Rozpuszczalniki do ekstrakcji ultradźwiękowej z roślin
- Ekstrakcja ultradźwiękowa ma wiele zalet, takich jak wysoka wydajność, szybkie tempo ekstrakcji, przyjazność dla środowiska i niskie zużycie energii.
- Jedną z największych korzyści jest wykorzystanie wody jako medium ekstrakcyjnego. Sonikacja może być jednak stosowana z różnymi systemami rozpuszczalników, aby zapewnić doskonałe wyniki dla docelowego ekstraktu.
- Optymalny rozpuszczalnik do ekstrakcji ultradźwiękowej bioaktywnych składników roślinnych jest wybierany w odniesieniu do surowca.
ekstrakcja ultradźwiękowa
Wiadomo, że ultradźwięki zakłócają struktury komórkowe i poprawiają przenoszenie masy, zwiększając w ten sposób ekstrahowalność biozwiązków (np. fenoli, karotenoidów).
Ponieważ mechaniczne efekty sonikacji znacznie usprawniają proces ekstrakcji dzięki lepszemu przenoszeniu masy, stosowanie rozpuszczalników organicznych jest często zbędne. Oznacza to, że w przypadku ekstrakcji ultradźwiękowej woda jest często wystarczającym medium ekstrakcyjnym, które ma wiele zalet, takich jak bycie niedrogim, nieszkodliwym, łatwo dostępnym i przyjaznym dla środowiska.
Jednak w przypadku określonych związków bioaktywnych najlepsze wyniki można osiągnąć za pomocą ekstrakcji ultradźwiękowej w połączeniu z lotnym rozpuszczalnikiem.
Aby wybrać odpowiedni rozpuszczalnik, należy wziąć pod uwagę surowiec (np. świeży lub suszony, macerowany / zmielony lub sproszkowany materiał roślinny) oraz docelowe substancje (np. lipofilowe, hydrofilowe).
Gliceryna roślinna jest idealnym rozpuszczalnikiem do ekstrakcji ze względu na swoje nietoksyczne, niedrażniące właściwości i zdolność do zachowania stabilności i siły działania wrażliwych związków bioaktywnych. Zarówno czysta gliceryna, jak i mieszaniny gliceryny i wody są użytecznymi rozpuszczalnikami do produkcji ekstraktów do suplementów i nutraceutyków, ekstraktów smakowych, dodatków do żywności i kosmetyków.
Sonikator UIP2000hdT do ekstrakcji składników botanicznych w dużych partiach lub w trybie inline
W poniższej tabeli wymieniono kilka rozpuszczalników, które są dobrze znanymi rozpuszczalnikami ekstrakcyjnymi i są stosowane do ekstrakcji ultradźwiękowej z materiału roślinnego.
| etanol | Jeden z najpopularniejszych rozpuszczalników do ekstrakcji botanicznej. Jako rozpuszczalnik polarny, etanol rozpuszcza związki polarne, takie jak alkaloidy i flawonoidy. |
| woda | Uniwersalny rozpuszczalnik, często używany do ekstrakcji związków hydrofilowych, takich jak polisacharydy, białka i niektóre glikozydy. |
| wodny etanol | Mieszanina etanolu i wody, ten rozpuszczalnik może ekstrahować szeroką gamę polarnych i umiarkowanie polarnych związków, zapewniając równowagę między mocą rozpuszczania etanolu i zdolnością wody do ekstrakcji związków hydrofilowych. Wodny etanol można przygotować w różnych proporcjach, dostosowując zdolność rozpuszczania do docelowych związków. |
| gliceryna | Wysoce polarny rozpuszczalnik, który jest przydatny do ekstrakcji związków polarnych i może być bezpieczniejszą alternatywą dla innych rozpuszczalników polarnych, często stosowany w nalewkach i ekstraktach przeznaczonych do spożycia wewnętrznego. Przeczytaj więcej o ekstrakcji fitochemikaliów w glicerynie za pomocą sonikacji! |
| metanol | Wysoce polarny rozpuszczalnik skuteczny w ekstrakcji szerokiej gamy związków roślinnych, w tym fenoli, flawonoidów i niektórych alkaloidów. |
| heksan | Rozpuszczalnik niepolarny stosowany głównie do ekstrakcji związków niepolarnych, takich jak lipidy, woski i olejki eteryczne. |
| aceton | Aceton, będący polarnym rozpuszczalnikiem aprotycznym, jest skuteczny w ekstrakcji szerokiej gamy związków botanicznych, szczególnie tych, które są mniej polarne niż te 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 fenoli. |
| toluen | Rozpuszczalnik niepolarny 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 | Rozpuszczalnik niepolarny stosowany głównie do ekstrakcji tłuszczów, olejów i innych związków niepolarnych z materiałów roślinnych. |
Silne fale ultradźwiękowe rozbijają macierz komórkową struktur biologicznych i uwalniają związki bioaktywne. Transfer masy między materiałem roślinnym a rozpuszczalnikiem jest zintensyfikowany. Dzięki tym mechanizmom ekstrakcja ultradźwiękowa jest wysoce wydajna w przypadku ekstrakcji botanicznej.
Homogenizator ultradźwiękowy UP400ST do ekstrakcji ziół pozwala na użycie wybranego rozpuszczalnika.
Ultradźwięki do ekstrakcji
Od laboratoryjnych i stacjonarnych urządzeń ultradźwiękowych po w pełni przemysłowe systemy ekstrakcji ultradźwiękowej – Hielscher Ultrasonics to wieloletni doświadczony partner, jeśli chodzi o wydajne i niezawodne urządzenia ultradźwiękowe do udanych procesów ekstrakcji.
Nasze systemy ultradźwiękowe są szeroko stosowane w laboratoriach biochemicznych i zakładach produkcji farmaceutycznej. Sonotrody ultradźwiękowe i reaktory są autoklawowalne i spełniają standardy produkcji farmaceutycznej.
Sonikatory przemysłowe Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy w celu rozbicia matryc komórkowych i uwolnienia docelowych substancji. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Moc i wytrzymałość ultradźwiękowców 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 ekstrakcji CO2 w stanie nadkrytycznym. Doposażenie istniejących linii produkcyjnych można łatwo zrealizować.
Literatura / Referencje
- 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.
Fakty, które warto znać
Ekstrakcja ultradźwiękowa przez kawitację
Intensywne fale ultradźwiękowe generują kawitacja akustyczna w cieczach. Kawitacyjne siły ścinające rozbijają ścianę komórkową i błony, dzięki czemu uwalniany jest materiał wewnątrzkomórkowy. Ekstrakcja ultradźwiękowa osiąga większą penetrację rozpuszczalnika do tkanki roślinnej i poprawia przenoszenie masy. W ten sposób ekstrakcja ultradźwiękowa znacznie intensyfikuje proces ekstrakcji, co skutkuje wyższą wydajnością, szybszą ekstrakcją i bardziej kompletną ekstrakcją.
systemy rozpuszczalników
Do ekstrakcji związków bioaktywnych z materiału roślinnego dostępne są różne systemy rozpuszczalników. Do ekstrakcji związków hydrofilowych wybiera się głównie rozpuszczalniki polarne, takie jak metanol, etanol lub octan etylu, podczas gdy 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 lub fitochemiczne definiuje się jako substancje, które mają wpływ na żywe organizmy, tkanki lub komórki. Substancje biologicznie czynne obejmują antybiotyki, enzymy i witaminy. Substancje bioaktywne, takie jak karotenoidy i polifenole, mogą być ekstrahowane np. z owoców, liści i warzyw, podczas gdy fitosterole znajdują się w olejach roślinnych.
Związki bioaktywne pochodzenia roślinnego obejmują flawonoidy, kofeinę, karotenoidy, cholinę, ditioltiony, fitosterole, polisacharydy, fitoestrogeny, glukozynolany, polifenole i antocyjany. Wiele substancji bioaktywnych jest cenionych za działanie jako przeciwutleniacze i dlatego są uważane za korzystne dla zdrowia.
Jak wybrać najlepszy rozpuszczalnik do ekstrakcji?
Poniższe wytyczne pomogą wybrać odpowiedni rozpuszczalnik do ultradźwiękowej ekstrakcji botanicznej. Ponieważ sonikacja jest kompatybilna z każdym standardowym rozpuszczalnikiem, można wybrać rozpuszczalnik najbardziej idealny dla danego surowca roślinnego, docelowych fitochemikaliów i efektywności kosztowej.
- Selektywność: Wybierz rozpuszczalnik, który konkretnie rozpuszcza pożądane związki, pozostawiając niepożądane składniki. Na przykład, użyj etanolu do związków polarnych, takich jak alkaloidy i flawonoidy.
- Rozpuszczalność: W oparciu o zasadę “jak rozpuszcza się jak,” wybrać rozpuszczalnik o polarności podobnej do polarności substancji rozpuszczonej. Rozpuszczalniki polarne (np. woda, etanol) rozpuszczają związki polarne, podczas gdy rozpuszczalniki niepolarne (np. heksan) rozpuszczają związki niepolarne, takie jak lipidy i oleje.
- Koszt: Rozważ opłacalność rozpuszczalnika. Niektóre rozpuszczalniki mogą być droższe, ale oferują wyższą wydajność lub lepszą selektywność, równoważąc ogólny koszt ekstrakcji.
- Bezpieczeństwo: Upewnij się, że rozpuszczalnik jest bezpieczny w użyciu i obsłudze. Czynniki te obejmują toksyczność, łatwopalność i wpływ na środowisko. Na przykład woda i etanol są bezpieczniejsze niż chloroform lub toluen.
Polaryzacja i wybór rozpuszczalnika
Zgodnie z prawem podobieństwa i wzajemnej mieszalności, rozpuszczalniki o wartości polarności zbliżonej do polarności substancji rozpuszczonej prawdopodobnie będą działać lepiej. Oto kilka przykładów:
- Rozpuszczalniki polarne: Woda, etanol, metanol – Służy do ekstrakcji związków polarnych, takich jak alkaloidy, flawonoidy, glikozydy i białka.
- Umiarkowanie polarne rozpuszczalniki: Aceton, octan etylu, izopropanol – Nadaje się do ekstrakcji szerokiej gamy związków, w tym fenoli i niektórych alkaloidów.
- Rozpuszczalniki niepolarne: Heksan, toluen, eter naftowy – Idealny do ekstrakcji związków niepolarnych, takich jak lipidy, woski, terpeny i olejki eteryczne.
Przykłady zastosowania rozpuszczalników
- Etanol: Jeden z najpopularniejszych rozpuszczalników do ekstrakcji botanicznej. Jako rozpuszczalnik polarny, etanol rozpuszcza związki polarne, takie jak alkaloidy i flawonoidy.
- Woda: Uniwersalny rozpuszczalnik, często używany do ekstrakcji związków hydrofilowych, takich jak polisacharydy, białka i niektóre glikozydy.
- Metanol: Wysoce polarny rozpuszczalnik skuteczny w ekstrakcji szerokiej gamy związków roślinnych, w tym fenoli, flawonoidów i niektórych alkaloidów.
- Heksan: Rozpuszczalnik niepolarny stosowany głównie do ekstrakcji związków niepolarnych, takich jak lipidy, woski i olejki eteryczne.
- Aceton: Aceton, będący polarnym rozpuszczalnikiem aprotycznym, jest skuteczny w ekstrakcji szerokiej gamy związków botanicznych, szczególnie tych, które są mniej polarne niż te 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 fenoli.
- Toluen: Rozpuszczalnik niepolarny 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: Rozpuszczalnik niepolarny stosowany głównie do ekstrakcji tłuszczów, olejów i innych związków niepolarnych z materiałów roślinnych.
Następujące rozpuszczalniki zostały przetestowane w badaniach nad ekstrakcją ultradźwiękową określonych materiałów roślinnych i fitochemikaliów.
| rozpuszczalnik | Roślina | Rodzaj tkanki |
|---|---|---|
| Kwas octowy / mocznik / bromek cetylotrimetyloamoniowy | ryż | otręby |
| wodny etanol | ziarno gorzelnicze | ziarno |
| Wodny izopropanol | soja, rzepak | nasiona |
| etanol | Saccharina japonica | – |
| Kwas aktyniowy lodowaty | sorgo | – |
| Fenol | pomidor / ziemniak / aloes / soja | pyłek / bulwa / liść / nasiono |
| Fenol/octan amonu | jęczmień / banan | korzeń / liść |
| Fenol/octan amonu | awokado / pomidor / pomarańcza / banan / gruszka / winogrono / jabłko / truskawka | owoce |
| Fenol/metanol/octan amonu | iglaste / banan / jabłko / ziemniak | nasiona / owoce |
| Siarczan dodecylu sodu/aceton | iglasty / ziemniak | nasiona / bulwy |
| Siarczan dodecylu sodu/TCA/aceton | jabłko / banan | tkanka |
| TCA | fasola | pylnik |
| TCA/aceton | cytrusy / soja / aloes | liście |
| TCA/aceton | soja / drzewa iglaste | nasiona |
| TCA/aceton | pomidor | ziarno pyłku |
| TCA/aceton/fenol | oliwkowy / bambusowy / winogronowy / cytrynowy | liście |
| TCA/aceton/fenol | jabłko / pomarańcza / pomidor | owoce |
| Tiomocznik/mocznik | soja | nasiona |
| Tiomocznik/mocznik | jabłko / banan | tkanki |
| Bufor Tris-HCL | pomidor | ziarno pyłku |
Czym są rozpuszczalniki organiczne?
Rozpuszczalnik organiczny jest rodzajem lotnego związku organicznego (LZO). LZO to organiczne związki 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
- azotowane i chlorowcowane węglowodory
Wiele rozpuszczalników organicznych jest klasyfikowanych jako toksyczne lub rakotwórcze. W przypadku niewłaściwego obchodzenia się z nimi, mogą one być niebezpieczne dla ludzi i mogą zanieczyszczać powietrze, wodę i glebę. Ze względu na silny mechanizm ekstrakcji ultradźwiękowej można uniknąć stosowania rozpuszczalników organicznych, zastępując je łagodniejszymi, nietoksycznymi rozpuszczalnikami.
