Ultrazvočna ekstrakcija z globokimi evtektičnimi topili
Globoka evtektična topila (DES) in naravna globoka evtektična topila (NADES) so učinkoviti, prilagodljivi in okolju prijazni ekstrakcijski mediji za rastlinske materiale, živila, nutracevtike, kozmetiko in farmacevtske sestavine. Sonikatorji Hielscher s sondo intenzivirajo ekstrakcijo z DES s pospeševanjem prenosa snovi, razgradnjo rastlinskih celičnih struktur in izboljšanjem prodiranja topila – tudi pri delu z viskoznimi sistemi topil, kot so NADES na osnovi glicerola.
Ne glede na to, ali v laboratoriju presejalno preizkušate formulacije topil, optimizirate ekstrakcijske parametre za določeno fitokemikalijo ali povečujete obseg do neprekinjene proizvodnje v liniji, ultrazvočni ekstraktorji Hielscher zagotavljajo ponovljiv nadzor amplitude, zanesljivo delovanje 24/7 in možnost povečevanja obsega obdelave od mililitrov do industrijskih pretokov.
Zakaj proizvajalci ekstraktov za ekstrakcijo z DES izberejo Hielscher
- Večja učinkovitost ekstrakcije polifenolov, flavonoidov, kanabinoidov, terpenov, antocianinov in drugih bioaktivnih spojin
- Hitrejša ekstrakcija v primerjavi s konvencionalno maceracijo in ekstrakcijo s topili v mešalnih posodah
- Združljivost z DES, NADES, glicerinom, vodo, etanolom in sistemi mešanih topil
- Učinkovita obdelava visoko viskoznih topil s sonikacijo s sondo pri visoki amplitudi
- Sistemi za šaržno obdelavo, recirkulacijo in neprekinjeno pretočno obdelavo
- Natančen nadzor amplitude, vnosa energije, temperature in časa obdelave
- Preprosto povečevanje obsega od preizkusov izvedljivosti do pilotne proizvodnje in industrijske proizvodnje v polnem obsegu
Ultrazvočna ekstrakcija z (naravnimi) globokimi evtektičnimi topili je zelo učinkovita metoda za pridobivanje vrhunskih rastlinskih ekstraktov. Na sliki je prikazan ultrazvočni procesor UP400St (400W) z 8L šaržo za ekstrakcijo rastlinskih snovi.
Zakaj sonikacija izboljša ekstrakcijo z DES in NADES
Ultrazvočna ekstrakcija s sondo ob uporabi globokih evtektičnih topil in naravnih globokih evtektičnih topil lahko ponudi več prednosti pri ekstrakciji bioaktivnih spojin. Ena glavnih prednosti je večja učinkovitost ekstrakcije fenolnih spojin in drugih fitokemikalij iz naravnih virov. Globoka evtektična topila so znana po visoki učinkovitosti ekstrakcije, ki jo je mogoče z ultrazvočno podprto ekstrakcijo še povečati. Zaradi svoje netoksičnosti so odlična izbira topila za farmacevtske in živilske izdelke. Zato je ultrazvočna ekstrakcija z globokimi evtektičnimi topili zelena in trajnostna metoda za pridobivanje bioaktivnih spojin. Znanstveno je dokazano, da sinergijska uporaba ultrazvoka in globokih evtektičnih topil omogoča večje izkoristke različnih bioaktivnih spojin. Na splošno ultrazvočna ekstrakcija s sondo ob uporabi globokih evtektičnih topil in naravnih globokih evtektičnih topil zagotavlja učinkovitejši in okolju prijaznejši pristop k ekstrakciji bioaktivnih spojin.
Ultrazvočna ekstrakcija antocianinov z DES
Antocianini so dragocena naravna barvila in antioksidanti, ki jih najdemo v črnem korenju, jagodičevju, grozdju, vijolični koruzi in drugih rastlinskih materialih. Globoka evtektična topila so zelo primerna za ekstrakcijo antocianinov, saj je njihovo mrežo vodikovih vezi mogoče prilagoditi zahtevam glede polarnosti in stabilnosti teh barvnih spojin. V kombinaciji s sonikacijo s sondo postane ekstrakcija z DES bistveno učinkovitejša: ultrazvočna kavitacija razgradi rastlinske celične strukture, izboljša prodiranje topila in pospeši sproščanje antocianinov v ekstrakcijski medij. Raziskava antocianinov iz črnega korenja z uporabo sonikatorja UP400St kaže, da lahko DES na osnovi holin klorida, zlasti v kombinaciji z ultrazvočno podprto ekstrakcijo, zagotavljajo trajnostno in učinkovito alternativo konvencionalni ekstrakciji z nakisanim etanolom ali metanolom. (prim. Türker et al., 2021)
Ultrazvočna ekstrakcija polifenolov z DES
Polifenoli, vključno s flavonoidi, fenolnimi kislinami in sorodnimi antioksidativnimi spojinami, so pomembne ciljne molekule pri ekstrakciji za rastlinske, živilske, nutracevtske in kozmetične izdelke. Globoka evtektična topila na osnovi glicerola so posebej privlačna za pridobivanje polifenolov, saj njihova polarnost in sposobnost tvorjenja vodikovih vezi podpirata raztapljanje fenolnih spojin. Ultrazvok, doveden s sondo, dodatno intenzivira proces s povečanjem prenosa snovi, skrajšanjem časa ekstrakcije in izboljšanjem stika med DES in rastlinsko matrico.
V raziskavi so uporabili DES iz glicerola in amonijevega acetata z ultrazvočno podprto ekstrakcijo pri optimiziranih parametrih, kot so temperatura, koncentracija DES in ultrazvočna amplituda. Rezultat je pokazal, da je ultrazvočna ekstrakcija z DES omogočila učinkovito pridobivanje skupnih fenolov, flavonoidov in antioksidativne aktivnosti iz plodov melije, kar kaže na potencial ultrazvočne ekstrakcije z DES kot zelene ekstrakcijske metode za industrijsko predelavo rastlinskih materialov. (prim. Jamshed et al., 2022)
- Zelo učinkovita
- Hiter proces
- Netoksična
- Natančno prilagodljiva določenemu rastlinskemu materialu
- Blagi pogoji obdelave
- Šaržni in pretočni način
- Preprosta in varna
- Okolju prijazna / biorazgradljiva
- Možnost recikliranja
- Nevnetljiva
- Poceni
- Preprosto dostopna
Kaj so globoka evtektična topila (DES)?
Globoka evtektična topila (DES) so zmesi vsaj enega akceptorja vodikove vezi (HBA) in enega donorja vodikove vezi (HBD), vključno s karboksilnimi kislinami in drugimi obnovljivimi spojinami. Po navedbah Cai et al. (2019) je »močna interakcija vodikovih vezi med HBA in HBD najpomembnejši dejavnik za nastanek DES«. [Cai et al. 2019]
Kot donorji vodikovih vezi se pogosto uporabljajo spojine, kot so sladkorji, aminokisline, karboksilne kisline (npr. benzojska kislina, citronska kislina, jantarna kislina) ali amini (npr. sečnina, benzamid). Potencial donorjev vodikovih vezi za kemijske interakcije je glavni dejavnik, ki prispeva k nastanku in učinkovitosti globokih evtektičnih topil. V kombinaciji z donorji vodikovih vezi se lahko uporabljajo tudi halogenidne soli, kot sta holin klorid ali cinkov klorid. Druga globoka evtektična topila na osnovi holin klorida nastanejo z malonsko kislino, fenolom ali glicerinom. Zaradi močnih interakcij vodikovih vezi se tališče globokih evtektičnih topil v primerjavi z njihovimi posameznimi sestavinami bistveno zniža. V nasprotju s konvencionalnimi topili (npr. etanolom, metanolom, heksanom, butanom itd.) so globoka evtektična topila nehlapna, kar pomeni, da imajo zelo nizek parni tlak in so zato težko vnetljiva. Toksičnost globokih evtektičnih topil je nizka, njihova biorazgradljivost je visoka, potrebni prekurzorji pa so poceni, preprosto in obilno dostopni ter obnovljivi.
Naravna globoka evtektična topila (NADES) so še prijaznejša do okolja, saj vsi prekurzorji izvirajo iz naravnih virov. Globoka evtektična topila omogočajo tudi prilagodljivo sposobnost raztapljanja glede na kemijske lastnosti topljenca in kemijske vrste, uporabljene za pripravo globokih evtektičnih topil. Nekatera naravna globoka evtektična topila imajo visoko viskoznost in zato niso zelo primerna za šaržno ekstrakcijo. Vendar je naravna globoka evtektična topila z večjo viskoznostjo mogoče uspešno uporabljati kot topila pri ultrazvočni pretočni ekstrakciji.
Spodnja tabela prikazuje nekaj primerov sestav naravnih globokih evtektičnih topil (NADES) za ekstrakcijo fitokemikalij:
| 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 |
Industrijski sonikator UIP4000hdT s pretočnimi celicami za neprekinjeno ekstrakcijo v liniji
Kako deluje ultrazvočna ekstrakcija z globokimi evtektičnimi topili?
Ultrazvočna ekstrakcija temelji na sonomehanskih učinkih visokointenzivnega nizkofrekvenčnega ultrazvoka. Za spodbujanje in intenziviranje ekstrakcije rastlinskih spojin (tj. bioaktivnih snovi) s sonikacijo se ultrazvočni valovi visoke moči prek ultrazvočne sonde (imenovane tudi ultrazvočni rog ali sonotroda) sklopijo v tekoči medij, tj. suspenzijo, sestavljeno iz rastlinske surovine in (naravnega) globokega evtektičnega topila. Ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino in ustvarjajo izmenične cikle nizkega / visokega tlaka. Med cikli nizkega tlaka nastajajo drobni vakuumski mehurčki (tako imenovani kavitacijski mehurčki), ki rastejo skozi več tlačnih ciklov. Med temi cikli rasti mehurčkov plini, raztopljeni v tekočini, vstopajo v vakuumski mehurček, tako da se vakuumski mehurčki spremenijo v rastoče plinske mehurčke. Po rasti skozi več ciklov vakuumski mehurčki dosežejo določeno velikost, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, zato med ciklom visokega tlaka silovito implodirajo. Za implozijo mehurčkov so značilne intenzivne kavitacijske sile, vključno z zelo visoko temperaturo do 4000K in tlakom do 1000atm ter ustrezno velikimi temperaturnimi in tlačnimi razlikami. Te z ultrazvokom ustvarjene turbulence in strižne sile razgradijo rastlinske celice in sprostijo znotrajcelične bioaktivne spojine v (naravno) globoko evtektično topilo. Ultrazvočna ekstrakcija odpre celično strukturo rastlinskih materialov in intenzivira prenos snovi med rastlinskim materialom in topilom. Sonikacija tako poveča učinkovitost naravnih globokih evtektičnih topil. Ultrazvočna ekstrakcija z (naravnimi) globokimi evtektičnimi topili omogoča izjemno visoke izkoristke v zelo kratkem času obdelave.
Ultrazvočni valovi visoke moči razgradijo celično strukturo rastlinskih materialov, sprostijo bioaktivne spojine in spodbujajo prenos snovi med rastlinskim materialom in topilom (npr. globokimi evtektičnimi topili).
Kombinacija ultrazvočne ekstrakcije z (naravnimi) globokimi evtektičnimi topili vam omogoča združitev sposobnosti ultrazvoka za intenziviranje procesov z izjemnimi učinki raztapljanja in izredno možnostjo prilagajanja sestave globokih evtektičnih topil. Zaradi vrhunske učinkovitosti ultrazvočne ekstrakcije se ultrazvočne naprave uspešno uporabljajo tudi za ekstrakcijo z vodo.
Kontaktirajte nas zdaj in izvedite več o učinkoviti uporabi ultrazvočne ekstrakcije z globokimi evtektičnimi topili!
Ultrazvočni ekstraktor UIP2000hdT (2kW) za proizvodnjo rastlinskih ekstraktov
Ultrazvočni ekstraktorji za laboratorijsko, pilotno in industrijsko ekstrakcijo z DES
Ultrazvočna ekstrakcija je zanesljiva tehnologija obdelave, ki olajša in pospeši proizvodnjo visokokakovostnih ekstraktov iz različnih rastlinskih materialov z uporabo katerega koli topila. Ultrazvočna ekstrakcija je zelo združljiva z (naravnimi) globokimi evtektičnimi topili, ki so ugodna zaradi svoje odlične sposobnosti raztapljanja, možnosti prilagajanja ekstraktu, trajnostnosti, biorazgradljivosti in prijaznosti do okolja. Kombinacija intenziviranja procesov z ultrazvokom visoke moči in prednosti (naravnih) globokih evtektičnih topil daje tej procesni tehnologiji premoč na številnih ravneh. Ponudba Hielscher Ultrasonics pokriva celoten razpon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do industrijskih ekstrakcijskih sistemov. Vsi so seveda primerni za ekstrakcijo z globokimi evtektičnimi topili.
Naše osebje z dolgoletnimi izkušnjami vam bo pomagalo od preizkusov izvedljivosti in optimizacije procesa do namestitve vašega ultrazvočnega sistema na ravni končne proizvodnje.
| Prostornina ekstrakcije | Priporočeni sonikator |
|---|---|
| Razvoj metod, raziskave in razvoj, presejalno preizkušanje | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Šarže viskoznih DES/NADES | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Pilotna proizvodnja | UIP1000hdT ali UIP2000hdT (2000W) |
| Neprekinjena industrijska ekstrakcija | UIP4000hdT (4000W), UIP6000hdT (6000W), UIP16000hdT (16kW) ali sklopi naprav |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Pogosta vprašanja o ultrazvočni ekstrakciji z globokimi evtektičnimi topili
Kaj je ultrazvočna ekstrakcija z globokimi evtektičnimi topili?
Ultrazvočna ekstrakcija z globokimi evtektičnimi topili združuje sonikacijo s sondo in sisteme topil DES ali NADES. Ultrazvočna sonda dovaja visokointenzivne zvočne valove v suspenzijo rastlinskega materiala in topila. Nastala kavitacija razgradi rastlinske celične strukture, izboljša prodiranje topila in pospeši prenos bioaktivnih spojin v globoko evtektično topilo.
Zakaj uporabljati ultrazvok za ekstrakcijo z DES in NADES?
Ultrazvok izboljša ekstrakcijo z DES in NADES s povečanjem prenosa snovi, skrajšanjem časa ekstrakcije in učinkovitejšim dostopom topila do znotrajceličnih spojin. To je posebej koristno za rastlinske materiale, v katerih so ciljne spojine ujete v rastlinskih celicah, vlaknih ali smolnatih strukturah.
Katere spojine je mogoče ekstrahirati z DES in NADES s pomočjo sonikacije?
Ultrazvočno ekstrakcijo z DES in NADES je mogoče uporabljati za številne bioaktivne spojine, vključno s polifenoli, flavonoidi, antocianini, terpeni, kanabinoidi, alkaloidi, antioksidanti, barvili, aromatičnimi spojinami in drugimi fitokemikalijami. Sestavo topila je treba izbrati glede na polarnost, stabilnost in topnost ciljne spojine.
Ali so globoka evtektična topila združljiva z ultrazvočnimi ekstraktorji Hielscher?
Da. Sonikatorji Hielscher s sondo so primerni za ekstrakcijo z globokimi evtektičnimi topili, naravnimi globokimi evtektičnimi topili, sistemi topil na osnovi glicerina, vodo, etanolom in številnimi drugimi ekstrakcijskimi mediji. Pri viskoznih sistemih DES ali NADES je zmogljiv sonikator s sondo posebej koristen, saj zagotavlja intenzivno mešanje, kavitacijo in prenos snovi neposredno v tekočini.
Ali je mogoče z ultrazvočno ekstrakcijo z DES obdelovati visoko viskozna topila?
Da. Številne formulacije DES in NADES imajo večjo viskoznost kot konvencionalna topila. Ultrazvočni procesorji Hielscher so zelo primerni za viskozne ekstrakcijske medije, saj sonotroda dovaja ultrazvok z visoko amplitudo neposredno v zmes topila in materiala. Pri večjih prostorninah ali neprekinjeni obdelavi lahko pretočni reaktorji izboljšajo mešanje, nadzor toplote in enakomernost procesa.
Ali je ultrazvočna ekstrakcija z DES primerna za proizvodnjo živil, nutracevtikov in kozmetike?
Da. DES in NADES se pogosto izberejo za uporabe, pri katerih so pomembni nizka hlapnost, zmanjšane nevarnosti zaradi topil in prilagodljiva učinkovitost ekstrakcije. Glede na izbrane sestavine topila in regulativne zahteve se ultrazvočna ekstrakcija z DES lahko uporablja za živilske sestavine, nutracevtske ekstrakte, kozmetične učinkovine, rastlinske koncentrate in ekstrakte raziskovalne kakovosti.
Ali je mogoče povečati obseg ultrazvočne ekstrakcije z DES?
Da. Obseg ultrazvočne ekstrakcije je mogoče zelo uspešno povečevati, saj je enake procesne parametre – kot so amplituda, vnos energije, zadrževalni čas, temperatura in razmerje med trdno in tekočo fazo – mogoče prenesti iz laboratorijskih preizkusov v pilotno in industrijsko proizvodnjo. Hielscher dobavlja ultrazvočne ekstraktorje za majhne laboratorijske vzorce, optimizacijo na namiznih napravah, pilotne šarže in neprekinjeno industrijsko pretočno ekstrakcijo.
Ali naj za procese z DES uporabim šaržno ultrazvočno ekstrakcijo ali ultrazvočno ekstrakcijo v liniji?
Šaržna ekstrakcija je pogosto najboljša za laboratorijske preizkuse, presejalno preizkušanje formulacij in majhne proizvodne količine. Za pilotno in industrijsko proizvodnjo se običajno daje prednost ultrazvočni ekstrakciji v liniji, saj zagotavlja nadzorovan zadrževalni čas, boljšo ponovljivost, preprostejše hlajenje in neprekinjeno zmogljivost obdelave. Najboljša zasnova je odvisna od viskoznosti, rastlinskega materiala, deleža topila, ciljne spojine in proizvodne zmogljivosti.
Kako izberem pravi ultrazvočni ekstraktor za ekstrakcijo z DES?
Pravi ultrazvočni ekstraktor je odvisen od prostornine vzorca, velikosti šarže, pretoka, viskoznosti topila, ciljne spojine, temperature ekstrakcije in proizvodnega cilja. Majhne laboratorijske naprave so primerne za razvoj metod, industrijske ultrazvočne naprave serije UIP pa se uporabljajo za ekstrakcijo z DES v pilotnem in proizvodnem obsegu. Hielscher lahko priporoči konfiguracijo glede na vašo surovino, sistem topil in zahtevano zmogljivost obdelave.
Kateri procesni parametri so pomembni za ultrazvočno ekstrakcijo z DES?
Pomembni parametri vključujejo ultrazvočno amplitudo, vnos energije, čas ekstrakcije, temperaturo, sestavo DES ali NADES, vsebnost vode, razmerje med trdno in tekočo fazo, velikost delcev, viskoznost in pretok. Te parametre je treba optimizirati za vsak rastlinski material in ciljno spojino, da se dosežejo visok izkoristek, dobra kakovost ekstrakta in ponovljiva proizvodnja.
Literatura / Reference
- 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.
Visokozmogljiva ultrazvočna tehnologija! Ponudba izdelkov Hielscher pokriva celoten razpon od kompaktne laboratorijske ultrazvočne naprave prek namiznih naprav do ultrazvočnih sistemov za industrijsko uporabo v polnem obsegu.