Rozpúšťadlá na ultrazvukovú extrakciu z rastlín

• Ultrazvuková extrakcia ponúka mnohé výhody, ako sú vysoké výťažky, vysoká rýchlosť extrakcie, šetrnosť k životnému prostrediu a nízka spotreba energie.
• Jednou z najvýznamnejších výhod je použitie vody ako extrakčného média. Sonikáciu však možno použiť s rozmanitými systémami rozpúšťadiel na dosiahnutie vynikajúcich výsledkov pri získavaní požadovaného extraktu.
• Optimálne rozpúšťadlo na ultrazvukovú extrakciu rastlinných bioaktívnych látok sa vyberá s ohľadom na surovinu.

Ultrazvuková extrakcia

Ultrazvuk je dobre známy svojou schopnosťou narúšať bunkové štruktúry a zlepšovať prenos hmoty, čím zvyšuje extrahovateľnosť biologických zlúčenín (napr. fenolových zlúčenín, karotenoidov).
Keďže mechanické účinky sonikácie vďaka zlepšenému prenosu hmoty výrazne zintenzívňujú proces extrakcie, použitie organických rozpúšťadiel je často zbytočné. To znamená, že pri ultrazvukovej extrakcii je voda často postačujúcim extrakčným médiom, ktoré má mnohé výhody: je lacné, bezpečné, ľahko dostupné a šetrné k životnému prostrediu.
Pri niektorých bioaktívnych zlúčeninách však možno najlepšie výsledky dosiahnuť ultrazvukovou extrakciou v kombinácii s prchavým rozpúšťadlom.
Pri výbere správneho rozpúšťadla je potrebné zohľadniť surovinu (napr. čerstvý alebo sušený, macerovaný/rozomletý alebo práškový rastlinný materiál) a cieľové látky (napr. lipofilné, hydrofilné).
 

Nasledujúca tabuľka uvádza niekoľko osvedčených extrakčných rozpúšťadiel, ktoré sa používajú na ultrazvukovú extrakciu z rastlinného materiálu.

Silné ultrazvukové vlny narúšajú bunkovú matricu biologických štruktúr a uvoľňujú bioaktívne zlúčeniny. Prenos hmoty medzi rastlinným materiálom a rozpúšťadlom sa zintenzívňuje. Vďaka týmto mechanizmom je ultrazvuková extrakcia vysoko účinná pri extrakcii z rastlín.

Ultrazvukové prístroje na extrakciu

Od laboratórnych a stolových ultrazvukových prístrojov až po plne priemyselné ultrazvukové extrakčné systémy – Hielscher Ultrasonics je vaším partnerom s dlhoročnými skúsenosťami, pokiaľ ide o výkonné a spoľahlivé ultrazvukové prístroje na úspešné extrakčné procesy.
Naše ultrazvukové systémy sa široko používajú v biochemických laboratóriách a farmaceutických výrobných závodoch. Ultrazvukové sonotródy a reaktory možno sterilizovať v autokláve a spĺňajú normy farmaceutickej výroby.

Priemyselné sonikátory Hielscher dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy na narušenie bunkových matríc a uvoľnenie cieľových látok. Amplitúdy až do 200µm možno bez problémov nepretržite udržiavať v prevádzke 24/7. Výkon a robustnosť ultrazvukových prístrojov Hielscher zabezpečujú vysoké výťažky, vysokú rýchlosť extrakcie a úplnejšiu extrakciu – čím prekonávajú konvenčné extrakčné procesy.
Naše ultrazvukové procesory možno kombinovať s konvenčnými extrakčnými metódami, ako je Soxhletova extrakcia alebo extrakcia superkritickým CO2. Dodatočné začlenenie do existujúcich výrobných liniek možno ľahko uskutočniť.

Literatúra / Referencie

• Dent M., Dragović-Uzelac V., Elez Garofulić I., Bosiljkov T., Ježek D., Brnčić M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound Assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q. 29(3), 2015. 475–484.
• 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.

Užitočné fakty

Ultrazvuková extrakcia pomocou kavitácie

Intenzívne ultrazvukové vlny vytvárajú akustickú kavitáciu v kvapalinách. Kavitačné šmykové sily narúšajú bunkovú stenu a membrány, čím sa uvoľňuje vnútrobunkový materiál. Ultrazvuková extrakcia zabezpečuje hlbšie prenikanie rozpúšťadla do rastlinného pletiva a zlepšuje prenos hmoty. Tým ultrazvuková extrakcia výrazne zintenzívňuje extrakčný proces, čo vedie k vyšším výťažkom, vyššej rýchlosti extrakcie a úplnejšej extrakcii.

Rozpúšťadlové systémy

Na extrakciu bioaktívnych zlúčenín z rastlinného materiálu sú k dispozícii rôzne rozpúšťadlové systémy. Na extrakciu hydrofilných zlúčenín sa väčšinou volia polárne rozpúšťadlá, ako sú metanol, etanol alebo etylacetát, zatiaľ čo na extrakciu lipofilných zlúčenín (napr. lipidov) sa uprednostňujú rozpúšťadlové systémy, ako sú dichlórmetán alebo dichlórmetán/metanol (v/v 1:1). Hexán sa často používa ako rozpúšťadlo na extrakciu chlorofylu.

Čo sú bioaktívne zlúčeniny?

Bioaktívne zlúčeniny alebo fytochemikálie sú definované ako látky, ktoré majú vplyv na živé organizmy, tkanivá alebo bunky. Medzi biologicky aktívne látky patria antibiotiká, enzýmy a vitamíny. Bioaktívne látky, ako sú karotenoidy a polyfenoly, možno extrahovať napr. z ovocia, listov a zeleniny, zatiaľ čo fytosteroly sa nachádzajú v rastlinných olejoch.
Medzi bioaktívne zlúčeniny rastlinného pôvodu patria flavonoidy, kofeín, karotenoidy, cholín, ditioltióny, fytosteroly, polysacharidy, fytoestrogény, glukozinoláty, polyfenoly a antokyány. Mnohé bioaktívne látky sú cenené pre svoje antioxidačné pôsobenie, a preto sa považujú za zdraviu prospešné.

Ako si vybrať najlepšie extrakčné rozpúšťadlo?

Nasledujúce pokyny vám pomôžu vybrať vhodné rozpúšťadlo na ultrazvukovú extrakciu z rastlín. Keďže sonikácia je kompatibilná s akýmkoľvek štandardným rozpúšťadlom, môžete si vybrať najvhodnejšie rozpúšťadlo vzhľadom na vašu rastlinnú surovinu, cieľové fytochemikálie a nákladovú efektívnosť.

• Selektivita: Vyberte si rozpúšťadlo, ktoré cielene rozpúšťa požadované zlúčeniny, pričom nežiaduce zložky zostávajú nerozpustené. Napríklad na polárne zlúčeniny, ako sú alkaloidy a flavonoidy, použite etanol.
• Rozpustnosť: Na základe princípu „podobné sa rozpúšťa v podobnom“ si vyberte rozpúšťadlo s polaritou podobnou polarite rozpúšťanej látky. Polárne rozpúšťadlá (napr. voda, etanol) rozpúšťajú polárne zlúčeniny, zatiaľ čo nepolárne rozpúšťadlá (napr. hexán) rozpúšťajú nepolárne zlúčeniny, ako sú lipidy a oleje.
• Náklady: Zvážte nákladovú efektívnosť rozpúšťadla. Niektoré rozpúšťadlá môžu byť drahšie, ale ponúkajú vyššie výťažky alebo lepšiu selektivitu, čím vyvažujú celkové náklady na extrakciu.
• Bezpečnosť: Uistite sa, že rozpúšťadlo je bezpečné pri používaní a manipulácii. Medzi posudzované faktory patria toxicita, horľavosť a vplyv na životné prostredie. Napríklad voda a etanol sú bezpečnejšou voľbou v porovnaní s chloroformom alebo toluénom.

Polarita a výber rozpúšťadla
Podľa zákona podobnosti a vzájomnej miešateľnosti budú rozpúšťadlá s hodnotou polarity blízkou polarite rozpúšťanej látky pravdepodobne účinnejšie. Tu je niekoľko príkladov:

• Polárne rozpúšťadlá: Voda, etanol, metanol – používajú sa na extrakciu polárnych zlúčenín, ako sú alkaloidy, flavonoidy, glykozidy a bielkoviny.
• Stredne polárne rozpúšťadlá: Acetón, etylacetát, izopropanol – vhodné na extrakciu širokého spektra zlúčenín vrátane fenolových zlúčenín a niektorých alkaloidov.
• Nepolárne rozpúšťadlá: Hexán, toluén, petroléter – ideálne na extrakciu nepolárnych zlúčenín, ako sú lipidy, vosky, terpény a éterické oleje.

Príklady použitia rozpúšťadiel

• Etanol: Jedno z najbežnejších rozpúšťadiel na extrakciu z rastlín. Ako polárne rozpúšťadlo etanol rozpúšťa polárne zlúčeniny, ako sú alkaloidy a flavonoidy.
• Voda: Univerzálne rozpúšťadlo, ktoré sa často používa na extrakciu hydrofilných zlúčenín, ako sú polysacharidy, bielkoviny a niektoré glykozidy.
• Metanol: Vysoko polárne rozpúšťadlo účinné pri extrakcii širokého spektra rastlinných zlúčenín vrátane fenolových zlúčenín, flavonoidov a niektorých alkaloidov.
• Hexán: Nepolárne rozpúšťadlo používané predovšetkým na extrakciu nepolárnych zlúčenín, ako sú lipidy, vosky a éterické oleje.
• Acetón: Acetón je polárne aprotické rozpúšťadlo účinné pri extrakcii širokého spektra rastlinných zlúčenín, najmä tých, ktoré sú menej polárne než zlúčeniny extrahované vodou alebo metanolom.
• Izopropanol: Polárne rozpúšťadlo podobné etanolu, bežne používané na extrakciu éterických olejov, živíc a niektorých alkaloidov.
• Chloroform: Nepolárne rozpúšťadlo účinné pri extrakcii alkaloidov, terpenoidov a niektorých glykozidov. Pre svoju toxicitu sa používa menej často.
• Etylacetát: Stredne polárne rozpúšťadlo používané na extrakciu rôznych zlúčenín vrátane flavonoidov, alkaloidov a fenolových zlúčenín.
• Toluén: Nepolárne rozpúšťadlo používané na extrakciu nepolárnych zlúčenín, ako sú éterické oleje, terpény a vosky.
• Butanol: Stredne polárne rozpúšťadlo účinné pri extrakcii zlúčenín so strednou polaritou vrátane niektorých glykozidov a saponínov.
• Petroléter: Nepolárne rozpúšťadlo používané predovšetkým na extrakciu tukov, olejov a iných nepolárnych zlúčenín z rastlinných materiálov.

Nasledujúce rozpúšťadlá boli testované vo výskumných štúdiách skúmajúcich ultrazvukovú extrakciu konkrétnych rastlinných materiálov a fytochemikálií.

Čo sú organické rozpúšťadlá?

Organické rozpúšťadlo je druh prchavej organickej zlúčeniny (VOC). VOC sú organické chemické látky, ktoré sa odparujú pri izbovej teplote.
Medzi organické zlúčeniny používané ako rozpúšťadlá patria:

• aromatické zlúčeniny, napr. benzén a toluén
• alkoholy, napr. metanol
• estery a étery
• ketóny, napr. acetón
• amíny
• nitrované a halogénované uhľovodíky

Mnohé organické rozpúšťadlá sú klasifikované ako toxické alebo karcinogénne. Pri nesprávnej manipulácii môžu byť nebezpečné pre ľudí a môžu kontaminovať vzduch, vodu a pôdu. Vďaka účinnému mechanizmu ultrazvukovej extrakcie sa možno vyhnúť používaniu organických rozpúšťadiel ich nahradením šetrnejšími, netoxickými rozpúšťadlami.