Фитохимия и обработка ультразвуком: высокоэффективная ультразвуковая экстракция биоактивных веществ растений
Фитохимия – это наука о химических соединениях растительного происхождения – от полифенолов, флавоноидов и алкалоидов до терпенов, сапонинов, гликозидов, пигментов, антиоксидантов и компонентов эфирных масел. Эти фитохимические соединения представляют ценность для производства нутрицевтиков, фармацевтических препаратов, косметики, пищевых ингредиентов, натуральных красителей, ароматических веществ, растительных экстрактов и проведения аналитических исследований.
Усовершенствуйте экстракцию фитохимических соединений с помощью ультразвуковых гомогенизаторов Hielscher
Извлекайте больше биоактивных веществ за меньшее время
Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher зондового типа интенсифицируют экстракцию из растительного сырья, разрушая растительные клетки и ускоряя массоперенос. Это позволяет извлекать фитохимические соединения с высоким выходом из трав, корней, листьев, цветов, плодов, семян, коры, водорослей и других растительных материалов.
Почему стоит выбрать системы ультразвуковой экстракции Hielscher
- Более высокий выход экстракции: Извлекайте больше целевых соединений из того же растительного сырья.
- Более короткое время обработки: Замените длительную мацерацию или этапы экстракции, требующие интенсивного нагрева, быстрой обработкой ультразвуком.
- Мягкая, нетермическая экстракция: Сохраняйте термочувствительные фитохимические соединения, такие как полифенолы, терпены, антоцианы, витамины и антиоксиданты.
- Гибкость выбора растворителя: Используйте воду, этанол, водно-этанольные смеси, глицерин, масла, глубокие эвтектические растворители или другие подходящие экстракционные среды.
- Точное управление процессом: Регулируйте амплитуду, мощность, подводимую энергию, время, температуру, давление и расход.
- Линейное масштабирование: Разрабатывайте параметры экстракции в лаборатории и переносите их в опытное и промышленное производство.
- Периодический и поточный режимы работы: Выбирайте обработку ультразвуком в лабораторном стакане, обработку в ёмкости с мешалкой или непрерывную проточную экстракцию.
- Надёжная промышленная конструкция: Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher разработаны для работы в сложных производственных условиях, воспроизводимой обработки и простой интеграции.
Ультразвуковой гомогенизатор UIP1000hdT для экстракции фитохимических соединений
Обработка ультразвуком для более быстрой, чистой и полной экстракции фитохимических соединений
Для использования фитохимических соединений в рецептурах, анализах или коммерческих продуктах их сначала необходимо высвободить из растительной матрицы. Именно здесь обработка ультразвуком стала одной из наиболее эффективных технологий экстракции. Ультразвуковые гомогенизаторы зондового типа создают интенсивную акустическую кавитацию в жидкостях и суспензиях. Возникающие микротурбулентность, силы сдвига и колебания давления разрушают растительные клетки, улучшают проникновение растворителя и ускоряют перенос биоактивных молекул в экстракционную среду.
Hielscher Ultrasonics поставляет высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для экстракции фитохимических соединений – от лабораторных исследований до полномасштабного промышленного производства. Разрабатываете ли вы растительный экстракт, оптимизируете подготовку аналитических образцов или масштабируете процесс производства ингредиентов растительного происхождения, обработка ультразвуком обеспечивает точный контроль интенсивности экстракции, воспроизводимости и производительности.
Ультразвуковой гомогенизатор UP200Ht для экстракции фитохимических соединений
Что такое обработка ультразвуком в фитохимии?
Обработка ультразвуком – это воздействие ультразвука высокой мощности на жидкость или суспензию. В фитохимии обработку ультразвуком чаще всего используют для экстракции с помощью ультразвука, подготовки образцов, разрушения клеток, диспергирования, эмульгирования и интенсификации процессов.
Когда ультразвуковой зонд высокой интенсивности передаёт звуковые волны в экстракционную среду, чередующиеся циклы высокого и низкого давления создают акустическую кавитацию. Кавитационные пузырьки растут и резко схлопываются. Это схлопывание создаёт локальные силы сдвига, микроструи жидкости и эффекты интенсивного перемешивания.
При экстракции из растительного сырья эти эффекты помогают:
- разрушать клеточные стенки и мембраны
- улучшать доступ растворителя к внутриклеточным соединениям
- уменьшать толщину пограничных слоёв вокруг растительных частиц
- улучшать диффузию фитохимических соединений в растворитель
- сокращать время экстракции
- повышать воспроизводимость
- снижать потребность в чрезмерном нагреве или длительном воздействии растворителя
Результатом становится более быстрый, эффективный и зачастую более щадящий процесс экстракции по сравнению с традиционными методами мацерации, настаивания, перколяции или экстракции с обратным холодильником.
Почему обработка ультразвуком важна для современной экстракции фитохимических соединений
Растительное сырьё имеет сложную структуру. Биоактивные соединения заключены в растительных клетках, связаны со структурными компонентами или распределены по разным тканям. Традиционная экстракция часто требует длительного времени пребывания, больших объёмов растворителя или повышенных температур. Эти условия могут быть неэффективными и могут приводить к разрушению термолабильных соединений.
Экстракция с помощью ультразвука позволяет преодолеть эти ограничения за счёт интенсификации физического высвобождения фитохимических соединений. Вместо того чтобы полагаться только на пассивную диффузию, обработка ультразвуком активно разрушает растительную матрицу и усиливает массоперенос.
Это делает ультразвуковую экстракцию особенно полезной, когда производителям необходимы:
- более высокий выход из дорогостоящего растительного сырья
- более короткие производственные циклы
- меньший расход растворителя
- улучшенная экстракция термочувствительных соединений
- воспроизводимая экстракция для контроля качества
- масштабируемая обработка от лаборатории до производства
- совместимость с экологичными растворителями и ингредиентами для продуктов с «чистой этикеткой»
В фитохимических исследованиях обработка ультразвуком также улучшает подготовку аналитических образцов. Лаборатории могут быстро и воспроизводимо извлекать целевые соединения перед анализом методами HPLC, GC-MS, LC-MS, UV-Vis, определением антиоксидантной активности или другими аналитическими методами.
Традиционные методы и методы экстракции – сравнение
| Традиционный метод экстракции | Ограничения традиционного метода | Преимущество обработки ультразвуком |
|---|---|---|
| Мацерация | Мацерация проста, но протекает медленно. Для достижения приемлемого выхода экстракции могут потребоваться часы, дни или даже недели. | Обработка ультразвуком ускоряет экстракцию, основанную на том же принципе извлечения растворителем, за счёт активного разрушения растительных клеток и улучшения диффузии. Это может существенно сократить время обработки. |
| Экстракция с обратным холодильником | При экстракции с обратным холодильником нагрев используют для улучшения растворимости и массопереноса. Однако нагрев может разрушать чувствительные фитохимические соединения и увеличивать энергопотребление. | Обработка ультразвуком обеспечивает высокую эффективность экстракции при более низких температурах, что делает её подходящей для термочувствительных растительных соединений. |
| Экстракция в аппарате Сокслета | Экстракция в аппарате Сокслета широко применяется в лабораториях, но требует большого количества растворителя и занимает много времени. | Ультразвуковая экстракция может уменьшить объём растворителя и время экстракции, что делает её привлекательной для аналитической работы, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и разработки процессов. |
| Механическое перемешивание | Перемешивание мешалкой улучшает смешивание, но не обеспечивает такого же разрушения клеток за счёт кавитации, как ультразвук зондового типа. | Обработка ультразвуком объединяет перемешивание, деагломерацию частиц и разрушение клеток в одном технологическом этапе, обеспечивая более интенсивную экстракцию. |
Периодическая и поточная обработка ультразвуком для получения растительных экстрактов
Периодическая ультразвуковая экстракция
Периодическая обработка ультразвуком идеально подходит для лабораторных исследований, разработки рецептур, мелкосерийного производства и гибкой обработки. Ультразвуковой гомогенизатор зондового типа вводят в сосуд, содержащий суспензию растительного сырья в растворителе. Периодическую обработку легко организовать, и она отлично подходит для подбора таких параметров, как тип растворителя, амплитуда, время экстракции и температура.
Непрерывная поточная ультразвуковая экстракция
Для больших объёмов производства предпочтительна непрерывная поточная обработка ультразвуком. Растительную суспензию прокачивают через ультразвуковую проточную ячейку, где она подвергается контролируемой кавитации. Поточная обработка улучшает воспроизводимость, управление процессом и производительность. Она также делает масштабирование более предсказуемым, поскольку подводимую энергию, время пребывания и расход можно точно задавать.
Промышленные ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher предназначены для непрерывной работы и могут быть интегрированы с насосами, теплообменниками, накопительными ёмкостями, системами фильтрации, регенерации растворителя и последующего концентрирования.
В таблице ниже приведены ориентировочные значения производительности наших ультразвуковых гомогенизаторов для экстракции из растительного сырья
| Объём партии | Расход | Рекомендуемый ультразвуковой гомогенизатор |
|---|---|---|
| от 1 до 500mL | от 10 до 200mL/min | UP100H |
| от 10 до 2000mL | от 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| от 0,1 до 20L | от 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| от 10 до 100L | от 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| от 15 до 150L | от 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | от 10 до 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | больше | кластер из UIP16000hdT |
Фитохимические соединения, извлекаемые обработкой ультразвуком
Обработка ультразвуком подходит для широкого спектра классов фитохимических соединений. Результат экстракции зависит от растительного сырья, размера частиц, растворителя, температуры, амплитуды ультразвука, времени пребывания и последующего разделения.
Полифенолы и флавоноиды
Полифенолы и флавоноиды относятся к наиболее изученным фитохимическим соединениям благодаря своим антиоксидантным свойствам и значимости для пищевых, нутрицевтических и косметических рецептур. Ультразвуковая экстракция усиливает высвобождение фенольных кислот, катехинов, кверцетина, рутина, антоцианов и родственных соединений из листьев, плодов, кожуры, цветов, семян и коры.
Терпены и компоненты эфирных масел
Терпены и ароматические соединения важны для растительных экстрактов, парфюмерных композиций, пищевых ароматизаторов и переработки каннабиса или конопли. Обработка ультразвуком может улучшать экстракцию из растительных тканей, позволяя при этом поддерживать щадящий температурный режим, что важно для летучих и чувствительных к окислению соединений.
Алкалоиды
Алкалоиды встречаются во многих лекарственных растениях и часто извлекаются для аналитических, фармацевтических или нутрицевтических целей. Обработка ультразвуком улучшает разрушение матрицы и может ускорять перенос алкалоидов в подходящие растворители.
Сапонины, гликозиды и танины
Многие корни, травы, бобовые и лекарственные растения содержат сапонины, гликозиды и танины. Обработка ультразвуком помогает высвобождать эти соединения из волокнистых или плотных растительных матриц и может быть оптимизирована для достижения баланса между выходом экстракции и селективностью.
Пигменты и антиоксиданты
Натуральные пигменты, такие как антоцианы, хлорофиллы, каротиноиды и беталаины, представляют ценность для производства пищевых продуктов, напитков, косметики и аналитических применений. Поскольку многие пигменты чувствительны к нагреву, кислороду и pH, ультразвуковая экстракция при контролируемой температуре имеет значительные преимущества.
Каннабиноиды и фитохимические соединения конопли
Конопля и каннабис содержат каннабиноиды, терпены, флавоноиды и другие растительные компоненты. Ультразвуковая экстракция улучшает высвобождение этих соединений из измельчённой биомассы и может быть адаптирована к этанолу, водно-этанольным или другим системам растворителей.
Ультразвуковая экстракция фитохимических соединений
Часто задаваемые вопросы: обработка ультразвуком и фитохимия
Что такое обработка ультразвуком в фитохимии?
Обработка ультразвуком в фитохимии – это использование ультразвука высокой мощности для извлечения, высвобождения или обработки химических соединений растительного происхождения. Она широко применяется для экстракции с помощью ультразвука таких фитохимических соединений, как полифенолы, флавоноиды, терпены, алкалоиды, пигменты, антиоксиданты и компоненты эфирных масел.
Как обработка ультразвуком извлекает фитохимические соединения из растений?
Обработка ультразвуком создаёт акустическую кавитацию в экстракционной жидкости. Кавитация вызывает силы сдвига, микроструи и интенсивное перемешивание, которые разрушают структуры растительных клеток и улучшают проникновение растворителя. Это ускоряет перенос фитохимических соединений из растительной матрицы в растворитель.
Какие фитохимические соединения можно извлекать с помощью ультразвука?
Ультразвуковую экстракцию можно использовать для извлечения полифенолов, флавоноидов, антоцианов, терпенов, каннабиноидов, алкалоидов, сапонинов, танинов, гликозидов, хлорофиллов, каротиноидов, компонентов эфирных масел и многих других соединений растительного происхождения.
Подходит ли ультразвуковая экстракция для термочувствительных фитохимических соединений?
Да. При надлежащем контроле температуры обработка ультразвуком считается мягким, нетермическим методом экстракции. Это делает её подходящей для термочувствительных соединений, таких как антиоксиданты, пигменты, терпены и некоторые витамины.
Лучше ли обработка ультразвуком с помощью зонда, чем ультразвуковая ванна, для экстракции фитохимических соединений?
Для эффективной экстракции обработка ультразвуком с помощью зонда, как правило, значительно мощнее и лучше поддаётся управлению, чем обработка в ультразвуковой ванне. Ультразвуковой гомогенизатор зондового типа передаёт энергию непосредственно в жидкость, создавая интенсивную кавитацию в образце или технологическом потоке. Ультразвуковые ванны обеспечивают значительно меньшую интенсивность и не обеспечивают воспроизводимых результатов при выполнении сложных задач экстракции. Посмотрите, как различаются результаты ультразвуковой экстракции при сравнении ультразвукового гомогенизатора зондового типа с ультразвуковой ванной!
Какие растворители можно использовать для ультразвуковой экстракции фитохимических соединений?
К распространённым растворителям относятся вода, этанол, смеси этанола с водой, глицерин, масла и другие растворители, подходящие для конкретного применения. Для аналитической экстракции могут использоваться метанол или другие лабораторные растворители. Обработку ультразвуком также можно сочетать с глубокими эвтектическими растворителями и природными глубокими эвтектическими растворителями.
Может ли обработка ультразвуком сократить время экстракции?
Да. Ультразвуковая экстракция может значительно сокращать время экстракции по сравнению с традиционной мацерацией, настаиванием или экстракцией растворителем, поскольку кавитация ускоряет разрушение клеток и массоперенос.
Можно ли масштабировать ультразвуковую экстракцию?
Да. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher доступны для работы от лабораторного до промышленного масштаба. Процессы, разработанные при контролируемых параметрах, таких как амплитуда, подводимая энергия, температура и время пребывания, можно переносить в более крупные системы периодической или непрерывной поточной обработки.
Подходит ли обработка ультразвуком для промышленной экстракции из растительного сырья?
Да. Промышленные ультразвуковые гомогенизаторы с проточными реакторами могут непрерывно обрабатывать растительные суспензии. Это делает обработку ультразвуком подходящей для коммерческого производства нутрицевтических экстрактов, растительных настоек, косметических активных компонентов, пищевых ингредиентов и биоактивных веществ растительного происхождения.
Каковы основные преимущества ультразвуковых гомогенизаторов Hielscher для фитохимии?
Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher обеспечивают мощную кавитацию, точное управление параметрами, воспроизводимую экстракцию, периодический и поточный режимы работы, возможность выбора масштабируемого оборудования и совместимость со многими растворителями и растительными материалами. Они подходят для исследований, разработки процессов и полномасштабного производства.
Как выбрать подходящий ультразвуковой экстрактор?
Выбор наилучшего ультразвукового экстрактора зависит от вашего растительного сырья, целевых соединений, растворителя, объёма, содержания твёрдых веществ, температурных ограничений и требуемой производительности. Hielscher может порекомендовать подходящий лабораторный, опытный или промышленный ультразвуковой гомогенизатор с учётом вашего процесса экстракции.
Литература / Ссылки
- Turrini, Federica; Donno, Dario; Beccaro, Gabriele; Zunin, Paola; Pittaluga, Anna; Boggia, Raffaella (2019): Pulsed Ultrasound-Assisted Extraction as an Alternative Method to Conventional Maceration for the Extraction of the Polyphenolic Fraction of Ribes nigrum Buds: A New Category of Food Supplements Proposed by The FINNOVER Project. Foods. 8. 466; 2019
- Larasati, I.D.; Oktaviani, N.M.D.; Lioe, H.N.; Estiasih, T.; Palma, M.; Setyaningsih, W. (2023): Optimization of Ultrasound-Assisted Cold-Brew Method for Developing Roselle (Hibiscus sabdariffa L.)-Based Tisane with High Antioxidant Activity. Beverages, 9, 58; 2023.
- Turrini, F.; Beruto, M.; Mela, L.; Curir, P.; Triglia, G.; Boggia, R.; Zunin, P.; Monroy, F. (2021): Ultrasound-Assisted Extraction of Lavender (Lavandula angustifolia Miller, Cultivar Rosa) Solid By-Products Remaining after the Distillation of the Essential Oil. Applied Sciences 11, 2021.
- 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.
- высокая эффективность
- самые современные технологии
- надёжность и прочность
- регулируемое, точное управление процессом
- периодический и поточный режимы
- для любого объёма
- интеллектуальное программное обеспечение
- интеллектуальные функции (например, возможность программирования, протоколирование данных, дистанционное управление)
- простота и безопасность эксплуатации
- минимальное техническое обслуживание
- CIP (безразборная мойка)
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лабораторного до промышленного масштаба.