Terpenextraktion med ultraljud

Ultraljudsextraktion av terpener har visat sig ge höga utbyten av terpenen karyofyllenoxid, t.ex. från cannabis och humle. Karyofyllenoxid är en terpen som finns i cannabis, humle, peppar, basilika och rosmarin. Som aktiv förening används extraherad karyofyllenoxid som aromtillsats och kosttillskott.

Användning av extraherad karyofyllenoxid

Karyofyllenoxid utmärker sig genom sin aromatiska doft och smak (dvs. örter). På grund av sin intensiva aromatiska doft och smak används den ofta som aromtillsats i livsmedel och som doftkomponent. Dessutom kan den binda till de endokrina CB2-receptorerna i människokroppen, vilket gör den till en intressant farmaceutisk komponent.

Ultraljudsextraktion av terpener ur humle: Extraktionen utförs med Hielscher UP100H för att isolera karyofyllen och andra terpener ur humlekottar.

Ultraljudsextraktion av karyofyllenoxid

Ultraljudsextraktion av terpenen karyofyllenoxid är en utmärkt teknik för att uppnå höga utbyten, t.ex. från cannabis och humle. Läs mer om akustisk kavitation, den verksamma principen bakom ultraljudsextraktion!
Som exempel extraherades β-karyofyllenoxid med ultraljud med hjälp av ultraljudsapparaten UP100H (100W, 30kHz) från torkade humlekottar.
GC-analysdata visar extraktionsutbytet av β-karyofyllenoxid som extraherats ur humle med Hielschers UP100H .

GC-analys av karyofyllenoxidextrakt från humlekottar framställt med ultraljud

Gaskromatografisk analys av ultraljudsextrakt från humle: β-karyofyllenoxid, α-karyofyllen, α-pinen, mycrene, limonen, α-caryophylene och karyofyllenoxid med flera.

Förutom β-karyofyllenoxid extraherades även andra terpener framgångsrikt, bland annat α-karyofyllen, α-pinen, mycrene, limonen och α-caryophylene.

Hur extraheras terpener ur växter med ultraljudsbehandling med sond? En stegvis instruktion!

Först mals eller hackas växtmaterialet i små bitar för att öka ytan för extraktion.
Växtmaterialet blandas sedan med ett lösningsmedel (såsom etanol eller vatten) för att extrahera terpenerna.
Därefter används ultraljudsbehandling med sond för att underlätta extraktionsprocessen genom att tillföra högintensiva, lågfrekventa ultraljudsvågor vid cirka 20kHz till suspensionen. Detta orsakar akustisk kavitation och snabba vibrationer i lösningsmedlet, vilket främjar sönderdelning och uppluckring av växtcellerna samt frigörandet av terpenerna.
Blandningen filtreras sedan för att separera det fasta växtmaterialet från vätskan som innehåller de extraherade terpenerna.
Vätskan indunstas sedan eller genomgår ytterligare bearbetning för att avlägsna lösningsmedlet och koncentrera terpenerna.
Slutprodukten är ett terpenrikt extrakt som kan användas inom olika tillämpningar, såsom kosttillskott, funktionella livsmedel och kosmetika.

Protokoll för ultraljudsextraktion av terpener

Humlen maldes med en vanlig kaffekvarn för att få en mer homogen partikelstorlek i humleprovet.
4,5mg humle placerades i en provflaska, varefter 5mL etanol tillsattes. Provflaskan placerades i en bägare med isvatten för värmeavledning. Därefter ultraljudsbehandlades provet med en UP100H, utrustad med sonotroden MS7, med en amplitudinställning på 50% under 90sec.

GC-analysdata för humleextrakt (extraherade med ultraljudsbehandling)

Gaskromatografisk analys av ultraljudsextrakt från humle:

Ultraljudsbehandling säkerställer hög massöverföring mellan cellmatrisen och lösningsmedlet, vilket ger ett mycket högt utbyte av extrakt av hög kvalitet.

Fördelar med ultraljudsextraktion av terpener

terpenextrakt av hög kvalitet (ingen termisk nedbrytning)
höga utbyten
snabbt förfarande
snabb avkastning på investeringen
mildare lösningsmedel
lägre lösningsmedelsförbrukning
säker och enkel att använda
lågt underhållsbehov
grön, miljövänlig terpenextraktion

Ultraljudsextraktion av terpener utmärker sig som en grön extraktionsmetod som gör det möjligt att avsevärt påskynda terpenextraktionen samtidigt som den kräver mindre energi än andra konventionella extraktionsmetoder (dvs. superkritisk CO2, Soxhlet osv.). Andra fördelar med ultraljudsextraktion av terpener är enkel hantering av ultraljudsextraktorn, en snabb process, inget kemiskt avfall, högt utbyte, miljövänlighet, förbättrad kvalitet tack vare milda processförhållanden samt att termisk nedbrytning förhindras.

Ultraljudsextraktorer för terpener

Tabellen nedan ger en indikation på vilken ultraljudsapparat som kan vara mest lämpad för dina krav på terpenextraktion.

Satsvolym	Flödeshastighet	Rekommenderade apparater
10 till 2000mL	20 till 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 till 20L	0,2 till 4L/min	UIP2000hdT
10 till 100L	2 till 10L/min	UIP4000
ej tillämpligt	10 till 100L/min	UIP16000
ej tillämpligt	högre	kluster av UIP16000

I denna presentation ger vi en introduktion till framställning av växtextrakt. Vi förklarar utmaningarna med att framställa växtextrakt av hög kvalitet och hur en ultraljudsprocessor kan hjälpa er att övervinna dem. Presentationen visar hur ultraljudsextraktion fungerar. Ni får veta vilka fördelar ni kan förvänta er av att använda en ultraljudsprocessor för extraktion och hur ni kan integrera en ultraljudsextraktor i er extraktproduktion.

Relaterade ämnen

Litteratur/referenser

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

Värt att veta

Karyofyllen

Karyofyllen, eller (−)-β-karyofyllen, är en naturlig bicyklisk seskviterpen som finns i många eteriska oljor. Följande örter är kända som goda källor till karyofyllen: cannabis, hampa (Cannabis sativa), svart kummin (Carum nigrum), kryddnejlika (Syzygium aromaticum), humle (Humulus lupulus), basilika (Ocimum spp.), oregano (Origanum vulgare), svartpeppar (Piper nigrum), lavendel (Lavandula angustifolia), rosmarin (Rosmarinus officinali) och kopaibaolja (Copaifera spp.). β-karyofyllen är en fytocannabinoid med stark affinitet till cannabinoidreceptor typ 2 (CB 2), men inte till cannabinoidreceptor typ 1 (CB 1).

Karyofyllenoxid

Karyofyllenoxid (även β-karyofyllenoxid) är oxidationsderivatet av β-karyofyllen och är ett vitt, kristallint, fast pulver med en smältpunkt på cirka 62°C.
Den uppskattas för sina antiinflammatoriska, lokalbedövande och antioxidativa effekter. Inledande forskning tyder på att karyofyllenoxid också skulle kunna vara ett potentiellt läkemedel för cancerbehandling. Karyofyllenoxid är en del av cyklobutanringen, som redan används inom medicinsk forskning för att syntetisera det allmänt använda cytostatikumet karboplatin.
Karyofyllenoxid, där olefinen i karyofyllen har omvandlats till en epoxid, är en godkänd komponent för smaksättning av livsmedel.
Både β-karyofyllen och β-karyofyllenoxid har låg vattenlöslighet, vilket försvårar deras upptag i cellen. För användning av dessa seskviterpener som läkemedel eller kosttillskott avhjälper inkapsling i liposomer dessa seskviterpeners dåliga löslighet i vattenbaserade vätskor och säkerställer biotillgänglighet och bioaktivitet. Klicka här för att läsa mer om inkapsling av bioaktiva föreningar med ultraljud!

Karyofyllenoxid i cannabis

I växten Cannabis sativa förekommer karyofyllenoxid som en seskviterpen, som består av tre isoprenenheter. Karyofyllenoxid är en av de största och mest förekommande terpenerna i cannabisväxten och ansvarar för cannabisens särpräglade arom och doft. Ultraljudsextraktion används framgångsrikt för att framställa cannabidiololjor med fullspektrum, så att de många föreningarnas entourageeffekt uppnås.

Ultraljudskavitation för extraktion

När ultraljudsvågor med hög effekt tillförs en vätska uppstår cykler av kompression och expansion (förtunning) i vätskan. Under förtunningen bildas hålrum eller så kallade kavitationsbubblor i vätskan. Dessa kavitationsbubblor, som är små vakuumbubblor, uppstår när undertrycket verkar så att vätskans lokala draghållfasthet överskrids. Vakuumbubblorna växer under flera kompressions-/förtunningscykler tills de inte kan absorbera mer energi och kavitationsbubblan genomgår en implosiv kollaps. Detta fenomen kallas kavitation. Enligt professor Suslicks forskning (1990) råder extrema förhållanden i kavitationsbubblor, med temperaturer på upp till 5000 K, tryck på 1000 atmosfärer, uppvärmnings- och avkylningshastigheter över 1010 K/s samt vätskestrålar med hastigheter på upp till 280m/s, vilka yttrar sig som mycket höga skjuvkrafter och turbulens i kavitationszonen. Kombinationen av dessa faktorer (tryck, värme, skjuvning och turbulens) används för att påskynda massöverföringen i extraktionsprocessen. Dessa lokalt förekommande förhållanden används dessutom i ultraljudsprocesser såsom homogenisering, emulgering eller dispergering.

Ultraljudskavitation/akustisk kavitation skapar mycket intensiva krafter som främjar kristallisations- och utfällningsprocesserna (klicka för att förstora!)

Ultraljudsextraktion bygger på akustisk kavitation och dess hydrodynamiska skjuvkrafter

Ultraljudsextraktion av terpener

Principen för ultraljudsextraktion bygger på två effekter som uppstår när ultraljudsvågor med hög effekt kopplas in i en vätska eller suspension:
För det första pressas lösningsmedlet (det omgivande vätskemediet) in i cellmatrisen. Beroende på kavitationens amplitud och styrka perforeras eller bryts cellväggen sönder av vätsketrycket.
För det andra spolas cellinnehållet (dvs. intracellulärt material) ut ur cellens inre under förtunningscykeln. Efter ultraljudsextraktionen finns målföreningarna i lösningsmedlet och kan separeras från det (t.ex. genom att lösningsmedlet avdunstas), så att ett rent extrakt slutligen erhålls.
Råmaterialets sammansättning (såsom fukthalt, macererings-/malningsgrad och partikelstorlek) och det valda lösningsmedlet är mycket viktiga faktorer för att uppnå en effektiv ultraljudsextraktionsprocess med god verkan. Även ultraljudsprocessens parametrar är avgörande: amplitud, tryck, temperatur och ultraljudsbehandlingstid måste fastställas och optimeras för bästa resultat.