Ultrazvočna ekstrakcija z globoko eutektičnimi topili
Globoka eutektična topila (DES) in naravna globoka eutektična topila (NADES) so učinkovita, prilagodljiva in okolju prijazna sredstva za ekstrakcijo rastlinskih snovi, živil, nutraceutikov, kozmetičnih in farmacevtskih sestavin. Sonicatorji tipa sonda podjetja Hielscher okrepijo ekstrakcijo DES s pospešitvijo prenosa mase, razbijanjem struktur rastlinskih celic in izboljšanjem penetracije topila – tudi pri delu z viskozimi topilnimi sistemi, kot so NADES na osnovi glicerola.
Ne glede na to, ali v laboratoriju preizkušate formulacije s topili, optimizirate parametre ekstrakcije za določeno fitokemikalijo ali prehajate na neprekinjeno proizvodnjo v proizvodni liniji, ultrazvočni ekstraktorji Hielscher zagotavljajo ponovljiv nadzor amplitude, zanesljivo delovanje 24 ur na dan, 7 dni na teden, ter prilagodljivo obdelavo od mililitrov do industrijskih pretokov.
Zakaj se proizvajalci ekstraktov odločajo za podjetje Hielscher pri ekstrakciji DES
- Večja učinkovitost ekstrakcije polifenolov, flavonoidov, kanabinoidov, terpenov, antocianinov in drugih bioaktivnih spojin
- Hitrejša ekstrakcija v primerjavi z običajno maceracijo in ekstrakcijo s topilom v mešalnem rezervoarju
- Združljiv z DES, NADES, glicerinom, vodo, etanolom in mešanimi topili
- Učinkovita obdelava topil z visoko viskoznostjo z ultrazvokom z visoko amplitudo
- Naprave za serijsko, recirkulacijsko in neprekinjeno pretočno delovanje
- Natančno nadzorovanje amplitude, vnesene energije, temperature in trajanja postopka
- Enostavno širjenje obsega od preizkusov izvedljivosti do pilotne in polne industrijske proizvodnje
Ultrazvočna ekstrakcija z (naravnimi) globokimi evtektičnimi topili je zelo učinkovita metoda za vrhunske botanične izvlečke. Na sliki je ultrazvočni procesor UP400St (400W) z 8-litrsko serijo za botanično ekstrakcijo.
Zakaj ultrazvok izboljša ekstrakcijo DES in NADES
Ultrazvočna ekstrakcija tipa sonde z uporabo globokih evtektičnih topil in naravnih globokih evtektičnih topil lahko ponudi več prednosti za ekstrakcijo bioaktivnih spojin. Ena glavnih prednosti je povečana učinkovitost ekstrakcije fenolnih spojin in drugih fitokemikalij iz naravnih virov. Globoka evtektična topila so znana po visoki učinkovitosti ekstrakcije, ki jo je mogoče celo izboljšati z ultrazvočno podprto ekstrakcijo. Zaradi svoje netoksičnosti so odlična topila za farmacevtske in živilske izdelke. Zaradi tega je ultrazvočna ekstrakcija z uporabo globokih evtektičnih topil zelena in trajnostna metoda za predelavo bioaktivnih spojin. Znanstveno je bilo dokazano, da sinergijska uporaba ultrasonication z globokimi evtektičnimi topili povzroči višje donose različnih bioaktivnih spojin. Na splošno ultrazvočna ekstrakcija tipa sonde z uporabo globokih evtektičnih topil in naravnih globokih evtektičnih topil zagotavlja učinkovitejši in okolju prijazen pristop k ekstrakciji bioaktivnih spojin.
Rastlinski glicerin je idealno topilo za ekstrakcijo zaradi svojih nestrupenih, nedražilnih lastnosti in sposobnosti ohranjanja stabilnosti in moči občutljivih bioaktivnih spojin. Tako čisti glicerin kot mešanice glicerina in vode so koristna topila za proizvodnjo izvlečkov za dodatke in nutracevtike, ekstrakte okusov, aditive za živila in kozmetiko.
Rastlinski glicerin je idealno topilo za ekstrakcijo zaradi svojih nestrupenih, nedražilnih lastnosti in sposobnosti ohranjanja stabilnosti in moči občutljivih bioaktivnih spojin. Tako čisti glicerin kot mešanice glicerina in vode so koristna topila za proizvodnjo izvlečkov za dodatke in nutracevtike, ekstrakte okusov, aditive za živila in kozmetiko.
Ultrazvočna ekstrakcija antocianinov z DES
Antocianini so dragoceni naravni pigmenti in antioksidanti, ki jih najdemo v črni korenini, jagodah, grozdju, vijolični koruzi in drugih rastlinskih surovinah. Globoka eutektična topila so zelo primerna za ekstrakcijo antocianinov, saj je mogoče njihovo mrežo vodikovih vezi prilagoditi tako, da ustreza zahtevam glede polaritete in stabilnosti teh barvnih spojin. V kombinaciji z ultrazvokom s sondo postane ekstrakcija DES bistveno učinkovitejša: ultrazvočna kavitacija razbije strukture rastlinskih celic, izboljša prodiranje topila in pospeši sproščanje antokianinov v ekstrakcijsko sredstvo. Študija o antocianinih iz črnega korenja, izvedena z ultrazvočnim aparatom UP400St, kaže, da DES na osnovi holin klorida, zlasti v kombinaciji z ultrazvočno podprto ekstrakcijo, lahko ponudi trajnostno in učinkovito alternativo konvencionalni ekstrakciji s kislo etanolno ali metanolno raztopino. (glej 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 v botanični, prehrambeni, nutraceuticalni in kozmetični industriji. Gliserolna globoka eutektična topila so še posebej privlačna za pridobivanje polifenolov, saj njuna polariteta in sposobnost tvorjenja vodikovih vezi podpirata topnost fenolnih spojin. Ultrazvok s sondo dodatno okrepi proces s povečanjem prenosa mase, skrajšanjem časa ekstrakcije in izboljšanjem stika med globokim eutektičnim topilom in rastlinsko matriko.
V raziskavi so uporabili DES na osnovi glicerola in amonijevega acetata ter ekstrakcijo z ultrazvokom pri optimiziranih parametrih, kot so temperatura, koncentracija DES in amplituda ultrazvoka. Rezultat je pokazal, da je ultrazvočna ekstrakcija DES omogočila učinkovito pridobivanje skupnih fenolov, flavonoidov in antioksidativne aktivnosti iz plodov chinaberry, kar dokazuje potencial ultrazvočne ekstrakcije z uporabo DES kot zelene metode ekstrakcije za industrijsko predelavo rastlin. (cf. Jamshed et al., 2022)
- Visoko učinkovit
- Hiter postopek
- Netoksičen
- Natančno nastavljivo s specifično botanično
- Blagi pogoji predelave
- Paketni in pretočni način
- Enostavno in varno
- Okolju prijazen / biološko razgradljiv
- Uporaben
- Nevnetljivo
- Poceni
- Enostavna dostopnost
Kaj so globoka evtektična topila (DES)?
Globoka eutektična topila (DES) so zmesi vsaj enega akceptorja vodikove vezi (HBA) in enega donatorja vodikove vezi (HBD), vključno s karboksilnimi kislinami in drugimi obnovljivimi spojinami. Po podatkih Cai et al. (2019), “Močna interakcija vodikove vezi med HBA in HBD je najpomembnejši dejavnik pri nastajanju DES.” [Cai in sod. 2019]
Za donorje 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 kemijske interakcije donorjev vodikovih vezi je glavni dejavnik, ki prispeva k tvorbi in učinkovitosti globokih evtektičnih topil. Halogenidne soli, kot sta holin klorid ali cinkov klorid, se lahko uporabljajo tudi v povezavi z donorji vodikovih vezi. 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 znatno zmanjša v primerjavi s posameznimi sestavinami. V nasprotju z običajnimi topili (npr. etanol, metanol, heksan, butan 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, potrebne predhodne sestavine pa so poceni, lahko in v izobilju dostopne ter obnovljive.
Naravna globoka evtektična topila (NADES) so še bolj okolju prijazna, saj so vse predhodne sestavine pridobljene iz naravnih virov. Globoka evtektična topila ponujajo tudi nastavljivo solventnost, ki temelji na kemiji topila in vrstah, ki se uporabljajo za ustvarjanje globokih evtektičnih topil. Nekatera naravna globoka evtektična topila kažejo visoko viskoznost in zato niso zelo primerna za šaržno ekstrakcijo. Vendar pa se lahko naravna globoka evtektična topila z višjo viskoznostjo uspešno uporabljajo kot topila pri ultrazvočni pretočni ekstrakciji.
Spodnja tabela prikazuje nekaj primernih sestav naravnih globokih evtektičnih topil (NADES) za ekstrakcijo fitokemikalij:
| Sestava NADES | Molsko razmerje |
|---|---|
| Holin klorid: mlečna kislina | 1:2 |
| Holin klorid: citronska kislina: voda | 1:1:2 |
| Holin klorid: jabolčna kislina: voda | 1:1:2 |
| Holin klorid: vinska kislina | 1:2 |
| Holin klorid: glicerol | 1:2 |
| Holin klorid: 1,2-propandiol | 1:3 |
| Holin klorid: sorbitol | 1:1 |
| Holin klorid: glukoza: voda | 2:1:1 |
| Holin klorid: fruktoza: voda | 2:1:1 |
| Holin klorid: sečnina | 1:2 |
Industrijski sonikator UIP4000hdT s pretočnimi celicami za neprekinjeno ekstrakcijo v proizvodni liniji
Kako deluje ultrazvočna ekstrakcija z globokimi evtektičnimi topili?
Ultrazvočna ekstrakcija temelji na sonomehanskih učinkih visokointenzivnega, nizkofrekvenčnega ultrazvoka. Za spodbujanje in intenziviranje ekstrakcije botaničnih spojin (tj. Bioaktivnih snovi) z ultrazvokom se ultrazvočni valovi visoke moči povežejo z ultrazvočno sondo (imenovano tudi ultrazvočni rog ali sonotrode) v tekoči medij, tj. gnojevka, ki jo sestavlja botanična surovina in (naravno) globoko evtektično topilo. Ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino in ustvarjajo izmenične nizkotlačne / visokotlačne cikle. Med nizkotlačnimi cikli nastajajo drobni vakuumski mehurčki (tako imenovani kavitacijski mehurčki), ki rastejo v več tlačnih ciklih. Med temi cikli rasti mehurčkov raztopljeni plini v tekočini vstopijo v vakuumski mehurček, tako da se vakuumski mehurček spremeni v rastoče plinske mehurčke. Po večkratni rasi vakuumski mehurčki dosežejo določeno velikost, pri kateri ne morejo absorbirati več energije, tako da med visokotlačnim ciklom silovito implodirajo. Za implozijo mehurčkov so značilne intenzivne kavitacijske sile, vključno z zelo visoko temperaturo in tlakom, ki doseže do 4000 K oziroma 1000 atm; kot tudi ustrezne visoke temperaturne in tlačne razlike. Te ultrazvočno ustvarjene turbulence in strižne sile razbijejo rastlinske celice in sproščajo znotrajcelične bioaktivne spojine v (naravno) globoko evtektično topilo. Ultrazvočna ekstrakcija odpira celično strukturo rastlin in krepi prenos mase med rastlinskim materialom in topilom. Sonication s tem spodbuja učinkovitost naravnih globokih evtektičnih topil. Ultrazvočna ekstrakcija z (naravnimi) globokimi evtektičnimi topili ima za posledico izjemno visoke donose v zelo kratkem času obdelave.
Močni ultrazvočni valovi motijo celično strukturo rastlin, sproščajo bioaktivne spojine in spodbujajo prenos mase med rastlinskim materialom in topilom (npr. globoka evtektična topila).
Kombinacija ultrazvočne ekstrakcije z (naravnimi) globokimi evtektičnimi topili vam daje priložnost, da združite proces intenziviranja moči ultrazvoka z izjemnimi učinki raztapljanja in izjemno sposobnostjo načrtovanja globokih evtektičnih topil. Zaradi vrhunske učinkovitosti ultrazvočne ekstrakcije, ultrazvočni aparati se uspešno uporabljajo tudi za ekstrakcijo vode.
Kontaktirajte nas zdaj, če želite izvedeti več o močni ultrazvočni ekstrakciji z uporabo globokih evtektičnih topil!
Ultrazvočni ekstraktor UIP2000hdT (2kW) za proizvodnjo botaničnih izvlečkov
Ultrazvočni ekstraktorji za laboratorijsko, pilotno in industrijsko ekstrakcijo DES
Ultrazvočna ekstrakcija je zanesljiva tehnologija obdelave, ki olajša in pospeši proizvodnjo visokokakovostnih izvlečkov iz različnih botaničnih in vseh topil. Ultrazvočna ekstrakcija je zelo združljiva z (naravnimi) globokimi evtektičnimi topili, ki so ugodna zaradi odlične topne moči, možnosti oblikovanja ekstrakta, trajnosti, biorazgradljivosti in prijaznosti do okolja. Kombinacija procesne intenzifikacije močnega ultrazvoka s prednostmi (naravnih) globokih evtektičnih topil daje tej procesni tehnologiji superiornost na več ravneh. Portfelj Hielscher Ultrasonics zajema celoten razpon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih aparatov do industrijskih sistemov za ekstrakcijo. Vsi so seveda primerni za ekstrakcijo z globokimi evtektičnimi topili.
Naše dolgoletno izkušeno osebje vam bo pomagalo od preskusov izvedljivosti in optimizacije procesa do namestitve vašega ultrazvočnega sistema na končni proizvodni ravni.
| Obseg izkopa | Priporočeni ultrazvočni aparat |
|---|---|
| Razvoj metod, R&D, presejanje | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Serije viskoznih DES/NADES | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Poskusna proizvodnja | UIP1000hdT ali UIP2000hdT (2000 W) |
| Neprekinjeno industrijsko izsesavanje | UIP4000hdT (4000 W), UIP6000hdT (6000 W), UIP16000hdT (16kW) ali skupine |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Izkoristite ultrazvočno ekstrakcijo in uporabite Hielscher sonicator za botanično ekstrakcijo z neprimerljivo učinkovitostjo in trajnostjo!
Izkoristite ultrazvočno ekstrakcijo in uporabite Hielscher sonicator za botanično ekstrakcijo z neprimerljivo učinkovitostjo in trajnostjo!
Glicerin (glicerol) lahko ohrani celovitost bioaktivnih spojin v kombinaciji s svojo nestrupeno in biološko razgradljivo naravo, zaradi česar je privlačno topilo za farmacevtsko, kozmetično in živilsko industrijo. V kombinaciji z blagimi pogoji ekstrakcije ultrazvočne ultrazvočne izvlečke glicerina kažejo odlično kakovost in biološko uporabnost. Postopek ultrazvočne razbijanje zagotavlja najvišjo učinkovitost, kar ima za posledico visoke donose, krajši čas ekstrakcije in nizke stroške obdelave! Uporabite topilo po vaši izbiri, dosežete odlične izkoristke ekstrakcije in vrhunsko kakovost ekstrakta s Hielscher sonicatorji!
Pogosta vprašanja o ultrazvočni ekstrakciji z globokimi eutektičnimi topili
Kaj je ultrazvočna ekstrakcija z globokimi eutektičnimi topili?
Ultrazvočna ekstrakcija z globokimi eutektičnimi topili združuje ultrazvočno obdelavo s sondo s topilnimi sistemi DES ali NADES. Ultrazvočna sonda v suspenzijo rastlin in topila vnaša zvočne valove visoke intenzivnosti. Pri tem nastala kavitacija razgradi strukture rastlinskih celic, izboljša prodiranje topila in pospeši prenos bioaktivnih spojin v globoko eutektično topilo.
Zakaj uporabljati ultrazvok za ekstrakcijo DES in NADES?
Ultrazvok izboljša ekstrakcijo DES in NADES, saj poveča prenos mase, skrajša čas ekstrakcije in omogoči topilu, da učinkoviteje doseže intracelularne spojine. To je še posebej koristno pri rastlinskih surovinah, kjer so ciljne spojine ujeti znotraj rastlinskih celic, vlaken ali smolnatih struktur.
Katerih spojin je mogoče s pomočjo ultrazvoka ekstrahirati z DES in NADES?
Ultrazvočno ekstrakcijo DES in NADES je mogoče uporabiti za številne bioaktivne spojine, vključno s polifenoli, flavonoidi, antocianini, terpeni, kanabinoidi, alkaloidi, antioksidanti, pigmenti, aromatičnimi spojinami in drugimi fitokemikalijami. Sestavo topila je treba izbrati glede na polariteto, stabilnost in topnost ciljne spojine.
Ali so globoka eutektična topila združljiva z ultrazvočnimi ekstraktorji Hielscher?
Da. Ultrazvočni aparati z sondo podjetja Hielscher so primerni za ekstrakcijo z globokimi eutektičnimi topili, naravnimi globokimi eutektičnimi topili, topilnimi sistemi na osnovi glicerina, vodo, etanolom in številnimi drugimi ekstrakcijskimi sredstvi. Za viskozne sisteme DES ali NADES je zmogljiv sondni sonikator še posebej uporaben, saj omogoča intenzivno mešanje, kavitacijo in prenos mase neposredno v tekočini.
Ali je z ultrazvočno DES-ekstrakcijo mogoče obdelovati visokoviskozna topila?
Da. Mnoge formulacije DES in NADES imajo višjo viskoznost kot običajna topila. Ultrazvočni procesorji Hielscher so zelo primerni za viskozna ekstraktna sredstva, saj sonotroda vnaša ultrazvok z visoko amplitudo neposredno v mešanico topila in snovi. Pri večjih količinah ali neprekinjeni obdelavi lahko pretočni reaktorji izboljšajo mešanje, nadzor temperature in enakomernost procesa.
Ali je ultrazvočna ekstrakcija DES primerna za proizvodnjo živil, nutraceutikov in kozmetike?
Da. DES in NADES se pogosto izbereta za uporabo v primerih, kjer so pomembni nizka hlapnost, zmanjšana nevarnost topil ter prilagodljiva učinkovitost ekstrakcije. Glede na izbrane sestavine topila in zakonske zahteve se ultrazvočna ekstrakcija z DES lahko uporablja za živilske sestavine, nutraceuticalne izvlečke, aktivne sestavine v kozmetiki, rastlinske koncentrate in izvlečke za raziskovalne namene.
Ali je mogoče ultrazvočno ekstrakcijo z DES razširiti na večji obseg?
Da. Ultrazvočna ekstrakcija je zelo prilagodljiva, saj se isti parametri procesa – kot so amplituda, vnos energije, čas zadrževanja, temperatura in razmerje med trdnimi in tekočimi snovmi – lahko prenesejo iz laboratorijskih poskusov v pilotno in industrijsko proizvodnjo. Hielscher dobavlja ultrazvočne ekstraktorje za majhne laboratorijske vzorce, optimizacijo na delovni mizi, pilotne serije in neprekinjeno industrijsko ekstrakcijo s pretokom.
Ali naj za postopke DES uporabim ultrazvočno ekstrakcijo v seriji ali vgrajen sistem?
Serijska ekstrakcija je pogosto najboljša rešitev za laboratorijske teste, presejanje formulacij in majhne proizvodne količine. Za pilotno in industrijsko proizvodnjo se običajno raje uporablja vgrajena ultrazvočna ekstrakcija, saj omogoča nadzorovan čas zadrževanja, boljšo ponovljivost, lažje hlajenje in neprekinjen pretok. Najboljša konfiguracija je odvisna od viskoznosti, rastlinskega materiala, razmerja topil, ciljne spojine in proizvodne zmogljivosti.
Kako izbrati pravi ultrazvočni ekstraktor za ekstrakcijo DES?
Izbira ustreznega ultrazvočnega ekstraktorja je odvisna od količine vzorca, velikosti serije, pretoka, viskoznosti topila, ciljne spojine, temperature ekstrakcije in proizvodnega cilja. Majhne laboratorijske enote so primerne za razvoj metod, medtem ko se industrijski ultrazvočniki serije UIP uporabljajo za pilotno in proizvodno ekstrakcijo DES. Hielscher vam lahko priporoči konfiguracijo na podlagi vaše surovine, sistema topil in zahtevane zmogljivosti.
Kateri parametri postopka so pomembni pri ultrazvočni ekstrakciji DES?
Med pomembne parametre spadajo amplituda ultrazvoka, vnesena energija, čas ekstrakcije, temperatura, sestava DES ali NADES, vsebnost vode, razmerje med trdnimi snovmi in tekočino, velikost delcev, viskoznost in pretok. Te parametre je treba optimirati za vsako rastlinsko surovino in ciljno spojino, da se doseže 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.
High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.