Otapala za ultrazvučnu ekstrakciju iz biljaka

• Ultrazvučna ekstrakcija ima brojne prednosti, poput visokih prinosa, velike brzine ekstrakcije, ekološke prihvatljivosti i niske potrošnje energije.
• Jedna od najvećih prednosti jest uporaba vode kao ekstrakcijskog medija. Međutim, sonikacija se može primjenjivati s raznovrsnim sustavima otapala kako bi se postigli vrhunski rezultati za ciljani ekstrakt.
• Optimalno otapalo za ultrazvučnu ekstrakciju biljnih bioaktivnih spojeva odabire se s obzirom na sirovinu.

Ultrazvučna ekstrakcija

Poznato je da ultrazvuk razara stanične strukture i poboljšava prijenos tvari, čime povećava mogućnost ekstrakcije biospojeva (npr. fenolnih spojeva, karotenoida).
Budući da mehanički učinci sonikacije znatno poboljšavaju proces ekstrakcije zahvaljujući poboljšanom prijenosu tvari, uporaba organskih otapala često je suvišna. To znači da je za ultrazvučnu ekstrakciju voda često dovoljan ekstrakcijski medij koji ima brojne prednosti, poput niske cijene, neškodljivosti, lake dostupnosti i ekološke prihvatljivosti.
Međutim, za određene bioaktivne spojeve najbolji se rezultati mogu postići ultrazvučnom ekstrakcijom u kombinaciji s hlapljivim otapalom.
Za odabir odgovarajućeg otapala potrebno je uzeti u obzir sirovinu (npr. svježi ili osušeni, macerirani/mljeveni ili praškasti biljni materijal) i ciljane tvari (npr. lipofilne, hidrofilne).
 

U sljedećoj tablici navedeno je nekoliko otapala koja su dobro poznata kao ekstrakcijska otapala i upotrebljavaju se za ultrazvučnu ekstrakciju iz biljnog materijala.

Snažni ultrazvučni valovi razaraju stanični matriks bioloških struktura i oslobađaju bioaktivne spojeve. Prijenos tvari između biljnog materijala i otapala se pojačava. Zahvaljujući tim mehanizmima, ultrazvučna ekstrakcija vrlo je učinkovita za ekstrakciju iz biljaka.

Ultrazvučni uređaji za ekstrakciju

Od laboratorijskih i stolnih ultrazvučnih uređaja do sustava za ultrazvučnu ekstrakciju u punom industrijskom opsegu – Hielscher Ultrasonics vaš je partner s dugogodišnjim iskustvom kada su u pitanju snažni i pouzdani ultrazvučni uređaji za uspješne procese ekstrakcije.
Naši ultrazvučni sustavi široko se upotrebljavaju u biokemijskim laboratorijima i farmaceutskim proizvodnim pogonima. Ultrazvučne sonotrode i reaktori mogu se sterilizirati u autoklavu i zadovoljavaju standarde farmaceutske proizvodnje.

Industrijski sonikatori Hielscher mogu postići vrlo visoke amplitude radi razaranja staničnih matriksa i oslobađanja ciljanih tvari. Amplitude do 200µm mogu se lako održavati pri neprekidnom radu 24/7. Snaga i robusnost ultrazvučnih uređaja Hielscher osiguravaju visoke prinose, velike brzine ekstrakcije i potpuniju ekstrakciju – nadmašujući konvencionalne postupke ekstrakcije.
Naši ultrazvučni procesori mogu se kombinirati s konvencionalnim metodama ekstrakcije kao što su Soxhletova ekstrakcija ili ekstrakcija superkritičnim CO2. Naknadna ugradnja u postojeće proizvodne linije može se lako provesti.

Literatura / reference

• 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.

Korisne činjenice

Ultrazvučna ekstrakcija kavitacijom

Intenzivni ultrazvučni valovi stvaraju akustičnu kavitaciju u tekućinama. Smične sile nastale kavitacijom razaraju staničnu stijenku i membrane, čime se oslobađa unutarstanični materijal. Ultrazvučna ekstrakcija omogućuje dublje prodiranje otapala u biljno tkivo i poboljšava prijenos mase. Time ultrazvučna ekstrakcija znatno intenzivira proces ekstrakcije, što rezultira višim prinosima, većim brzinama ekstrakcije i potpunijom ekstrakcijom.

Sustavi otapala

Za ekstrakciju bioaktivnih spojeva iz biljnog materijala dostupni su različiti sustavi otapala. Za ekstrakciju hidrofilnih spojeva uglavnom se odabiru polarna otapala poput metanola, etanola ili etil-acetata, dok se za ekstrakciju lipofilnih spojeva (npr. lipida) prednost daje sustavima otapala poput diklormetana ili diklormetana/metanola (v/v 1:1). Heksan se često upotrebljava kao otapalo za ekstrakciju klorofila.

Što su bioaktivni spojevi?

Bioaktivni spojevi ili fitokemikalije definiraju se kao tvari koje utječu na žive organizme, tkiva ili stanice. Biološki aktivne tvari uključuju antibiotike, enzime i vitamine. Bioaktivne tvari poput karotenoida i polifenola mogu se ekstrahirati, primjerice, iz voća, lišća i povrća, dok se fitosteroli nalaze u biljnim uljima.
Bioaktivni spojevi biljnog podrijetla uključuju flavonoide, kofein, karotenoide, kolin, ditioltione, fitosterole, polisaharide, fitoestrogene, glukozinolate, polifenole i antocijane. Mnoge bioaktivne tvari cijenjene su zbog svojeg antioksidacijskog djelovanja te se stoga smatraju korisnima za zdravlje.

Kako odabrati najbolje otapalo za ekstrakciju?

Smjernice u nastavku pomažu vam odabrati prikladno otapalo za ultrazvučnu ekstrakciju iz bilja. Budući da je sonikacija kompatibilna sa svakim standardnim otapalom, možete odabrati otapalo koje je najprikladnije za vašu biljnu sirovinu, ciljane fitokemikalije i troškovnu učinkovitost.

• Selektivnost: Odaberite otapalo koje selektivno otapa željene spojeve, a neželjene sastojke ostavlja neotopljenima. Primjerice, upotrijebite etanol za polarne spojeve poput alkaloida i flavonoida.
• Topljivost: Na temelju načela „slično se otapa u sličnome” odaberite otapalo čija je polarnost slična polarnosti otopljene tvari. Polarna otapala (npr. voda, etanol) otapaju polarne spojeve, dok nepolarna otapala (npr. heksan) otapaju nepolarne spojeve poput lipida i ulja.
• Trošak: Razmotrite isplativost otapala. Neka otapala mogu biti skuplja, ali nude više prinose ili bolju selektivnost, čime se uravnotežuje ukupni trošak ekstrakcije.
• Sigurnost: Provjerite je li otapalo sigurno za uporabu i rukovanje. Čimbenici uključuju toksičnost, zapaljivost i utjecaj na okoliš. Primjerice, voda i etanol sigurniji su izbori u usporedbi s kloroformom ili toluenom.

Polarnost i odabir otapala
Prema načelu sličnosti i međusobne mješljivosti, otapala čija je polarnost bliska polarnosti otopljene tvari vjerojatno će biti učinkovitija. Evo nekoliko primjera:

• Polarna otapala: Voda, etanol, metanol – upotrebljavaju se za ekstrakciju polarnih spojeva kao što su alkaloidi, flavonoidi, glikozidi i proteini.
• Umjereno polarna otapala: Aceton, etil-acetat, izopropanol – prikladni su za ekstrakciju širokog raspona spojeva, uključujući fenolne spojeve i neke alkaloide.
• Nepolarna otapala: Heksan, toluen, petroleter – idealni su za ekstrakciju nepolarnih spojeva kao što su lipidi, voskovi, terpeni i eterična ulja.

Primjeri uporabe otapala

• Etanol: Jedno od najčešćih otapala za ekstrakciju iz biljaka. Kao polarno otapalo, etanol otapa polarne spojeve kao što su alkaloidi i flavonoidi.
• Voda: Univerzalno otapalo koje se često upotrebljava za ekstrakciju hidrofilnih spojeva poput polisaharida, proteina i nekih glikozida.
• Metanol: Vrlo polarno otapalo učinkovito za ekstrakciju širokog raspona biljnih spojeva, uključujući fenolne spojeve, flavonoide i neke alkaloide.
• Heksan: Nepolarno otapalo koje se prvenstveno upotrebljava za ekstrakciju nepolarnih spojeva kao što su lipidi, voskovi i eterična ulja.
• Aceton: Aceton je polarno aprotično otapalo učinkovito za ekstrakciju širokog raspona biljnih spojeva, osobito onih koji su manje polarni od spojeva koji se ekstrahiraju vodom ili metanolom.
• Izopropanol: Polarno otapalo slično etanolu koje se često upotrebljava za ekstrakciju eteričnih ulja, smola i nekih alkaloida.
• Kloroform: Nepolarno otapalo učinkovito za ekstrakciju alkaloida, terpenoida i nekih glikozida. Rjeđe se upotrebljava zbog svoje toksičnosti.
• Etil-acetat: Umjereno polarno otapalo koje se upotrebljava za ekstrakciju niza spojeva, uključujući flavonoide, alkaloide i fenolne spojeve.
• Toluen: Nepolarno otapalo koje se upotrebljava za ekstrakciju nepolarnih spojeva kao što su eterična ulja, terpeni i voskovi.
• Butanol: Umjereno polarno otapalo učinkovito za ekstrakciju spojeva srednje polarnosti, uključujući neke glikozide i saponine.
• Petroleter: Nepolarno otapalo koje se prvenstveno upotrebljava za ekstrakciju masti, ulja i drugih nepolarnih spojeva iz biljnih materijala.

Sljedeća otapala ispitana su u znanstvenim istraživanjima ultrazvučne ekstrakcije određenih biljnih materijala i fitokemikalija.

Što su organska otapala?

Organsko otapalo vrsta je hlapljivog organskog spoja (VOC). Hlapljivi organski spojevi organske su kemikalije koje isparavaju pri sobnoj temperaturi.
Organski spojevi koji se upotrebljavaju kao otapala uključuju:

• aromatske spojeve, npr. benzen i toluen
• alkohole, npr. metanol
• estere i etere
• ketone, npr. aceton
• amine
• nitrirane i halogenirane ugljikovodike

Mnoga organska otapala klasificirana su kao toksična ili kancerogena. Pri nepravilnom rukovanju mogu biti opasna za ljude te mogu onečistiti zrak, vodu i tlo. Zahvaljujući snažnom mehanizmu ultrazvučne ekstrakcije, uporaba organskih otapala može se izbjeći njihovom zamjenom blažim, netoksičnim otapalima.