Ultrazvuková extrakcia pomocou hlboko eutektických rozpúšťadiel
Hlboko eutektické rozpúšťadlá (DES) a prírodné hlboko eutektické rozpúšťadlá (NADES) sú účinné, prispôsobiteľné a ekologické extrakčné médiá pre rastlinné suroviny, potraviny, nutraceutiká, kozmetiku a farmaceutické zložky. Sondové sonikátory Hielscher zintenzívňujú extrakciu pomocou DES tým, že urýchľujú prenos hmoty, narúšajú štruktúry rastlinných buniek a zlepšujú prenikanie rozpúšťadla – aj pri práci s viskóznymi rozpúšťadlovými systémami, ako sú NADES na báze glycerolu.
Či už v laboratóriu preverujete zloženia rozpúšťadiel, optimalizujete extrakčné parametre pre konkrétnu fytochemickú látku alebo zväčšujete rozsah procesu až na kontinuálnu výrobu v prietokovej linke, ultrazvukové extraktory Hielscher poskytujú reprodukovateľné riadenie amplitúdy, spoľahlivú prevádzku 24/7 a škálovateľné spracovanie od mililitrov až po priemyselné prietoky.
Prečo si výrobcovia extraktov vyberajú Hielscher na extrakciu pomocou DES
- Vyššia účinnosť extrakcie polyfenolov, flavonoidov, kanabinoidov, terpénov, antokyánov a ďalších bioaktívnych zlúčenín
- Rýchlejšia extrakcia v porovnaní s konvenčnou maceráciou a extrakciou rozpúšťadlom v miešanej nádrži
- Kompatibilita s DES, NADES, glycerínom, vodou, etanolom a zmiešanými rozpúšťadlovými systémami
- Účinné spracovanie vysokoviskóznych rozpúšťadiel pomocou sondovej sonikácie s vysokou amplitúdou
- Vsádzkové, recirkulačné a kontinuálne prietokové usporiadania
- Presné riadenie amplitúdy, prívodu energie, teploty a času spracovania
- Jednoduché zväčšovanie rozsahu procesu od skúšok uskutočniteľnosti až po poloprevádzkovú a plnohodnotnú priemyselnú výrobu
Ultrazvuková extrakcia pomocou (prírodných) hlboko eutektických rozpúšťadiel je vysoko účinnou metódou na získavanie špičkových rastlinných extraktov. Na obrázku je ultrazvukový procesor UP400St (400W) s 8L vsádzkou na extrakciu rastlinných látok.
Prečo sonikácia zlepšuje extrakciu pomocou DES a NADES
Ultrazvuková sondová extrakcia pomocou hlboko eutektických rozpúšťadiel a prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel môže pri extrakcii bioaktívnych zlúčenín ponúkať viaceré výhody. Jednou z hlavných výhod je vyššia účinnosť extrakcie fenolových zlúčenín a ďalších fytochemických látok z prírodných zdrojov. Hlboko eutektické rozpúšťadlá sú známe vysokou účinnosťou extrakcie, ktorú možno ešte zvýšiť extrakciou podporovanou ultrazvukom. Vďaka svojej netoxickosti sú vynikajúcou voľbou rozpúšťadla pre farmaceutické a potravinárske výrobky. Ultrazvuková extrakcia pomocou hlboko eutektických rozpúšťadiel je preto ekologickou a udržateľnou metódou získavania bioaktívnych zlúčenín. Bolo vedecky preukázané, že synergické využitie ultrazvuku a hlboko eutektických rozpúšťadiel vedie k vyšším výťažkom rôznych bioaktívnych zlúčenín. Celkovo ultrazvuková sondová extrakcia pomocou hlboko eutektických rozpúšťadiel a prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel poskytuje účinnejší a ekologickejší prístup k extrakcii bioaktívnych zlúčenín.
Ultrazvuková extrakcia antokyánov pomocou DES
Antokyány sú cenné prírodné pigmenty a antioxidanty, ktoré sa nachádzajú v čiernej mrkve, bobuľovom ovocí, hrozne, fialovej kukurici a ďalších rastlinných materiáloch. Hlboko eutektické rozpúšťadlá sú veľmi vhodné na extrakciu antokyánov, pretože ich sieť vodíkových väzieb možno prispôsobiť požiadavkám týchto farebných zlúčenín na polaritu a stabilitu. V kombinácii so sondovou sonikáciou sa extrakcia pomocou DES stáva výrazne účinnejšou: ultrazvuková kavitácia narúša štruktúry rastlinných buniek, zlepšuje prenikanie rozpúšťadla a urýchľuje uvoľňovanie antokyánov do extrakčného média. Štúdia antokyánov z čiernej mrkvy s použitím sonikátora UP400St ukazuje, že DES na báze chloridu cholínu, najmä v kombinácii s extrakciou podporovanou ultrazvukom, môžu predstavovať udržateľnú a účinnú alternatívu ku konvenčnej extrakcii okysleným etanolom alebo metanolom. (porov. Türker et al., 2021)
Ultrazvuková extrakcia polyfenolov pomocou DES
Polyfenoly vrátane flavonoidov, fenolových kyselín a príbuzných antioxidačných zlúčenín sú dôležitými cieľovými molekulami pri extrakcii rastlinných materiálov a pri extrakcii v potravinárstve, nutraceutike a kozmetike. Hlboko eutektické rozpúšťadlá na báze glycerolu sú obzvlášť atraktívne na získavanie polyfenolov, pretože ich polarita a schopnosť vytvárať vodíkové väzby podporujú rozpúšťanie fenolových zlúčenín. Ultrazvuk aplikovaný sondou ďalej zintenzívňuje proces tým, že zvyšuje prenos hmoty, skracuje čas extrakcie a zlepšuje kontakt medzi DES a rastlinnou matricou.
Vo výskumnej štúdii sa použilo DES tvorené glycerolom a octanom amónnym pri ultrazvukom podporovanej extrakcii s optimalizovanými parametrami, ako sú teplota, koncentrácia DES a amplitúda ultrazvuku. Výsledok preukázal, že ultrazvuková extrakcia s DES umožnila účinné získavanie celkových fenolov, flavonoidov a antioxidačnej aktivity z plodov mélie azedarachovej, čím sa preukázal potenciál ultrazvukovej extrakcie s použitím DES ako ekologickej extrakčnej metódy na priemyselné spracovanie rastlinných materiálov. (porov. Jamshed et al., 2022)
- Vysoká účinnosť
- Rýchly proces
- Netoxickosť
- Presná prispôsobiteľnosť konkrétnemu rastlinnému materiálu
- Šetrné podmienky spracovania
- Vsádzkový a prietokový režim
- Jednoduchosť a bezpečnosť
- Šetrnosť k životnému prostrediu / biologická odbúrateľnosť
- Recyklovateľnosť
- Nehorľavosť
- Nízke náklady
- Ľahká dostupnosť
Čo sú hlboko eutektické rozpúšťadlá (DES)?
Hlboko eutektické rozpúšťadlá (DES) sú zmesi aspoň jedného akceptora vodíkovej väzby (HBA) a jedného donora vodíkovej väzby (HBD), medzi ktoré patria karboxylové kyseliny a ďalšie obnoviteľné zlúčeniny. Podľa Cai et al. (2019) „je silná interakcia prostredníctvom vodíkových väzieb medzi HBA a HBD najdôležitejším faktorom pri tvorbe DES.“ [Cai et al. 2019]
Ako donory vodíkovej väzby sa často používajú zlúčeniny, ako sú cukry, aminokyseliny, karboxylové kyseliny (napr. kyselina benzoová, kyselina citrónová, kyselina jantárová) alebo amíny (napr. močovina, benzamid). Potenciál donorov vodíkovej väzby na chemické interakcie je hlavným faktorom prispievajúcim k tvorbe a účinnosti hlboko eutektických rozpúšťadiel. V kombinácii s donormi vodíkovej väzby sa môžu používať aj halogenidové soli, ako sú chlorid cholínu alebo chlorid zinočnatý. Ďalšie hlboko eutektické rozpúšťadlá na báze chloridu cholínu sa tvoria s kyselinou malónovou, fenolom alebo glycerínom. V dôsledku silných interakcií prostredníctvom vodíkových väzieb je teplota topenia hlboko eutektických rozpúšťadiel výrazne nižšia v porovnaní s ich jednotlivými zložkami. Na rozdiel od bežných rozpúšťadiel (napr. etanol, metanol, hexán, bután atď.) sú hlboko eutektické rozpúšťadlá neprchavé, čo znamená, že majú veľmi nízky tlak pár, a preto sú ťažko zápalné. Toxicita hlboko eutektických rozpúšťadiel je nízka, ich biologická odbúrateľnosť je vysoká a potrebné prekurzory sú lacné, ľahko a hojne dostupné, ako aj obnoviteľné.
Prírodné hlboko eutektické rozpúšťadlá (NADES) sú ešte šetrnejšie k životnému prostrediu, pretože všetky prekurzory pochádzajú z prírodných zdrojov. Hlboko eutektické rozpúšťadlá ponúkajú aj nastaviteľnú rozpúšťaciu schopnosť v závislosti od chemických vlastností rozpúšťanej látky a chemických látok použitých na vytvorenie hlboko eutektických rozpúšťadiel. Niektoré prírodné hlboko eutektické rozpúšťadlá vykazujú vysokú viskozitu, a preto nie sú veľmi vhodné na vsádzkovú extrakciu. Prírodné hlboko eutektické rozpúšťadlá s vyššou viskozitou sa však môžu úspešne používať ako rozpúšťadlá pri ultrazvukovej prietokovej extrakcii.
V nasledujúcej tabuľke je uvedených niekoľko príkladov zloženia prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel (NADES) na extrakciu fytochemikálií:
| NADES Composition | Molar Ratio |
|---|---|
| Choline chloride:Lactic acid | 1:2 |
| Choline chloride:Citric acid:Water | 1:1:2 |
| Choline chloride:Malic acid:Water | 1:1:2 |
| Choline chloride:Tartaric acid | 1:2 |
| Choline chloride:Glycerol | 1:2 |
| Choline chloride:1,2-propanediol | 1:3 |
| Choline chloride:Sorbitol | 1:1 |
| Choline chloride:Glucose:Water | 2:1:1 |
| Choline chloride:Fructose:Water | 2:1:1 |
| Choline chloride:Urea | 1:2 |
Priemyselný sonikátor UIP4000hdT s prietokovými celami na kontinuálnu extrakciu priamo v linke
Ako funguje ultrazvuková extrakcia s hlboko eutektickými rozpúšťadlami?
Ultrazvuková extrakcia je založená na sonomechanických účinkoch ultrazvuku s vysokou intenzitou a nízkou frekvenciou. Na podporu a zintenzívnenie extrakcie rastlinných zlúčenín (t. j. bioaktívnych látok) pomocou ultrazvuku sa vysokovýkonné ultrazvukové vlny prenášajú ultrazvukovou sondou (nazývanou aj ultrazvukový roh alebo sonotróda) do kvapalného média, t. j. suspenzie pozostávajúcej z rastlinnej suroviny a (prírodného) hlboko eutektického rozpúšťadla. Ultrazvukové vlny sa šíria kvapalinou a vytvárajú striedajúce sa nízkotlakové / vysokotlakové cykly. Počas nízkotlakových cyklov vznikajú nepatrné vákuové bubliny (takzvané kavitačné bubliny), ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov. Počas týchto cyklov rastu bublín vstupujú plyny rozpustené v kvapaline do vákuových bublín, takže sa vákuové bubliny menia na rastúce plynové bubliny. Po raste počas niekoľkých cyklov dosiahnu vákuové bubliny určitú veľkosť, pri ktorej už nedokážu absorbovať viac energie, takže počas vysokotlakového cyklu prudko implodujú. Implózia bublín sa vyznačuje intenzívnymi kavitačnými silami vrátane veľmi vysokej teploty dosahujúcej až 4000K a tlaku dosahujúceho až 1000atm; ako aj zodpovedajúcimi veľkými rozdielmi teploty a tlaku. Tieto ultrazvukom vytvorené turbulencie a šmykové sily rozrušujú rastlinné bunky a uvoľňujú vnútrobunkové bioaktívne zlúčeniny do (prírodného) hlboko eutektického rozpúšťadla. Ultrazvuková extrakcia otvára bunkovú štruktúru rastlín a zintenzívňuje prenos hmoty medzi rastlinným materiálom a rozpúšťadlom. Sonikácia tým podporuje účinnosť prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel. Ultrazvuková extrakcia s (prírodnými) hlboko eutektickými rozpúšťadlami vedie k mimoriadne vysokým výťažkom za veľmi krátky čas spracovania.
Vlny výkonového ultrazvuku narúšajú bunkovú štruktúru rastlín, uvoľňujú bioaktívne zlúčeniny a podporujú prenos hmoty medzi rastlinným materiálom a rozpúšťadlom (napr. hlboko eutektickými rozpúšťadlami).
Kombinácia ultrazvukovej extrakcie s (prírodnými) hlboko eutektickými rozpúšťadlami vám umožňuje spojiť schopnosť ultrazvuku zintenzívňovať procesy s pozoruhodnými solubilizačnými účinkami a vynikajúcimi možnosťami prispôsobenia zloženia hlboko eutektických rozpúšťadiel. Keďže ultrazvuková extrakcia má vynikajúcu účinnosť, ultrazvukové prístroje sa úspešne používajú aj na extrakciu vodou.
Kontaktujte nás ešte dnes a dozviete sa viac o účinnej ultrazvukovej extrakcii s použitím hlboko eutektických rozpúšťadiel!
Ultrazvukový extraktor UIP2000hdT (2kW) na výrobu rastlinných extraktov
Ultrazvukové extraktory na laboratórnu, poloprevádzkovú a priemyselnú extrakciu s DES
Ultrazvuková extrakcia je spoľahlivá technológia spracovania, ktorá uľahčuje a urýchľuje výrobu vysokokvalitných extraktov z rôznych rastlín s použitím akéhokoľvek rozpúšťadla. Ultrazvuková extrakcia je vysoko kompatibilná s (prírodnými) hlboko eutektickými rozpúšťadlami, ktoré sú výhodné vďaka svojej vynikajúcej solubilizačnej schopnosti, možnosti prispôsobenia zloženia požadovanému extraktu, udržateľnosti, biologickej odbúrateľnosti a šetrnosti k životnému prostrediu. Kombinácia zintenzívnenia procesu pomocou výkonového ultrazvuku s výhodami (prírodných) hlboko eutektických rozpúšťadiel poskytuje tejto technológii spracovania prevahu na mnohých úrovniach. Portfólio Hielscher Ultrasonics pokrýva celý rozsah od kompaktných laboratórnych ultrazvukových prístrojov až po priemyselné extrakčné systémy. Všetky sú samozrejme vhodné na extrakciu s hlboko eutektickými rozpúšťadlami.
Naši pracovníci s dlhoročnými skúsenosťami vám pomôžu od testov uskutočniteľnosti a optimalizácie procesu až po inštaláciu vášho ultrazvukového systému v konečnej výrobnej prevádzke.
| Objem extrakcie | Odporúčaný sonikátor |
|---|---|
| Vývoj metód, výskum a vývoj, skríning | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Viskózne vsádzky DES/NADES | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Poloprevádzková výroba | UIP1000hdT alebo UIP2000hdT (2000W) |
| Kontinuálna priemyselná extrakcia | UIP4000hdT (4000W), UIP6000hdT (6000W), UIP16000hdT (16kW) alebo zostavy viacerých prístrojov |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Často kladené otázky o ultrazvukovej extrakcii s hlboko eutektickými rozpúšťadlami
Čo je ultrazvuková extrakcia s hlboko eutektickými rozpúšťadlami?
Ultrazvuková extrakcia s hlboko eutektickými rozpúšťadlami kombinuje sondovú sonikáciu s rozpúšťadlovými systémami DES alebo NADES. Ultrazvuková sonda vnáša zvukové vlny s vysokou intenzitou do suspenzie rastlinného materiálu v rozpúšťadle. Výsledná kavitácia narúša štruktúry rastlinných buniek, zlepšuje prenikanie rozpúšťadla a urýchľuje prenos bioaktívnych zlúčenín do hlboko eutektického rozpúšťadla.
Prečo používať ultrazvuk na extrakciu s DES a NADES?
Ultrazvuk zlepšuje extrakciu s DES a NADES tým, že zintenzívňuje prenos hmoty, skracuje čas extrakcie a pomáha rozpúšťadlu účinnejšie prenikať k vnútrobunkovým zlúčeninám. To je obzvlášť užitočné pri rastlinných materiáloch, v ktorých sú cieľové zlúčeniny zachytené v rastlinných bunkách, vláknach alebo živicových štruktúrach.
Ktoré zlúčeniny možno extrahovať pomocou DES a NADES pri použití sonikácie?
Ultrazvukovú extrakciu s DES a NADES možno použiť na mnohé bioaktívne zlúčeniny vrátane polyfenolov, flavonoidov, antokyánov, terpénov, kanabinoidov, alkaloidov, antioxidantov, pigmentov, aromatických látok a ďalších fytochemikálií. Zloženie rozpúšťadla by sa malo zvoliť podľa polarity, stability a rozpustnosti cieľovej zlúčeniny.
Sú hlboko eutektické rozpúšťadlá kompatibilné s ultrazvukovými extraktormi Hielscher?
Áno. Sondové sonikátory Hielscher sú vhodné na extrakciu s hlboko eutektickými rozpúšťadlami, prírodnými hlboko eutektickými rozpúšťadlami, rozpúšťadlovými systémami na báze glycerínu, vodou, etanolom a mnohými ďalšími extrakčnými médiami. Pri viskóznych systémoch DES alebo NADES je výkonný sondový sonikátor obzvlášť užitočný, pretože zabezpečuje intenzívne miešanie, kavitáciu a prenos hmoty priamo v kvapaline.
Možno pri ultrazvukovej extrakcii s DES spracovávať rozpúšťadlá s vysokou viskozitou?
Áno. Mnohé formulácie DES a NADES majú vyššiu viskozitu než bežné rozpúšťadlá. Ultrazvukové procesory Hielscher sú veľmi vhodné pre viskózne extrakčné médiá, pretože sonotróda vnáša ultrazvuk s vysokou amplitúdou priamo do zmesi rozpúšťadla a materiálu. Pri väčších objemoch alebo kontinuálnom spracovaní môžu prietokové reaktory zlepšiť miešanie, reguláciu tepla a rovnomernosť procesu.
Je ultrazvuková extrakcia s DES vhodná na výrobu potravín, nutraceutík a kozmetiky?
Áno. DES a NADES sa často volia pre aplikácie, pri ktorých sú dôležité nízka prchavosť, znížené riziká spojené s rozpúšťadlami a nastaviteľná účinnosť extrakcie. V závislosti od zvolených zložiek rozpúšťadla a regulačných požiadaviek možno ultrazvukovú extrakciu s DES použiť na potravinárske prísady, nutraceutické extrakty, kozmetické účinné látky, rastlinné koncentráty a extrakty v kvalite určenej na výskum.
Možno ultrazvukovú extrakciu s DES preniesť do väčšej mierky?
Áno. Ultrazvuková extrakcia sa dá veľmi dobre škálovať, pretože rovnaké procesné parametre – napríklad amplitúdu, prívod energie, čas zdržania, teplotu a pomer tuhej a kvapalnej fázy – možno preniesť z laboratórnych skúšok do poloprevádzkovej a priemyselnej výroby. Hielscher dodáva ultrazvukové extraktory na malé laboratórne vzorky, optimalizáciu na stolových zariadeniach, poloprevádzkové dávky a kontinuálnu priemyselnú prietokovú extrakciu.
Mám pri procesoch s DES použiť dávkovú alebo inline ultrazvukovú extrakciu?
Dávková extrakcia je často najlepšia na laboratórne testovanie, skríning formulácií a malé výrobné objemy. Inline ultrazvuková extrakcia sa zvyčajne uprednostňuje pri poloprevádzkovej a priemyselnej výrobe, pretože zabezpečuje riadený čas zdržania, lepšiu reprodukovateľnosť, jednoduchšie chladenie a kontinuálny výkon spracovania. Najlepšie usporiadanie závisí od viskozity, rastlinného materiálu, podielu rozpúšťadla, cieľovej zlúčeniny a výrobnej kapacity.
Ako si vyberiem správny ultrazvukový extraktor na extrakciu s DES?
Výber správneho ultrazvukového extraktora závisí od objemu vzorky, veľkosti dávky, prietoku, viskozity rozpúšťadla, cieľovej zlúčeniny, teploty extrakcie a výrobného cieľa. Malé laboratórne zariadenia sú vhodné na vývoj metód, zatiaľ čo priemyselné ultrazvukové zariadenia série UIP sa používajú na extrakciu s DES v poloprevádzkovej a výrobnej mierke. Hielscher môže odporučiť konfiguráciu na základe vašej suroviny, rozpúšťadlového systému a požadovaného výkonu spracovania.
Ktoré procesné parametre sú dôležité pri ultrazvukovej extrakcii s DES?
Medzi dôležité parametre patria amplitúda ultrazvuku, prívod energie, čas extrakcie, teplota, zloženie DES alebo NADES, obsah vody, pomer tuhej a kvapalnej fázy, veľkosť častíc, viskozita a prietok. Tieto parametre by sa mali optimalizovať pre každý rastlinný materiál a každú cieľovú zlúčeninu, aby sa dosiahla vysoká výťažnosť, dobrá kvalita extraktu a reprodukovateľná výroba.
Literatúra / Referencie
- Türker, D.A., Doğan, M. (2021): Application of deep eutectic solvents as a green and biodegradable media for extraction of anthocyanin from black carrots. LWT – Food Science and Technology, Volume 138, March 2021.
- Duygu Aslan Türker, Mahmut Doğan (2022): Ultrasound-assisted natural deep eutectic solvent extraction of anthocyanin from black carrots: Optimization, cytotoxicity, in-vitro bioavailability and stability. Food and Bioproducts Processing, Volume 132, 2022. 99-113.
- Sumbal Jamshed, Dildar Ahmed (2022): Optimization of ultrasound-assisted extraction of valuable compounds from fruit of Melia azedarach with glycerol-choline chloride deep eutectic solvent. Sustainable Chemistry and Pharmacy, Volume 29, 2022.
- Křížek, et al. (2018): Menthol-based Hydrophobic Deep Eutectic Solvents: Towards Greener and Efficient Extraction of Phytocannabinoids. Journal of Cleaner Production, 193, 2018. 391-396.
- Chemat F, et al. (2019): Review of Alternative Solvents for Green Extraction of Food and Natural Products: Panorama, Principles, Applications and Prospects. Molecules, vol.24, no.16, 2019. 3007.
- Lores, H.; Romero, Vanesa; Costas Mora, Isabel; Bendicho, Carlos; Lavilla, Isela (2016): Natural deep eutectic solvents in combination with ultrasonic energy as a green approach for solubilisation of proteins: application to gluten determination by immunoassay. Talanta 2017. 453-459.
- Cai, et al. (2019): Green Extraction of Cannabidiol from Industrial Hemp (Cannabis sativa L.) Using Deep Eutectic Solvents Coupled with Further Enrichment and Recovery by Macroporous Resin. Journal of Molecular Liquids, 2019.
Vysokovýkonná ultrazvuková technika! Sortiment produktov Hielscher pokrýva celé spektrum od kompaktného laboratórneho ultrazvukového prístroja cez stolové jednotky až po plne priemyselné ultrazvukové systémy.