Najbardziej wydajna metoda ekstrakcji składników roślinnych

Szukasz wydajnego i niezawodnego zestawu ekstrakcyjnego do produkcji wysokiej jakości ekstraktów botanicznych? Tutaj znajdziesz porównanie popularnych technik ekstrakcji, w tym między innymi ekstrakcji ultradźwiękowej, ekstrakcji nadkrytycznym CO2, ekstrakcji etanolem, maceracji oraz ich zalet i wad.

Ekstrakcja botaniczna przy użyciu ultradźwięków a techniki alternatywne

Ekstrakcja składników roślinnych może być przeprowadzana za pomocą różnych technik. Jednak skuteczność, wydajność i jakość ekstraktu zależą w dużej mierze od zastosowanej metody i protokołu ekstrakcji. Maceracja, ekstrakcja nadkrytycznym CO2, perkolacja i ekstrakcja Soxhleta to powszechne metody ekstrakcji, które często zapewniają niewystarczające wyniki ekstrakcji.
Ekstrakcja oparta na ultradźwiękach jest zaawansowaną techniką izolacji, która przewyższa tradycyjne metody ekstrakcji w kilku punktach.
Ekstrakcja ultradźwiękowa za pomocą sondy ultradźwiękowej jest wysoce skuteczną metodą ekstrakcji związków z roślin i innych materiałów. W porównaniu z innymi metodami, takimi jak maceracja, ekstrakcja CO2, perkolacja i ekstrakcja mikrofalowa, ekstrakcja za pomocą sondy ultradźwiękowej wyróżnia się kilkoma zaletami:

• Szybsza ekstrakcja: Ekstrakcja za pomocą sondy ultradźwiękowej może ekstrahować związki znacznie szybciej niż maceracja i perkolacja. Dzieje się tak, ponieważ fale ultradźwiękowe tworzą pęcherzyki kawitacyjne w rozpuszczalniku, które tworzą mikro-wstrząsy, które pomagają rozbić ściany komórkowe i szybciej uwalniają związki.
• Wyższa wydajność: Ekstrakcja ultradźwiękowa typu sondowego może wyodrębnić wyższą wydajność związków niż maceracja, ekstrakcja CO2 i perkolacja. Dzieje się tak, ponieważ fale ultradźwiękowe pomagają uwolnić więcej docelowych związków z ekstrahowanego materiału.
• Większa wydajność: Ekstrakcja za pomocą sondy ultradźwiękowej jest bardziej wydajna niż maceracja, ekstrakcja CO2, perkolacja i ekstraktory Soxhleta, ponieważ wymaga mniej rozpuszczalnika do ekstrakcji tej samej ilości związków. Dzieje się tak, ponieważ fale ultradźwiękowe pomagają zwiększyć rozpuszczalność związków docelowych w rozpuszczalniku.
• Wszechstronność: Ekstrakcja za pomocą sondy ultradźwiękowej może być stosowana do ekstrakcji szerokiej gamy związków z różnych materiałów, w tym zarówno związków hydrofilowych, jak i hydrofobowych. Oznacza to, że ultradźwięki doskonale nadają się również do produkcji ekstraktów o pełnym spektrum.
• Niski koszt: Ekstrakcja ultradźwiękowa jest generalnie tańsza niż ekstrakcja CO2, perkolacja, maceracja i ekstrakcja Soxhleta, ponieważ nie wymaga sprzętu wysokociśnieniowego ani czasochłonnej pracy.
• Przyjazny dla środowiska: Sondy ultradźwiękowe pozwalają na przyjazną dla środowiska ekstrakcję, ponieważ wymagają mniej rozpuszczalnika i energii w porównaniu do innych metod i wytwarzają mniej odpadów. Chociaż sonikacja jest kompatybilna z dowolnymi rozpuszczalnikami, ze względu na wysoką wydajność ultrasonografów, można w większości uniknąć toksycznych rozpuszczalników. Etanol, wodny etanol i woda są doskonałymi rozpuszczalnikami do ultradźwiękowej ekstrakcji botanicznej.

W porównaniu z tradycyjnymi technikami ekstrakcji botanicznej, ekstrakcja za pomocą sondy ultradźwiękowej oferuje znaczące korzyści, co wyjaśnia szerokie zastosowanie ekstrakcji ultradźwiękowej dla wielu związków bioaktywnych z roślin.

Ekstrakcja wysokiej jakości ekstraktów roślinnych

W przypadku wysokiej jakości ekstraktów botanicznych kluczowe znaczenie ma nie tylko surowiec (materiał roślinny), ale także zastosowana technika ekstrakcji. Ekstrakty roślinne są wrażliwe na temperaturę, co oznacza, że ulegają degradacji pod wpływem ciepła. Dlatego też kluczowe znaczenie ma wybór nietermicznej metody ekstrakcji.
Wybór rozpuszczalnika do ekstrakcji jest kolejnym ważnym czynnikiem, który wpływa na jakość ekstraktu. Rozpuszczalniki takie jak heksan, metanol, butan i inne agresywne chemikalia mogą zanieczyścić ekstrakt. Nawet jeśli rozpuszczalniki są usuwane po ekstrakcji, śladowe ilości toksycznych rozpuszczalników można znaleźć w końcowym ekstrakcie. Woda, alkohol, etanol, gliceryna lub oleje roślinne są bezpiecznymi, nietoksycznymi rozpuszczalnikami i zostały zatwierdzone przez FDA do spożycia.

Protokół krok po kroku ekstrakcji botanicznej przy użyciu sondy ultradźwiękowej

W jaki sposób związki bioaktywne są ekstrahowane z roślin za pomocą ultradźwięków typu sondowego? Poniżej znajduje się instrukcja krok po kroku dotycząca ekstrakcji fitochemikaliów i związków bioaktywnych z materiału roślinnego, takiego jak liście, płatki, owocnik, łodygi, korzenie lub kłącza!

1. Najpierw materiał roślinny jest mielony lub siekany na małe kawałki, aby zwiększyć powierzchnię ekstrakcji.
2. Materiał roślinny jest następnie mieszany z rozpuszczalnikiem (takim jak etanol lub woda) w celu ekstrakcji polifenoli.
3. Ultradźwięki typu sondowego są następnie wykorzystywane do wspomagania procesu ekstrakcji poprzez zastosowanie fal ultradźwiękowych o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości przy około 20 kHz do mieszaniny. Powoduje to kawitację akustyczną i szybkie wibracje rozpuszczalnika, co sprzyja dezintegracji i rozpadowi komórek roślinnych oraz uwalnianiu substancji bioaktywnych, takich jak polifenole, flawonoidy i witaminy.
4. Mieszanina jest następnie filtrowana w celu oddzielenia stałego materiału roślinnego od cieczy zawierającej wyekstrahowane związki bioaktywne.
5. Ciecz jest następnie odparowywana lub poddawana dalszej obróbce w celu usunięcia rozpuszczalnika i skoncentrowania bioaktywnych cząsteczek.
6. Produktem końcowym jest bogaty w bioaktywne składniki ekstrakt, który może być wykorzystywany w różnych zastosowaniach, takich jak suplementy diety, żywność funkcjonalna i kosmetyki.

Uwaga: Jest to przegląd procesu, a konkretne warunki (rozpuszczalnik, stosunek materiału roślinnego do rozpuszczalnika, czas ekstrakcji, moc ultradźwięków itp.) mogą się różnić w zależności od źródła rośliny i pożądanej zawartości substancji bioaktywnej.

Jak działa ekstrakcja ultradźwiękowa?

Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na zasadzie działania ultradźwiękowej kawitacji akustycznej i jest zabiegiem czysto mechanicznym. Podobnie jak w przypadku mieszalnika wysokoobrotowego, ultradźwiękowiec wytwarza jedynie mechaniczne siły ścinające w medium procesowym. Sama ekstrakcja ultradźwiękowa jest nietermiczną, wolną od chemikaliów techniką ekstrakcji.
Czym jest kawitacja akustyczna? – Kawitacja akustyczna lub ultradźwiękowa występuje, gdy fale ultradźwiękowe o wysokiej mocy i niskiej częstotliwości są sprzężone z zawiesiną składającą się z materiału botanicznego w cieczy (rozpuszczalniku). Fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzężone za pomocą procesora ultradźwiękowego typu sondy z zawiesiną botaniczną. Wysoce energetyczne fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz, tworząc naprzemienne cykle wysokiego / niskiego ciśnienia, co powoduje zjawisko kawitacji akustycznej. Kawitacja akustyczna lub ultradźwiękowa prowadzi lokalnie do ekstremalnych warunków, takich jak bardzo duże różnice ciśnień i duże siły ścinające. Gdy pęcherzyki kawitacyjne implodują na powierzchni ciał stałych (takich jak cząstki, komórki roślinne, tkanki itp.), mikrostrumienie i zderzenia międzycząsteczkowe generują takie efekty, jak rozpad cząstek, sonoporacja (perforacja ścian komórkowych i błon komórkowych) oraz rozerwanie komórek. Dodatkowo implozja pęcherzyków kawitacyjnych w ciekłych mediach powoduje turbulencje i mieszanie, co sprzyja przenoszeniu masy między wnętrzem komórki a otaczającym rozpuszczalnikiem. Promieniowanie ultradźwiękowe jest bardzo skutecznym sposobem na wzmocnienie procesów przenoszenia masy, ponieważ sonikacja powoduje kawitację i związane z nią mechanizmy, takie jak mikroruchy strumieni cieczy, kompresja i dekompresja w materiale, a następnie rozerwanie ścian komórkowych.
W zależności od surowca, proces ekstrakcji ultradźwiękowej może wymagać wysokiej intensywności, np. w celu rozbicia sztywnych komórek roślinnych lub materiału o dużej zawartości celulozy. Ultradźwięki typu sondowego mogą generować bardzo wysokie amplitudy, co jest niezbędne do wytworzenia kawitacji uderzeniowej. Hielscher Ultrasonic produkuje wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe, które mogą z łatwością tworzyć amplitudy 200 µm w ciągłej pracy 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud, Hielscher oferuje sonotrody (sondy) o wysokiej amplitudzie.
Do intensyfikacji kawitacji stosuje się ciśnieniowe reaktory ultradźwiękowe i komórki przepływowe. Wraz ze wzrostem ciśnienia, kawitacja i kawitacyjne siły ścinające stają się bardziej destrukcyjne i tym samym poprawiają efekty ekstrakcji ultradźwiękowej.

Wyciąg fitochemikaliów i związków bioaktywnych za pomocą sonikacji

Ekstrakcja ultradźwiękowa służy do uwalniania i izolowania szerokiej gamy związków bioaktywnych (tzw. fitochemikaliów) z roślin.
Poniższa lista zawiera mały przegląd ultradźwiękowo ekstrahowanych fitochemikaliów:

• CBD i inne kannabinoidy z konopi i marihuany
• terpeny
• imbir
• Rozmaryn
• Kapsaicyna z papryczek chilli
• Kofeina z ziaren kawy
• Astaksantyna z alg
• Allicyna z czosnku
• Katechiny (EGEC) z herbaty
• Ellagitaniny pochodzące z granatu
• Ajurwedyjskie ekstrakty ziołowe
• Nikotyna z tytoniu
• olejki eteryczne
• Fitochemikalia z pokrzywy zwyczajnej
• Pektyny ze skórek owoców cytrusowych
• Polifenole ze skórki mango
• Taraksacyna i taraksasterol z mniszka lekarskiego

Rozpuszczalniki do ekstrakcji ultradźwiękowej

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest kompatybilna z prawie każdym rozpuszczalnikiem. Najczęściej etanol, woda, mieszanina etanolu i wody, gliceryna i oleje roślinne są wykorzystywane do ekstrakcji związków bioaktywnych z roślin, ponieważ rozpuszczalniki te są uważane za bezpieczne do spożycia i są łatwe w użyciu.
Przeczytaj więcej o rozpuszczalnikach stosowanych do ekstrakcji ultradźwiękowej!

Zalety ultradźwiękowej ekstrakcji etanolu

Etanol jest jednym z najczęściej stosowanych rozpuszczalników do ekstrakcji ultradźwiękowej ze względu na jego bezpieczeństwo (zatwierdzony przez FDA do spożycia), skuteczność i szeroką rozpuszczalność. Ultradźwiękowa ekstrakcja etanolem przewyższa inne rozpuszczalniki i inne technologie ekstrakcji dzięki opłacalności, liniowej skalowalności, prostocie i bezpieczeństwu.
Najwyższa skuteczność etanolu jako rozpuszczalnika jest związana z jego składem chemicznym, który obejmuje ogon węglowodorowy i pojedynczą grupę hydroksylową. Ten skład chemiczny pozwala etanolowi rozpuszczać i ekstrahować bardzo szerokie spektrum substancji, od polifenoli, flawonoidów, terpenów, kannabinoidów i lipidów (olejów).
Na przykład, ultradźwiękowa ekstrakcja kannabinoidów etanolem nie wymaga zimowania (odparafinowania), etapu wymaganego w przypadku innych metod ekstrakcji, takich jak ekstrakcja CO2 w celu usunięcia wosków.

Ekstrakcja etanolem wykazuje różne efekty w zależności od temperatury etanolu. Podgrzany etanol jest często używany do produkcji ekstraktów o pełnym spektrum działania, które są cenione ze względu na swój efekt otoczenia. Z drugiej strony, lodowaty etanol jest preferowany do produkcji destylatów ziołowych lub z konopi indyjskich. Ekstrakcja w lodowatym etanolu nie wymaga późniejszej filtracji. Ponieważ ekstrakcja ultradźwiękowa jest obróbką nietermiczną, może być stosowana z gorącym/ciepłym lub schłodzonym/lodowatym etanolem. Reaktory ultradźwiękowe z płaszczem pomagają utrzymać pożądaną temperaturę przetwarzania podczas obróbki. Cyfrowe sterowanie i inteligentne oprogramowanie ultradźwiękowca monitoruje temperaturę przetwarzania za pomocą podłączanych czujników temperatury i może być zaprogramowane tak, aby zatrzymać lub wstrzymać obróbkę ekstrakcyjną, gdy temperatura medium wyjdzie z określonego zakresu.

Kup najbardziej wydajny sprzęt do ekstrakcji ultradźwiękowej!

Wysokowydajne systemy ekstrakcji firmy Hielscher Ultrasonics są dostępne w dowolnej skali, od małych rozmiarów laboratoryjnych, średniej wielkości skali pilotażowej do w pełni przemysłowej produkcji kilku ton na godzinę. W zależności od przepustowości, ekstraktory ultradźwiękowe Hielscher mogą być używane w trybie wsadowym lub ciągłym. Wybór rozpuszczalnika zależy od Ciebie, ponieważ ultradźwięki Hielscher mogą być stosowane w połączeniu z dowolnym rozpuszczalnikiem. Wszystkie urządzenia do ekstrakcji ultradźwiękowej są proste i bezpieczne w obsłudze. Zgodnie z surowcem, możliwościami procesu i celem wyjściowym, Hielscher oferuje najbardziej odpowiedni ultrasonicator.
Procesy ekstrakcji ultradźwiękowej zależą od surowca, rozpuszczalnika i przepustowości. Dostępne są różne akcesoria, takie jak sonotrody (sondy) o różnych rozmiarach i kształtach, klaksony wspomagające, komory przepływowe o różnych objętościach i geometriach, podłączane czujniki temperatury i ciśnienia oraz wiele innych gadżetów, które umożliwiają stworzenie idealnej konfiguracji ultradźwiękowej do procesu ekstrakcji.
Kontrola procesu ma kluczowe znaczenie dla uzyskania powtarzalnych wyników. Dlatego wszystkie modele cyfrowe są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, które umożliwia regulację, monitorowanie i zmianę parametrów ekstrakcji. Dzięki precyzyjnej kontroli amplitudy, czasu sonikacji i cykli pracy, można osiągnąć optymalne wyniki procesu, takie jak najwyższa wydajność i najwyższa jakość ekstraktu. Automatyczna rejestracja danych procesu sonikacji jest podstawą standaryzacji procesu i odtwarzalności / powtarzalności, które są wymagane dla Dobrych Praktyk Produkcyjnych (GMP).

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Literatura / Referencje