, pićima, kozmetici i analitici. Budući da su mnogi pigmenti osjetljivi na toplinu, kisik i pH, ultrazvučna ekstrakcija u kontroliranim temperaturnim uvjetima pruža velike prednosti.
Kanabinoidi i fitokemikalije konoplje
Konoplja i kanabis sadrže kanabinoide, terpene, flavonoide i druge biljne sastojke. Ultrazvučna ekstrakcija poboljšava oslobađanje tih spojeva iz samljevene biomase i može se prilagoditi sustavima otapala na bazi etanola, smjesa etanola i vode ili drugih otapala.
Ultrazvučna ekstrakcija fitokemikalija
Česta pitanja: sonikacija i fitokemija
Što je sonikacija u fitokemiji?
Sonikacija u fitokemiji primjena je ultrazvuka velike snage za ekstrakciju, oslobađanje ili obradu kemijskih spojeva biljnog podrijetla. Uobičajeno se upotrebljava za ultrazvučno potpomognutu ekstrakciju fitokemikalija poput polifenola, flavonoida, terpena, alkaloida, pigmenata, antioksidansa i sastojaka eteričnih ulja.
Kako se sonikacijom ekstrahiraju fitokemikalije iz biljaka?
Sonikacija stvara akustičnu kavitaciju u ekstrakcijskoj tekućini. Kavitacija stvara smične sile, mikromlazove i intenzivno miješanje, koji razaraju strukture biljnih stanica i poboljšavaju prodiranje otapala. Time se ubrzava prijenos fitokemikalija iz biljne matrice u otapalo.
Koje se fitokemikalije mogu ekstrahirati ultrazvukom?
Ultrazvučna ekstrakcija može se primjenjivati za polifenole, flavonoide, antocijane, terpene, kanabinoide, alkaloide, saponine, tanine, glikozide, klorofile, karotenoide, sastojke eteričnih ulja i mnoge druge spojeve biljnog podrijetla.
Je li ultrazvučna ekstrakcija prikladna za fitokemikalije osjetljive na toplinu?
Da. Sonikacija se smatra blagom, netoplinskom metodom ekstrakcije kada se temperatura pravilno kontrolira. Zbog toga je prikladna za spojeve osjetljive na toplinu poput antioksidansa, pigmenata, terpena i određenih vitamina.
Je li sonikacija sondom bolja od ultrazvučne kupelji za ekstrakciju fitokemikalija?
Za učinkovitu ekstrakciju sonikacija sondom općenito je znatno snažnija i omogućuje bolju kontrolu od ultrazvučne kupelji. Sonikator sa sondom prenosi energiju izravno u tekućinu, stvarajući intenzivnu kavitaciju u uzorku ili procesnom toku. Ultrazvučne kupelji imaju znatno manji intenzitet i ne daju reproducibilne rezultate pri zahtjevnim postupcima ekstrakcije. Pogledajte razliku u rezultatima ultrazvučne ekstrakcije pri usporedbi sonikatora sa sondom i ultrazvučne kupelji!
Koja se otapala mogu koristiti za ultrazvučnu ekstrakciju fitokemikalija?
Uobičajena otapala uključuju vodu, etanol, smjese etanola i vode, glicerin, ulja i druga otapala prilagođena određenoj primjeni. Za analitičku ekstrakciju mogu se koristiti metanol ili druga laboratorijska otapala. Sonikacija se također može kombinirati s dubokim eutektičkim otapalima i prirodnim dubokim eutektičkim otapalima.
Može li sonikacija skratiti vrijeme ekstrakcije?
Da. Ultrazvučna ekstrakcija može znatno skratiti vrijeme ekstrakcije u usporedbi s konvencionalnom maceracijom, infuzijom ili ekstrakcijom otapalom jer kavitacija ubrzava razaranje stanica i prijenos tvari.
Može li se ultrazvučna ekstrakcija prenijeti na veće mjerilo?
Da. Hielscher sonikatori dostupni su za laboratorijsko do industrijsko mjerilo. Procesi razvijeni uz kontrolirane parametre kao što su amplituda, unos energije, temperatura i vrijeme zadržavanja mogu se prenijeti na veće šaržne sustave ili kontinuirane sustave s obradom u toku.
Je li sonikacija prikladna za industrijsku ekstrakciju iz biljnog materijala?
Da. Industrijski ultrazvučni uređaji s protočnim reaktorima mogu kontinuirano obrađivati biljne suspenzije. Zbog toga je sonikacija prikladna za komercijalnu proizvodnju nutraceutskih ekstrakata, biljnih tinktura, kozmetičkih aktivnih tvari, prehrambenih sastojaka i bioaktivnih tvari biljnog podrijetla.
Koje su glavne prednosti Hielscher ultrazvučnih uređaja za fitokemiju?
Hielscher sonikatori pružaju snažnu kavitaciju, preciznu kontrolu parametara, ponovljivu ekstrakciju, šaržni rad i rad u toku, mogućnosti odabira opreme za različita mjerila te kompatibilnost s brojnim otapalima i biljnim materijalima. Prikladni su za istraživanje, razvoj procesa i proizvodnju u punom opsegu.
Kako odabrati odgovarajući ultrazvučni ekstraktor?
Najbolji ultrazvučni ekstraktor ovisi o vašem biljnom materijalu, ciljanim spojevima, otapalu, volumenu, udjelu krutih tvari, temperaturnim ograničenjima i potrebnom kapacitetu obrade. Hielscher može preporučiti prikladan laboratorijski, pilotni ili industrijski sonikator na temelju vašeg procesa ekstrakcije.
Literatura / reference
- 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.
- visoka učinkovitost
- najsuvremenija tehnologija
- pouzdanost i robusnost
- podesiva, precizna kontrola procesa
- šaržna obrada i obrada u toku
- za svaki volumen
- inteligentan softver
- pametne značajke (npr. mogućnost programiranja, bilježenje podataka, daljinsko upravljanje)
- jednostavno i sigurno rukovanje
- mali zahtjevi za održavanjem
- CIP (čišćenje na mjestu)
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih veličina.