Ultradźwiękowa ekstrakcja kwercetyny

Kwercetyna jest jednym z najczęściej badanych polifenoli roślinnych, cenionym za aktywność przeciwutleniającą i rolę w suplementach diety, żywności funkcjonalnej oraz nutraceutykach. Ponieważ kwercetyna i jej glikozydy (np. rutyna, izokwercetyna) są wrażliwe na temperaturę i utlenianie, uzyskanie ekstraktu o wysokiej czystości wymaga wydajnej, a zarazem łagodnej, nietermicznej techniki ekstrakcji. Właśnie w tym doskonale sprawdza się ultradźwiękowa ekstrakcja kwercetyny.

Wysokowydajna technologia ultradźwiękowa do uzyskiwania wysokiej jakości ekstraktów kwercetyny

Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (UAE) wykorzystuje ultradźwięki o dużej mocy i niskiej częstotliwości do mechanicznego rozrywania ścian komórek roślinnych i znacznego zwiększenia transportu masy, uwalniając kwercetynę do rozpuszczalnika w ciągu minut zamiast godzin. W porównaniu z maceracją, ekstrakcją Soxhleta lub trawieniem termicznym ekstrakcja ultradźwiękowa zapewnia wyższe uzyski, krótsze czasy przetwarzania, mniejsze objętości rozpuszczalników i lepsze zachowanie aktywności biologicznej – dzięki czemu stanowi atrakcyjną opcję dla laboratoriów, instalacji pilotażowych oraz produkcji ekstraktów roślinnych i polifenolowych na skalę przemysłową.

Wpływ sonikacji na strukturę komórkową: rozrywanie ścian komórkowych wywołane ultradźwiękami umożliwia uwalnianie kwercetyny i rutyny z Euonymus alatus.
Zdjęcie i badanie: ©Yang i Zhang, 2008.

Dlaczego kwercetyna wymaga łagodnej metody ekstrakcji

Kwercetyna występuje w wielu owocach, warzywach i ziołach – w tym w jabłkach, cebuli, owocach jagodowych, herbacie, winogronach i zielonych warzywach liściastych. Jako polifenol/flawonol może ulegać degradacji pod wpływem długotrwałego ogrzewania, silnie zasadowych warunków lub długiego kontaktu z rozpuszczalnikiem, co obniża uzysk i pogarsza jakość końcowego ekstraktu. Łagodna, nietermiczna metoda o krótkim czasie trwania pomaga zatem zachować zarówno ilość, jak i jakość funkcjonalną (zdolność przeciwutleniającą) wyekstrahowanej kwercetyny.

Jak działa ultradźwiękowa ekstrakcja kwercetyny

Rola kawitacji akustycznej
Ultradźwięki o wysokiej intensywności tworzą w cieczy mikroskopijne pęcherzyki kawitacyjne. Ich implozyjne zapadanie się powoduje powstawanie lokalnych obszarów o wysokiej temperaturze, sił ścinających i mikrostrumieni, które rozrywają ściany komórek roślinnych i rozbijają matryce tkankowe. Otwiera to przedziały komórkowe, w których przechowywana jest kwercetyna, i przyspiesza jej dyfuzję do otaczającego rozpuszczalnika, dzięki czemu związek aktywny uwalnia się szybciej i w większym stopniu.

Typowy przebieg procesu ultradźwiękowej ekstrakcji kwercetyny

1. Przygotowanie: zmiel, pokrój lub poddaj liofilizacji surowy materiał roślinny (np. liście, skórki, nasiona), aby zwiększyć powierzchnię.
2. Wybór rozpuszczalnika: wybierz ekologiczny rozpuszczalnik jakości spożywczej, taki jak woda, etanol lub mieszanina wody i etanolu.
3. Sonikacja: prowadź ekstrakcję w trybie okresowym (z mieszaniem) lub w trybie ciągłym w komorze przepływowej przez 5–30 minut.
4. Rozdzielanie: przefiltruj lub odwiruj ekstrakt i odzyskaj ciecz bogatą w kwercetynę.
5. Zagęszczanie / oczyszczanie: opcjonalnie przeprowadź suszenie, wytrącanie lub oczyszczanie, zależnie od potrzeb.

Uwaga: konkretne czasy, amplitudy i proporcje rozpuszczalników zależą od gatunku rośliny i docelowej matrycy – nasi eksperci ds. procesów mogą pomóc Ci zoptymalizować parametry procesu dla Twojego surowca.

Studium przypadku: ekstrakcja kwercetyny wspomagana ultradźwiękami

Sharifi i in. (2017) wykazali, że ekstrakcja ultradźwiękowa jest skuteczną i praktyczną metodą ekstrakcji flawonoidów, takich jak kwercetyna, z roślin leczniczych. Wykorzystali Hielscher UP400St (400W, patrz zdjęcie po lewej) przy ustawieniu amplitudy na 50%. Liście rzodkwi (Raphanus Sativus) umieszczono w metanolu i poddano sonikacji przez 10 min., co pozwoliło uzyskać kwercetynę z uzyskiem 11,8%. Przewaga ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami w porównaniu z konwencjonalnymi technikami, takimi jak maceracja, ekstrakcja Soxhleta i trawienie termiczne. Ekstrakcja ultradźwiękowa wyróżnia się wyższymi uzyskami, znacznie krótszymi czasami ekstrakcji i mniejszymi ilościami rozpuszczalników. Zastosowanie fal ultradźwiękowych powoduje kawitację, która rozrywa ściany komórkowe materiału roślinnego i wspomaga transport masy. Dzięki temu ekstrakcja ultradźwiękowa jest skuteczniejsza od tradycyjnych metod i doskonale sprawdza się w ekstrakcji kwercetyny z matryc organicznych. Chociaż ekstrakcja ultradźwiękowa wymagała jedynie 10 min. – w porównaniu z czasami ekstrakcji wynoszącymi 24 godz. dla maceracji, 60min. dla trawienia termicznego i 24 godz. dla ekstrakcji Soxhleta – ilość kwercetyny wyekstrahowanej ultradźwiękowo była większa niż w przypadku trawienia, maceracji i ekstrakcji Soxhleta.

Ekstrakcja ultradźwiękowa (UAE) zapewnia znacznie wyższe uzyski kwercetyny przy krótszych czasach ekstrakcji w porównaniu z konwencjonalnymi metodami ekstrakcji.
źródło: Sharifi at al., 2017

Urządzenia do ekstrakcji ultradźwiękowej

Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w produkcji wysokowydajnych procesorów ultradźwiękowych do wytwarzania wysokiej jakości ekstraktów z roślin.
Hielscher oferuje szeroką gamę produktów – od małych, wydajnych sonikatorów laboratoryjnych po wytrzymałe systemy stołowe i w pełni przemysłowe, które dostarczają ultradźwięki o wysokiej intensywności do wydajnej ekstrakcji i izolacji substancji bioaktywnych (np. polifenoli, gingerolu, piperyny, kurkuminy itp.). Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe o mocy od 200 watów do 16 000 watów są wyposażone w kolorowy wyświetlacz do sterowania cyfrowego, zintegrowaną kartę SD do automatycznego rejestrowania danych, zdalne sterowanie przez przeglądarkę oraz wiele innych funkcji ułatwiających obsługę. Sonotrody i komory przepływowe (części mające kontakt z medium) można sterylizować w autoklawie i łatwo je czyścić. Wszystkie nasze sonikatory są przystosowane do pracy 24/7, wymagają niewielkich nakładów na konserwację oraz są łatwe i bezpieczne w obsłudze.
Cyfrowy kolorowy wyświetlacz umożliwia przyjazne dla użytkownika sterowanie sonikatorem, pozwalając na precyzyjną regulację procesu. Nasze systemy mogą zapewniać amplitudy od niskich aż po bardzo wysokie. Do ekstrakcji polifenoli, takich jak kwercetyna, oferujemy specjalne sonotrody ultradźwiękowe (znane również jako sondy lub rogi ultradźwiękowe), zoptymalizowane do łagodnej izolacji wysokiej jakości substancji aktywnych. Wytrzymałość sonikatorów Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Precyzyjna kontrola parametrów procesu ultradźwiękowego zapewnia powtarzalność i standaryzację procesu.