Ultrahangos extrakció mély eutektikus oldószerekkel
A mély eutektikus oldószerek (DES) és a természetes mély eutektikus oldószerek (NADES) hatékony, hangolható és környezetbarát extrakciós közegek növényi alapanyagok, élelmiszerek, nutraceutikumok, kozmetikumok és gyógyszerészeti összetevők feldolgozásához. A Hielscher szondás ultrahangos készülékei az anyagátadás felgyorsításával, a növényi sejtszerkezetek feltárásával és az oldószer behatolásának javításával intenzívebbé teszik a DES-extrakciót – még viszkózus oldószerrendszerek, például glicerinalapú NADES használatakor is.
Akár oldószer-összetételeket vizsgál a laboratóriumban, akár egy adott fitokémiai vegyület extrakciós paramétereit optimalizálja, akár folyamatos, gyártósorba épített termelésre növeli a feldolgozás léptékét, a Hielscher ultrahangos extraktorai reprodukálható amplitúdószabályozást, megbízható 24/7 üzemelést és a milliliteres mennyiségektől az ipari térfogatáramokig skálázható feldolgozást biztosítanak.
Miért választják a kivonatgyártók a Hielscher készülékeit a DES-extrakcióhoz?
- Nagyobb extrakciós hatékonyság polifenolok, flavonoidok, kannabinoidok, terpének, antocianinok és más bioaktív vegyületek esetében
- Gyorsabb extrakció a hagyományos maceráláshoz és a kevert tartályban végzett oldószeres extrakcióhoz képest
- Kompatibilis a DES-sel, a NADES-sel, a glicerinnel, a vízzel, az etanollal és a kevert oldószerrendszerekkel
- Nagy viszkozitású oldószerek hatékony feldolgozása nagy amplitúdójú, szondás ultrahangos kezeléssel
- Szakaszos, recirkulációs és folyamatos átfolyásos elrendezések
- Az amplitúdó, az energiabevitel, a hőmérséklet és a feldolgozási idő pontos szabályozása
- Egyszerű léptéknövelés a megvalósíthatósági vizsgálatoktól a kísérleti üzemi és a teljes ipari termelésig
A (természetes) mély eutektikus oldószerekkel végzett ultrahangos extrakció rendkívül hatékony módszer kiváló minőségű növényi kivonatok előállítására. A képen az UP400St (400W) ultrahangos processzor látható egy növényi extrakcióhoz használt 8L térfogatú adaggal.
Miért javítja az ultrahangos kezelés a DES- és NADES-extrakciót?
A mély eutektikus oldószerekkel és természetes mély eutektikus oldószerekkel végzett szondás ultrahangos extrakció számos előnyt kínálhat a bioaktív vegyületek kinyerésében. Az egyik fő előny a fenolos vegyületek és más fitokémiai vegyületek természetes forrásokból történő kinyerésének nagyobb hatékonysága. A mély eutektikus oldószerek nagy extrakciós hatékonyságukról ismertek, amely ultrahanggal segített extrakcióval tovább növelhető. Nem mérgező jellegük miatt kiváló oldószer-választást jelentenek gyógyszerészeti és élelmiszeripari termékekhez. Ez a mély eutektikus oldószerekkel végzett ultrahangos extrakciót a bioaktív vegyületek kinyerésének zöld és fenntartható módszerévé teszi. Tudományosan igazolták, hogy az ultrahangos kezelés és a mély eutektikus oldószerek szinergikus alkalmazása különféle bioaktív vegyületek nagyobb kinyerési hozamát eredményezi. Összességében a mély eutektikus oldószerekkel és természetes mély eutektikus oldószerekkel végzett szondás ultrahangos extrakció hatékonyabb és környezetbarátabb megközelítést biztosít a bioaktív vegyületek kinyeréséhez.
Antocianinok ultrahangos extrakciója DES-sel
Az antocianinok értékes természetes pigmentek és antioxidánsok, amelyek fekete sárgarépában, bogyós gyümölcsökben, szőlőben, lila kukoricában és más növényi anyagokban találhatók. A mély eutektikus oldószerek jól alkalmazhatók az antocianinok extrakciójára, mivel hidrogénkötés-hálózatuk e színanyagok polaritási és stabilitási követelményeihez igazítható. Szondás ultrahangos kezeléssel kombinálva a DES-extrakció lényegesen hatékonyabbá válik: az ultrahangos kavitáció feltárja a növényi sejtszerkezeteket, javítja az oldószer behatolását, és felgyorsítja az antocianinok felszabadulását az extrakciós közegbe. A fekete sárgarépa antocianinjait az UP400St ultrahangos készülékkel vizsgáló tanulmány azt mutatja, hogy a kolin-klorid-alapú DES – különösen ultrahanggal segített extrakcióval kombinálva – fenntartható és hatékony alternatívát kínálhat a hagyományos, savanyított etanollal vagy metanollal végzett extrakcióhoz képest. (vö. Türker et al., 2021)
Polifenolok ultrahangos extrakciója DES-sel
A polifenolok, köztük a flavonoidok, a fenolsavak és a rokon antioxidáns vegyületek fontos célmolekulák a növényi, élelmiszeripari, nutraceutikai és kozmetikai extrakcióban. A glicerinalapú mély eutektikus oldószerek különösen előnyösek a polifenolok kinyeréséhez, mivel polaritásuk és hidrogénkötés-képző képességük elősegíti a fenolos vegyületek oldódását. A szondával bevitt ultrahang az anyagátadás fokozásával, az extrakciós idő csökkentésével, valamint a DES és a növényi mátrix közötti érintkezés javításával tovább intenzifikálja a folyamatot.
Egy kutatási tanulmány glicerin–ammónium-acetát DES-t alkalmazott ultrahanggal segített extrakcióval, optimalizált paraméterek, például hőmérséklet, DES-koncentráció és ultrahangos amplitúdó mellett. Az eredmény azt mutatta, hogy az ultrahangos DES-extrakció lehetővé tette a kínai gyöngyfa terméseiből az összes fenol és a flavonoidok hatékony kinyerését, valamint az antioxidáns aktivitás hatékony megőrzését a kivonatban, szemléltetve a DES-sel végzett ultrahangos extrakcióban rejlő lehetőségeket az ipari növényfeldolgozás zöld extrakciós módszereként. (vö. Jamshed et al., 2022)
- Rendkívül hatékony
- Gyors folyamat
- Nem mérgező
- Pontosan az adott növényi alapanyaghoz hangolható
- Kíméletes feldolgozási körülmények
- Szakaszos és átfolyásos üzemmód
- Egyszerű és biztonságos
- Környezetbarát / biológiailag lebomló
- Újrahasznosítható
- Nem gyúlékony
- Olcsó
- Könnyen hozzáférhető
Mik azok a mély eutektikus oldószerek (DES)?
A mély eutektikus oldószerek (DES) legalább egy hidrogénkötés-akceptor (HBA) és egy hidrogénkötés-donor (HBD) keverékei; összetevőik között karbonsavak és más megújuló vegyületek is szerepelnek. Cai et al. (2019) szerint „a HBA és a HBD közötti erős hidrogénkötéses kölcsönhatás a DES kialakulásának legfontosabb tényezője.” [Cai et al. 2019]
Hidrogénkötés-donorként gyakran használnak olyan vegyületeket, mint a cukrok, az aminosavak, a karbonsavak (pl. benzoesav, citromsav, borostyánkősav) vagy az aminok (pl. karbamid, benzamid). A hidrogénkötés-donorok kémiai kölcsönhatási képessége a mély eutektikus oldószerek kialakulásának és hatékonyságának fő tényezője. Halogenidsók, például kolin-klorid vagy cink-klorid is használhatók a hidrogénkötés-donorokkal együtt. Más kolin-klorid-alapú mély eutektikus oldószerek malonsavval, fenollal vagy glicerinnel képződnek. Az erős hidrogénkötéses kölcsönhatások következtében a mély eutektikus oldószerek olvadáspontja jelentősen alacsonyabb az egyes összetevőik olvadáspontjánál. A hagyományos oldószerekkel (pl. etanol, metanol, hexán, bután stb.) ellentétben a mély eutektikus oldószerek nem illékonyak, ami azt jelenti, hogy gőznyomásuk nagyon alacsony, ezért nehezen gyulladnak meg. A mély eutektikus oldószerek toxicitása alacsony, biológiai lebonthatóságuk nagy, a szükséges prekurzorok pedig olcsók, könnyen és bőségesen hozzáférhetők, valamint megújulók.
A természetes mély eutektikus oldószerek (NADES) még környezetbarátabbak, mivel minden prekurzoruk természetes forrásból származik. A mély eutektikus oldószerek oldóképessége az oldott anyag kémiai tulajdonságai és az oldószerek létrehozásához használt kémiai komponensek alapján hangolható is. Egyes természetes mély eutektikus oldószerek viszkozitása nagy, ezért nem igazán alkalmasak szakaszos extrakcióra. A nagyobb viszkozitású természetes mély eutektikus oldószerek azonban sikeresen alkalmazhatók oldószerként az ultrahangos átfolyásos extrakcióban.
Az alábbi táblázat a fitokémiai vegyületek extrakciójához használt természetes mély eutektikus oldószerek (NADES) néhány példaként szolgáló összetételét mutatja be:
| 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 |
UIP4000hdT ipari ultrahangos készülék átfolyó cellákkal a folyamatos, gyártósorba épített extrakcióhoz
Hogyan működik a mély eutektikus oldószerekkel végzett ultrahangos extrakció?
Az ultrahangos extrakció a nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahang szonomechanikai hatásain alapul. A növényi vegyületek (azaz bioaktív anyagok) ultrahangos kezeléssel történő extrakciójának elősegítéséhez és intenzifikálásához nagy teljesítményű ultrahanghullámokat csatolnak egy ultrahangos szondán (más néven ultrahangos kürtön vagy szonotródán) keresztül a folyékony közegbe, azaz a növényi nyersanyagból és a (természetes) mély eutektikus oldószerből álló szuszpenzióba. Az ultrahanghullámok áthaladnak a folyadékon, és váltakozó alacsony nyomású / magas nyomású ciklusokat hoznak létre. Az alacsony nyomású ciklusok során apró vákuumbuborékok (úgynevezett kavitációs buborékok) keletkeznek, amelyek több nyomáscikluson keresztül növekednek. A buborékok növekedési ciklusai során a folyadékban oldott gázok belépnek a vákuumbuborékba, így a vákuumbuborék növekvő gázbuborékokká alakul. Több cikluson át tartó növekedés után a vákuumbuborékok elérnek egy olyan méretet, amelynél már nem tudnak több energiát elnyelni, ezért egy magas nyomású ciklus során hevesen összeroppannak. A buborékok összeroppanását intenzív kavitációs erők jellemzik, köztük igen magas, akár 4000K hőmérséklet és 1000atm nyomás, valamint az ezeknek megfelelő nagy hőmérséklet- és nyomáskülönbségek. Ezek az ultrahanggal létrehozott turbulenciák és nyíróerők feltárják a növényi sejteket, és felszabadítják a sejten belüli bioaktív vegyületeket a (természetes) mély eutektikus oldószerbe. Az ultrahangos extrakció megnyitja a növényi alapanyagok sejtszerkezetét, és fokozza az anyagátadást a növényi anyag és az oldószer között. Az ultrahangos kezelés ezáltal elősegíti a természetes mély eutektikus oldószerek hatékonyságát. A (természetes) mély eutektikus oldószerekkel végzett ultrahangos extrakció rendkívül rövid feldolgozási idő alatt kivételesen nagy kinyerési hozamokat eredményez.
A nagy teljesítményű ultrahanghullámok feltárják a növényi alapanyagok sejtszerkezetét, felszabadítják a bioaktív vegyületeket, és elősegítik az anyagátadást a növényi anyag és az oldószer (pl. mély eutektikus oldószerek) között.
Az ultrahangos extrakció és a (természetes) mély eutektikus oldószerek kombinációja lehetővé teszi az ultrahang folyamatintenzifikáló erejének egyesítését a mély eutektikus oldószerek figyelemre méltó oldódást elősegítő hatásaival és kiváló tervezhetőségével. Az ultrahangos extrakció kiemelkedő hatékonyságának köszönhetően az ultrahangos készülékeket vizes extrakcióhoz is sikeresen használják.
Lépjen kapcsolatba velünk most, és tudjon meg többet a mély eutektikus oldószerekkel végzett hatékony ultrahangos extrakció alkalmazásáról!
Ultrahangos extraktor UIP2000hdT (2kW) növényi kivonatok előállításához
Ultrahangos extraktorok laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari DES-extrakcióhoz
Az ultrahangos extrakció megbízható feldolgozási technológia, amely megkönnyíti és felgyorsítja a kiváló minőségű kivonatok előállítását különféle növényi alapanyagokból, bármilyen oldószer használatával. Az ultrahangos extrakció nagymértékben kompatibilis a (természetes) mély eutektikus oldószerekkel, amelyek kiváló oldóképességük, a kivonathoz igazítható kialakításuk, fenntarthatóságuk, biológiai lebonthatóságuk és környezetbarát jellegük miatt előnyösek. A nagy teljesítményű ultrahang folyamatintenzifikáló hatásának és a (természetes) mély eutektikus oldószerek előnyeinek kombinációja több szempontból is kiemelkedővé teszi ezt a feldolgozási technológiát. A Hielscher Ultrasonics kínálata a kompakt laboratóriumi ultrahangos készülékektől az ipari extrakciós rendszerekig a teljes tartományt lefedi. Természetesen mindegyik alkalmas mély eutektikus oldószerekkel végzett extrakcióra.
Sokéves tapasztalattal rendelkező munkatársaink a megvalósíthatósági vizsgálatoktól és a folyamatoptimalizálástól egészen az ultrahangos rendszer végleges termelési léptékben történő telepítéséig segítik Önt.
| Extrakciós térfogat | Ajánlott ultrahangos készülék |
|---|---|
| Módszerfejlesztés, K+F, előzetes vizsgálatok | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Viszkózus DES/NADES-adagok | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Kísérleti üzemi termelés | UIP1000hdT vagy UIP2000hdT (2000W) |
| Folyamatos ipari extrakció | UIP4000hdT (4000W), UIP6000hdT (6000W), UIP16000hdT (16kW) vagy készülékcsoportok |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
Gyakran ismételt kérdések a mély eutektikus oldószerekkel végzett ultrahangos extrakcióról
Mi a mély eutektikus oldószerekkel végzett ultrahangos extrakció?
A mély eutektikus oldószerekkel végzett ultrahangos extrakció a szondás ultrahangos kezelést DES- vagy NADES-oldószerrendszerekkel kombinálja. Az ultrahangos szonda nagy intenzitású hanghullámokat juttat a növényi anyagból és oldószerből álló szuszpenzióba. Az így keletkező kavitáció feltárja a növényi sejtszerkezeteket, javítja az oldószer behatolását, és felgyorsítja a bioaktív vegyületek átadását a mély eutektikus oldószerbe.
Miért érdemes ultrahangot használni a DES- és NADES-extrakcióhoz?
Az ultrahang az anyagátadás fokozásával, az extrakciós idő csökkentésével és az oldószer sejten belüli vegyületekhez való hatékonyabb eljutásának elősegítésével javítja a DES- és NADES-extrakciót. Ez különösen hasznos olyan növényi anyagoknál, amelyekben a célvegyületek növényi sejtekbe, rostokba vagy gyantás szerkezetekbe zárva találhatók.
Mely vegyületek nyerhetők ki DES-sel és NADES-sel ultrahangos kezelés alkalmazásával?
Az ultrahangos DES- és NADES-extrakció számos bioaktív vegyülethez alkalmazható, köztük polifenolokhoz, flavonoidokhoz, antocianinokhoz, terpénekhez, kannabinoidokhoz, alkaloidokhoz, antioxidánsokhoz, pigmentekhez, aromavegyületekhez és más fitokémiai vegyületekhez. Az oldószer összetételét a célvegyület polaritása, stabilitása és oldhatósága szerint kell megválasztani.
Kompatibilisek a mély eutektikus oldószerek a Hielscher ultrahangos extraktoraival?
Igen. A Hielscher szondás ultrahangos készülékei alkalmasak mély eutektikus oldószerekkel, természetes mély eutektikus oldószerekkel, glicerinalapú oldószerrendszerekkel, vízzel, etanollal és számos más extrakciós közeggel végzett extrakcióra. Viszkózus DES- vagy NADES-rendszereknél egy nagy teljesítményű szondás ultrahangos készülék különösen hasznos, mivel közvetlenül a folyadékban biztosít intenzív keverést, kavitációt és anyagátadást.
Feldolgozhatók nagy viszkozitású oldószerek ultrahangos DES-extrakcióval?
Igen. Számos DES- és NADES-összetétel viszkozitása nagyobb a hagyományos oldószerekénél. A Hielscher ultrahangos processzorai jól alkalmazhatók viszkózus extrakciós közegekhez, mivel a szonotróda közvetlenül az oldószer és az alapanyag keverékébe juttatja a nagy amplitúdójú ultrahangot. Nagyobb térfogatok vagy folyamatos feldolgozás esetén az átfolyásos reaktorok javíthatják a keverést, a hőmérséklet-szabályozást és a folyamat egyenletességét.
Alkalmas az ultrahangos DES-extrakció élelmiszerek, nutraceutikumok és kozmetikumok gyártására?
Igen. A DES-t és a NADES-t gyakran választják olyan alkalmazásokhoz, amelyeknél fontos az alacsony illékonyság, az oldószerekből eredő veszélyek csökkentése és a hangolható extrakciós teljesítmény. A kiválasztott oldószerkomponensektől és a szabályozási követelményektől függően az ultrahangos DES-extrakció alkalmazható élelmiszer-összetevőkhöz, nutraceutikai kivonatokhoz, kozmetikai hatóanyagokhoz, növényi koncentrátumokhoz és kutatási célú kivonatokhoz.
Növelhető a DES-sel végzett ultrahangos extrakció léptéke?
Igen. Az ultrahangos extrakció nagymértékben skálázható, mivel ugyanazok a folyamatparaméterek – például az amplitúdó, az energiabevitel, a tartózkodási idő, a hőmérséklet és a szilárd–folyadék arány – átvihetők a laboratóriumi kísérletekből a kísérleti üzemi és ipari termelésbe. A Hielscher ultrahangos extraktorokat kínál kis laboratóriumi mintákhoz, asztali berendezésekkel végzett optimalizáláshoz, kísérleti üzemi adagokhoz és folyamatos ipari átfolyásos extrakcióhoz.
Szakaszos vagy gyártósorba épített ultrahangos extrakciót használjak a DES-folyamatokhoz?
A szakaszos extrakció gyakran a legjobb választás laboratóriumi vizsgálatokhoz, összetételek előzetes vizsgálatához és kis termelési mennyiségekhez. A gyártósorba épített ultrahangos extrakciót általában előnyben részesítik a kísérleti üzemi és ipari termeléshez, mert szabályozott tartózkodási időt, jobb reprodukálhatóságot, egyszerűbb hűtést és folyamatos anyagfeldolgozást biztosít. A legjobb elrendezés a viszkozitástól, a növényi anyagtól, az oldószeraránytól, a célvegyülettől és a termelési kapacitástól függ.
Hogyan válasszam ki a megfelelő ultrahangos extraktort a DES-extrakcióhoz?
A megfelelő ultrahangos extraktor a minta térfogatától, az adagmérettől, a térfogatáramtól, az oldószer viszkozitásától, a célvegyülettől, az extrakciós hőmérséklettől és a termelési céltól függ. A kis laboratóriumi készülékek módszerfejlesztésre alkalmasak, míg az UIP sorozat ipari ultrahangos készülékeit kísérleti üzemi és termelési léptékű DES-extrakcióhoz használják. A Hielscher az Ön nyersanyaga, oldószerrendszere és szükséges feldolgozási teljesítménye alapján tud konfigurációt ajánlani.
Mely folyamatparaméterek fontosak az ultrahangos DES-extrakcióhoz?
A fontos paraméterek közé tartozik az ultrahangos amplitúdó, az energiabevitel, az extrakciós idő, a hőmérséklet, a DES vagy NADES összetétele, a víztartalom, a szilárd–folyadék arány, a részecskeméret, a viszkozitás és a térfogatáram. Ezeket a paramétereket minden növényi anyaghoz és célvegyülethez optimalizálni kell a nagy kinyerési hozam, a jó kivonatminőség és a reprodukálható termelés eléréséhez.
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
Nagy teljesítményű ultrahangtechnika! A Hielscher termékkínálata a teljes spektrumot lefedi a kompakt laboratóriumi ultrahangos készüléktől az asztali berendezéseken át a teljes ipari ultrahangos rendszerekig.