Ultradźwiękowa ekstrakcja piperyny z pieprzu

• Piperyna jest substancją bioaktywną występującą w ziarnach pieprzu i cenioną ze względu na swoje właściwości farmakologiczne.
• Ekstrakcja ultradźwiękowa jest wydajną, prostą i szybką techniką ekstrakcji służącą do izolowania piperyny wysokiej jakości.
• Ekstrakcja ultradźwiękowa jest niezawodną i sprawdzoną metodą, już szeroko stosowaną w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym.

Ekstrakcja piperyny za pomocą ultradźwięków o wysokiej wydajności

Piperyna jest cenionym związkiem bioaktywnym znanym ze swojego potencjału zwiększania wchłaniania kurkuminy, selenu, witaminy B12, beta-karotenu i innych związków. Dlatego przemysł farmaceutyczny i żywieniowy jest bardzo zainteresowany szybką i prostą ekstrakcją piperyny wysokiej jakości.
Konwencjonalna ekstrakcja piperyny i piperydyny polega na czasochłonnej ekstrakcji rozpuszczalnikowej z użyciem toksycznego DMC (dichlorometanu). Ekstrakcja ultradźwiękowa przewyższa konwencjonalną ekstrakcję rozpuszczalnikową dzięki wyższym uzyskom, stosowaniu nietoksycznych rozpuszczalników (np. etanolu) i szybkiemu procesowi ekstrakcji. Ultradźwięki o wysokiej wydajności wywołują kawitację w cieczach. Kawitacja akustyczna lub ultradźwiękowa generuje lokalnie ekstremalne warunki, takie jak niezwykle wysokie różnice temperatury i ciśnienia, strumienie cieczy oraz siły ścinające. Te siły ultradźwiękowe rozrywają ściany komórkowe i zwiększają przenoszenie masy między wnętrzem komórki a otaczającym ją rozpuszczalnikiem, dzięki czemu uwalniane są substancje bioaktywne. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest sprawdzoną techniką izolowania docelowych związków, takich jak piperyna, ze zmielonego pieprzu (piper nigrum, piper longum).

Optymalne warunki ekstrakcji z zastosowaniem sonikacji

Jedną z najważniejszych zalet izolacji ultradźwiękowej jest precyzyjna kontrola wszystkich parametrów procesu. Intensywność ultradźwięków (amplitudę, moc, cykl pracy), czas ekstrakcji, rozpuszczalnik, stosunek substancji stałej do rozpuszczalnika i temperaturę można dostosować do optymalnych warunków, aby uzyskać najwyższy uzysk piperyny wysokiej jakości.

Przykładowy protokół ultradźwiękowej ekstrakcji piperyny

W układzie laboratoryjnym o małej skali, z wykorzystaniem zlewki, maksymalny uzysk piperyny (5,8 mg/g) ze zmielonego Piper longum uzyskuje się w zoptymalizowanych warunkach ekstrakcji ultradźwiękowej, które określono następująco:
Sonikator UP200St lub UP200Ht (200W, 26kHz)
parametry ultradźwięków: amplituda 100%, cykl pracy 80%
czas sonikacji: ok. 18 min.
rozpuszczalnik: etanol
stosunek substancji stałej do rozpuszczalnika: 1:10
temperatura: 50°C

Lepsze wyniki

Ekstrakcja ultradźwiękowa ma znaczące zalety w porównaniu z tradycyjną ekstrakcją okresową i rozpuszczalnikową. Rathod (2014) wykazuje, że czas ekstrakcji skraca się z 8h w przypadku okresowej ekstrakcji rozpuszczalnikowej i 4h w przypadku ekstrakcji w aparacie Soxhleta do 18 min. w przypadku ekstrakcji ultradźwiękowej. Ponadto ekstrakcja ultradźwiękowa zapewnia wyższy uzysk piperyny. Stwierdzono, że uzyski piperyny otrzymane metodami ekstrakcji w aparacie Soxhleta i ekstrakcji okresowej wynosiły odpowiednio 1,67 mg/g i 0,98 mg/g, czyli były znacznie niższe niż uzysk 5,8mg/g osiągnięty przy użyciu ultradźwięków. Rathod (2014) stwierdza, że ekstrakcja naturalnych składników roślinnych, takich jak piperyna, wspomagana ultradźwiękami ogranicza problem niskiej podatności na ekstrakcję i długiego czasu ekstrakcji w porównaniu z tradycyjnymi metodami.

Ultradźwięki są również z powodzeniem stosowane do ekstrakcji olejków eterycznych z pieprzu czarnego. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowej hydrodestylacji olejków eterycznych!

Znajdź najlepszy sonikator do ekstrakcji piperyny

Hielscher Ultrasonics jest producentem systemów ekstrakcji ultradźwiękowej o wysokiej wydajności, mającym wieloletnie doświadczenie. Nasza oferta produktów obejmuje urządzenia od małych, wydajnych sonikatorów laboratoryjnych po wytrzymałe systemy stołowe i przemysłowe, które dostarczają ultradźwięki o wysokiej intensywności do wydajnej ekstrakcji i izolacji substancji bioaktywnych (np. piperyny, kurkuminy itp.).
Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe o mocy od 200W do 16 000W są wyposażone w kolorowy wyświetlacz do cyfrowego sterowania, zintegrowaną kartę SD do automatycznej rejestracji danych, zdalne sterowanie przez przeglądarkę i wiele innych funkcji ułatwiających obsługę. Sonotrody i komory przepływowe (części mające kontakt z medium) można sterylizować w autoklawie i są one łatwe do czyszczenia.
Wszystkie nasze sonikatory są przystosowane do pracy 24/7, wymagają niewielu zabiegów konserwacyjnych oraz są łatwe i bezpieczne w obsłudze.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Literatura / źródła

• Leonardo Cristian Favre, Guido Rolandelli, Ndumiso Mshicileli, Lusani Norah Vhangani, Cristina dos Santos Ferreira, Jessy van Wyk, María del Pilar Buera (2020): Potencjał przeciwutleniający i przeciwglikacyjny pieprzu zielonego (Piper nigrum): optymalizacja ekstrakcji z wykorzystaniem β-cyklodekstryny metodą powierzchni odpowiedzi. Food Chemistry, tom 316, 2020.
• Cao X.; Ye X.; Lu Y.; Mo W. (2009): Ekstrakcja piperyny z pieprzu białego wspomagana ultradźwiękami z wykorzystaniem cieczy jonowej. Analytica Chimica Acta 640, 2009. 47–51.
• Rathod S.S.; Rathod V.K. (2014): Ekstrakcja piperyny z Piper longum z zastosowaniem ultradźwięków. Industrial Crops and Products, tom 58, 2014. 259–264.
• Fooladi, Hamed; Mortazavi, Seyyed Ali; Rajaei, Ahmad; Elhami Rad, Amir Hossein; Salar Bashi, Davoud; Savabi Sani Kargar, Samira (2013): Optymalizacja ekstrakcji związków fenolowych z głożyny (Ziziphus Jujube) metodą ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami.
• Sitthiya, K.; Devkota, L.; Sadiq, M.B.; Anal A.K. (2018): Ekstrakcja i charakterystyka białek z kwiatu bananowca (Musa Sapientum L) oraz ocena aktywności przeciwdrobnoustrojowej. J Food Sci Technol (February 2018) 55(2):658–666.
• Ayyildiz, Sena Saklar; Karadeniz, Bulent; Sagcanb, Nihan; Bahara, Banu; Us, Ahmet Abdullah; Alasalvar, Cesarettin (2018): Optymalizacja parametrów ekstrakcji galusanu epigallokatechiny z zielonej herbaty przy użyciu konwencjonalnych metod z gorącą wodą i metod wspomaganych ultradźwiękami. Food and Bioproducts Processing 111 (2018). 37–44.

Warto wiedzieć

Ekstrakcja ultradźwiękowa

Ultradźwiękowa ekstrakcja substancji bioaktywnych z surowców roślinnych opiera się na zjawisku kawitacji akustycznej. Kawitacja akustyczna zachodzi, gdy fale ultradźwiękowe o bardzo wysokiej intensywności (np. o wysokich amplitudach 100µm, generowane przez ultradźwięki o częstotliwości 20–26kHz) są sprzęgane z cieczą. Siły ścinające powstające podczas kawitacji perforują i rozrywają ściany komórkowe materiału roślinnego oraz wtłaczają otaczający rozpuszczalnik do wnętrza komórki i wyciągają go z niej. Po procesie ekstrakcji rozpuszczalnik zawiera docelowe cząsteczki, które można następnie oddzielić (np. przez wirowanie). Ekstrakcja ultradźwiękowa jest dobrze znana z zapewniania wysokich uzysków ekstraktów roślinnych z zachowaniem nienaruszonych składników.

Ultradźwiękowa ekstrakcja z komórek: mikroskopowy przekrój poprzeczny (TS) wierzchołkowej części łodygi mięty (Mentha piperita) pokazuje mechanizm działania podczas ultradźwiękowej ekstrakcji z komórek (powiększenie 2000x) [źródło: Vilkhu i wsp. 2011]

Piperyna

Piperyna (1-piperyol-piperidine) jest głównym związkiem nadającym pieprzowi ostry smak (piper nigrum / piper longum, Piperaceae). Smak pieprzu, jego ostrość, a tym samym jego jakość, są skorelowane z zawartością piperyny. Tę cechę jakościową można zmienić przez hydrolizę piperyny, w wyniku której pierścień piperydynowy ulega rozszczepieniu.
Piperyna jest znana z różnych działań farmakologicznych, np. przeciwgrzybiczego, przeciwbiegunkowego, przeciwzapalnego oraz hamującego aktywność 5-lipooksygenazy i cyklooksygenazy-1. Ponadto piperyna zwiększa biodostępność kurkuminy o 2000%. Dlatego piperyna jest popularną substancją stosowaną w preparatach suplementacyjnych (np. BioPerine®).
Piperynę można ekstrahować z Piper nigrum i Piper longum.
Piperydyna jest cykliczną aminą drugorzędową, której struktura molekularna występuje w wielu alkaloidach roślinnych. Piperydyna powstaje w wyniku hydrolizy piperyny. Piperydyna i jej pochodne są powszechnie stosowanymi elementami budulcowymi w syntezie farmaceutyków i wysokowartościowych chemikaliów.

Pieprz

Piper nigrum, pieprz czarny, jest kwitnącym pnączem z rodziny Piperaceae. Jest uprawiany ze względu na owoce, czyli ziarna pieprzu, które zwykle suszy się i stosuje jako przyprawę do doprawiania potraw. Ziarna pieprzu czarnego, zielonego i białego pozyskuje się z tej samej rośliny pieprzu czarnego. Różne kolory wynikają ze sposobu obróbki i przygotowania ziaren pieprzu. Ziarna pieprzu czarnego uzyskuje się przez gotowanie niedojrzałych pestkowców w gorącej wodzie, a następnie ich suszenie. Pieprz biały zbiera się w postaci w pełni dojrzałych jagód pieprzu; następnie usuwa się ciemną skórkę dojrzałego owocu przez moczenie. Ziarna pieprzu zielonego wytwarza się z niedojrzałych pestkowców przez traktowanie ich dwutlenkiem siarki, konserwowanie w puszkach lub liofilizację w celu zachowania zielonych barwników.

Piper longum Linn, znany również jako indyjski pieprz długi (pipli), jest blisko spokrewniony z Piper nigrum i ma podobny, lecz ostrzejszy smak niż Piper nigrum.
Owoce Piper longum zawierają ok. 1% olejków lotnych, żywicę, alkaloidy piperynę i piperlongumininę, woskowaty alkaloid Nisobutyldeca-trans-2-trans-4-dienamide oraz substancję terpenoidową. Alkaloid piperydynowy piperyna odpowiada za pikantny, ostry smak jagód pieprzu. Piperlongumina jest substancją aktywną farmakologicznie, która wykazuje aktywność przeciwko wielu nowotworom, w tym nowotworom prostaty, piersi, płuc i okrężnicy, chłoniakom, białaczkom, pierwotnym guzom mózgu i rakowi żołądka.
Ponadto w jagodach pieprzu występują następujące ilości składników mineralnych: 1230mg/100g wapnia, 190mg/100g fosforu i 62,1mg/100g żelaza. Korzenie zawierają piperynę, piperlonguminę lub piplartynę oraz dihydrostigmasterol.