Oplosmiddelen voor ultrasone extractie uit planten
- Ultrasone extractie heeft veel voordelen, zoals een hoge opbrengst, snelle extractie, milieuvriendelijkheid en een laag energieverbruik.
- Een van de grootste voordelen is het gebruik van water als extractiemedium. Sonicatie kan echter worden gebruikt met verschillende oplosmiddelsystemen om superieure resultaten te leveren voor het beoogde extract.
- Het optimale oplosmiddel voor ultrasone extractie van plantaardige bioactieve stoffen wordt gekozen op basis van de grondstof.
ultrasone extractie
Het is bekend dat ultrageluid de celstructuren verstoort en de massaoverdracht verbetert, waardoor de extraheerbaarheid van biocompounds (bv. fenolen, carotenoïden) toeneemt.
Aangezien de mechanische effecten van sonicatie het extractieproces sterk verbeteren door een verbeterde massaoverdracht, is het gebruik van organische oplosmiddelen vaak overbodig. Dit betekent dat voor ultrasone extractie water vaak een toereikend extractiemedium is dat veel voordelen heeft, zoals goedkoop, ongevaarlijk, gemakkelijk verkrijgbaar en milieuvriendelijk.
Voor specifieke bioactieve stoffen kunnen echter de beste resultaten worden verkregen door ultrasone extractie in combinatie met een vluchtig oplosmiddel.
Om het juiste oplosmiddel te kiezen, moet rekening worden gehouden met de grondstof (bijv. vers of gedroogd, gemacereerd/gemalen of poedervormig plantaardig materiaal) en de beoogde stoffen (bijv. lipofiel, hydrofiel).
Plantaardige glycerine is een ideaal extractiemiddel vanwege zijn niet-toxische, niet-irriterende eigenschappen en zijn vermogen om de stabiliteit en potentie van gevoelige bioactieve verbindingen te behouden. Zowel pure glycerine als mengsels van glycerine en water zijn nuttige oplosmiddelen voor de productie van extracten voor supplementen en nutraceutica, smaakextracten, voedseladditieven en cosmetica.
UIP2000hdT sonicator voor botanische extractie in grote batches of inline werking
In de volgende tabel staan verschillende oplosmiddelen die bekende extractiemiddelen zijn en gebruikt worden voor de ultrasone extractie uit plantaardig materiaal.
| ethanol | Een van de meest gebruikte oplosmiddelen voor botanische extractie. Als polair oplosmiddel lost ethanol polaire verbindingen zoals alkaloïden en flavonoïden op. |
| water | Het universele oplosmiddel, vaak gebruikt voor het extraheren van hydrofiele verbindingen zoals polysachariden, eiwitten en sommige glycosiden. |
| waterige ethanol | Dit oplosmiddel, een mengsel van ethanol en water, kan een breed scala aan polaire en matig polaire verbindingen extraheren en biedt een balans tussen het oplossend vermogen van ethanol en het vermogen van water om hydrofiele verbindingen te extraheren. Waterige ethanol kan in verschillende verhoudingen worden bereid om het oplossend vermogen aan te passen aan de beoogde verbindingen. |
| glycerine | Een zeer polair oplosmiddel dat nuttig is voor het extraheren van polaire verbindingen en een veiliger alternatief kan zijn voor andere polaire oplosmiddelen, vaak gebruikt in tincturen en extracten bedoeld voor inwendig gebruik. Lees meer over het extraheren van fytochemicaliën in glycerine met behulp van sonicatie! |
| methanol | Een zeer polair oplosmiddel dat effectief is in het extraheren van een breed scala aan plantaardige verbindingen, waaronder fenolen, flavonoïden en sommige alkaloïden. |
| hexaan | Een apolair oplosmiddel dat voornamelijk wordt gebruikt voor het extraheren van apolaire verbindingen zoals lipiden, wassen en essentiële oliën. |
| aceton | Aceton, een polair aprotisch oplosmiddel, is effectief voor het extraheren van een groot aantal botanische verbindingen, met name verbindingen die minder polair zijn dan verbindingen die met water of methanol worden geëxtraheerd. |
| isopropanol | Een polair oplosmiddel vergelijkbaar met ethanol, vaak gebruikt voor het extraheren van essentiële oliën, harsen en sommige alkaloïden. |
| Chloroform | Een apolair oplosmiddel dat effectief is in het extraheren van alkaloïden, terpenoïden en sommige glycosiden. Het wordt minder vaak gebruikt vanwege de toxiciteit. |
| ethylacetaat | Een matig polair oplosmiddel dat wordt gebruikt voor het extraheren van een reeks verbindingen, waaronder flavonoïden, alkaloïden en fenolen. |
| tolueen | Een apolair oplosmiddel dat wordt gebruikt voor het extraheren van apolaire verbindingen zoals essentiële oliën, terpenen en wassen. |
| Butanol | Een matig polair oplosmiddel dat effectief is in het extraheren van mediumpolaire verbindingen, waaronder sommige glycosiden en saponinen. |
| Petroleumether | Een apolair oplosmiddel dat voornamelijk wordt gebruikt voor het extraheren van vetten, oliën en andere apolaire verbindingen uit plantaardig materiaal. |
Krachtige ultrageluidsgolven verstoren de celmatrix van biologische structuren en maken de bioactieve stoffen vrij. De massaoverdracht tussen het plantenmateriaal en het oplosmiddel wordt geïntensiveerd. Door deze mechanismen is ultrasone extractie zeer efficiënt voor botanische extractie.
UP400ST ultrasone homogenisator voor kruidenextractie kun je het oplosmiddel van je keuze gebruiken.
Ultrasone apparaten voor extractie
Van laboratorium- en tafelmodel ultrasone apparaten tot industriële ultrasone extractiesystemen – Hielscher Ultrasonics is uw ervaren partner als het gaat om krachtige en betrouwbare ultrasone apparatuur voor succesvolle extractieprocessen.
Onze ultrasone systemen worden veel gebruikt in biochemische laboratoria en farmaceutische productiefabrieken. De ultrasone sonotroden en reactoren zijn autoclaveerbaar en voldoen aan de normen voor farmaceutische productie.
Hielscher industriële sonicators kunnen zeer hoge amplitudes leveren om celmatrices te verstoren en doelgerichte stoffen vrij te maken. Amplitudes tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in 24/7 bedrijf. De kracht en robuustheid van Hielscher ultrasone apparaten zorgen voor een hoge opbrengst, snelle extractiesnelheden en een completere extractie. – die conventionele extractieprocessen overtreffen.
Onze ultrasone processors kunnen worden gecombineerd met conventionele extractiemethoden zoals Soxhlet extractie of superkritische CO2-extractie. Montage achteraf in bestaande productielijnen is eenvoudig.
Literatuur / Referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Ultrasone extractie door cavitatie
Intense ultrageluidsgolven genereren akoestische cavitatie in vloeistoffen. De cavitatieschuifkrachten breken de celwand en membranen zodat het intracellulaire materiaal vrijkomt. Ultrasone extractie zorgt voor een grotere penetratie van het oplosmiddel in het plantaardige weefsel en verbetert de massaoverdracht. Daardoor intensiveert ultrasone extractie het extractieproces aanzienlijk, wat resulteert in hogere opbrengsten, snellere extractiesnelheden en een completere extractie.
oplosmiddelsystemen
Voor de extractie van bioactieve verbindingen uit plantaardig materiaal zijn verschillende oplosmiddelsystemen beschikbaar. Voor de extractie van hydrofiele verbindingen wordt meestal gekozen voor polaire oplosmiddelen zoals methanol, ethanol of ethyl-acetaat, terwijl voor de extractie van lipofiele verbindingen (bijv. lipiden) de voorkeur wordt gegeven aan oplosmiddelsystemen zoals dichloormethaan of dichloormethaan/methanol (v/v 1:1). Hexaan wordt vaak gebruikt als oplosmiddel voor chlorofylextractie.
Wat zijn bioactieve stoffen?
Bioactieve stoffen of fytochemicaliën worden gedefinieerd als stoffen die invloed hebben op levende organismen, weefsels of cellen. Biologisch actieve stoffen zijn bijvoorbeeld antibiotica, enzymen en vitamines. Bioactieve stoffen zoals carotenoïden en polyfenolen kunnen bijvoorbeeld worden gewonnen uit fruit, bladeren en groenten, terwijl fytosterolen worden gevonden in plantaardige oliën.
Plantaardige bioactieve stoffen zijn onder andere flavonoïden, cafeïne, carotenoïden, choline, dithiolthionen, fytosterolen, polysachariden, fyto-oestrogenen, glucosinolaten, polyfenolen en anthocyanen. Veel bioactieve stoffen worden gewaardeerd omdat ze werken als antioxidanten en worden daarom beschouwd als heilzaam voor de gezondheid.
Hoe kies ik het beste extractiemiddel?
De onderstaande richtlijnen helpen je bij het kiezen van een geschikt oplosmiddel voor ultrasone botanische extractie. Aangezien sonicatie compatibel is met elk standaard oplosmiddel, kun je het oplosmiddel kiezen dat het meest ideaal is voor de grondstof van je plant, de beoogde fytochemicaliën en kostenefficiëntie.
- Selectiviteit: Kies een oplosmiddel dat specifiek de gewenste verbindingen oplost en ongewenste componenten achterlaat. Gebruik bijvoorbeeld ethanol voor polaire verbindingen zoals alkaloïden en flavonoïden.
- Oplosbaarheid: Gebaseerd op het principe “als lost op als,” Kies een oplosmiddel met een polariteit die vergelijkbaar is met die van de opgeloste stof. Polaire oplosmiddelen (bijv. water, ethanol) lossen polaire verbindingen op, terwijl apolaire oplosmiddelen (bijv. hexaan) apolaire verbindingen zoals lipiden en oliën oplossen.
- Kosten: Overweeg de kosteneffectiviteit van het oplosmiddel. Sommige oplosmiddelen kunnen duurder zijn, maar bieden een hogere opbrengst of een betere selectiviteit, waardoor de totale extractiekosten in evenwicht zijn.
- Veiligheid: Zorg ervoor dat het oplosmiddel veilig is voor gebruik en hantering. Factoren zijn onder andere toxiciteit, ontvlambaarheid en invloed op het milieu. Water en ethanol zijn bijvoorbeeld veiliger dan chloroform of tolueen.
Polariteit en oplosmiddelselectie
Volgens de wet van gelijkenis en intermiscibiliteit zullen oplosmiddelen met een polariteitswaarde die dicht bij de polariteit van de opgeloste stof ligt waarschijnlijk beter presteren. Hier zijn enkele voorbeelden:
- Polaire oplosmiddelen: Water, Ethanol, Methanol – Gebruikt voor het extraheren van polaire verbindingen zoals alkaloïden, flavonoïden, glycosiden en proteïnen.
- Matig polaire oplosmiddelen: Aceton, ethylacetaat, isopropanol – Geschikt voor het extraheren van een breed scala aan verbindingen, waaronder fenolen en sommige alkaloïden.
- Niet-polaire oplosmiddelen: Hexaan, tolueen, petroleumether – Ideaal voor het extraheren van apolaire verbindingen zoals lipiden, wassen, terpenen en essentiële oliën.
Voorbeelden van het gebruik van oplosmiddelen
- Ethanol: Een van de meest gebruikte oplosmiddelen voor botanische extractie. Als polair oplosmiddel lost ethanol polaire verbindingen zoals alkaloïden en flavonoïden op.
- Water: Het universele oplosmiddel, vaak gebruikt voor het extraheren van hydrofiele verbindingen zoals polysachariden, eiwitten en sommige glycosiden.
- Methanol: Een zeer polair oplosmiddel dat effectief is in het extraheren van een breed scala aan plantaardige verbindingen, waaronder fenolen, flavonoïden en sommige alkaloïden.
- Hexaan: Een apolair oplosmiddel dat voornamelijk wordt gebruikt voor het extraheren van apolaire verbindingen zoals lipiden, wassen en essentiële oliën.
- Aceton: Aceton, een polair aprotisch oplosmiddel, is effectief voor het extraheren van een groot aantal botanische verbindingen, met name verbindingen die minder polair zijn dan verbindingen die met water of methanol worden geëxtraheerd.
- Isopropanol: Een polair oplosmiddel vergelijkbaar met ethanol, vaak gebruikt voor het extraheren van essentiële oliën, harsen en sommige alkaloïden.
- Chloroform: Een apolair oplosmiddel dat effectief is in het extraheren van alkaloïden, terpenoïden en sommige glycosiden. Het wordt minder vaak gebruikt vanwege de toxiciteit.
- Ethylacetaat: Een matig polair oplosmiddel dat wordt gebruikt voor het extraheren van een reeks verbindingen, waaronder flavonoïden, alkaloïden en fenolen.
- Tolueen: Een apolair oplosmiddel dat wordt gebruikt voor het extraheren van apolaire verbindingen zoals essentiële oliën, terpenen en wassen.
- Butanol: Een matig polair oplosmiddel dat effectief is in het extraheren van mediumpolaire verbindingen, waaronder sommige glycosiden en saponinen.
- Petroleumether: Een apolair oplosmiddel dat voornamelijk wordt gebruikt voor het extraheren van vetten, oliën en andere apolaire verbindingen uit plantaardig materiaal.
De volgende oplosmiddelen werden getest in onderzoeken waarin ultrasone extractie van specifieke plantmaterialen en fytochemicaliën werd onderzocht.
| oplosmiddel | Plant | Soort weefsel |
|---|---|---|
| Azijnzuur / ureum / cetyltrim-ethylammoniumbromide | rijst | zemelen |
| waterige ethanol | distilleerkorrel | graan |
| Waterige isopropanol | sojaboon, raapzaad | zaden |
| ethanol | Sacharine japonica | – |
| Glazig actinezuur | sorghum | – |
| Fenol | tomaat / aardappel / aloë vera / sojaboon | stuifmeel / knol / blad / zaad |
| Fenol/ammoniumacetaat | gerst / banaan | wortel / blad |
| Fenol/ammoniumacetaat | avocado / tomaat / sinaasappel / banaan / peer / druif / appel / aardbei | vruchten |
| Fenol/methanol-ammoniumacetaat | naaldboom / banaan / appel / aardappel | zaad/vruchten |
| Natriumdodecylsulfaat/aceton | naaldendragend / aardappel | zaad / knol |
| Natriumdodecylsulfaat/TCA/aceton | appel / banaan | weefsel |
| TCA | bonen | een andere |
| TCA/aceton | citrus / sojaboon / aloë vera | bladeren |
| TCA/aceton | sojaboon / naaldboom | zaden |
| TCA/aceton | tomaat | stuifmeelkorrel |
| TCA/aceton/fenol | olijf / bamboe / druif / citroen | bladeren |
| TCA/aceton/fenol | appel / sinaasappel / tomaat | vruchten |
| Thioureum/ureum | sojaboon | zaad |
| Thioureum/ureum | appel / banaan | weefsels |
| Tris-HCL-buffer | tomaat | stuifmeelkorrel |
Wat zijn organische oplosmiddelen?
Een organisch oplosmiddel is een soort vluchtige organische stof (VOS). VOS zijn organische chemicaliën die verdampen bij kamertemperatuur.
Organische verbindingen die als oplosmiddel worden gebruikt zijn onder andere:
- aromatische verbindingen, zoals benzeen en tolueen
- alcoholen, bijvoorbeeld methanol
- esters en ethers
- ketonen, bijv. aceton
- aminen
- genitreerde en gehalogeneerde koolwaterstoffen
Veel organische oplosmiddelen zijn geclassificeerd als giftig of kankerverwekkend. Bij onjuist gebruik kunnen ze gevaarlijk zijn voor mensen en lucht, water en bodem verontreinigen. Door het krachtige mechanisme van ultrasone extractie kan het gebruik van organische oplosmiddelen worden vermeden door ze te vervangen door mildere, niet-giftige oplosmiddelen.
