Ekstrakcija terpenov z ultrazvokom

Dokazano je, da ultrazvočna ekstrakcija terpenov zagotavlja visoke izkoristke terpena oksida kariofilena, npr. iz konoplje in hmelja. Oksid kariofilena je terpen, ki ga najdemo v konoplji, hmelju, popru, baziliki in rožmarinu. Ekstrahirani terpen oksid kariofilena se kot aktivna spojina uporablja kot dodatek za aromatiziranje in prehransko dopolnilo za podporo zdravju.

Uporaba ekstrahiranega oksida kariofilena

Oksid kariofilena odlikujeta aromatičen vonj in okus (tj. po zeliščih). Zaradi intenzivnega aromatičnega vonja in okusa se pogosto uporablja kot dodatek za aromatiziranje živil in kot sestavina dišav. Poleg tega se lahko veže na endokrine receptorje CB2 v človeškem telesu, zaradi česar je zanimiva farmacevtska sestavina.

Ultrazvočna ekstrakcija terpenov iz hmelja: z napravo Hielscher UP100H se iz hmeljevih storžkov izolirajo kariofilen in drugi terpeni.

Ultrazvočna ekstrakcija oksida kariofilena

Ultrazvočna ekstrakcija terpena oksida kariofilena je odlična tehnika za doseganje visokih izkoristkov, npr. iz konoplje in hmelja. Preberite več o akustični kavitaciji, načelu delovanja ultrazvočne ekstrakcije!
Na primer, oksid β-kariofilena je bil ultrazvočno ekstrahiran z ultrazvočno napravo UP100H (100W, 30kHz) iz posušenih hmeljevih storžkov.
Podatki analize GC prikazujejo izkoristek ekstrakcije oksida β-kariofilena, ekstrahiranega iz hmelja z napravo podjetja Hielscher UP100H .

Analiza GC ultrazvočno pridobljenega ekstrakta oksida kariofilena iz hmeljevih storžkov

Plinskokromatografska analiza ultrazvočno pridobljenega ekstrakta hmelja: oksid β-kariofilena, α-kariofilen, α-pinen, mycrene, limonen, α-caryophylene ter oksid kariofilena in drugi.

Poleg oksida β-kariofilena so bili uspešno ekstrahirani tudi drugi terpeni, med drugim α-kariofilen, α-pinen, mycrene, limonen in α-caryophylene.

Kako se terpeni ekstrahirajo iz rastlin z ultrazvočno obdelavo s sondo? Navodila po korakih!

Najprej se rastlinski material zmelje ali seseklja na majhne koščke, da se poveča površina za ekstrakcijo.
Rastlinski material se nato zmeša s topilom (kot sta etanol ali voda) za ekstrakcijo terpenov.
Nato se za podporo procesu ekstrakcije uporabi ultrazvočna obdelava s sondo, pri kateri na suspenzijo delujejo visokointenzivni nizkofrekvenčni ultrazvočni valovi pri približno 20kHz. To povzroči akustično kavitacijo in hitro nihanje topila, kar spodbuja razpad in razgradnjo rastlinskih celic ter sproščanje terpenov.
Zmes se nato filtrira, da se trdni rastlinski material loči od tekočine, ki vsebuje ekstrahirane terpene.
Tekočina se nato upari ali nadalje obdela, da se odstrani topilo in koncentrirajo terpeni.
Končni izdelek je ekstrakt, bogat s terpeni, ki se lahko uporablja za različne namene, na primer v prehranskih dopolnilih, funkcionalnih živilih in kozmetiki.

Protokol ultrazvočne ekstrakcije terpenov

Hmelj je bil zmlet z običajnim kavnim mlinčkom, da bi dosegli bolj enakomerno velikost delcev v vzorcu hmelja.
V vialo je bilo dodanih 4,5mg hmelja, nato pa še 5mL etanola. Viala je bila postavljena v čašo z ledeno vodo za odvajanje toplote. Nato je bil vzorec sonificiran z napravo UP100H, opremljeno s sonotrodo MS7, pri nastavitvi amplitude 50% za 90sec.

Analizni podatki GC za ekstrakte hmelja (ekstrahirane s sonikacijo)

Plinskokromatografska analiza ultrazvočno pridobljenega ekstrakta hmelja:

Sonikacija zagotavlja velik prenos snovi med celičnim matriksom in topilom, kar omogoča zelo visok izkoristek visokokakovostnega ekstrakta.

Prednosti ultrazvočne ekstrakcije terpenov

visokokakovostni ekstrakti terpenov (brez toplotne razgradnje)
visoki izkoristki
hiter postopek
hitra povrnitev naložbe
blažja topila
manjša poraba topila
varno in preprosto upravljanje
malo vzdrževanja
zelena, okolju prijazna ekstrakcija terpenov

Ultrazvočna ekstrakcija terpenov izstopa kot zelena metoda ekstrakcije, ki omogoča znatno pospešitev postopka ekstrakcije terpenov, hkrati pa zahteva manj energije kot druge običajne metode ekstrakcije (tj. superkritični CO2, Soxhlet itd.). Druge prednosti uporabe ultrazvočne ekstrakcije terpenov so preprosto upravljanje ultrazvočnega ekstraktorja, hiter proces, odsotnost kemičnih odpadkov, visok izkoristek, prijaznost do okolja, izboljšana kakovost zaradi blagih pogojev obdelave in preprečevanje toplotne razgradnje.

Ultrazvočni ekstraktorji za terpene

Spodnja tabela vam pomaga oceniti, katera ultrazvočna naprava bi lahko bila najprimernejša za vaše zahteve pri ekstrakciji terpenov.

Prostornina šarže	Pretok	Priporočene naprave
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	večji	sklop naprav UIP16000

V tej predstavitvi vam predstavljamo proizvodnjo rastlinskih izvlečkov. Pojasnjujemo izzive pri proizvodnji visokokakovostnih rastlinskih izvlečkov in kako vam jih lahko sonikator pomaga premagati. Predstavitev prikazuje delovanje ultrazvočne ekstrakcije. Spoznali boste prednosti uporabe sonikatorja za ekstrakcijo in načine vključitve ultrazvočnega ekstraktorja v proizvodnjo izvlečkov.

Sorodne teme

Literatura/viri

Selvamuthukumaran, M.; Shi, J. (2017): Recent advances in extraction of antioxidants from plant by-products processing industries. Food Quality and Safety, 2017, 1, 61–81.
Suslick, K.S. (1990): Sonochemistry. Science 23 Mar 1990: Vol. 247, Issue 4949, pp. 1439-1445

Koristna dejstva

Kariofilen

Kariofilen ali (−)-β-kariofilen je naravni biciklični seskviterpen, ki ga najdemo v številnih eteričnih oljih. Naslednja zelišča so znana kot dober vir kariofilena: konoplja, navadna konoplja (Cannabis sativa), črna kumina (Carum nigrum), nageljnove žbice (Syzygium aromaticum), hmelj (Humulus lupulus), bazilika (Ocimum spp.), origano (Origanum vulgare), črni poper (Piper nigrum), sivka (Lavandula angustifolia), rožmarin (Rosmarinus officinali, in olje kopajbe (Copaifera spp.). β-kariofilen je fitokanabinoid z močno afiniteto do kanabinoidnega receptorja tipa 2 (CB 2), vendar ne do kanabinoidnega receptorja tipa 1 (CB 1).

Oksid kariofilena

Oksid kariofilena (tudi oksid β-kariofilena) je oksidacijski derivat β-kariofilena in je bel kristalinični trdni prah s tališčem približno 62°C.
Cenjen je zaradi svojih protivnetnih, lokalno anestetičnih in antioksidativnih učinkov. Začetne raziskave nakazujejo, da bi bil oksid kariofilena lahko tudi potencialno zdravilo za zdravljenje raka. Oksid kariofilena je del ciklobutanskega obroča, ki se že uporablja v medicinskih raziskavah za sintezo široko uporabljanega kemoterapevtskega zdravila karboplatina.
Oksid kariofilena, v katerem je olefin kariofilena postal epoksid, je odobrena sestavina za aromatiziranje živil.
Tako β-kariofilen kot oksid β-kariofilena imata nizko topnost v vodi, kar ovira njuno absorpcijo v celico. Za uporabo teh seskviterpenov kot zdravil ali prehranskih dopolnil enkapsulacija v liposome odpravlja slabo topnost teh seskviterpenov v vodnih tekočinah ter zagotavlja biološko uporabnost in biološko aktivnost. Kliknite tukaj za več informacij o ultrazvočni enkapsulaciji bioaktivnih spojin!

Oksid kariofilena v konoplji

V rastlini cannabis sativa je oksid kariofilena prisoten kot seskviterpen, sestavljen iz treh izoprenskih enot. Oksid kariofilena je eden največjih in najobilneje zastopanih terpenov v rastlini konoplje ter je odgovoren za značilno aromo in vonj konoplje. Ultrazvočna ekstrakcija se uspešno uporablja za proizvodnjo kanabidiolnih olj s polnim spektrom, s čimer se zagotovi sinergijski učinek številnih spojin.

Ultrazvočna kavitacija za ekstrakcijo

Ko ultrazvočne valove visoke moči vnesemo v tekočino, se v njej pojavijo cikli stiskanja in raztezanja (razredčenja). Med razredčenjem v tekočini nastajajo praznine oziroma tako imenovani kavitacijski mehurčki. Ti kavitacijski mehurčki, ki so drobni vakuumski mehurčki, nastanejo ob delovanju negativnega tlaka, ko je presežena lokalna natezna trdnost tekočine. Vakuumski mehurčki rastejo skozi več ciklov stiskanja / razredčenja, dokler ne morejo več absorbirati energije in kavitacijski mehurček implozijsko kolapsira. Ta pojav je znan kot kavitacija. Po raziskavah prof. Suslicka (1990) v kavitacijskih mehurčkih vladajo ekstremni pogoji s temperaturami do 5000 K, tlaki 1000 atmosfer, hitrostjo segrevanja in ohlajanja nad 1010 K/s ter tekočinskimi curki s hitrostjo do 280m/s, kar se kaže kot zelo velika strižna sila in turbulenca v kavitacijskem območju. Kombinacija teh dejavnikov (tlak, toplota, strig in turbulenca) se uporablja za pospeševanje prenosa snovi v procesu ekstrakcije. Poleg tega se ti lokalno nastajajoči pogoji uporabljajo tudi v ultrazvočnih procesih, kot so homogenizacija, emulgiranje ali dispergiranje.

Ultrazvočna / akustična kavitacija ustvarja zelo intenzivne sile, ki spodbujajo procese kristalizacije in obarjanja (kliknite za povečavo!)

Ultrazvočna ekstrakcija temelji na akustični kavitaciji in njenih hidrodinamičnih strižnih silah

Ultrazvočna ekstrakcija terpenov

Načelo ultrazvočne ekstrakcije temelji na dveh učinkih, ki nastaneta, ko se energija ultrazvočnih valov visoke moči prenese v tekočino ali suspenzijo:
Prvič, topilo (okoliški tekoči medij) se potisne v celični matriks. Odvisno od amplitude in jakosti kavitacije tlak tekočine preluknja ali razgradi celično steno.
Drugič, med ciklom razredčenja se vsebina celice (tj. znotrajcelični material) izpere iz njene notranjosti. Po ultrazvočni ekstrakciji so ciljne spojine v topilu in jih je mogoče ločiti od topila (npr. z uparjanjem topila), tako da na koncu dobimo čist ekstrakt.
Sestava surovine (kot so vsebnost vlage, stopnja maceracije / mletja in velikost delcev, ter izbrano topilo so zelo pomembni dejavniki za doseganje učinkovitega in uspešnega procesa ultrazvočne ekstrakcije. Bistveni so tudi parametri ultrazvočnega procesa: za najboljše rezultate je treba določiti in optimizirati amplitudo, tlak, temperaturo in čas sonikacije.