Ekstrakcja ultradźwiękowa z wykorzystaniem głębokich rozpuszczalników eutektycznych

Głębokie rozpuszczalniki eutektyczne (DES) oraz naturalne głębokie rozpuszczalniki eutektyczne (NADES) stanowią wydajne, regulowane i przyjazne dla środowiska środki ekstrakcyjne stosowane w przypadku składników roślinnych, żywności, nutraceutyków, kosmetyków oraz składników farmaceutycznych. Sonikatory sondowe firmy Hielscher intensyfikują ekstrakcję DES poprzez przyspieszenie transferu masy, rozbijanie struktur komórek roślinnych i poprawę penetracji rozpuszczalnika – nawet w przypadku pracy z lepkimi układami rozpuszczalnikowymi, takimi jak NADES na bazie glicerolu.

Niezależnie od tego, czy przeprowadzasz badania preparatów rozpuszczalnikowych w laboratorium, optymalizujesz parametry ekstrakcji konkretnego fitochemicznego związku, czy też przechodzisz na ciągłą produkcję w linii technologicznej, ultradźwiękowe ekstraktory firmy Hielscher zapewniają powtarzalną kontrolę amplitudy, niezawodną pracę przez całą dobę oraz skalowalność przetwarzania – od mililitrów po przemysłowe natężenia przepływu.

Dlaczego producenci ekstraktów wybierają firmę Hielscher do ekstrakcji DES

• Wyższa wydajność ekstrakcji polifenoli, flawonoidów, kannabinoidów, terpenów, antocyjanów i innych związków bioaktywnych
• Szybsza ekstrakcja w porównaniu z tradycyjną maceracją i ekstrakcją rozpuszczalnikową w zbiorniku z mieszadłem
• Kompatybilny z DES, NADES, gliceryną, wodą, etanolem oraz mieszaninami rozpuszczalników
• Skuteczne przetwarzanie rozpuszczalników o wysokiej lepkości przy użyciu sonikacji sondowej o dużej amplitudzie
• Ustawienia pracy w trybie wsadowym, z recyrkulacją i w trybie ciągłym
• Precyzyjna regulacja amplitudy, dostarczanej energii, temperatury i czasu trwania procesu
• Łatwe przejście od badań wykonalności do produkcji pilotażowej i pełnej produkcji przemysłowej

Dlaczego sonikacja poprawia wydajność ekstrakcji DES i NADES

Ekstrakcja za pomocą sondy ultradźwiękowej przy użyciu głębokich rozpuszczalników eutektycznych i naturalnych głębokich rozpuszczalników eutektycznych może oferować szereg korzyści w zakresie ekstrakcji związków bioaktywnych. Jedną z głównych zalet jest zwiększona wydajność ekstrakcji związków fenolowych i innych fitochemikaliów ze źródeł naturalnych. Głębokie rozpuszczalniki eutektyczne są znane z wysokiej wydajności ekstrakcji, która może być nawet zwiększona przez ekstrakcję wspomaganą ultradźwiękami. Ze względu na ich nietoksyczność są świetną opcją rozpuszczalnika dla produktów farmaceutycznych i spożywczych. To sprawia, że ekstrakcja ultradźwiękowa przy użyciu głębokich rozpuszczalników eutektycznych jest zieloną i zrównoważoną metodą odzyskiwania związków bioaktywnych. Udowodniono naukowo, że synergiczne zastosowanie ultradźwięków z głębokimi rozpuszczalnikami eutektycznymi skutkuje wyższą wydajnością różnych związków bioaktywnych. Ogólnie rzecz biorąc, ekstrakcja za pomocą sondy ultradźwiękowej przy użyciu głębokich rozpuszczalników eutektycznych i naturalnych głębokich rozpuszczalników eutektycznych zapewnia bardziej wydajne i przyjazne dla środowiska podejście do ekstrakcji związków bioaktywnych.

Ultradźwiękowa ekstrakcja antocyjanów przy użyciu DES

Antocyjany to cenne naturalne barwniki i przeciwutleniacze występujące w czarnej marchwi, jagodach, winogronach, fioletowej kukurydzy i innych surowcach roślinnych. Głębokie rozpuszczalniki eutektyczne doskonale nadają się do ekstrakcji antocyjanów, ponieważ ich sieć wiązań wodorowych można dostosować do wymagań tych barwników w zakresie polaryzacji i stabilności. W połączeniu z ultradźwiękami typu sondowego ekstrakcja DES staje się znacznie bardziej wydajna: kawitacja ultradźwiękowa rozbija struktury komórek roślinnych, poprawia penetrację rozpuszczalnika i przyspiesza uwalnianie antocyjanów do medium ekstrakcyjnego. Badania nad antocyjanami z czarnej marchwi przeprowadzone przy użyciu sonikatora UP400St pokazują, że DES na bazie chlorku choliny, zwłaszcza w połączeniu z ekstrakcją wspomaganą ultradźwiękami, może stanowić zrównoważoną i skuteczną alternatywę dla konwencjonalnej ekstrakcji zakwaszonym etanolem lub metanolem. (por. Türker et al., 2021)

Ultradźwiękowa ekstrakcja polifenoli przy użyciu DES

Polifenole, w tym flawonoidy, kwasy fenolowe i pokrewne związki przeciwutleniające, stanowią ważne cząsteczki docelowe w ekstrakcji roślinnej, spożywczej, nutraceutycznej i kosmetycznej. Głębokie rozpuszczalniki eutektyczne na bazie glicerolu są szczególnie atrakcyjne do odzyskiwania polifenoli, ponieważ ich polaryzacja i zdolność do tworzenia wiązań wodorowych wspomagają solubilizację związków fenolowych. Ultradźwięki typu sondowego dodatkowo intensyfikują ten proces poprzez zwiększenie transferu masy, skrócenie czasu ekstrakcji oraz poprawę kontaktu między DES a matrycą roślinną.
W ramach badań wykorzystano DES na bazie glicerolu i octanu amonu, stosując ekstrakcję wspomaganą ultradźwiękami przy zoptymalizowanych parametrach, takich jak temperatura, stężenie DES i amplituda ultradźwięków. Wyniki wykazały, że ekstrakcja ultradźwiękowa z użyciem DES umożliwiła skuteczne odzyskanie fenoli ogółem, flawonoidów i aktywności przeciwutleniającej z owoców chinaberry, potwierdzając potencjał ekstrakcji ultradźwiękowej z użyciem DES jako ekologicznej metody ekstrakcji w przemysłowym przetwórstwie roślinnym. (por. Jamshed i in., 2022)

Czym są rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES)?

Głębokie rozpuszczalniki eutektyczne (DES) to mieszaniny co najmniej jednego akceptora wiązania wodorowego (HBA) i jednego donora wiązania wodorowego (HBD), w tym kwasów karboksylowych i innych związków pochodzących ze źródeł odnawialnych. Według Cai i in. (2019), “Silne oddziaływanie wiązań wodorowych między HBA a HBD jest najważniejszym czynnikiem decydującym o powstawaniu DES.” [Cai i in. 2019]
Jako donory wiązań wodorowych często stosuje się związki takie jak cukry, aminokwasy, kwasy karboksylowe (np. kwas benzoesowy, kwas cytrynowy, kwas bursztynowy) lub aminy (np. mocznik, benzamid). Potencjał oddziaływania chemicznego donorów wiązań wodorowych jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do powstawania i wydajności rozpuszczalników głęboko eutektycznych. Sole halogenkowe, takie jak chlorek choliny lub chlorek cynku, mogą być również stosowane w połączeniu z donorami wiązań wodorowych. Inne głębokie rozpuszczalniki eutektyczne na bazie chlorku choliny są tworzone z kwasem malonowym, fenolem lub gliceryną. W wyniku silnych oddziaływań wiązań wodorowych, temperatura topnienia głęboko eutektycznych rozpuszczalników jest znacznie obniżona w porównaniu do ich poszczególnych składników. W przeciwieństwie do konwencjonalnych rozpuszczalników (np. etanolu, metanolu, heksanu, butanu itp.) rozpuszczalniki głęboko eutektyczne są nielotne, co oznacza, że mają bardzo niską prężność par, a tym samym są trudno zapalne. Toksyczność rozpuszczalników głęboko eutektycznych jest niska, ich biodegradowalność jest wysoka, a niezbędne prekursory są niedrogie, łatwo i obficie dostępne, a także odnawialne.
Naturalne rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (NADES) są jeszcze bardziej przyjazne dla środowiska, ponieważ wszystkie prekursory pochodzą ze źródeł naturalnych. Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne oferują również regulowaną rozpuszczalność w oparciu o skład chemiczny substancji rozpuszczonej i gatunki stosowane do tworzenia rozpuszczalników głęboko eutektycznych. Niektóre naturalne rozpuszczalniki głęboko eutektyczne wykazują wysoką lepkość i dlatego nie nadają się do ekstrakcji wsadowej. Jednak naturalne rozpuszczalniki głęboko eutektyczne o wyższej lepkości mogą być z powodzeniem stosowane jako rozpuszczalniki w ultradźwiękowej ekstrakcji przepływowej.

Poniższa tabela przedstawia kilka przykładowych kompozycji naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES) do ekstrakcji fitochemikaliów:

Jak działa ekstrakcja ultradźwiękowa rozpuszczalnikami głęboko eutektycznymi?

Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na sonomechanicznych efektach ultradźwięków o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości. Aby promować i intensyfikować ekstrakcję związków botanicznych (tj. substancji bioaktywnych) za pomocą ultradźwięków, fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzężone za pomocą sondy ultradźwiękowej (zwanej również tubą ultradźwiękową lub sonotrodą) do ciekłego medium, tj. zawiesiny składającej się z surowca botanicznego i (naturalnego) głębokiego rozpuszczalnika eutektycznego. Fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz i tworzą naprzemienne cykle niskiego / wysokiego ciśnienia. Podczas cykli niskociśnieniowych powstają drobne pęcherzyki próżniowe (tzw. pęcherzyki kawitacyjne), które rosną w ciągu kilku cykli ciśnieniowych. Podczas tych cykli wzrostu pęcherzyków, rozpuszczone gazy w cieczy dostają się do pęcherzyków próżniowych, tak że pęcherzyki próżniowe przekształcają się w rosnące pęcherzyki gazu. Po kilku cyklach wzrostu, pęcherzyki próżniowe osiągają pewien rozmiar, przy którym nie mogą absorbować więcej energii, więc implodują gwałtownie podczas cyklu wysokociśnieniowego. Implozja pęcherzyków charakteryzuje się intensywnymi siłami kawitacyjnymi, w tym bardzo wysoką temperaturą i ciśnieniem sięgającymi odpowiednio 4000K i 1000atm; a także odpowiadającymi im wysokimi różnicami temperatur i ciśnień. Te ultradźwiękowo generowane turbulencje i siły ścinające rozbijają komórki roślinne i uwalniają wewnątrzkomórkowe związki bioaktywne do (naturalnego) głębokiego rozpuszczalnika eutektycznego. Ekstrakcja ultradźwiękowa otwiera strukturę komórkową roślin i intensyfikuje przenoszenie masy między materiałem roślinnym a rozpuszczalnikiem. Sonikacja promuje w ten sposób skuteczność naturalnych głębokich rozpuszczalników eutektycznych. Ekstrakcja ultradźwiękowa z (naturalnymi) głębokimi rozpuszczalnikami eutektycznymi skutkuje wyjątkowo wysoką wydajnością w bardzo krótkim czasie przetwarzania.

Fale ultradźwiękowe mocy zakłócają strukturę komórkową roślin, uwalniają związki bioaktywne i promują przenoszenie masy między materiałem roślinnym a rozpuszczalnikiem (np. głębokie rozpuszczalniki eutektyczne).

Połączenie ekstrakcji ultradźwiękowej z (naturalnymi) głębokimi rozpuszczalnikami eutektycznymi daje możliwość połączenia procesu intensyfikującego moc ultradźwięków z niezwykłymi efektami solubilizującymi i wyjątkową możliwością projektowania głębokich rozpuszczalników eutektycznych. Ze względu na doskonałą wydajność ekstrakcji ultradźwiękowej, Ultradźwięki są również z powodzeniem stosowane do ekstrakcji wody.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o potężnej aplikacji do ekstrakcji ultradźwiękowej przy użyciu głębokich rozpuszczalników eutektycznych!

Ekstraktory ultradźwiękowe do ekstrakcji DES w warunkach laboratoryjnych, pilotażowych i przemysłowych

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest niezawodną technologią przetwarzania, która ułatwia i przyspiesza produkcję wysokiej jakości ekstraktów z różnych roślin, jak również z dowolnego rozpuszczalnika. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest wysoce kompatybilna z (naturalnymi) głębokimi rozpuszczalnikami eutektycznymi, które są korzystne ze względu na ich doskonałą zdolność solubilizacyjną, możliwość projektowania ekstraktu, trwałość, biodegradowalność i przyjazność dla środowiska. Połączenie intensyfikacji procesu ultradźwięków mocy z zaletami (naturalnych) głębokich rozpuszczalników eutektycznych daje wyższość tej technologii procesowej na wielu poziomach. Portfolio Hielscher Ultrasonics obejmuje pełen zakres od kompaktowych ultrasonografów laboratoryjnych po przemysłowe systemy ekstrakcji. Wszystkie z nich nadają się oczywiście do ekstrakcji głębokimi rozpuszczalnikami eutektycznymi.
Nasz wieloletni doświadczony personel pomoże Ci od testów wykonalności i optymalizacji procesu po instalację systemu ultradźwiękowego na końcowym poziomie produkcji.