Rozpuszczalniki do ultradźwiękowej ekstrakcji z roślin

• Ekstrakcja ultradźwiękowa ma wiele zalet, takich jak wysoka wydajność, szybkie tempo ekstrakcji, przyjazność dla środowiska i niskie zużycie energii.
• Jedną z najważniejszych korzyści jest możliwość stosowania wody jako medium ekstrakcyjnego. Sonikację można jednak stosować z różnorodnymi układami rozpuszczalników, aby uzyskać lepsze wyniki dla docelowego ekstraktu.
• Optymalny rozpuszczalnik do ultradźwiękowej ekstrakcji roślinnych substancji bioaktywnych dobiera się z uwzględnieniem surowca.

Ekstrakcja ultradźwiękowa

Ultradźwięki są dobrze znane ze zdolności do rozbijania struktur komórkowych i poprawy transportu masy, co zwiększa podatność związków biologicznych na ekstrakcję (np. związków fenolowych, karotenoidów).
Ponieważ mechaniczne efekty sonikacji znacznie usprawniają proces ekstrakcji dzięki poprawie transportu masy, stosowanie rozpuszczalników organicznych jest często zbędne. Oznacza to, że w ekstrakcji ultradźwiękowej woda często wystarcza jako medium ekstrakcyjne i ma wiele zalet: jest niedroga, nie stwarza zagrożeń, jest łatwo dostępna i przyjazna dla środowiska.
Jednak w przypadku określonych związków bioaktywnych najlepsze wyniki można uzyskać dzięki ekstrakcji ultradźwiękowej w połączeniu z lotnym rozpuszczalnikiem.
Aby wybrać właściwy rozpuszczalnik, należy uwzględnić surowiec (np. świeży lub suszony, macerowany/rozdrobniony albo sproszkowany materiał roślinny) oraz substancje docelowe (np. lipofilowe, hydrofilowe).
 

Poniższa tabela przedstawia kilka sprawdzonych rozpuszczalników ekstrakcyjnych stosowanych do ultradźwiękowej ekstrakcji z materiału roślinnego.

Silne fale ultradźwiękowe rozbijają macierz komórkową struktur biologicznych i uwalniają związki bioaktywne. Transport masy między materiałem roślinnym a rozpuszczalnikiem ulega intensyfikacji. Dzięki tym mechanizmom ekstrakcja ultradźwiękowa jest wysoce wydajną metodą ekstrakcji z roślin.

Sonikatory do ekstrakcji

Od laboratoryjnych i stołowych urządzeń ultradźwiękowych po w pełni przemysłowe systemy ekstrakcji ultradźwiękowej – Hielscher Ultrasonics jest partnerem z wieloletnim doświadczeniem w dziedzinie wydajnych i niezawodnych urządzeń ultradźwiękowych zapewniających skuteczne procesy ekstrakcji.
Nasze systemy ultradźwiękowe są szeroko stosowane w laboratoriach biochemicznych i zakładach produkcji farmaceutycznej. Sonotrody ultradźwiękowe i reaktory można sterylizować w autoklawie; spełniają one standardy produkcji farmaceutycznej.

Przemysłowe sonikatory Hielscher mogą generować bardzo wysokie amplitudy w celu rozbijania macierzy komórkowych i uwalniania substancji docelowych. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w pracy ciągłej w trybie 24/7. Moc i wytrzymałość sonikatorów Hielscher zapewniają wysoką wydajność, szybkie tempo ekstrakcji i pełniejszą ekstrakcję – przewyższając konwencjonalne procesy ekstrakcji.
Nasze procesory ultradźwiękowe można łączyć z konwencjonalnymi metodami ekstrakcji, takimi jak ekstrakcja Soxhleta lub ekstrakcja nadkrytycznym CO2. Integrację z istniejącymi liniami produkcyjnymi można przeprowadzić z łatwością.

Literatura / Źródła

• 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.

Warto wiedzieć

Ekstrakcja ultradźwiękowa za pomocą kawitacji

Intensywne fale ultradźwiękowe wywołują kawitację akustyczną w cieczach. Siły ścinające powstające w wyniku kawitacji rozrywają ściany komórkowe i błony, uwalniając materiał wewnątrzkomórkowy. Ekstrakcja ultradźwiękowa zapewnia głębsze wnikanie rozpuszczalnika w tkankę roślinną i poprawia transport masy. Dzięki temu ekstrakcja ultradźwiękowa znacznie intensyfikuje proces ekstrakcji, zapewniając wyższą wydajność, szybsze tempo ekstrakcji i pełniejszą ekstrakcję.

Układy rozpuszczalników

Do ekstrakcji związków bioaktywnych z materiału roślinnego dostępne są różne układy rozpuszczalników. Do ekstrakcji związków hydrofilowych wybiera się głównie rozpuszczalniki polarne, takie jak metanol, etanol lub octan etylu, natomiast do ekstrakcji związków lipofilowych (np. lipidów) preferowane są układy rozpuszczalników, takie jak dichlorometan lub dichlorometan/metanol (v/v 1:1). Heksan jest często stosowany jako rozpuszczalnik do ekstrakcji chlorofilu.

Czym są związki bioaktywne?

Związki bioaktywne, czyli związki fitochemiczne, definiuje się jako substancje wpływające na żywe organizmy, tkanki lub komórki. Substancje biologicznie czynne obejmują antybiotyki, enzymy i witaminy. Substancje bioaktywne, takie jak karotenoidy i polifenole, można ekstrahować np. z owoców, liści i warzyw, natomiast fitosterole występują w olejach roślinnych.
Związki bioaktywne pochodzenia roślinnego obejmują flawonoidy, kofeinę, karotenoidy, cholinę, ditiolotiony, fitosterole, polisacharydy, fitoestrogeny, glukozynolany, polifenole i antocyjany. Wiele substancji bioaktywnych jest cenionych za działanie przeciwutleniające i dlatego uznaje się je za korzystne dla zdrowia.

Jak wybrać najlepszy rozpuszczalnik ekstrakcyjny?

Poniższe wskazówki pomogą wybrać odpowiedni rozpuszczalnik do ultradźwiękowej ekstrakcji z roślin. Ponieważ sonikacja jest kompatybilna z każdym standardowym rozpuszczalnikiem, można wybrać rozpuszczalnik najlepiej dopasowany do surowca roślinnego, docelowych związków fitochemicznych i opłacalności procesu.

• Selektywność: Wybierz rozpuszczalnik, który selektywnie rozpuszcza pożądane związki, pozostawiając niepożądane składniki. Na przykład do związków polarnych, takich jak alkaloidy i flawonoidy, stosuj etanol.
• Rozpuszczalność: Kierując się zasadą „podobne rozpuszcza podobne”, wybierz rozpuszczalnik o polarności zbliżonej do polarności substancji rozpuszczanej. Rozpuszczalniki polarne (np. woda, etanol) rozpuszczają związki polarne, natomiast rozpuszczalniki niepolarne (np. heksan) rozpuszczają związki niepolarne, takie jak lipidy i oleje.
• Koszt: Uwzględnij opłacalność stosowania rozpuszczalnika. Niektóre rozpuszczalniki mogą być droższe, ale zapewniać wyższą wydajność lub lepszą selektywność, równoważąc całkowity koszt ekstrakcji.
• Bezpieczeństwo: Upewnij się, że rozpuszczalnik jest bezpieczny w użyciu i podczas obchodzenia się z nim. Należy uwzględnić toksyczność, palność i wpływ na środowisko. Na przykład woda i etanol są bezpieczniejszym wyborem niż chloroform lub toluen.

Polarność a dobór rozpuszczalnika
Zgodnie z zasadą podobieństwa i wzajemnej mieszalności rozpuszczalniki o polarności zbliżonej do polarności substancji rozpuszczanej prawdopodobnie będą działały lepiej. Oto kilka przykładów:

• Rozpuszczalniki polarne: Woda, etanol, metanol – stosowane do ekstrakcji związków polarnych, takich jak alkaloidy, flawonoidy, glikozydy i białka.
• Rozpuszczalniki umiarkowanie polarne: Aceton, octan etylu, izopropanol – odpowiednie do ekstrakcji szerokiego zakresu związków, w tym związków fenolowych i niektórych alkaloidów.
• Rozpuszczalniki niepolarne: Heksan, toluen, eter naftowy – idealne do ekstrakcji związków niepolarnych, takich jak lipidy, woski, terpeny i olejki eteryczne.

Przykłady zastosowania rozpuszczalników

• Etanol: Jeden z najczęściej stosowanych rozpuszczalników do ekstrakcji z roślin. Jako rozpuszczalnik polarny etanol rozpuszcza związki polarne, takie jak alkaloidy i flawonoidy.
• Woda: Uniwersalny rozpuszczalnik, często stosowany do ekstrakcji związków hydrofilowych, takich jak polisacharydy, białka i niektóre glikozydy.
• Metanol: Silnie polarny rozpuszczalnik skuteczny w ekstrakcji szerokiego zakresu związków roślinnych, w tym związków fenolowych, flawonoidów i niektórych alkaloidów.
• Heksan: Niepolarny rozpuszczalnik stosowany przede wszystkim do ekstrakcji związków niepolarnych, takich jak lipidy, woski i olejki eteryczne.
• Aceton: Aceton jest polarnym rozpuszczalnikiem aprotycznym, skutecznym w ekstrakcji szerokiego zakresu związków roślinnych, zwłaszcza tych, które są mniej polarne niż związki ekstrahowane wodą lub metanolem.
• Izopropanol: Polarny rozpuszczalnik podobny do etanolu, powszechnie stosowany do ekstrakcji olejków eterycznych, żywic i niektórych alkaloidów.
• Chloroform: Niepolarny rozpuszczalnik skuteczny w ekstrakcji alkaloidów, terpenoidów i niektórych glikozydów. Jest rzadziej stosowany ze względu na swoją toksyczność.
• Octan etylu: Umiarkowanie polarny rozpuszczalnik stosowany do ekstrakcji szeregu związków, w tym flawonoidów, alkaloidów i związków fenolowych.
• Toluen: Niepolarny rozpuszczalnik stosowany do ekstrakcji związków niepolarnych, takich jak olejki eteryczne, terpeny i woski.
• Butanol: Umiarkowanie polarny rozpuszczalnik skuteczny w ekstrakcji związków o średniej polarności, w tym niektórych glikozydów i saponin.
• Eter naftowy: Niepolarny rozpuszczalnik stosowany przede wszystkim do ekstrakcji tłuszczów, olejów i innych związków niepolarnych z materiałów roślinnych.

Poniższe rozpuszczalniki przetestowano w badaniach nad ultradźwiękową ekstrakcją określonych materiałów roślinnych i związków fitochemicznych.

Czym są rozpuszczalniki organiczne?

Rozpuszczalnik organiczny jest rodzajem lotnego związku organicznego (VOC). VOC to organiczne substancje chemiczne, które parują w temperaturze pokojowej.
Związki organiczne stosowane jako rozpuszczalniki obejmują:

• związki aromatyczne, np. benzen i toluen
• alkohole, np. metanol
• estry i etery
• ketony, np. aceton
• aminy
• nitrowane i halogenowane węglowodory

Wiele rozpuszczalników organicznych klasyfikuje się jako toksyczne lub rakotwórcze. W przypadku niewłaściwego obchodzenia się z nimi mogą stanowić zagrożenie dla ludzi oraz zanieczyszczać powietrze, wodę i glebę. Dzięki silnemu mechanizmowi działania ekstrakcji ultradźwiękowej można uniknąć stosowania rozpuszczalników organicznych, zastępując je łagodniejszymi, nietoksycznymi rozpuszczalnikami.