Oplosmiddelen voor ultrasone extractie uit planten

• Ultrasone extractie biedt veel voordelen, zoals hoge opbrengsten, hoge extractiesnelheden, milieuvriendelijkheid en een laag energieverbruik.
• Een van de grootste voordelen is het gebruik van water als extractiemedium. Sonicatie kan echter met uiteenlopende oplosmiddelsystemen worden toegepast om superieure resultaten voor het beoogde extract te bereiken.
• Het optimale oplosmiddel voor ultrasone extractie van plantaardige bioactieve stoffen wordt gekozen op basis van de grondstof.

Ultrasone extractie

Het is algemeen bekend dat ultrageluid celstructuren ontwricht en de massaoverdracht verbetert, waardoor biologische verbindingen (bijv. fenolische verbindingen, carotenoïden) beter extraheerbaar worden.
Omdat de mechanische effecten van sonicatie het extractieproces door verbeterde massaoverdracht sterk bevorderen, is het gebruik van organische oplosmiddelen vaak overbodig. Dit betekent dat water voor ultrasone extractie vaak een toereikend extractiemedium is dat veel voordelen biedt: het is goedkoop, ongevaarlijk, gemakkelijk verkrijgbaar en milieuvriendelijk.
Voor specifieke bioactieve verbindingen kunnen de beste resultaten echter worden bereikt met 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 tot poeder verwerkt plantenmateriaal) en de beoogde stoffen (bijv. lipofiel, hydrofiel).
 

De volgende tabel vermeldt verschillende oplosmiddelen die algemeen gangbaar zijn als extractieoplosmiddelen en worden gebruikt voor ultrasone extractie uit plantenmateriaal.

Krachtige ultrasone golven ontwrichten de celmatrix van biologische structuren en maken de bioactieve verbindingen vrij. De massaoverdracht tussen het plantenmateriaal en het oplosmiddel wordt geïntensiveerd. Door deze mechanismen is ultrasone extractie zeer efficiënt voor plantaardige extractie.

Ultrasone apparaten voor extractie

Van ultrasone apparaten voor het laboratorium en de werkbank tot volledig industriële ultrasone extractiesystemen – Hielscher Ultrasonics is uw partner met jarenlange ervaring als het gaat om krachtige en betrouwbare ultrasone apparaten voor succesvolle extractieprocessen.
Onze ultrasone systemen worden veel gebruikt in biochemische laboratoria en farmaceutische productiebedrijven. De ultrasone sonotroden en reactoren zijn autoclaveerbaar en voldoen aan de normen voor farmaceutische productie.

De industriële sonicators van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren om celmatrices te ontwrichten en de beoogde stoffen vrij te maken. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Het vermogen en de robuustheid van de ultrasone apparaten van Hielscher zorgen voor hoge opbrengsten, hoge extractiesnelheden en een volledigere extractie – waarmee ze conventionele extractieprocessen overtreffen.
Onze ultrasone processoren kunnen worden gecombineerd met conventionele extractiemethoden zoals Soxhlet-extractie of extractie met superkritisch CO2. Inbouw in bestaande productielijnen kan gemakkelijk worden uitgevoerd.

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 ultrasone golven veroorzaken akoestische cavitatie in vloeistoffen. De afschuifkrachten door cavitatie breken de celwand en membranen open, zodat het intracellulaire materiaal vrijkomt. Ultrasone extractie zorgt ervoor dat het oplosmiddel verder in plantaardig weefsel doordringt en verbetert de massaoverdracht. Daardoor intensiveert ultrasone extractie het extractieproces aanzienlijk, wat resulteert in hogere opbrengsten, hogere extractiesnelheden en een volledigere extractie.

Oplosmiddelsystemen

Voor de extractie van bioactieve verbindingen uit plantaardig materiaal zijn verschillende oplosmiddelsystemen beschikbaar. Voor de extractie van hydrofiele verbindingen worden meestal polaire oplosmiddelen zoals methanol, ethanol of ethylacetaat gekozen, terwijl voor de extractie van lipofiele verbindingen (bijv. lipiden) de voorkeur uitgaat naar oplosmiddelsystemen zoals dichloormethaan of dichloormethaan/methanol (v/v 1:1). Hexaan wordt vaak gebruikt als oplosmiddel voor de extractie van chlorofyl.

Wat zijn bioactieve verbindingen?

Bioactieve verbindingen of fytochemicaliën worden gedefinieerd als stoffen die invloed hebben op levende organismen, weefsels of cellen. Biologisch actieve stoffen omvatten antibiotica, enzymen en vitaminen. Bioactieve stoffen zoals carotenoïden en polyfenolen kunnen bijvoorbeeld uit vruchten, bladeren en groenten worden geëxtraheerd, terwijl fytosterolen in plantaardige oliën voorkomen.
Bioactieve verbindingen afkomstig uit planten omvatten flavonoïden, cafeïne, carotenoïden, choline, dithiolthionen, fytosterolen, polysachariden, fyto-oestrogenen, glucosinolaten, polyfenolen en anthocyanen. Veel bioactieve stoffen worden gewaardeerd vanwege hun werking als antioxidanten en worden daarom als gunstig voor de gezondheid beschouwd.

Hoe kies ik het beste extractieoplosmiddel?

De onderstaande richtlijnen helpen u een geschikt oplosmiddel voor ultrasone plantaardige extractie te kiezen. Omdat sonicatie compatibel is met elk gangbaar oplosmiddel, kunt u het oplosmiddel kiezen dat het meest geschikt is voor uw plantaardige grondstof, de beoogde fytochemicaliën en de 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: Kies op basis van het principe “soort zoekt soort” een oplosmiddel met een polariteit die vergelijkbaar is met die van de op te lossen stof. Polaire oplosmiddelen (bijv. water, ethanol) lossen polaire verbindingen op, terwijl apolaire oplosmiddelen (bijv. hexaan) apolaire verbindingen zoals lipiden en oliën oplossen.
• Kosten: Houd rekening met de kosteneffectiviteit van het oplosmiddel. Sommige oplosmiddelen kunnen duurder zijn, maar bieden hogere opbrengsten of een betere selectiviteit, wat de totale extractiekosten in evenwicht kan brengen.
• Veiligheid: Zorg ervoor dat het oplosmiddel veilig kan worden gebruikt en gehanteerd. Factoren zijn onder meer toxiciteit, ontvlambaarheid en milieueffecten. Water en ethanol zijn bijvoorbeeld veiligere keuzes dan chloroform of tolueen.

Polariteit en oplosmiddelkeuze
Volgens de wet van overeenkomst en onderlinge mengbaarheid zullen oplosmiddelen met een polariteitswaarde die dicht bij die van de op te lossen stof ligt waarschijnlijk beter presteren. Hier volgen enkele voorbeelden:

• Polaire oplosmiddelen: Water, ethanol, methanol – Gebruikt voor de extractie van polaire verbindingen zoals alkaloïden, flavonoïden, glycosiden en eiwitten.
• Matig polaire oplosmiddelen: Aceton, ethylacetaat, isopropanol – Geschikt voor de extractie van een breed scala aan verbindingen, waaronder fenolische verbindingen en sommige alkaloïden.
• Apolaire oplosmiddelen: Hexaan, tolueen, petroleumether – Ideaal voor de extractie van apolaire verbindingen zoals lipiden, wassen, terpenen en etherische oliën.

Voorbeelden van het gebruik van oplosmiddelen

• Ethanol: Een van de meest gebruikte oplosmiddelen voor plantaardige extractie. Als polair oplosmiddel lost ethanol polaire verbindingen zoals alkaloïden en flavonoïden op.
• Water: Het universele oplosmiddel, vaak gebruikt voor de extractie van hydrofiele verbindingen zoals polysachariden, eiwitten en sommige glycosiden.
• Methanol: Een sterk polair oplosmiddel dat effectief is voor de extractie van een breed scala aan plantaardige verbindingen, waaronder fenolische verbindingen, flavonoïden en sommige alkaloïden.
• Hexaan: Een apolair oplosmiddel dat voornamelijk wordt gebruikt voor de extractie van apolaire verbindingen zoals lipiden, wassen en etherische oliën.
• Aceton: Als polair aprotisch oplosmiddel is aceton effectief voor de extractie van een breed scala aan plantaardige verbindingen, met name verbindingen die minder polair zijn dan de verbindingen die met water of methanol worden geëxtraheerd.
• Isopropanol: Een polair oplosmiddel dat vergelijkbaar is met ethanol en vaak wordt gebruikt voor de extractie van etherische oliën, harsen en sommige alkaloïden.
• Chloroform: Een apolair oplosmiddel dat effectief is voor de extractie van alkaloïden, terpenoïden en sommige glycosiden. Het wordt minder vaak gebruikt vanwege de toxiciteit.
• Ethylacetaat: Een matig polair oplosmiddel dat wordt gebruikt voor de extractie van uiteenlopende verbindingen, waaronder flavonoïden, alkaloïden en fenolische verbindingen.
• Tolueen: Een apolair oplosmiddel dat wordt gebruikt voor de extractie van apolaire verbindingen zoals etherische oliën, terpenen en wassen.
• Butanol: Een matig polair oplosmiddel dat effectief is voor de extractie van verbindingen met een gemiddelde polariteit, waaronder sommige glycosiden en saponinen.
• Petroleumether: Een apolair oplosmiddel dat voornamelijk wordt gebruikt voor de extractie van vetten, oliën en andere apolaire verbindingen uit plantenmateriaal.

De volgende oplosmiddelen zijn getest in onderzoeksstudies naar ultrasone extractie van specifieke plantaardige materialen en fytochemicaliën.

Wat zijn organische oplosmiddelen?

Een organisch oplosmiddel is een type vluchtige organische verbinding (VOC). VOC’s zijn organische chemicaliën die bij kamertemperatuur verdampen.
Organische verbindingen die als oplosmiddel worden gebruikt, zijn onder meer:

• aromatische verbindingen, bijv. benzeen en tolueen
• alcoholen, bijv. methanol
• esters en ethers
• ketonen, bijv. aceton
• aminen
• genitreerde en gehalogeneerde koolwaterstoffen

Veel organische oplosmiddelen worden geclassificeerd als giftig of kankerverwekkend. Bij onjuist gebruik kunnen ze gevaarlijk zijn voor mensen en lucht, water en bodem verontreinigen. Dankzij het krachtige mechanisme van ultrasone extractie kan het gebruik van organische oplosmiddelen worden vermeden door ze te vervangen door mildere, niet-giftige oplosmiddelen.