Ultradźwiękowa ekstrakcja kwercetyny

Kwercetyna jest jednym z najczęściej badanych polifenoli roślinnych, cenionym ze względu na swoje właściwości przeciwutleniające oraz rolę w suplementach diety, żywności funkcjonalnej i nutraceutykach. Ponieważ kwercetyna i jej glikozydy (np. rutyna, izokwercetyna) są wrażliwe na działanie wysokich temperatur i utlenianie, uzyskanie ekstraktu o wysokiej czystości wymaga zastosowania wydajnej, a jednocześnie łagodnej, nietermicznej techniki ekstrakcji. Właśnie w tym zakresie ultradźwiękowa ekstrakcja kwercetyny wykazuje wyjątkową skuteczność.

Wysokowydajna ultradźwięki dla wysokiej jakości ekstraktów kwercetyny

Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (UAE) wykorzystuje ultradźwięki o dużej mocy i niskiej częstotliwości do mechanicznego rozbijania ścianek komórek roślinnych oraz znacznego zwiększenia przenoszenia masy, co pozwala na uwolnienie kwercetyny do rozpuszczalnika w ciągu kilku minut zamiast kilku godzin. W porównaniu z maceracją, metodą Soxhleta czy trawieniem termicznym, ekstrakcja ultradźwiękowa zapewnia wyższe wydajności, krótszy czas przetwarzania, mniejsze ilości rozpuszczalnika oraz lepsze zachowanie bioaktywności – co czyni go atrakcyjnym rozwiązaniem dla laboratoriów, zakładów pilotażowych oraz produkcji na skalę przemysłową ekstraktów roślinnych i polifenolowych.

Wpływ ultradźwięków na strukturę komórkową: Wywołane ultradźwiękami przerwanie ścian komórkowych pozwala na uwolnienie kwercetyny i rutyny z Euonymus alatus.
Zdjęcie i opracowanie: ©Yang i Zhang, 2008.

Dlaczego kwercetyna wymaga delikatnej metody ekstrakcji

Kwercetyna występuje w wielu owocach, warzywach i ziołach – w tym jabłka, cebula, jagody, herbata, winogrona i zielone warzywa liściaste. Jako polifenol/flawonol może ulegać rozkładowi pod wpływem długotrwałego ogrzewania, silnie zasadowych warunków lub długotrwałego kontaktu z rozpuszczalnikiem, co obniża wydajność i pogarsza jakość końcowego ekstraktu. Dlatego łagodna, nietermiczna metoda o krótkim czasie trwania pomaga zachować zarówno ilość, jak i właściwości funkcjonalne (zdolność przeciwutleniającą) ekstrahowanej kwercetyny.

Jak działa ekstrakcja kwercetyny metodą ultradźwiękową

Rola kawitacji akustycznej Ultradźwięki o wysokim natężeniu powodują powstawanie mikroskopijnych pęcherzyków kawitacyjnych w cieczy. Ich implozja powoduje powstawanie miejscowych ognisk wysokiej temperatury, sił ścinających oraz mikrostrumieni, które rozrywają ściany komórek roślinnych i rozbijają matryce tkankowe. Powoduje to otwarcie kompartmentów komórkowych, w których przechowywana jest kwercetyna, oraz przyspiesza jej dyfuzję do otaczającego rozpuszczalnika, dzięki czemu związek aktywny jest uwalniany szybciej i w pełniejszym stopniu.

Typowy przebieg procesu ultradźwiękowej ekstrakcji kwercetyny

1. Przygotowanie: zmielić, pokroić lub poddać liofilizacji surowiec roślinny (np. liście, skórki, nasiona) w celu zwiększenia powierzchni.
2. Wybór rozpuszczalnika: wybierz zielony rozpuszczalnik dopuszczony do kontaktu z żywnością, taki jak woda, etanol lub mieszanina wody i etanolu.
3. Sonikacja: przeprowadzać ekstrakcję w trybie wsadowym (z mieszaniem) lub w trybie ciągłym z wykorzystaniem komory przepływowej przez 5–30 minut.
4. Separacja: przefiltrować lub odwirować ekstrakt i odzyskać ciecz bogatą w kwercetynę.
5. Koncentracja / oczyszczanie: w razie potrzeby można wysuszyć, wytrącić lub oczyścić.

Uwaga: konkretne czasy, amplitudy i proporcje rozpuszczalników zależą od gatunku rośliny i matrycy docelowej – Nasi eksperci ds. procesów pomogą Państwu zoptymalizować parametry procesowe pod kątem Państwa surowca.

Studium przypadku: Ekstrakcja kwercetyny wspomagana ultradźwiękami

Sharifi i in. (2017) wykazali, że ekstrakcja ultradźwiękowa jest skuteczną i praktyczną metodą pozyskiwania flawonoidów, takich jak kwercetyna, z roślin leczniczych. Wykorzystali oni urządzenie Hielscher UP400St (400 W, patrz zdjęcie po lewej) przy amplitudzie ustawionej na 50%. Liście rzodkwi (Raphanus sativus) umieszczono w metanolu i poddano działaniu ultradźwięków przez 10 minut, co pozwoliło uzyskać wydajność kwercetyny na poziomie 11,8%.Przewaga ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami w porównaniu z konwencjonalnymi technikami, takimi jak maceracja, ekstrakcja metodą Soxhleta i rozkład termiczny. Ekstrakcja ultradźwiękowa wyróżnia się wyższymi wydajnościami, znacznie krótszym czasem ekstrakcji oraz mniejszym zużyciem rozpuszczalników. Zastosowanie fal ultradźwiękowych powoduje kawitację, która niszczy ściany komórkowe materiału roślinnego i sprzyja transferowi masy. W związku z tym ekstrakcja ultradźwiękowa jest bardziej skuteczna niż metody tradycyjne i wyróżnia się w ekstrakcji kwercetyny z matryc organicznych. Chociaż ekstrakcja ultradźwiękowa trwała zaledwie 10 min. – w porównaniu z czasami ekstrakcji wynoszącymi 24 godziny w przypadku maceracji, 60 minut w przypadku trawienia termicznego i 24 godziny w przypadku ekstrakcji Soxhleta – Ilość ultradźwiękowo ekstrahowanej kwercetyny była wyższa niż w przypadku trawienia, maceracji i ekstrakcji Soxhleta.

Ekstrakcja ultradźwiękowa (UAE) daje znacznie wyższą wydajność kwercetyny w krótszych czasach ekstrakcji w porównaniu z konwencjonalnymi metodami ekstrakcji.
źródło: Sharifi i in., 2017

sprzęt do ekstrakcji ultradźwiękowej

Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w produkcji wysokowydajnych procesorów ultradźwiękowych do produkcji wysokiej jakości ekstraktów z roślin.
Hielscher oferuje szeroką gamę produktów, od małych, wydajnych ultrasonografów laboratoryjnych po solidne systemy stołowe i w pełni przemysłowe, które zapewniają ultradźwięki o wysokiej intensywności do wydajnej ekstrakcji i izolacji substancji bioaktywnych (np. polifenoli), gingerol, piperyna, kurkumina itp.). Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe o mocy od 200 W do 16 000 W są wyposażone w kolorowy wyświetlacz do sterowania cyfrowego, zintegrowaną kartę SD do automatycznego rejestrowania danych, zdalne sterowanie przez przeglądarkę i wiele innych przyjaznych dla użytkownika funkcji. Sonotrody i komórki przepływowe (części, które są w kontakcie z medium) mogą być sterylizowane w autoklawie i są łatwe do czyszczenia. Wszystkie nasze ultradźwięki są przeznaczone do pracy w trybie 24/7, wymagają niewielkiej konserwacji i są łatwe i bezpieczne w obsłudze.
Cyfrowy kolorowy wyświetlacz pozwala na przyjazne dla użytkownika sterowanie ultradźwiękowcem, dzięki czemu proces jest precyzyjnie regulowany. Nasze systemy są w stanie dostarczyć od niskich do bardzo wysokich amplitud. Do ekstrakcji polifenoli, takich jak kwercetyna, oferujemy specjalne sonotrody ultradźwiękowe (znane również jako sondy ultradźwiękowe lub rogi), które są zoptymalizowane pod kątem rozsądnej izolacji wysokiej jakości substancji czynnych. Wytrzymałość sonikatorów Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach.
Precyzyjna kontrola parametrów procesu ultradźwiękowego zapewnia powtarzalność i standaryzację procesu.