Ekstrakcja ultradźwiękowa z użyciem rozpuszczalników głęboko eutektycznych

Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES) i naturalne rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (NADES) to skuteczne, dostosowywalne i przyjazne dla środowiska media ekstrakcyjne do surowców roślinnych, żywności, nutraceutyków, kosmetyków i składników farmaceutycznych. Sonikatory sondowe Hielscher intensyfikują ekstrakcję z użyciem DES, przyspieszając transport masy, rozbijając struktury komórek roślinnych i poprawiając wnikanie rozpuszczalnika – nawet podczas pracy z lepkimi układami rozpuszczalników, takimi jak NADES na bazie glicerolu.

Niezależnie od tego, czy prowadzisz badania przesiewowe formulacji rozpuszczalników w laboratorium, optymalizujesz parametry ekstrakcji konkretnego związku fitochemicznego, czy zwiększasz skalę do ciągłej produkcji w linii, ekstraktory ultradźwiękowe Hielscher zapewniają powtarzalną kontrolę amplitudy, niezawodną pracę 24/7 i skalowalne przetwarzanie od objętości mililitrowych po przemysłowe natężenia przepływu.

Dlaczego producenci ekstraktów wybierają Hielscher do ekstrakcji z użyciem DES

• Wyższa efektywność ekstrakcji polifenoli, flawonoidów, kannabinoidów, terpenów, antocyjanów i innych związków bioaktywnych
• Szybsza ekstrakcja w porównaniu z konwencjonalną maceracją i ekstrakcją rozpuszczalnikową w zbiorniku z mieszadłem
• Kompatybilność z DES, NADES, gliceryną, wodą, etanolem i mieszanymi układami rozpuszczalników
• Skuteczne przetwarzanie rozpuszczalników o wysokiej lepkości za pomocą sonikacji sondowej o wysokiej amplitudzie
• Układy do pracy okresowej, recyrkulacyjnej i w ciągłym przepływie
• Precyzyjna kontrola amplitudy, dostarczanej energii, temperatury i czasu procesu
• Łatwe zwiększanie skali od badań wykonalności po produkcję pilotażową i pełną produkcję przemysłową

Dlaczego sonikacja usprawnia ekstrakcję z użyciem DES i NADES

Ekstrakcja ultradźwiękowa za pomocą sondy z użyciem rozpuszczalników głęboko eutektycznych i naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych może oferować szereg korzyści w ekstrakcji związków bioaktywnych. Jedną z głównych zalet jest zwiększona efektywność ekstrakcji związków fenolowych i innych związków fitochemicznych ze źródeł naturalnych. Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne są znane z wysokiej efektywności ekstrakcji, którą można jeszcze zwiększyć dzięki ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami. Ze względu na swoją nietoksyczność stanowią doskonały wybór rozpuszczalnika do produktów farmaceutycznych i spożywczych. Dzięki temu ekstrakcja ultradźwiękowa z użyciem rozpuszczalników głęboko eutektycznych jest ekologiczną i zrównoważoną metodą odzyskiwania związków bioaktywnych. Naukowo udowodniono, że synergiczne zastosowanie sonikacji i rozpuszczalników głęboko eutektycznych prowadzi do uzyskania większych ilości różnych związków bioaktywnych. Ogólnie rzecz biorąc, ekstrakcja ultradźwiękowa za pomocą sondy z użyciem rozpuszczalników głęboko eutektycznych i naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych zapewnia bardziej efektywne i przyjazne dla środowiska podejście do ekstrakcji związków bioaktywnych.

Ekstrakcja ultradźwiękowa antocyjanów z użyciem DES

Antocyjany to cenne naturalne barwniki i przeciwutleniacze występujące w czarnej marchwi, owocach jagodowych, winogronach, fioletowej kukurydzy i innych materiałach roślinnych. Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne dobrze nadają się do ekstrakcji antocyjanów, ponieważ ich sieć wiązań wodorowych można dostosować do wymagań tych związków barwnych dotyczących polarności i stabilności. W połączeniu z sonikacją sondową ekstrakcja z użyciem DES staje się znacznie bardziej efektywna: kawitacja ultradźwiękowa rozbija struktury komórek roślinnych, poprawia wnikanie rozpuszczalnika i przyspiesza uwalnianie antocyjanów do medium ekstrakcyjnego. Badanie dotyczące antocyjanów z czarnej marchwi z wykorzystaniem sonikatora UP400St pokazuje, że DES na bazie chlorku choliny, zwłaszcza w połączeniu z ekstrakcją wspomaganą ultradźwiękami, mogą stanowić zrównoważoną i skuteczną alternatywę dla konwencjonalnej ekstrakcji zakwaszonym etanolem lub metanolem. (por. Türker i in., 2021)

Ekstrakcja ultradźwiękowa polifenoli z użyciem DES

Polifenole, w tym flawonoidy, kwasy fenolowe i pokrewne związki o działaniu przeciwutleniającym, są ważnymi cząsteczkami docelowymi w ekstrakcji surowców roślinnych oraz ekstrakcji na potrzeby żywności, nutraceutyków i kosmetyków. Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne na bazie glicerolu są szczególnie atrakcyjne do odzyskiwania polifenoli, ponieważ ich polarność i zdolność do tworzenia wiązań wodorowych sprzyjają rozpuszczaniu związków fenolowych. Ultradźwięki wprowadzane za pomocą sondy dodatkowo intensyfikują proces, zwiększając transport masy, skracając czas ekstrakcji i poprawiając kontakt między DES a matrycą roślinną.
W badaniu naukowym zastosowano DES z glicerolu i octanu amonu w ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami przy zoptymalizowanych parametrach, takich jak temperatura, stężenie DES i amplituda ultradźwięków. Wynik wykazał, że ekstrakcja ultradźwiękowa z użyciem DES umożliwiła efektywne odzyskanie fenoli ogółem, flawonoidów i aktywności przeciwutleniającej z owoców melii pospolitej, wskazując na potencjał ekstrakcji ultradźwiękowej z użyciem DES jako ekologicznej metody ekstrakcji w przemysłowym przetwarzaniu surowców roślinnych. (por. Jamshed i in., 2022)

Czym są rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES)?

Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES) są mieszaninami co najmniej jednego akceptora wiązania wodorowego (HBA) i jednego donora wiązania wodorowego (HBD), obejmującymi kwasy karboksylowe i inne związki ze źródeł odnawialnych. Według Cai i in. (2019) „silne oddziaływanie poprzez wiązania wodorowe między HBA a HBD jest najważniejszym czynnikiem powstawania DES”. [Cai et al. 2019]
Jako donory wiązań wodorowych często stosuje się takie związki jak cukry, aminokwasy, kwasy karboksylowe (np. kwas benzoesowy, kwas cytrynowy, kwas bursztynowy) lub aminy (np. mocznik, benzamid). Potencjał oddziaływań chemicznych donorów wiązań wodorowych jest głównym czynnikiem wpływającym na powstawanie i efektywność rozpuszczalników głęboko eutektycznych. Sole halogenkowe, takie jak chlorek choliny lub chlorek cynku, również można stosować w połączeniu z donorami wiązań wodorowych. Inne rozpuszczalniki głęboko eutektyczne na bazie chlorku choliny powstają z kwasem malonowym, fenolem lub gliceryną. W wyniku silnych oddziaływań poprzez wiązania wodorowe temperatura topnienia rozpuszczalników głęboko eutektycznych jest znacznie niższa w porównaniu z ich poszczególnymi składnikami. W przeciwieństwie do konwencjonalnych rozpuszczalników (np. etanolu, metanolu, heksanu, butanu itd.) rozpuszczalniki głęboko eutektyczne są nielotne, co oznacza, że mają bardzo niską prężność par i przez to trudno ulegają zapłonowi. Toksyczność rozpuszczalników głęboko eutektycznych jest niska, ich biodegradowalność jest wysoka, a niezbędne prekursory są niedrogie, łatwo dostępne w dużych ilościach i pochodzą ze źródeł odnawialnych.
Naturalne rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (NADES) są jeszcze bardziej przyjazne dla środowiska, ponieważ wszystkie prekursory pochodzą ze źródeł naturalnych. Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne oferują również możliwość dostosowania zdolności rozpuszczania w zależności od właściwości chemicznych substancji rozpuszczanej i związków użytych do wytworzenia rozpuszczalników głęboko eutektycznych. Niektóre naturalne rozpuszczalniki głęboko eutektyczne wykazują wysoką lepkość i dlatego nie są zbyt odpowiednie do ekstrakcji okresowej. Jednak naturalne rozpuszczalniki głęboko eutektyczne o wyższej lepkości można z powodzeniem stosować jako rozpuszczalniki w ultradźwiękowej ekstrakcji przepływowej.

Poniższa tabela przedstawia kilka przykładowych składów naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES) do ekstrakcji związków fitochemicznych:

Jak działa ekstrakcja ultradźwiękowa z użyciem rozpuszczalników głęboko eutektycznych?

Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na sonomechanicznych efektach ultradźwięków o wysokim natężeniu i niskiej częstotliwości. Aby wspomagać i intensyfikować ekstrakcję związków roślinnych (tj. substancji bioaktywnych) poprzez sonikację, fale ultradźwiękowe dużej mocy są wprowadzane za pomocą sondy ultradźwiękowej (zwanej również sonotrodą) do medium ciekłego, tj. zawiesiny składającej się z surowca roślinnego i (naturalnego) rozpuszczalnika głęboko eutektycznego. Fale ultradźwiękowe rozchodzą się w cieczy i tworzą naprzemienne cykle niskiego i wysokiego ciśnienia. Podczas cykli niskiego ciśnienia powstają maleńkie pęcherzyki próżniowe (tak zwane pęcherzyki kawitacyjne), które rosną przez kilka cykli ciśnieniowych. Podczas tych cykli wzrostu pęcherzyków gazy rozpuszczone w cieczy wnikają do pęcherzyka próżniowego, wskutek czego pęcherzyki próżniowe przekształcają się w rosnące pęcherzyki gazowe. Po wzroście przez kilka cykli pęcherzyki próżniowe osiągają określoną wielkość, przy której nie mogą pochłaniać więcej energii, i gwałtownie implodują podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Implozja pęcherzyków charakteryzuje się intensywnymi siłami kawitacyjnymi, w tym bardzo wysoką temperaturą i ciśnieniem sięgającymi odpowiednio do 4000K i 1000atm, a także odpowiadającymi im dużymi różnicami temperatury i ciśnienia. Te turbulencje i siły ścinające generowane ultradźwiękowo rozbijają komórki roślinne i uwalniają wewnątrzkomórkowe związki bioaktywne do (naturalnego) rozpuszczalnika głęboko eutektycznego. Ekstrakcja ultradźwiękowa otwiera struktury komórkowe surowców roślinnych i intensyfikuje transport masy między materiałem roślinnym a rozpuszczalnikiem. Sonikacja zwiększa tym samym skuteczność naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych. Ekstrakcja ultradźwiękowa z użyciem (naturalnych) rozpuszczalników głęboko eutektycznych zapewnia wyjątkowo wysokie uzyski w bardzo krótkim czasie przetwarzania.

Fale ultradźwiękowe dużej mocy rozbijają struktury komórkowe surowców roślinnych, uwalniają związki bioaktywne i wspomagają transport masy między materiałem roślinnym a rozpuszczalnikiem (np. rozpuszczalnikami głęboko eutektycznymi).

Połączenie ekstrakcji ultradźwiękowej z (naturalnymi) rozpuszczalnikami głęboko eutektycznymi pozwala połączyć zdolność ultradźwięków do intensyfikacji procesu z niezwykłą zdolnością rozpuszczania i wyjątkową możliwością projektowania składu rozpuszczalników głęboko eutektycznych. Ze względu na doskonałą efektywność ekstrakcji ultradźwiękowej, sonikatory są również z powodzeniem stosowane do ekstrakcji wodnej.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o skutecznym zastosowaniu ekstrakcji ultradźwiękowej z użyciem rozpuszczalników głęboko eutektycznych!

Ekstraktory ultradźwiękowe do laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej ekstrakcji z użyciem DES

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest niezawodną technologią przetwarzania, która ułatwia i przyspiesza produkcję wysokiej jakości ekstraktów z różnych surowców roślinnych przy użyciu dowolnego rozpuszczalnika. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest wysoce kompatybilna z (naturalnymi) rozpuszczalnikami głęboko eutektycznymi, które są korzystne ze względu na doskonałą zdolność rozpuszczania, możliwość dostosowania ich składu do ekstraktu, zrównoważony charakter, biodegradowalność i przyjazność dla środowiska. Połączenie intensyfikacji procesu za pomocą ultradźwięków dużej mocy z zaletami (naturalnych) rozpuszczalników głęboko eutektycznych daje tej technologii przetwarzania przewagę na wielu poziomach. Oferta Hielscher Ultrasonics obejmuje pełny zakres od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych po przemysłowe systemy ekstrakcyjne. Wszystkie z nich nadają się oczywiście do ekstrakcji z użyciem rozpuszczalników głęboko eutektycznych.
Nasz personel z wieloletnim doświadczeniem będzie wspierać Cię od badań wykonalności i optymalizacji procesu po instalację systemu ultradźwiękowego na docelową skalę produkcyjną.