Topila za ultrazvočno ekstrakcijo iz rastlin

• Ultrazvočna ekstrakcija ima številne prednosti, kot so visoki izkoristki, hitra ekstrakcija, okoljska prijaznost in nizka poraba energije.
• Ena največjih prednosti je uporaba vode kot ekstrakcijskega medija. Vendar je sonikacijo mogoče uporabiti z najrazličnejšimi sistemi topil za doseganje vrhunskih rezultatov pri pridobivanju želenega ekstrakta.
• Optimalno topilo za ultrazvočno ekstrakcijo rastlinskih bioaktivnih snovi se izbere glede na surovino.

Ultrazvočna ekstrakcija

Znano je, da ultrazvok razgrajuje celične strukture in izboljšuje prenos snovi, s čimer povečuje možnost ekstrakcije bioloških spojin (npr. fenolnih spojin, karotenoidov).
Ker mehanski učinki sonikacije zaradi izboljšanega prenosa snovi močno izboljšajo ekstrakcijski proces, je uporaba organskih topil pogosto odveč. To pomeni, da je pri ultrazvočni ekstrakciji voda pogosto zadosten ekstrakcijski medij, ki ima številne prednosti, saj je poceni, nenevaren, lahko dostopen in okolju prijazen.
Vendar je pri določenih bioaktivnih spojinah najboljše rezultate mogoče doseči z ultrazvočno ekstrakcijo v kombinaciji s hlapnim topilom.
Pri izbiri ustreznega topila je treba upoštevati surovino (npr. svež ali posušen, maceriran/zmlet ali uprašen rastlinski material) in ciljne snovi (npr. lipofilne, hidrofilne).
 

V naslednji tabeli je navedenih več topil, ki so dobro uveljavljena ekstrakcijska topila in se uporabljajo za ultrazvočno ekstrakcijo iz rastlinskega materiala.

Močni ultrazvočni valovi razgrajujejo celični matriks bioloških struktur in sproščajo bioaktivne spojine. Prenos snovi med rastlinskim materialom in topilom se okrepi. Zaradi teh mehanizmov je ultrazvočna ekstrakcija zelo učinkovita pri rastlinski ekstrakciji.

Ultrazvočne naprave za ekstrakcijo

Od laboratorijskih in namiznih ultrazvočnih naprav do povsem industrijskih sistemov za ultrazvočno ekstrakcijo – Hielscher Ultrasonics je vaš partner z dolgoletnimi izkušnjami, ko gre za zmogljive in zanesljive ultrazvočne naprave za uspešne ekstrakcijske procese.
Naši ultrazvočni sistemi se pogosto uporabljajo v biokemijskih laboratorijih in farmacevtskih proizvodnih obratih. Ultrazvočne sonotrode in reaktorji so primerni za avtoklaviranje in izpolnjujejo standarde farmacevtske proizvodnje.

Industrijski sonikatorji Hielscher lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude za razgradnjo celičnih matriksov in sproščanje ciljnih snovi. Pri amplitudah do 200µm lahko brez težav neprekinjeno delujejo v režimu 24/7. Moč in robustnost ultrazvočnih naprav Hielscher zagotavljata visoke izkoristke, hitro ekstrakcijo in popolnejšo ekstrakcijo – s čimer presegata običajne ekstrakcijske procese.
Naše ultrazvočne procesorje je mogoče kombinirati z običajnimi ekstrakcijskimi metodami, kot je Soxhletova ekstrakcija ali ekstrakcija s superkritičnim CO2. Vgradnjo v obstoječe proizvodne linije je mogoče preprosto izvesti.

Literatura / reference

• 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.

Koristne informacije

Ultrazvočna ekstrakcija s kavitacijo

Intenzivni ultrazvočni valovi ustvarjajo akustično kavitacijo v tekočinah. Kavitacijske strižne sile razgrajujejo celično steno in membrane, tako da se sprosti znotrajcelični material. Ultrazvočna ekstrakcija omogoča globlje prodiranje topila v rastlinsko tkivo in izboljšuje prenos snovi. S tem ultrazvočna ekstrakcija znatno okrepi ekstrakcijski proces, kar zagotavlja višje izkoristke, hitrejšo ekstrakcijo in popolnejšo ekstrakcijo.

Sistemi topil

Za ekstrakcijo bioaktivnih spojin iz rastlinskega materiala so na voljo različni sistemi topil. Za ekstrakcijo hidrofilnih spojin se večinoma izberejo polarna topila, kot so metanol, etanol ali etil acetat, medtem ko se za ekstrakcijo lipofilnih spojin (npr. lipidov) prednostno uporabljajo sistemi topil, kot sta diklorometan ali diklorometan/metanol (v/v 1:1). Heksan se pogosto uporablja kot topilo za ekstrakcijo klorofila.

Kaj so bioaktivne spojine?

Bioaktivne spojine ali fitokemikalije so opredeljene kot snovi, ki vplivajo na žive organizme, tkiva ali celice. Biološko aktivne snovi vključujejo antibiotike, encime in vitamine. Bioaktivne snovi, kot so karotenoidi in polifenoli, je mogoče ekstrahirati npr. iz sadja, listov in zelenjave, medtem ko so fitosteroli prisotni v rastlinskih oljih.
Bioaktivne spojine rastlinskega izvora vključujejo flavonoide, kofein, karotenoide, holin, ditioltione, fitosterole, polisaharide, fitoestrogene, glukozinolate, polifenole in antocianine. Številne bioaktivne snovi so cenjene zaradi antioksidativnega delovanja in zato veljajo za koristne za zdravje.

Kako izberem najboljše ekstrakcijsko topilo?

Spodnje smernice vam pomagajo izbrati primerno topilo za ultrazvočno rastlinsko ekstrakcijo. Ker je sonikacija združljiva z vsakim standardnim topilom, lahko izberete najprimernejše topilo glede na svojo rastlinsko surovino, ciljne fitokemikalije in stroškovno učinkovitost.

• Selektivnost: Izberite topilo, ki specifično raztaplja želene spojine, neželene sestavine pa pusti neraztopljene. Za polarne spojine, kot so alkaloidi in flavonoidi, na primer uporabite etanol.
• Topnost: Na podlagi načela »podobno se raztaplja v podobnem« izberite topilo s polarnostjo, podobno polarnosti topljenca. Polarna topila (npr. voda, etanol) raztapljajo polarne spojine, medtem ko nepolarna topila (npr. heksan) raztapljajo nepolarne spojine, kot so lipidi in olja.
• Stroški: Upoštevajte stroškovno učinkovitost topila. Nekatera topila so lahko dražja, vendar omogočajo višje izkoristke ali boljšo selektivnost, kar uravnoteži skupne stroške ekstrakcije.
• Varnost: Zagotovite, da je topilo varno za uporabo in ravnanje. Dejavniki vključujejo toksičnost, vnetljivost in vpliv na okolje. Voda in etanol sta na primer varnejši izbiri v primerjavi s kloroformom ali toluenom.

Polarnost in izbira topila
Glede na zakon podobnosti in medsebojne mešljivosti bodo topila, katerih vrednost polarnosti je blizu polarnosti topljenca, verjetno učinkovitejša. Tu je nekaj primerov:

• Polarna topila: Voda, etanol, metanol – uporabljajo se za ekstrakcijo polarnih spojin, kot so alkaloidi, flavonoidi, glikozidi in beljakovine.
• Zmerno polarna topila: Aceton, etil acetat, izopropanol – primerni za ekstrakcijo širokega nabora spojin, vključno s fenolnimi spojinami in nekaterimi alkaloidi.
• Nepolarna topila: Heksan, toluen, petroleter – idealni za ekstrakcijo nepolarnih spojin, kot so lipidi, voski, terpeni in eterična olja.

Primeri uporabe topil

• Etanol: Eno najpogostejših topil za rastlinsko ekstrakcijo. Etanol kot polarno topilo raztaplja polarne spojine, kot so alkaloidi in flavonoidi.
• Voda: Univerzalno topilo, ki se pogosto uporablja za ekstrakcijo hidrofilnih spojin, kot so polisaharidi, beljakovine in nekateri glikozidi.
• Metanol: Močno polarno topilo, učinkovito pri ekstrakciji širokega nabora rastlinskih spojin, vključno s fenolnimi spojinami, flavonoidi in nekaterimi alkaloidi.
• Heksan: Nepolarno topilo, ki se uporablja predvsem za ekstrakcijo nepolarnih spojin, kot so lipidi, voski in eterična olja.
• Aceton: Aceton je polarno aprotično topilo, učinkovito za ekstrakcijo širokega nabora rastlinskih spojin, zlasti tistih, ki so manj polarne od spojin, ekstrahiranih z vodo ali metanolom.
• Izopropanol: Polarno topilo, podobno etanolu, ki se pogosto uporablja za ekstrakcijo eteričnih olj, smol in nekaterih alkaloidov.
• Kloroform: Nepolarno topilo, učinkovito pri ekstrakciji alkaloidov, terpenoidov in nekaterih glikozidov. Zaradi toksičnosti se uporablja redkeje.
• Etil acetat: Zmerno polarno topilo, ki se uporablja za ekstrakcijo različnih spojin, vključno s flavonoidi, alkaloidi in fenolnimi spojinami.
• Toluen: Nepolarno topilo, ki se uporablja za ekstrakcijo nepolarnih spojin, kot so eterična olja, terpeni in voski.
• Butanol: Zmerno polarno topilo, učinkovito pri ekstrakciji spojin srednje polarnosti, vključno z nekaterimi glikozidi in saponini.
• Petroleter: Nepolarno topilo, ki se uporablja predvsem za ekstrakcijo maščob, olj in drugih nepolarnih spojin iz rastlinskih materialov.

Naslednja topila so bila preizkušena v raziskavah ultrazvočne ekstrakcije iz določenih rastlinskih materialov in ekstrakcije fitokemikalij.

Kaj so organska topila?

Organsko topilo je vrsta hlapne organske spojine (VOC). VOC so organske kemikalije, ki izhlapevajo pri sobni temperaturi.
Organske spojine, ki se uporabljajo kot topila, vključujejo:

• aromatske spojine, npr. benzen in toluen
• alkohole, npr. metanol
• estre in etre
• ketone, npr. aceton
• amine
• nitrirane in halogenirane ogljikovodike

Številna organska topila so razvrščena kot toksična ali rakotvorna. Ob nepravilnem ravnanju so lahko nevarna za ljudi in lahko onesnažijo zrak, vodo in tla. Zaradi močnega mehanizma ultrazvočne ekstrakcije se je uporabi organskih topil mogoče izogniti tako, da jih nadomestimo z blažjimi, netoksičnimi topili.