Lösningsmedel för ultraljudsextraktion ur växter

• Ultraljudsextraktion har många fördelar, såsom höga utbyten, snabb extraktion, miljövänlighet och låg energiförbrukning.
• En av de största fördelarna är möjligheten att använda vatten som extraktionsmedium. Ultraljudsbehandling kan dock användas med många olika lösningsmedelssystem för att ge överlägsna resultat för det avsedda extraktet.
• Det optimala lösningsmedlet för ultraljudsextraktion av bioaktiva ämnen från växter väljs med hänsyn till råmaterialet.

Ultraljudsextraktion

Ultraljud är välkänt för att bryta sönder cellstrukturer och förbättra massöverföringen, vilket ökar extraherbarheten hos biologiska föreningar (t.ex. fenoliska föreningar och karotenoider).
Eftersom ultraljudsbehandlingens mekaniska effekter avsevärt förbättrar extraktionsprocessen genom förbättrad massöverföring är användningen av organiska lösningsmedel ofta överflödig. Det innebär att vatten ofta är ett tillräckligt extraktionsmedium för ultraljudsextraktion och har många fördelar, såsom att vara billigt, ofarligt, lättillgängligt och miljövänligt.
För specifika bioaktiva föreningar kan dock de bästa resultaten uppnås genom ultraljudsextraktion i kombination med ett flyktigt lösningsmedel.
För att välja rätt lösningsmedel måste man ta hänsyn till råmaterialet (t.ex. färskt eller torkat, macererat/malet eller pulveriserat växtmaterial) och de ämnen som ska extraheras (t.ex. lipofila eller hydrofila).
 

Följande tabell listar flera väletablerade extraktionslösningsmedel som används för ultraljudsextraktion ur växtmaterial.

Kraftfulla ultraljudsvågor bryter sönder cellmatrisen i biologiska strukturer och frigör de bioaktiva föreningarna. Massöverföringen mellan växtmaterialet och lösningsmedlet intensifieras. Tack vare dessa mekanismer är ultraljudsextraktion mycket effektiv för extraktion ur växter.

Ultraljudsapparater för extraktion

Från ultraljudsapparater för laboratorier och bänkbruk till helt industriella system för ultraljudsextraktion – Hielscher Ultrasonics är din partner med mångårig erfarenhet när det gäller kraftfulla och tillförlitliga ultraljudsapparater för framgångsrika extraktionsprocesser.
Våra ultraljudssystem används i stor utsträckning i biokemiska laboratorier och anläggningar för läkemedelsproduktion. Ultraljudssonotroderna och reaktorerna kan autoklaveras och uppfyller standarderna för läkemedelsproduktion.

Hielschers industriella ultraljudsapparater kan leverera mycket höga amplituder för att bryta upp cellmatriser och frigöra önskade ämnen. Amplituder på upp till 200µm kan utan problem upprätthållas kontinuerligt i drift dygnet runt, alla dagar i veckan. Hielschers ultraljudsapparaters effekt och robusthet säkerställer höga utbyten, höga extraktionshastigheter och mer fullständig extraktion – vilket överträffar konventionella extraktionsprocesser.
Våra ultraljudsprocessorer kan kombineras med konventionella extraktionsmetoder såsom Soxhlet-extraktion eller extraktion med superkritisk CO2. De kan enkelt eftermonteras i befintliga produktionslinjer.

Litteratur / Referenser

• 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.

Fakta värda att känna till

Ultraljudsextraktion genom kavitation

Intensiva ultraljudsvågor genererar akustisk kavitation i vätskor. Skjuvkrafterna från kavitationen bryter sönder cellväggar och membran så att det intracellulära materialet frigörs. Ultraljudsextraktion gör att lösningsmedlet tränger djupare in i växtvävnaden och förbättrar massöverföringen. Därigenom intensifierar ultraljudsextraktion extraktionsprocessen avsevärt, vilket resulterar i högre utbyten, högre extraktionshastigheter och en mer fullständig extraktion.

Lösningsmedelssystem

För extraktion av bioaktiva föreningar ur växtmaterial finns olika lösningsmedelssystem tillgängliga. För extraktion av hydrofila föreningar väljs främst polära lösningsmedel såsom metanol, etanol eller etylacetat, medan lösningsmedelssystem såsom diklormetan eller diklormetan/metanol (v/v 1:1) föredras för extraktion av lipofila föreningar (t.ex. lipider). Hexan används ofta som lösningsmedel för klorofyllextraktion.

Vad är bioaktiva föreningar?

Bioaktiva föreningar eller fytokemikalier definieras som ämnen som påverkar levande organismer, vävnader eller celler. Biologiskt aktiva ämnen omfattar antibiotika, enzymer och vitaminer. Bioaktiva ämnen såsom karotenoider och polyfenoler kan extraheras ur t.ex. frukter, blad och grönsaker, medan fytosteroler finns i vegetabiliska oljor.
Bioaktiva föreningar från växter omfattar flavonoider, koffein, karotenoider, kolin, ditioltioner, fytosteroler, polysackarider, fytoöstrogener, glukosinolater, polyfenoler och antocyaniner. Många bioaktiva ämnen uppskattas för sin verkan som antioxidanter och anses därför vara hälsofrämjande.

Hur väljer jag det bästa extraktionslösningsmedlet?

Riktlinjerna nedan hjälper dig att välja ett lämpligt lösningsmedel för ultraljudsextraktion ur växter. Eftersom ultraljudsbehandling är kompatibel med alla vanliga lösningsmedel kan du välja det lösningsmedel som är allra lämpligast med hänsyn till din växtråvara, de önskade fytokemikalierna och kostnadseffektiviteten.

• Selektivitet: Välj ett lösningsmedel som specifikt löser upp de önskade föreningarna medan oönskade komponenter lämnas kvar. Använd till exempel etanol för polära föreningar som alkaloider och flavonoider.
• Löslighet: Välj ett lösningsmedel med en polaritet som liknar det lösta ämnets, enligt principen ”lika löser lika”. Polära lösningsmedel (t.ex. vatten, etanol) löser upp polära föreningar, medan opolära lösningsmedel (t.ex. hexan) löser upp opolära föreningar som lipider och oljor.
• Kostnad: Beakta lösningsmedlets kostnadseffektivitet. Vissa lösningsmedel kan vara dyrare men ge högre utbyten eller bättre selektivitet, vilket väger upp den totala extraktionskostnaden.
• Säkerhet: Säkerställ att lösningsmedlet är säkert att använda och hantera. Faktorer att beakta är toxicitet, brandfarlighet och miljöpåverkan. Till exempel är vatten och etanol säkrare val än kloroform eller toluen.

Polaritet och val av lösningsmedel
Enligt principen om likhet och inbördes blandbarhet ger lösningsmedel med en polaritet som ligger nära det lösta ämnets sannolikt bättre resultat. Här är några exempel:

• Polära lösningsmedel: Vatten, etanol, metanol – används för att extrahera polära föreningar såsom alkaloider, flavonoider, glykosider och proteiner.
• Måttligt polära lösningsmedel: Aceton, etylacetat, isopropanol – lämpliga för att extrahera ett brett spektrum av föreningar, inklusive fenolföreningar och vissa alkaloider.
• Opolära lösningsmedel: Hexan, toluen, petroleumeter – idealiska för att extrahera opolära föreningar såsom lipider, vaxer, terpener och eteriska oljor.

Exempel på användning av lösningsmedel

• Etanol: Ett av de vanligaste lösningsmedlen för extraktion ur växter. Som polärt lösningsmedel löser etanol polära föreningar såsom alkaloider och flavonoider.
• Vatten: Det universella lösningsmedlet, som ofta används för att extrahera hydrofila föreningar såsom polysackarider, proteiner och vissa glykosider.
• Metanol: Ett starkt polärt lösningsmedel som effektivt extraherar ett brett spektrum av växtföreningar, inklusive fenolföreningar, flavonoider och vissa alkaloider.
• Hexan: Ett opolärt lösningsmedel som främst används för att extrahera opolära föreningar såsom lipider, vaxer och eteriska oljor.
• Aceton: Aceton är ett polärt aprotiskt lösningsmedel som effektivt extraherar ett brett spektrum av växtföreningar, särskilt sådana som är mindre polära än de som extraheras med vatten eller metanol.
• Isopropanol: Ett polärt lösningsmedel som liknar etanol och ofta används för att extrahera eteriska oljor, hartser och vissa alkaloider.
• Kloroform: Ett opolärt lösningsmedel som effektivt extraherar alkaloider, terpenoider och vissa glykosider. Det används mer sällan på grund av sin toxicitet.
• Etylacetat: Ett måttligt polärt lösningsmedel som används för att extrahera en rad föreningar, inklusive flavonoider, alkaloider och fenolföreningar.
• Toluen: Ett opolärt lösningsmedel som används för att extrahera opolära föreningar såsom eteriska oljor, terpener och vaxer.
• Butanol: Ett måttligt polärt lösningsmedel som effektivt extraherar föreningar med medelhög polaritet, inklusive vissa glykosider och saponiner.
• Petroleumeter: Ett opolärt lösningsmedel som främst används för att extrahera fetter, oljor och andra opolära föreningar ur växtmaterial.

Följande lösningsmedel har testats i forskningsstudier om ultraljudsextraktion av specifika växtmaterial och fytokemikalier.

Vad är organiska lösningsmedel?

Ett organiskt lösningsmedel är en typ av flyktig organisk förening (VOC). VOC är organiska kemikalier som förångas vid rumstemperatur.
Organiska föreningar som används som lösningsmedel omfattar:

• aromatiska föreningar, t.ex. bensen och toluen
• alkoholer, t.ex. metanol
• estrar och etrar
• ketoner, t.ex. aceton
• aminer
• nitrerade och halogenerade kolväten

Många organiska lösningsmedel klassificeras som giftiga eller cancerframkallande. Vid felaktig hantering kan de vara farliga för människor och förorena luft, vatten och mark. Tack vare den kraftfulla mekanismen vid ultraljudsextraktion kan användningen av organiska lösningsmedel undvikas genom att de ersätts med mildare, giftfria lösningsmedel.