Šķīdinātāji ekstrakcijai no augiem ar ultraskaņu

• Ekstrakcijai ar ultraskaņu ir daudz priekšrocību, piemēram, augsts iznākums, liels ekstrakcijas ātrums, draudzīgums videi un zems enerģijas patēriņš.
• Viena no būtiskākajām priekšrocībām ir ūdens izmantošana par ekstrakcijas vidi. Tomēr apstrādi ar ultraskaņu var izmantot ar daudzveidīgām šķīdinātāju sistēmām, lai iegūtu izcilākus rezultātus vēlamā ekstrakta ieguvē.
• Optimālo šķīdinātāju augu bioloģiski aktīvo vielu ekstrakcijai ar ultraskaņu izvēlas, ņemot vērā izejvielu.

Ekstrakcija ar ultraskaņu

Ir labi zināms, ka ultraskaņa sagrauj šūnu struktūras un uzlabo masas pārnesi, tādējādi palielinot bioloģisko savienojumu (piemēram, fenola savienojumu, karotinoīdu) ekstrahējamību.
Tā kā apstrādes ar ultraskaņu mehāniskā iedarbība ievērojami uzlabo ekstrakcijas procesu, veicinot masas pārnesi, organisko šķīdinātāju izmantošana bieži vien ir lieka. Tas nozīmē, ka ekstrakcijai ar ultraskaņu ūdens bieži vien ir pietiekama ekstrakcijas vide, kurai ir daudz priekšrocību, piemēram, zemas izmaksas, nekaitīgums, viegla pieejamība un draudzīgums videi.
Tomēr konkrētu bioloģiski aktīvo savienojumu gadījumā vislabākos rezultātus var sasniegt, kombinējot ekstrakciju ar ultraskaņu un gaistošu šķīdinātāju.
Lai izvēlētos pareizo šķīdinātāju, jāņem vērā izejviela (piemēram, svaigs vai žāvēts, macerēts/samalts vai pulverveida augu materiāls) un mērķvielas (piemēram, lipofilas, hidrofilas).
 

Tālāk esošajā tabulā ir uzskaitīti vairāki plaši atzīti ekstrakcijas šķīdinātāji, kurus izmanto ekstrakcijai no augu materiāla ar ultraskaņu.

Spēcīgi ultraskaņas viļņi sagrauj bioloģisko struktūru šūnu matricu un atbrīvo bioloģiski aktīvos savienojumus. Masas pārnese starp augu materiālu un šķīdinātāju tiek pastiprināta. Šo mehānismu dēļ ekstrakcija ar ultraskaņu ir ļoti efektīva augu vielu ekstrakcijai.

Ultraskaņas ierīces ekstrakcijai

No laboratorijas un galda ultraskaņas ierīcēm līdz pilnībā rūpnieciskām ultraskaņas ekstrakcijas sistēmām – Hielscher Ultrasonics ir jūsu partneris ar ilggadēju pieredzi jaudīgu un uzticamu ultraskaņas ierīču jomā veiksmīgu ekstrakcijas procesu nodrošināšanai.
Mūsu ultraskaņas sistēmas plaši izmanto bioķīmijas laboratorijās un farmaceitiskās ražotnēs. Ultraskaņas sonotrodes un reaktori ir autoklavējami un atbilst farmaceitiskās ražošanas standartiem.

Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas ierīces spēj nodrošināt ļoti lielas amplitūdas, lai sagrautu šūnu matrices un atbrīvotu mērķvielas. Amplitūdas līdz 200µm var viegli uzturēt nepārtrauktā 24/7 darbības režīmā. Hielscher ultraskaņas ierīču jauda un izturība nodrošina augstu iznākumu, lielu ekstrakcijas ātrumu un pilnīgāku ekstrakciju – pārspējot tradicionālos ekstrakcijas procesus.
Mūsu ultraskaņas procesorus var kombinēt ar tradicionālām ekstrakcijas metodēm, piemēram, Soksleta ekstrakciju vai ekstrakciju ar superkritisko CO2. Ierīces var viegli integrēt esošajās ražošanas līnijās.

Literatūra / Atsauces

• 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.

Noderīga informācija

Ultraskaņas ekstrakcija ar kavitāciju

Intensīvi ultraskaņas viļņi rada akustisko kavitāciju šķidrumos. Kavitācijas radītie bīdes spēki sagrauj šūnu sieniņas un membrānas, atbrīvojot šūnu iekšējo materiālu. Ultraskaņas ekstrakcija nodrošina dziļāku šķīdinātāja iekļūšanu augu audos un uzlabo masas pārnesi. Tādējādi ultraskaņas ekstrakcija būtiski intensificē ekstrakcijas procesu, nodrošinot augstāku iznākumu, lielāku ekstrakcijas ātrumu un pilnīgāku ekstrakciju.

Šķīdinātāju sistēmas

Bioaktīvo savienojumu ekstrakcijai no augu materiāla ir pieejamas dažādas šķīdinātāju sistēmas. Hidrofilu savienojumu ekstrakcijai lielākoties izvēlas polārus šķīdinātājus, piemēram, metanolu, etanolu vai etilacetātu, savukārt lipofilu savienojumu (piemēram, lipīdu) ekstrakcijai priekšroku dod tādām šķīdinātāju sistēmām kā dihlormetāns vai dihlormetāns/metanols (v/v 1:1). Heksānu bieži izmanto kā šķīdinātāju hlorofila ekstrakcijai.

Kas ir bioaktīvie savienojumi?

Bioaktīvie savienojumi jeb fitoķīmiskās vielas tiek definēti kā vielas, kas ietekmē dzīvus organismus, audus vai šūnas. Pie bioloģiski aktīvām vielām pieder antibiotikas, fermenti un vitamīni. Bioaktīvās vielas, piemēram, karotinoīdus un polifenolus, var ekstrahēt, piemēram, no augļiem, lapām un dārzeņiem, savukārt fitosteroli ir sastopami augu eļļās.
Augu izcelsmes bioaktīvie savienojumi ietver flavonoīdus, kofeīnu, karotinoīdus, holīnu, ditioltionus, fitosterolus, polisaharīdus, fitoestrogēnus, glikozinolātus, polifenolus un antocianīnus. Daudzas bioaktīvās vielas tiek augstu vērtētas to antioksidatīvās iedarbības dēļ un tāpēc tiek uzskatītas par veselībai labvēlīgām.

Kā izvēlēties labāko ekstrakcijas šķīdinātāju?

Tālāk sniegtās vadlīnijas palīdz izvēlēties piemērotu šķīdinātāju augu ultraskaņas ekstrakcijai. Tā kā apstrāde ar ultraskaņu ir saderīga ar jebkuru standarta šķīdinātāju, varat izvēlēties vispiemērotāko šķīdinātāju, ņemot vērā augu izejvielu, mērķa fitoķīmiskās vielas un izmaksu efektivitāti.

• Selektivitāte: Izvēlieties šķīdinātāju, kas selektīvi izšķīdina vēlamos savienojumus, atstājot nevēlamās sastāvdaļas neizšķīdušas. Piemēram, izmantojiet etanolu polāriem savienojumiem, piemēram, alkaloīdiem un flavonoīdiem.
• Šķīdība: Pamatojoties uz principu “līdzīgs šķīdina līdzīgu”, izvēlieties šķīdinātāju, kura polaritāte ir līdzīga izšķīdināmās vielas polaritātei. Polāri šķīdinātāji (piemēram, ūdens, etanols) izšķīdina polārus savienojumus, savukārt nepolāri šķīdinātāji (piemēram, heksāns) izšķīdina nepolārus savienojumus, piemēram, lipīdus un eļļas.
• Izmaksas: Izvērtējiet šķīdinātāja izmaksu efektivitāti. Daži šķīdinātāji var būt dārgāki, taču nodrošināt augstāku iznākumu vai labāku selektivitāti, tādējādi līdzsvarojot kopējās ekstrakcijas izmaksas.
• Drošība: Pārliecinieties, ka šķīdinātāja lietošana un rīkošanās ar to ir droša. Jāņem vērā toksiskums, uzliesmojamība un ietekme uz vidi. Piemēram, ūdens un etanols ir drošāka izvēle nekā hloroforms vai toluols.

Polaritāte un šķīdinātāja izvēle
Saskaņā ar līdzības un savstarpējās sajaucamības likumu šķīdinātāji, kuru polaritātes vērtība ir tuva izšķīdināmās vielas polaritātei, visticamāk, darbosies labāk. Daži piemēri:

• Polāri šķīdinātāji: Ūdens, etanols, metanols – izmanto polāru savienojumu, piemēram, alkaloīdu, flavonoīdu, glikozīdu un olbaltumvielu, ekstrakcijai.
• Vidēji polāri šķīdinātāji: Acetons, etilacetāts, izopropanols – piemēroti plaša savienojumu klāsta, tostarp fenola savienojumu un dažu alkaloīdu, ekstrakcijai.
• Nepolāri šķīdinātāji: Heksāns, toluols, petrolēteris – ideāli piemēroti nepolāru savienojumu, piemēram, lipīdu, vasku, terpēnu un ēterisko eļļu, ekstrakcijai.

Šķīdinātāju lietošanas piemēri

• Etanols: Viens no visbiežāk izmantotajiem šķīdinātājiem augu vielu ekstrakcijā. Kā polārs šķīdinātājs etanols šķīdina polārus savienojumus, piemēram, alkaloīdus un flavonoīdus.
• Ūdens: Universāls šķīdinātājs, ko bieži izmanto hidrofilu savienojumu, piemēram, polisaharīdu, olbaltumvielu un dažu glikozīdu, ekstrakcijai.
• Metanols: Ļoti polārs šķīdinātājs, kas efektīvi ekstrahē plašu augu savienojumu klāstu, tostarp fenola savienojumus, flavonoīdus un dažus alkaloīdus.
• Heksāns: Nepolārs šķīdinātājs, ko galvenokārt izmanto nepolāru savienojumu, piemēram, lipīdu, vasku un ēterisko eļļu, ekstrakcijai.
• Acetons: Acetons ir polārs aprotisks šķīdinātājs, kas efektīvi ekstrahē plašu augu savienojumu klāstu, īpaši tos, kuri ir mazāk polāri nekā savienojumi, ko ekstrahē ar ūdeni vai metanolu.
• Izopropanols: Etanolam līdzīgs polārs šķīdinātājs, ko bieži izmanto ēterisko eļļu, sveķu un dažu alkaloīdu ekstrakcijai.
• Hloroforms: Nepolārs šķīdinātājs, kas efektīvi ekstrahē alkaloīdus, terpenoīdus un dažus glikozīdus. Tā toksiskuma dēļ to izmanto retāk.
• Etilacetāts: Vidēji polārs šķīdinātājs, ko izmanto dažādu savienojumu, tostarp flavonoīdu, alkaloīdu un fenola savienojumu, ekstrakcijai.
• Toluols: Nepolārs šķīdinātājs, ko izmanto nepolāru savienojumu, piemēram, ēterisko eļļu, terpēnu un vasku, ekstrakcijai.
• Butanols: Vidēji polārs šķīdinātājs, kas efektīvi ekstrahē vidējas polaritātes savienojumus, tostarp dažus glikozīdus un saponīnus.
• Petrolēteris: Nepolārs šķīdinātājs, ko galvenokārt izmanto tauku, eļļu un citu nepolāru savienojumu ekstrakcijai no augu materiāliem.

Turpmāk minētie šķīdinātāji tika pārbaudīti zinātniskos pētījumos par konkrētu augu materiālu un fitoķīmisko savienojumu ekstrakciju ar ultraskaņu.

Kas ir organiskie šķīdinātāji?

Organiskais šķīdinātājs ir gaistoša organiskā savienojuma (GOS) veids. GOS ir organiskas ķīmiskas vielas, kas iztvaiko istabas temperatūrā.
Organiskie savienojumi, ko izmanto kā šķīdinātājus, ietver:

• aromātiskos savienojumus, piemēram, benzolu un toluolu
• spirtus, piemēram, metanolu
• esterus un ēterus
• ketonus, piemēram, acetonu
• amīnus
• nitrētus un halogenētus ogļūdeņražus

Daudzi organiskie šķīdinātāji ir klasificēti kā toksiski vai kancerogēni. Nepareizi rīkojoties ar tiem, tie var būt bīstami cilvēkiem un piesārņot gaisu, ūdeni un augsni. Pateicoties ultraskaņas ekstrakcijas spēcīgajam darbības mehānismam, var izvairīties no organisko šķīdinātāju lietošanas, aizstājot tos ar saudzīgākiem, netoksiskiem šķīdinātājiem.