Ултразвучна екстракција дубоким еутектичким растварачима
Дубоки еутектички растварачи (DES) и природни дубоки еутектички растварачи (NADES) представљају снажне, подесиве и еколошки прихватљиве екстракционе медијуме за биљне сировине, храну, нутрацеутике, козметику и фармацеутске састојке. Hielscher соникатори са сондом интензивирају екстракцију помоћу DES убрзавањем преноса масе, разарањем структура биљних ћелија и побољшањем продирања растварача – чак и при раду са вискозним системима растварача као што су NADES на бази глицерола.
Било да у лабораторији испитујете формулације растварача, оптимизујете параметре екстракције за одређено фитохемијско једињење или повећавате размере процеса до континуиране производње у линији, Hielscher ултразвучни екстрактори обезбеђују поновљиву контролу амплитуде, поуздан рад 24/7 и обраду која се може скалирати од милилитарских запремина до индустријских протока.
Зашто произвођачи екстраката бирају Hielscher за екстракцију помоћу DES
- Већа ефикасност екстракције полифенола, флавоноида, канабиноида, терпена, антоцијанина и других биоактивних једињења
- Бржа екстракција у поређењу са конвенционалном мацерацијом и екстракцијом растварачем у резервоару са мешалицом
- Компатибилност са DES, NADES, глицерином, водом, етанолом и мешовитим системима растварача
- Ефикасна обрада растварача високе вискозности помоћу соникације сондом при високој амплитуди
- Шаржне, рециркулационе и континуиране проточне конфигурације
- Прецизна контрола амплитуде, уноса енергије, температуре и трајања процеса
- Лако повећање размера процеса од испитивања изводљивости до пилотске и пуне индустријске производње
Ултразвучна екстракција (природним) дубоким еутектичким растварачима представља високо ефикасну методу за добијање врхунских биљних екстраката. На слици је приказан ултразвучни процесор UP400St (400W) са шаржом од 8L за екстракцију биљних сировина.
Зашто соникација побољшава екстракцију помоћу DES и NADES
Ултразвучна екстракција сондом уз употребу дубоких еутектичких растварача и природних дубоких еутектичких растварача може пружити неколико предности при екстракцији биоактивних једињења. Једна од главних предности је повећана ефикасност екстракције фенолних једињења и других фитохемијских једињења из природних извора. Дубоки еутектички растварачи познати су по високој ефикасности екстракције, која се може додатно повећати екстракцијом потпомогнутом ултразвуком. Због своје нетоксичности представљају одличан избор растварача за фармацеутске и прехрамбене производе. Због тога је ултразвучна екстракција дубоким еутектичким растварачима еколошки прихватљива и одржива метода за издвајање биоактивних једињења. Научно је доказано да синергијска примена ултразвука и дубоких еутектичких растварача доводи до већих приноса различитих биоактивних једињења. У целини, ултразвучна екстракција сондом уз употребу дубоких еутектичких растварача и природних дубоких еутектичких растварача пружа ефикаснији и еколошки прихватљивији приступ екстракцији биоактивних једињења.
Ултразвучна екстракција антоцијанина помоћу DES
Антоцијанини су драгоцени природни пигменти и антиоксиданси који се налазе у црној шаргарепи, бобичастом воћу, грожђу, љубичастом кукурузу и другим биљним материјалима. Дубоки еутектички растварачи веома су погодни за екстракцију антоцијанина јер се њихова мрежа водоничних веза може прилагодити захтевима у погледу поларности и стабилности ових обојених једињења. У комбинацији са соникацијом помоћу сонде, екстракција помоћу DES постаје знатно ефикаснија: ултразвучна кавитација разара структуре биљних ћелија, побољшава продирање растварача и убрзава ослобађање антоцијанина у екстракциони медијум. Студија о антоцијанинима црне шаргарепе уз употребу соникатора UP400St показује да DES на бази холин-хлорида, нарочито у комбинацији са екстракцијом потпомогнутом ултразвуком, могу пружити одрживу и ефикасну алтернативу конвенционалној екстракцији закисељеним етанолом или метанолом. (cf. Türker et al., 2021)
Ултразвучна екстракција полифенола помоћу DES
Полифеноли, укључујући флавоноиде, фенолне киселине и сродна антиоксидативна једињења, важни су циљни молекули при екстракцији из биљних сировина и екстракцији за прехрамбене, нутрацеутске и козметичке производе. Дубоки еутектички растварачи на бази глицерола посебно су привлачни за издвајање полифенола јер њихова поларност и способност стварања водоничних веза подстичу растварање фенолних једињења. Ултразвук који се примењује сондом додатно интензивира процес повећавањем преноса масе, скраћивањем времена екстракције и побољшањем контакта између DES и биљног матрикса.
У једном истраживању коришћен је DES од глицерола и амонијум-ацетата за екстракцију потпомогнуту ултразвуком, уз оптимизоване параметре као што су температура, концентрација DES и амплитуда ултразвука. Резултат је показао да је ултразвучна екстракција помоћу DES омогућила ефикасно издвајање укупних фенола, флавоноида и антиоксидативне активности из плодова мелие, показујући потенцијал ултразвучне екстракције помоћу DES као еколошки прихватљиве методе екстракције за индустријску прераду биљних сировина. (уп. Jamshed et al., 2022)
- Висока ефикасност
- Брз процес
- Нетоксичност
- Прецизна прилагодљивост конкретној биљној сировини
- Благи услови обраде
- Шаржни и проточни режим
- Једноставност и безбедност
- Еколошка прихватљивост / биоразградивост
- Могућност рециклирања
- Незапаљивост
- Ниска цена
- Лака доступност
Шта су дубоки еутектички растварачи (DES)?
Дубоки еутектички растварачи (DES) су смеше најмање једног акцептора водоничне везе (HBA) и једног донора водоничне везе (HBD), укључујући карбоксилне киселине и друга обновљива једињења. Према Cai et al. (2019), „снажна интеракција водоничним везивањем између HBA и HBD најважнији је фактор за формирање DES.“ [Cai et al. 2019]
Као донори водоничне везе често се користе једињења попут шећера, аминокиселина, карбоксилних киселина (нпр. бензоеве киселине, лимунске киселине, ћилибарне киселине) или амина (нпр. урее, бензамида). Потенцијал донора водоничне везе за хемијске интеракције главни је фактор који доприноси формирању и ефикасности дубоких еутектичких растварача. Халогенидне соли, као што су холин-хлорид или цинк-хлорид, такође се могу користити заједно са донорима водоничне везе. Други дубоки еутектички растварачи на бази холин-хлорида формирају се са малонском киселином, фенолом или глицерином. Услед снажних интеракција водоничним везивањем, тачка топљења дубоких еутектичких растварача знатно је снижена у поређењу са њиховим појединачним компонентама. За разлику од конвенционалних растварача (нпр. етанола, метанола, хексана, бутана итд.), дубоки еутектички растварачи су неиспарљиви, што значи да имају веома низак напон паре и стога се тешко пале. Токсичност дубоких еутектичких растварача је ниска, њихова биоразградивост је висока, а неопходни прекурсори су јефтини, лако доступни у великим количинама и обновљиви.
Природни дубоки еутектички растварачи (NADES) још су еколошки прихватљивији јер сви прекурсори потичу из природних извора. Дубоки еутектички растварачи такође нуде подесиву способност растварања засновану на хемијским својствима растворене супстанце и хемијских врста које се користе за стварање дубоких еутектичких растварача. Неки природни дубоки еутектички растварачи имају високу вискозност и зато нису нарочито погодни за шаржну екстракцију. Међутим, природни дубоки еутектички растварачи веће вискозности могу се успешно применити као растварачи у ултразвучној проточној екстракцији.
Табела у наставку приказује неколико примера састава природних дубоких еутектичких растварача (NADES) за екстракцију фитохемикалија:
| 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 |
Индустријски соникатор UIP4000hdT са проточним ћелијама за континуирану екстракцију у проточној линији
Како функционише ултразвучна екстракција помоћу дубоких еутектичких растварача?
Ултразвучна екстракција заснива се на сономеханичким ефектима ултразвука високог интензитета и ниске фреквенције. Да би се подстакла и интензивирала екстракција биљних једињења (тј. биоактивних супстанци) соникацијом, ултразвучни таласи велике снаге уводе се посредством ултразвучне сонде (која се назива и ултразвучни рог или сонотрода) у течни медијум, тј. суспензију која се састоји од биљне сировине и (природног) дубоког еутектичког растварача. Ултразвучни таласи простиру се кроз течност и стварају наизменичне циклусе ниског / високог притиска. Током циклуса ниског притиска настају сићушни вакуумски мехурићи (такозвани кавитациони мехурићи), који расту током неколико циклуса притиска. Током тих циклуса раста мехурића, гасови растворени у течности улазе у вакуумски мехурић, тако да се вакуумски мехурићи претварају у растуће гасне мехуриће. Након раста током неколико циклуса, вакуумски мехурићи достижу одређену величину при којој више не могу да апсорбују енергију, па снажно имплодирају током циклуса високог притиска. Имплозију мехурића карактеришу интензивне кавитационе силе, укључујући веома високу температуру и притисак који достижу до 4000K и 1000atm, редом; као и одговарајуће велике разлике у температури и притиску. Ове турбуленције и силе смицања настале дејством ултразвука разарају биљне ћелије и ослобађају унутарћелијска биоактивна једињења у (природни) дубоки еутектички растварач. Ултразвучна екстракција отвара ћелијску структуру биљног материјала и интензивира пренос масе између биљног материјала и растварача. Соникација тиме повећава делотворност природних дубоких еутектичких растварача. Ултразвучна екстракција са (природним) дубоким еутектичким растварачима даје изузетно високе приносе за веома кратко време обраде.
Ултразвучни таласи велике снаге разарају ћелијску структуру биљног материјала, ослобађају биоактивна једињења и подстичу пренос масе између биљног материјала и растварача (нпр. дубоких еутектичких растварача).
Комбинација ултразвучне екстракције са (природним) дубоким еутектичким растварачима пружа вам могућност да спојите способност ултразвука да интензивира процес са изванредним ефектима растварања и изузетном могућношћу прилагођавања својстава дубоких еутектичких растварача. Због врхунске ефикасности ултразвучне екстракције, ултразвучни уређаји се такође успешно користе за екстракцију водом.
Контактирајте нас сада да бисте сазнали више о примени моћне ултразвучне екстракције са дубоким еутектичким растварачима!
Ултразвучни екстрактор UIP2000hdT (2kW) за производњу биљних екстраката
Ултразвучни екстрактори за лабораторијску, пилотску и индустријску екстракцију са DES
Ултразвучна екстракција је поуздана технологија обраде која олакшава и убрзава производњу висококвалитетних екстраката из различитих биљних сировина уз употребу било ког растварача. Ултразвучна екстракција је у великој мери компатибилна са (природним) дубоким еутектичким растварачима, који су повољни због своје одличне способности растварања, могућности прилагођавања екстракту, одрживости, биоразградивости и еколошке прихватљивости. Комбинација интензивирања процеса ултразвуком велике снаге са предностима (природних) дубоких еутектичких растварача даје овој технологији обраде предност на многим нивоима. Портфолио компаније Hielscher Ultrasonics обухвата цео распон, од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја до индустријских система за екстракцију. Сви су, наравно, погодни за екстракцију са дубоким еутектичким растварачима.
Наше особље са дугогодишњим искуством пружиће вам подршку од испитивања изводљивости и оптимизације процеса до уградње вашег ултразвучног система на коначном производном нивоу.
| Запремина екстракције | Препоручени соникатор |
|---|---|
| Развој методе, истраживање и развој, скрининг | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Шарже вискозних DES/NADES | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Пилотска производња | UIP1000hdT или UIP2000hdT (2000W) |
| Континуална индустријска екстракција | UIP4000hdT (4000W), UIP6000hdT (6000W), UIP16000hdT (16kW) или групе уређаја |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Често постављана питања о ултразвучној екстракцији са дубоким еутектичким растварачима
Шта је ултразвучна екстракција дубоким еутектичким растварачима?
Ултразвучна екстракција дубоким еутектичким растварачима комбинује соникацију помоћу сонде са системима растварача DES или NADES. Ултразвучна сонда уводи звучне таласе високог интензитета у суспензију биљног материјала у растварачу. Настала кавитација разара структуре биљних ћелија, побољшава продирање растварача и убрзава пренос биоактивних једињења у дубоки еутектички растварач.
Зашто користити ултразвук за екстракцију помоћу DES и NADES?
Ултразвук побољшава екстракцију помоћу DES и NADES тако што повећава пренос масе, скраћује време екстракције и помаже растварачу да ефикасније допре до унутарћелијских једињења. Ово је посебно корисно за биљне материјале у којима су циљна једињења заробљена унутар биљних ћелија, влакана или смоластих структура.
Која једињења се могу екстраховати помоћу DES и NADES применом соникације?
Ултразвучна екстракција помоћу DES и NADES може се користити за многа биоактивна једињења, укључујући полифеноле, флавоноиде, антоцијанине, терпене, канабиноиде, алкалоиде, антиоксидансе, пигменте, ароматична једињења и друге фитохемикалије. Састав растварача треба одабрати према поларности, стабилности и растворљивости циљног једињења.
Да ли су дубоки еутектички растварачи компатибилни са ултразвучним екстракторима Hielscher?
Да. Соникатори Hielscher са сондом погодни су за екстракцију дубоким еутектичким растварачима, природним дубоким еутектичким растварачима, системима растварача на бази глицерина, водом, етанолом и многим другим екстракционим медијумима. За вискозне системе DES или NADES снажан соникатор са сондом посебно је користан јер обезбеђује интензивно мешање, кавитацију и пренос масе директно у течности.
Да ли се ултразвучном екстракцијом помоћу DES могу обрађивати растварачи високе вискозности?
Да. Многе формулације DES и NADES имају већу вискозност од конвенционалних растварача. Ултразвучни процесори Hielscher веома су погодни за вискозне екстракционе медијуме јер сонотрода уводи ултразвук високе амплитуде директно у смешу растварача и материјала. За веће запремине или континуирану обраду, проточни реактори могу побољшати мешање, контролу топлоте и уједначеност процеса.
Да ли је ултразвучна екстракција помоћу DES погодна за производњу хране, нутрацеутика и козметике?
Да. DES и NADES се често бирају за примене у којима су важни ниска испарљивост, смањене опасности повезане са растварачима и подесиве перформансе екстракције. У зависности од одабраних компоненти растварача и регулаторних захтева, ултразвучна екстракција помоћу DES може се користити за састојке хране, нутрацеутске екстракте, козметичке активне састојке, биљне концентрате и екстракте квалитета погодног за истраживања.
Да ли се ултразвучна екстракција помоћу DES може пренети на већи обим производње?
Да. Ултразвучна екстракција се може у великој мери пренети на већи обим јер се исти процесни параметри – као што су амплитуда, унос енергије, време задржавања, температура и однос чврсте и течне фазе – могу пренети са лабораторијских испитивања на пилотску и индустријску производњу. Hielscher испоручује ултразвучне екстракторе за мале лабораторијске узорке, оптимизацију на стоним уређајима, пилотске шарже и континуирану индустријску проточну екстракцију.
Да ли за процесе са DES треба да користим шаржну ултразвучну екстракцију или ултразвучну екстракцију у производној линији?
Шаржна екстракција је често најбоља за лабораторијска испитивања, скрининг формулација и мале обиме производње. Ултразвучна екстракција у производној линији обично има предност у пилотској и индустријској производњи јер обезбеђује контролисано време задржавања, побољшану поновљивост, лакше хлађење и континуирану прераду. Најбоља конфигурација зависи од вискозности, биљног материјала, удела растварача, циљног једињења и производног капацитета.
Како да одаберем одговарајући ултразвучни екстрактор за екстракцију помоћу DES?
Избор одговарајућег ултразвучног екстрактора зависи од запремине вашег узорка, величине шарже, протока, вискозности растварача, циљног једињења, температуре екстракције и производног циља. Мали лабораторијски уређаји погодни су за развој метода, док се индустријски ултразвучни уређаји серије UIP користе за екстракцију помоћу DES у пилотском и производном обиму. Hielscher може препоручити конфигурацију на основу ваше сировине, система растварача и потребног капацитета прераде.
Који су процесни параметри важни за ултразвучну екстракцију помоћу DES?
Важни параметри обухватају амплитуду ултразвука, унос енергије, време екстракције, температуру, састав DES или NADES, садржај воде, однос чврсте и течне фазе, величину честица, вискозност и проток. Ове параметре треба оптимизовати за сваки биљни материјал и циљно једињење како би се постигли висок принос, добар квалитет екстракта и поновљива производња.
Литература / Референце
- 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.
Ултразвучна технологија високих перформанси! Асортиман производа компаније Hielscher обухвата читав спектар, од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја преко стоних уређаја до потпуно индустријских ултразвучних система.