Fitohemija in ultrazvok: visoko učinkovita ultrazvočna ekstrakcija bioaktivnih snovi iz rastlin
Fitohemija je znanost, ki se ukvarja s kemijskimi spojinami rastlinskega izvora – od polifenolov, flavonoidov in alkaloidov do terpenov, saponinov, glikozidov, pigmentov, antioksidantov in sestavin eteričnih olj. Te fitokemikalije so dragocene za uporabo v nutraceutikih, farmacevtskih izdelkih, kozmetiki, živilskih sestavinah, naravnih barvilih, dišavah, zeliščnih izvlečkih in analitičnih raziskavah.
Izboljšajte ekstrakcijo fitokemikalij z ultrazvočnimi napravami Hielscher
V krajšem času iztisnite več bioaktivnih snovi
Ultrazvočni aparati tipa sonda podjetja Hielscher pospešijo ekstrakcijo rastlinskih snovi tako, da razbijejo rastlinske celice in pospešijo prenos snovi. To omogoča visoko donosno ekstrakcijo fitokemikalij iz zelišč, korenin, listov, cvetov, plodov, semen, lubja, alg in drugih rastlinskih surovin.
Zakaj izbrati ultrazvočne ekstrakcijske sisteme Hielscher
- Višji izkoristki ekstrakcije: Iz iste rastlinske surovine pridobite več ciljnih spojin.
- Krajši časi obdelave: Namesto dolgotrajne maceracije ali toplotno intenzivnih postopkov ekstrakcije uporabite hitro ultrazvočno obdelavo.
- Nežna, netermična ekstrakcija: Ohranite toplotno občutljive fitokemikalije, kot so polifenoli, terpeni, antocianini, vitamini in antioksidanti.
- Prilagodljivost glede topil: Uporabite vodo, etanol, hidroetanolne zmesi, glicerin, olja, globoka eutektična topila ali druga primerna ekstrakcijska sredstva.
- Natančno nadzorovanje procesa: Nastavite amplitudo, moč, porabo energije, čas, temperaturo, tlak in pretok.
- Linearno povečanje obsega: V laboratoriju razvijte parametre ekstrakcije in jih prenesite v pilotno ter industrijsko proizvodnjo.
- Serijsko in vgrajeno delovanje: Izberite ultrazvočno obdelavo v merilni bučki, obdelavo v mešalnem rezervoarju ali ekstrakcijo s kontinuiranim pretokom.
- Trpežna industrijska oblika: Ultrazvočni aparati Hielscher so zasnovani za zahtevna proizvodna okolja, ponovljivo delovanje in enostavno vključevanje v sisteme.
Sonicator UIP1000hdT za ekstrakcijo fitokemikalij
Temno zelena barva ultrazvočnega izvlečka rebra poudarja vrhunsko učinkovitost ultrazvočne tehnologije pri izdelavi izvlečka s polnim spektrom. Ultrazvočna botanična ekstrakcija je hitrejša, močnejša in učinkovitejša. Visoko učinkovita ultrazvočna ekstrakcija z UP200Ht proizvaja izvleček rebra s polnim spektrom.
Temno zelena barva ultrazvočnega izvlečka rebra poudarja vrhunsko učinkovitost ultrazvočne tehnologije pri izdelavi izvlečka s polnim spektrom. Ultrazvočna botanična ekstrakcija je hitrejša, močnejša in učinkovitejša. Visoko učinkovita ultrazvočna ekstrakcija z UP200Ht proizvaja izvleček rebra s polnim spektrom.
Ultrazvočna obdelava za hitrejšo, čistejšo in popolnejšo ekstrakcijo fitokemikalij
Da bi lahko fitokemikalije uporabili v formulacijah, testih ali komercialnih izdelkih, jih je treba najprej izločiti iz rastlinske matrice. Prav tu se je ultrazvok uveljavil kot ena najučinkovitejših tehnologij ekstrakcije. Ultrazvočni aparati s sondo v tekočinah in kašah ustvarjajo intenzivno akustično kavitacijo. Posledične mikroturbulence, strižne sile in nihanja tlaka razbijajo rastlinske celice, izboljšujejo prodiranje topila in pospešujejo prenos bioaktivnih molekul v ekstrakcijsko sredstvo.
Podjetje Hielscher Ultrasonics ponuja visokozmogljive ultrazvočne naprave za fito-kemijsko ekstrakcijo, od laboratorijskih raziskav do polne industrijske proizvodnje. Ne glede na to, ali razvijate rastlinski izvleček, optimizirate pripravo analitičnih vzorcev ali povečujete obseg proizvodnje rastlinskih sestavin, vam ultrazvok omogoča natančen nadzor nad intenzivnostjo ekstrakcije, ponovljivostjo in zmogljivostjo.
Sonikator UP200Ht za ekstrakcijo fitokemikalij
Kaj je sonikacija v fitohemiji?
Ultrazvok je uporaba visokozmogljivega ultrazvoka na tekočini ali suspenziji. V fitokemiji se ultrazvok najpogosteje uporablja za ekstrakcijo z ultrazvokom, pripravo vzorcev, razbijanje celic, dispergiranje, emulgiranje in intenziviranje procesov.
Ko ultrazvočna sonda visoke intenzivnosti oddaja zvočne valove v ekstrakcijsko sredstvo, izmenični cikli visokega in nizkega tlaka povzročijo akustično kavitacijo. Kavitacijski mehurčki se hitro večajo in nato nasilno razpadajo. Ta razpad povzroča lokalizirane strižne sile, mikrostruge tekočine in intenzivne mešalne učinke.
Pri pridobivanju rastlinskih izvlečkov ti učinki pripomorejo k:
- pretrganje celičnih sten in membran
- izboljšati dostop topila do intracelularnih spojin
- zmanjšati mejne plasti okoli delcev rastlin
- izboljšati prehajanje fitokemikalij v topilo
- skrajšati čas ekstrakcije
- izboljšati ponovljivost
- zmanjšati potrebo po prekomerni toploti ali daljši izpostavljenosti topilom
Rezultat je hitrejši, učinkovitejši in pogosto nežnejši postopek ekstrakcije v primerjavi s klasičnimi metodami maceriranja, infuzije, perkolacije ali refluksa.
Zakaj je ultrazvok pomemben za sodobno ekstrakcijo fitokemikalij
Rastlinske surovine so kompleksne. Bioaktivne spojine so zaprte v rastlinskih celicah, vezane na strukturne komponente ali razporejene po različnih tkivih. Pri konvencionalni ekstrakciji so pogosto potrebni dolgi časi zadrževanja, velike količine topil ali visoke temperature. Ti pogoji so lahko neučinkoviti in lahko povzročijo razgradnjo toplotno nestabilnih spojin.
Ekstrakcija z ultrazvokom odpravlja te omejitve s pospešitvijo fizičnega sproščanja fitokemikalij. Namesto da bi se zanašala zgolj na pasivno difuzijo, ultrazvočna obdelava aktivno razbije rastlinsko matriko in spodbuja prenos snovi.
Zato je ultrazvočna ekstrakcija še posebej uporabna, kadar predelovalci potrebujejo:
- večji donos iz dragih rastlinskih surovin
- krajši proizvodni cikli
- Manjša poraba topil
- izboljšano izločanje toplotno občutljivih spojin
- ponovljiva ekstrakcija za nadzor kakovosti
- prilagodljiva obdelava od laboratorija do proizvodnje
- združljivost z ekološkimi topili in sestavinami z oznako »clean label«
Pri raziskavah fitokemikalij ultrazvok izboljša tudi analitično pripravo vzorcev. Laboratoriji lahko hitro in dosledno izolirajo ciljne spojine pred izvedbo metod, kot so HPLC, GC-MS, LC-MS, UV-Vis, preskusi antioksidantov ali druge analitične metode.
Konvencionalne metode v primerjavi z ekstrakcijskimi metodami – Primerjava
| Klasična metoda ekstrakcije | Omejitve konvencionalne metode | Prednosti ultrazvoka |
|---|---|---|
| Maceracijo | Maceriranje je preprosto, a počasno. Za dosego sprejemljivega izkoristka ekstrakcije je lahko potrebnih več ur, dni ali celo tednov. | Ultrazvok pospeši delovanje istega principa ekstrakcije s topilom, saj aktivno razgrajuje rastlinske celice in izboljša difuzijo. To lahko bistveno skrajša čas obdelave. |
| Refluxna ekstrakcija | Pri ekstrakciji z refluksom se toplota uporablja za izboljšanje topnosti in prenosa snovi. Vendar pa lahko toplota poškoduje občutljive fitokemikalije in poveča porabo energije. | Ultrazvok omogoča visoko učinkovitost ekstrakcije pri nižjih temperaturah, zaradi česar je primeren za toplotno občutljive rastlinske spojine. |
| Soxhletova ekstrakcija | Soxhletova ekstrakcija se v laboratorijih pogosto uporablja, vendar je potratna glede na količino topil in časovno zahtevna. | Ultrazvočna ekstrakcija lahko zmanjša količino topila in skrajša čas ekstrakcije, zaradi česar je privlačna za analitično delo, R&D in razvoj procesov. |
| mehansko mešanje | Mešanje izboljša premešavanje, vendar ne povzroča enakega razbijanja celic zaradi kavitacije kot ultrazvok s sondo. | Ultrazvok v enem samem koraku združuje mešanje, razbijanje agregatov delcev in razbijanje celic, kar omogoča intenzivnejšo ekstrakcijo. |
Serijska in vgrajena ultrazvočna obdelava rastlinskih izvlečkov
Ultrazvočna ekstrakcija v serijah
Serijska ultrazvočna obdelava je idealna za laboratorijske raziskave, razvoj formulacij, proizvodnjo v majhnem obsegu in prilagodljivo predelavo. Ultrazvočni aparat s sondo se vstavi v posodo, ki vsebuje suspenzijo rastlinsega materiala in topila. Serijsko obdelavo je enostavno pripraviti in je odlična za preizkušanje parametrov, kot so vrsta topila, amplituda, čas ekstrakcije in temperatura.
Neprekinjena vgrajena ultrazvočna ekstrakcija
Za večje proizvodne količine je najprimernejša neprekinjena vgrajena ultrazvočna obdelava. Rastlinska kaša se črpa skozi ultrazvočno pretočno celico, kjer je izpostavljena nadzorovani kavitaciji. Vgrajena obdelava izboljša ponovljivost, nadzor procesa in zmogljivost. Prav tako omogoča bolj predvidljivo povečanje obsega proizvodnje, saj je mogoče natančno določiti vnos energije, čas zadrževanja in pretok.
Industrijski ultrazvočni aparati podjetja Hielscher so zasnovani za neprekinjeno delovanje in jih je mogoče vgraditi v črpalke, toplotne izmenjevalnike, zbiralne posode, filtrirne sisteme, sisteme za izločanje topil ter sisteme za nadaljnjo koncentracijo.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost naših ultrazvočnih naprav za ekstrakcijo rastlinskih snovi
| Obseg serije | Pretok | Priporočeni ultrazvočni aparat |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000hdT |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000hdT |
Fito kemikalije, pridobljene s sonikacijo
Ultrazvok je primeren za široko paleto fitokemijskih skupin. Rezultat ekstrakcije je odvisen od rastlinskega materiala, velikosti delcev, topila, temperature, amplitude ultrazvoka, časa zadrževanja in nadaljnje ločevanja.
Polifenoli in flavonoidi
Polifenoli in flavonoidi sodijo med najbolj raziskane fitokemikalije zaradi svojih antioksidativnih lastnosti in pomembnosti v prehrambenih, nutraceuticalnih in kozmetičnih formulacijah. Ultrazvočna ekstrakcija pospeši sproščanje fenolnih kislin, katehinov, kvercetina, rutina, antocianinov in sorodnih spojin iz listov, plodov, lupin, cvetov, semen in lubja.
Terpeni in sestavine eteričnih olj
Terpeni in aromatične spojine so pomembni za zeliščne izvlečke, dišave, arome ter predelavo konoplje ali konoplje. Ultrazvok lahko izboljša ekstrakcijo iz rastlinskih tkiv, hkrati pa omogoča nežno uravnavanje temperature, kar je pomembno za hlapne in na oksidacijo občutljive spojine.
Alkaloidov
Alkaloidi se nahajajo v številnih zdravilnih rastlinah in se pogosto izločajo za analitične, farmacevtske ali nutraceuticalne namene. Ultrazvočna obdelava izboljša razgradnjo matriksa in lahko pospeši prenos alkaloidov v ustrezna topila.
Saponini, glikozidi in tanini
Številne korenine, zelišča, stročnice in zdravilne rastline vsebujejo saponine, glikozide in tanine. Ultrazvok pomaga pri sproščanju teh spojin iz vlaknatih ali gostih rastlinskih matriksov, pri čemer je mogoče postopek optimizirati tako, da se doseže ravnovesje med izkoristkom ekstrakcije in selektivnostjo.
Pigmenti in antioksidanti
Naravni pigmenti, kot so antocianini, klorofili, karotenoidi in betalaini, so dragoceni za uporabo v prehrambeni industriji, pri proizvodnji pijač, v kozmetiki in analitičnih postopkih. Ker so mnogi pigmenti občutljivi na toploto, kisik in pH, je ultrazvočna ekstrakcija v nadzorovanih temperaturnih pogojih zelo ugodna.
Kanabinoidi in fitokemikalije konoplje
Konoplja in marihuana vsebujejo kanabinoide, terpenoide, flavonoide in druge rastlinske sestavine. Ultrazvočna ekstrakcija izboljša sproščanje teh spojin iz zmlete biomase in se lahko prilagodi za uporabo z etanolom, hidroetanolom ali drugimi topili.
Ultrazvočna ekstrakcija fitokemikalij
Pogosta vprašanja: Ultrazvok in fitokemija
Kaj je sonikacija v fitohemiji?
Ultrazvok v fitokemiji pomeni uporabo visokozmogljivega ultrazvoka za ekstrakcijo, sproščanje ali predelavo rastlinskih kemijskih spojin. Pogosto se uporablja za ultrazvokom podprto ekstrakcijo fitokemikalij, kot so polifenoli, flavonoidi, terpeni, alkaloidi, pigmenti, antioksidanti in sestavine eteričnih olj.
Kako se s sonikacijo iz rastlin izločajo fitokemikalije?
Ultrazvok v ekstrakcijski tekočini povzroči akustično kavitacijo. Kavitacija ustvarja strižne sile, mikro curke in intenzivno mešanje, kar razgradi strukture rastlinskih celic in izboljša prodiranje topila. To pospeši prenos fitokemikalij iz rastlinske matrice v topilo.
Katera fitokemikalije je mogoče ekstrahirati z ultrazvokom?
Ultrazvočno ekstrakcijo je mogoče uporabiti za pridobivanje polifenolov, flavonoidov, antocianinov, terpenov, kanabinoidov, alkaloidov, saponinov, taninov, glikozidov, klorofilov, karotenoidov, sestavin eteričnih olj in številnih drugih rastlinskih spojin.
Ali je ultrazvočna ekstrakcija primerna za toplotno občutljive fitokemikalije?
Da. Ultrazvok velja za blago, netermalno metodo ekstrakcije, če se temperatura ustrezno nadzoruje. Zaradi tega je primeren za toplotno občutljive spojine, kot so antioksidanti, pigmenti, terpeni in nekateri vitamini.
Ali je ultrazvočna obdelava s sondo boljša od ultrazvočne kopeli za ekstrakcijo fitokemikalij?
Za učinkovito ekstrakcijo je ultrazvok s sondo na splošno precej močnejši in lažje nadzorljiv kot ultrazvočna kopel. Ultrazvočni aparat s sondo prenaša energijo neposredno v tekočino, kar povzroči intenzivno kavitacijo v vzorcu ali procesnem toku. Ultrazvočne kopeli so precej manj intenzivne in ne zagotavljajo ponovljivih rezultatov pri zahtevnih ekstrakcijskih postopkih. Oglejte si razliko v rezultatih ultrazvočne ekstrakcije pri primerjavi ultrazvočnega aparata s sondo in ultrazvočne kopeli!
Katera topila se lahko uporabljajo za ultrazvočno ekstrakcijo fitokemikalij?
Med pogosta topila spadajo voda, etanol, zmesi etanola in vode, glicerin, olja ter druga topila, namenjena posebnim uporabam. Za analitično ekstrakcijo se lahko uporablja metanol ali druga laboratorijska topila. Ultrazvok se lahko kombinira tudi z globokimi eutektičnimi topili in naravnimi globokimi eutektičnimi topili.
Ali lahko ultrazvok skrajša čas ekstrakcije?
Da. Ultrazvočna ekstrakcija lahko znatno skrajša čas ekstrakcije v primerjavi s klasičnim maceriranjem, infuzijo ali ekstrakcijo s topili, saj kavitacija pospeši razgradnjo celic in prenos snovi.
Ali je mogoče ultrazvočno ekstrakcijo izvesti v večjem obsegu?
Da. Ultrazvočni aparati Hielscher so na voljo v različnih velikostih, od laboratorijskih do industrijskih. Postopki, razviti z nadzorovanimi parametri, kot so amplituda, vnesena energija, temperatura in čas zadrževanja, se lahko prenesejo na večje serijske ali neprekinjene vgrajene sisteme.
Ali je ultrazvok primeren za industrijsko ekstrakcijo rastlinskih snovi?
Da. Industrijski ultrazvočni aparati s pretočnimi reaktorji lahko neprekinjeno predelujejo rastlinske suspenzije. Zaradi tega je ultrazvočna obdelava primerna za komercialno proizvodnjo nutraceuticalnih izvlečkov, zeliščnih tinktur, kozmetičnih aktivnih sestavin, živilskih sestavin in bioaktivnih snovi rastlinskega izvora.
Katere so glavne prednosti ultrazvočnih naprav Hielscher za fitohemijo?
Ultrazvočni aparati Hielscher zagotavljajo močno kavitacijo, natančno nadzorovanje parametrov, ponovljivo ekstrakcijo, delovanje v serijah in vgrajeno delovanje, prilagodljive možnosti opreme ter združljivost z mnogimi topili in rastlinskimi surovinami. Primerni so za raziskave, razvoj postopkov in serijsko proizvodnjo.
Kako izbrati pravi ultrazvočni ekstraktor?
Izbira najboljšega ultrazvočnega ekstraktorja je odvisna od vašega rastlinskega materiala, želenih spojin, topila, količine, vsebnosti trdnih snovi, temperaturnih omejitev in zahtevane zmogljivosti. Podjetje Hielscher vam lahko na podlagi vašega postopka ekstrakcije priporoči ustrezen laboratorijski, pilotni ali industrijski ultrazvočni aparat.
Literatura / Reference
- 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.
- visoka učinkovitost
- Najsodobnejša tehnologija
- Zanesljivost & Robustnosti
- nastavljiv, natančen nadzor procesa
- Serije & Inline
- za poljubno količino
- Inteligentna programska oprema
- pametne funkcije (npr. programiranje, podatkovni protokol, daljinsko upravljanje)
- enostaven in varen za uporabo
- nizko vzdrževanje
- CIP (čiščenje na mestu)
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.