Ekstrakcja alkaloidów przy użyciu sondy-ultrasonatora

Alkaloidy są związkami bioaktywnymi, które mogą być skutecznie ekstrahowane z roślin za pomocą ultradźwięków. Alkaloidy wykazują szeroki wachlarz efektów biologicznych i dlatego są wykorzystywane jako środki farmaceutyczne i terapeutyczne. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest preferowaną techniką do produkcji wysokiej jakości ekstraktów alkaloidów z materiału roślinnego. Ekstrakcja ultradźwiękowa daje bardzo wysoką wydajność alkaloidów, przy czym czas ekstrakcji jest krótki, a urządzenia ultradźwiękowe są bezpieczne i łatwe w obsłudze.

Wysokowydajna ekstrakcja alkaloidów za pomocą ultradźwięków

Jak ekstrakcja ultradźwiękowa sprzyja izolacji alkaloidów?
Ekstrakcja ultradźwiękowa wykorzystuje fale ultradźwiękowe o niskiej częstotliwości (np. częstotliwość 20-26kHz) oraz efekt kawitacji akustycznej. Fale ultradźwiękowe o wysokim natężeniu tworzą pęcherzyki kawitacyjne, które zapadają się, generując lokalnie energetyczne różnice ciśnień i temperatur oraz silne siły ścinające, które perforują i rozbijają ściany komórek roślinnych i tkanki roślinne. Strumień cieczy generowany przez kawitację sprzyja przenoszeniu masy między macierzą wewnątrzkomórkową a otaczającym ją rozpuszczalnikiem, dzięki czemu alkaloidy są skutecznie uwalniane. W przypadku ultradźwiękowej ekstrakcji alkaloidów materiał roślinny (np. zmielone suszone liście) umieszcza się w rozpuszczalniku, który zazwyczaj jest mieszaniną wody i rozpuszczalnika organicznego, takiego jak wodny etanol. Stwierdzono, że rozpuszczalniki polarne, takie jak metanol i etanol, są najbardziej wydajne w przypadku wysokiej wydajności alkaloidów. Po krótkiej obróbce ultradźwiękowej zawiesiny – składający się z materiału roślinnego i rozpuszczalnika – alkaloidy są uwalniane z komórek roślinnych i są obecne w rozpuszczalniku, z którego mogą być izolowane i oczyszczane (np. przy użyciu parownika rotacyjnego).

Główne zalety ultradźwiękowej ekstrakcji alkaloidów

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest uważana za najlepszą technikę ekstrakcji do izolacji alkaloidów z materiałów roślinnych, ponieważ oferuje kilka zalet, w tym:

1. Zwiększona wydajność ekstrakcji: Ekstrakcja ultradźwiękowa może zwiększyć wydajność alkaloidów o ponad 200% w porównaniu do tradycyjnych metod ekstrakcji.
2. Skrócony czas ekstrakcji: Ekstrakcja ultradźwiękowa może znacznie skrócić czas ekstrakcji, co pozwala na szybsze i bardziej efektywne przetwarzanie dużych ilości materiału roślinnego.
3. Mniejsze zużycie rozpuszczalników: Ekstrakcja ultradźwiękowa może zmniejszyć ilość rozpuszczalnika wymaganego do ekstrakcji, co skutkuje mniejszym zużyciem rozpuszczalnika i mniejszym wpływem na środowisko.
4. Selektywna ekstrakcja: Ekstrakcja ultradźwiękowa może być stosowana do selektywnej ekstrakcji określonych alkaloidów poprzez dobór odpowiedniego rozpuszczalnika, parametrów procesu i temperatury ekstrakcji. Ponieważ niepożądane związki są pozostawiane, poprawia się czystość produktu końcowego.
5. Łatwość skalowania: Ekstrakcja ultradźwiękowa może być łatwo skalowana do obsługi większych objętości materiału roślinnego, co czyni ją odpowiednią do produkcji komercyjnej. Procesy ultradźwiękowe mogą być skalowane liniowo, co ułatwia ich wdrożenie na skalę przemysłową.

Ogólnie rzecz biorąc, ekstrakcja ultradźwiękowa oferuje szybsze, bardziej wydajne i bardziej przyjazne dla środowiska podejście do izolacji alkaloidów z materiałów roślinnych.

Ultradźwiękowa ekstrakcja alkaloidów z liści drzewa Soursop

Nolasco-González i wsp. (2022) badali skuteczność i efektywność ultradźwiękowej ekstrakcji związków bioaktywnych, w tym związków fenolowych, alkaloidów, acetogenin (wszystkie o wysokiej zdolności antyoksydacyjnej) z liści rośliny gatunku Annona muricata (soursop tree). Do ekstrakcji ultradźwiękowej zastosowali ultradźwiękowiec sondowy UP400S przy następujących warunkach: 80% amplitudy, cykl impulsów 0,7 s, przez 4,54 min. Do ekstrakcji fenoli rozpuszczalnych (TSP) użyto 0,5 g proszku z suszonych liści i 20 mL acetonu: wody (80:20 v/v). Ekstrakt wytworzony ultradźwiękowo zawierał 178,48 mg/100 mL rozpuszczalnych fenoli, 20,18 mg/100 mL flawonoidów ogółem, 27,81 mg/100 mL polifenoli hydrolizowalnych, 167,07 mg/100 mL tanin skondensowanych, 30,44 mg/100 mL alkaloidów ogółem i 14,62 mg/100 mL acetogenin ogółem. Ekstrakt wyizolowany za pomocą ultradźwiękowca sondowego U400S (patrz zdjęcie po lewej) wykazywał wysoką pojemność antyoksydacyjną i wyższą zawartość związków bioaktywnych od ~6 do ~927-krotnie w porównaniu z odwarem lub naparem, w zależności od rodzaju związku. W próbkach zidentyfikowano dwadzieścia cztery różne związki fenolowe, a ekstrakt izolowany ultradźwiękowo wytwarzał najwyższe stężenie.
[por. Nolasco-González i in., 2022].

Pojemność antyoksydacyjna ekstraktów uzyskanych w optymalnych warunkach ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami (UAE), dekoksu i naparu. Ekstrakty ultradźwiękowe konsekwentnie wykazują istotnie wyższą pojemność antyoksydacyjną.
(Opracowanie i grafika: ©Nolasco-González i in., 2022)

Chromatogram HPLC związków fenolowych z wyizolowanego ultradźwiękowo ekstraktu z liści Annona muricata przy użyciu ultrasonografu UP400S.
(1) kwas szikimowy, (2) kwas galusowy, (3) kwas protokatechowy, (4) kwas neochlorogenowy,
(5) 3,4-dihydroksyfenylowy, (6) kwas 4-hydroksybenzoesowy, (7) kwas chlorogenowy, (8) 4-hydroksyfenylowy octowy, (9) kwas wanilinowy, (10) kwas syringowy, (11) kwas 3-hydroksybenzoesowy, (12) kwas kofeinowy, (13) 4-hydroksybenzaldehyd, (14) kwas homowanilinowy, (15) kwas 3-(4-hydroksyfenylowy), (16) kwas p-kumarowy, (17) kwas trans-ferulowy, (18) kwas trans-cynamonowy, (19) galokatechina, (20) epigallokatechina, (21) katechina,(22) epikatechina, (23) rutyna, (24) kwas elagowy.
(Opracowanie i grafika: ©Nolasco-González i in., 2022)

Podobne potwierdzone wyniki uzyskali Lee i wsp. (2021), którzy donoszą o 2,3-krotnie większej ilości alkaloidów z liści A. muricata ekstrahowanych pod wpływem ultradźwięków (340 W, 56◦C, 30 min) w porównaniu z ekstrakcją metodą Soxhleta (7 h, 80◦C).

Ekstrakcja alkaloidów indolowych z kory korzenia mimozy i ayahuaski przy użyciu ultradźwiękowca

Mimosa root bark as well as ayahuasca leaves contains the alkaloid N,N-dimethyltryptamine (DMT). Dimethyltryptamine (DMT) is currently researched in clinical trials for its hallucinogenic effects and therefore as a potential drug to treat depression and post-traumatic stress disorders (PTSD). Ultrasonication effectively promotes the release and isolation of the alkaloid from the Mimosa hostilis roots and Psychotria viridis leaves (ayahuasca). Ultrasonic DMT extraction produces high yields within very short time. Compatible with almost any solvent, Hielscher probe-type ultrasonicators are used for the production of pharma-grade bioactive compounds for use under research and medical settings as well as for sample prep before analytical quality and potency testing. Therefore, Hielscher ultrasonicators can facilitate medical DMT and botanical research in numerous ways.
Najczęstsze źródło indolowego akaloidu N,N-dimetylotryptaminy (DMT) w drzewie jurema, pochodzi z korzeni Mimosa hostilis (powszechnie znanej jako jurema preta). Ayahuasca to tradycyjna nazwa innego gatunku rośliny, w której liście krzewu Psychotria viridis są bogate w DMT.
Zarówno kora korzenia mimozy (także mimoza tenuiflora, Mimosa Hostilis Root Bark; skrót MHRB) jak i liście ayahuasca zawierają różne związki bioaktywne, które są obecnie badane w próbach klinicznych pod kątem ich potencjału jako leku terapeutycznego. Kora korzenia mimozy zawiera taniny, saponiny, tryptaminy, alkaloidy, lipidy, fitoindole, ksylozę, fitosterole, glukozydy, ramnozę, arabinozę, metoksychalkony, lupeol i kukulkaniny. Te bioaktywne związki mogą być skutecznie ekstrahowane z kory korzenia przy użyciu ultradźwięków sondowych. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest najlepszą techniką izolacji substancji docelowych, takich jak alkaloidy, z materiału botanicznego, takiego jak kora korzenia mimozy i liście ayahuasca. Sonikacja wyróżnia się wysoką wydajnością w bardzo krótkim czasie ekstrakcji. Łagodne warunki procesu zapewniają najwyższą jakość ekstraktu, zapobiegając niepożądanej degradacji aktywnych cząsteczek.

Extraction setup for botanical isolation: ultradźwiękowiec sondowy UP400St, filtr próżniowy Büchi i rotor-parownik do ekstrakcji substancji fitochemicznych takich jak alkaloidy i fenole.

Ultrasonografy Hielschera do efektywnej ekstrakcji alkaloidów

Firma Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe, które są wykorzystywane do badań naukowych, jak również do produkcji ekstraktów o jakości farmaceutycznej.

Ultrasonografy Hielscher dla najwyższej wydajności ekstrakcji

Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami to naukowo potwierdzona technika o wyjątkowo wysokiej skuteczności w zakresie pozyskiwania związków bioaktywnych z roślin. Podczas gdy tradycyjne metody często zajmują dużo czasu (od kilku godzin do kilku dni), ultradźwiękowa ekstrakcja botaniczna trwa zaledwie kilka minut.

Wysoka wydajność ekstrakcji i doskonała jakość ekstraktu dzięki ultradźwiękom firmy Hielscher

Ekstrakcja napędzana ultradźwiękami pozwala na całkowite uwolnienie związków bioaktywnych z materiału roślinnego. Kawitacja ultradźwiękowa rozbija macierz komórkową i uwalnia bioaktywne cząsteczki wydajnie do otaczającego rozpuszczalnika. Badania porównawcze wykazały, że sonikacja daje wyższą wydajność ekstraktu niż inne techniki ekstrakcyjne (np. Soxhlet, maceracja, dekokt, infuzja). Ekstrakcja ultradźwiękowa jest kompatybilna z każdym rozpuszczalnikiem, co pozwala na stosowanie również bardzo łagodnych rozpuszczalników, takich jak woda lub wodny etanol. W zależności od konkretnych wymagań dotyczących ekstrakcji można wybrać rozpuszczalniki polarne i niepolarne, a zmiana rozpuszczalnika nie stanowi problemu. Precyzyjna kontrola parametrów procesu (np. amplitudy), stosowanie łagodnych rozpuszczalników i dokładna kontrola temperatury zapobiegają degradacji i zanieczyszczeniu związków bioaktywnych (np. alkaloidów, polifenoli, flawonoidów, kannabinoidów itp.) podczas ekstrakcji ultradźwiękowej.

Wszechstronne zastosowanie ultradźwiękowców Hielscher

Podczas gdy alternatywne techniki ekstrakcji (np. nadkrytyczny CO2, ekstrakcja rozpuszczalnikowa, perkolacja itp.) są często stosowane tylko do ekstrakcji określonych cząsteczek w zależności od masy cząsteczkowej, rozpuszczalności i wrażliwości na ciepło, ekstrakcja za pomocą wysokowydajnych ultradźwięków firmy Hielscher umożliwia wszechstronną ekstrakcję dowolnych związków botanicznych. Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami może być niezawodnie stosowana do ekstrakcji ekstraktów o szerokim spektrum działania, zawierających związki bioaktywne, takie jak polifenole, alkaloidy, antrachinony, flawonoidy, glikozydy, lipidy, pektyny i polisacharydy.

Doskonała wydajność energetyczna i przyjazność dla środowiska

Zużycie energii podczas ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami jest zdecydowanie mniejsze niż w przypadku tradycyjnych metod ekstrakcji związków leczniczych z roślin.

Niezawodność dzięki standaryzacji procesów z ultradźwiękami firmy Hielscher

Ultradźwięki firmy Hielscher umożliwiają precyzyjną kontrolę wszystkich parametrów procesu ultradźwiękowego, takich jak amplituda, intensywność, czas trwania i temperatura. Parametry procesu mogą być łatwo kontrolowane i są stale monitorowane. Dodatkowo wszystkie parametry procesu są automatycznie protokołowane jako plik CSV na wbudowanej karcie SD. Umożliwia to operatorowi zmianę przebiegu sonikacji, optymalizację procesu ekstrakcji i zapewnienie stałej jakości ekstraktu. Ultradźwiękowce firmy Hielscher umożliwiają producentom wytwarzanie ekstraktów botanicznych o najwyższej jakości i ułatwiają spełnienie wymogów Dobrej Praktyki Wytwarzania (GMP).

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: