Ультразвукова екстракція з використанням глибоких евтектичних розчинників
Глибокі евтектичні розчинники (DES) і природні глибокі евтектичні розчинники (NADES) – це потужні, екологічно безпечні екстракційні середовища з регульованими властивостями для рослинної сировини, харчових продуктів, нутрицевтиків, косметики та фармацевтичних інгредієнтів. Ультразвукові апарати зондового типу Hielscher інтенсифікують екстракцію з використанням DES, прискорюючи масоперенесення, руйнуючи структури рослинних клітин і покращуючи проникнення розчинника – навіть під час роботи з в’язкими системами розчинників, такими як NADES на основі гліцеролу.
Незалежно від того, чи проводите ви скринінг складів розчинників у лабораторії, оптимізуєте параметри екстракції для конкретної фітохімічної сполуки або масштабуєте процес до безперервного виробництва в потоці, ультразвукові екстрактори Hielscher забезпечують відтворюване регулювання амплітуди, надійну роботу в режимі 24/7 та масштабовану обробку від мілілітрових об’ємів до промислових об’ємних витрат.
Чому виробники екстрактів обирають Hielscher для екстракції з використанням DES
- Вища ефективність екстракції поліфенолів, флавоноїдів, канабіноїдів, терпенів, антоціанів та інших біоактивних сполук
- Швидша екстракція порівняно з традиційною мацерацією та екстракцією розчинниками в резервуарах із мішалками
- Сумісність із DES, NADES, гліцерином, водою, етанолом і змішаними системами розчинників
- Ефективна обробка високов’язких розчинників за допомогою високоамплітудної ультразвукової обробки зондом
- Установки для періодичної, рециркуляційної та безперервної проточної обробки
- Точне регулювання амплітуди, підведеної енергії, температури та тривалості процесу
- Просте масштабування від випробувань здійсненності до пілотного та повномасштабного промислового виробництва
Ультразвукова екстракція з використанням (природних) глибоких евтектичних розчинників – це високоефективний метод отримання рослинних екстрактів вищої якості. На зображенні показано ультразвуковий процесор UP400St (400W) з партією об’ємом 8L для екстракції рослинної сировини.
Чому ультразвукова обробка покращує екстракцію з використанням DES і NADES
Ультразвукова екстракція зондом із використанням глибоких евтектичних розчинників і природних глибоких евтектичних розчинників може забезпечувати низку переваг під час вилучення біоактивних сполук. Однією з основних переваг є підвищена ефективність екстракції фенольних сполук та інших фітохімічних речовин із природних джерел. Глибокі евтектичні розчинники відомі високою ефективністю екстракції, яку можна ще більше підвищити за допомогою екстракції з ультразвуковою підтримкою. Завдяки своїй нетоксичності вони є чудовим вибором розчинника для фармацевтичних і харчових продуктів. Це робить ультразвукову екстракцію з використанням глибоких евтектичних розчинників екологічно безпечним і сталим методом вилучення біоактивних сполук. Науково доведено, що синергетичне поєднання ультразвукової обробки з глибокими евтектичними розчинниками забезпечує вищий вихід різних біоактивних сполук. Загалом ультразвукова екстракція зондом із використанням глибоких евтектичних розчинників і природних глибоких евтектичних розчинників забезпечує ефективніший та екологічно безпечніший підхід до вилучення біоактивних сполук.
Ультразвукова екстракція антоціанів із використанням DES
Антоціани – це цінні природні пігменти й антиоксиданти, що містяться в чорній моркві, ягодах, винограді, фіолетовій кукурудзі та іншій рослинній сировині. Глибокі евтектичні розчинники добре підходять для екстракції антоціанів, оскільки їхню мережу водневих зв’язків можна налаштувати відповідно до вимог щодо полярності та стабільності цих забарвлених сполук. У поєднанні з ультразвуковою обробкою зондом екстракція з використанням DES стає значно ефективнішою: ультразвукова кавітація руйнує структури рослинних клітин, покращує проникнення розчинника та прискорює вивільнення антоціанів в екстракційне середовище. Дослідження антоціанів чорної моркви з використанням ультразвукового апарата UP400St показує, що DES на основі хлориду холіну, особливо в поєднанні з екстракцією з ультразвуковою підтримкою, можуть забезпечити сталу й ефективну альтернативу традиційній екстракції підкисленим етанолом або метанолом. (див. Türker et al., 2021)
Ультразвукова екстракція поліфенолів із використанням DES
Поліфеноли, зокрема флавоноїди, фенольні кислоти та споріднені антиоксидантні сполуки, є важливими цільовими молекулами під час екстракції рослинної сировини, харчових продуктів, нутрицевтиків і косметичних інгредієнтів. Глибокі евтектичні розчинники на основі гліцеролу особливо привабливі для вилучення поліфенолів, оскільки їхня полярність і здатність утворювати водневі зв’язки сприяють солюбілізації фенольних сполук. Ультразвукова обробка за допомогою зонда додатково інтенсифікує процес, посилюючи масоперенесення, скорочуючи час екстракції та покращуючи контакт між DES і рослинною матрицею.
У науковому дослідженні використовували DES із гліцеролу й ацетату амонію для екстракції за допомогою ультразвуку з оптимізованими параметрами, такими як температура, концентрація DES та амплітуда ультразвуку. Результат показав, що ультразвукова екстракція з DES забезпечила ефективне вилучення сумарних фенолів, флавоноїдів та антиоксидантної активності з плодів мелії азедарах, продемонструвавши потенціал ультразвукової екстракції з використанням DES як екологічного методу екстракції для промислової переробки рослинної сировини. (див. Jamshed et al., 2022)
- Висока ефективність
- Швидкий процес
- Нетоксичність
- Можливість точного налаштування відповідно до конкретної рослинної сировини
- М’які умови обробки
- Періодичний і проточний режими
- Простота й безпечність
- Екологічність / біорозкладність
- Можливість повторного використання
- Незаймистість
- Низька вартість
- Легкодоступність
Що таке глибокі евтектичні розчинники (DES)?
Глибокі евтектичні розчинники (DESs) – це суміші щонайменше одного акцептора водневого зв’язку (HBA) та одного донора водневого зв’язку (HBD), зокрема карбонових кислот та інших відновлюваних сполук. За даними Cai et al. (2019), «сильна взаємодія між HBA та HBD завдяки водневим зв’язкам є найважливішим чинником утворення DESs». [Cai et al. 2019]
Як донори водневого зв’язку часто використовують такі сполуки, як цукри, амінокислоти, карбонові кислоти (наприклад, бензойна кислота, лимонна кислота, бурштинова кислота) або аміни (наприклад, сечовина, бензамід). Потенціал хімічної взаємодії донорів водневого зв’язку є основним чинником, що сприяє утворенню та ефективності глибоких евтектичних розчинників. Галогенідні солі, такі як хлорид холіну або хлорид цинку, також можна використовувати разом із донорами водневого зв’язку. Інші глибокі евтектичні розчинники на основі хлориду холіну утворюють із малоновою кислотою, фенолом або гліцерином. Унаслідок сильних взаємодій завдяки водневим зв’язкам температура плавлення глибоких евтектичних розчинників значно знижується порівняно з їхніми окремими компонентами. На відміну від звичайних розчинників (наприклад, етанолу, метанолу, гексану, бутану тощо), глибокі евтектичні розчинники є нелеткими, тобто мають дуже низький тиск пари й тому важко займаються. Токсичність глибоких евтектичних розчинників низька, їхня біорозкладність висока, а необхідні прекурсори недорогі, легкодоступні у великих кількостях і відновлювані.
Природні глибокі евтектичні розчинники (NADES) ще екологічніші, оскільки всі прекурсори отримують із природних джерел. Глибокі евтектичні розчинники також дають змогу регулювати розчинювальну здатність залежно від хімічної природи розчиненої речовини та хімічних компонентів, використаних для створення глибоких евтектичних розчинників. Деякі природні глибокі евтектичні розчинники мають високу в’язкість і тому не дуже придатні для періодичної екстракції. Проте природні глибокі евтектичні розчинники з вищою в’язкістю можна успішно застосовувати як розчинники для ультразвукової проточної екстракції.
У таблиці нижче наведено кілька прикладів складу природних глибоких евтектичних розчинників (NADES) для екстракції фітохімічних сполук:
| 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 |
Промисловий ультразвуковий апарат UIP4000hdT з проточними комірками для безперервної екстракції в технологічній лінії
Як працює ультразвукова екстракція з глибокими евтектичними розчинниками?
Ультразвукова екстракція ґрунтується на сономеханічних ефектах високоінтенсивного низькочастотного ультразвуку. Для сприяння екстракції рослинних сполук (тобто біоактивних речовин) та її інтенсифікації за допомогою ультразвукової обробки потужні ультразвукові хвилі вводять через ультразвуковий зонд (який також називають ультразвуковим концентратором або сонотродом) у рідке середовище, тобто суспензію, що складається з рослинної сировини та (природного) глибокого евтектичного розчинника. Ультразвукові хвилі поширюються крізь рідину та створюють почергові цикли низького / високого тиску. Під час циклів низького тиску утворюються мікроскопічні вакуумні бульбашки (так звані кавітаційні бульбашки), які ростуть протягом кількох циклів зміни тиску. Під час цих циклів росту бульбашок розчинені в рідині гази потрапляють у вакуумні бульбашки, унаслідок чого ті перетворюються на газові бульбашки, що продовжують рости. Після росту протягом кількох циклів вакуумні бульбашки досягають певного розміру, за якого вже не можуть поглинати більше енергії, тому під час циклу високого тиску вони різко колапсують. Колапс бульбашок характеризується інтенсивними кавітаційними силами, зокрема дуже високими температурою та тиском, що сягають відповідно 4000K і 1000atm; а також відповідними великими перепадами температури й тиску. Ці спричинені ультразвуком турбулентні потоки та зсувні сили руйнують рослинні клітини й вивільняють внутрішньоклітинні біоактивні сполуки в (природний) глибокий евтектичний розчинник. Ультразвукова екстракція розкриває клітинну структуру рослинної сировини та інтенсифікує масоперенесення між рослинним матеріалом і розчинником. Отже, ультразвукова обробка підвищує ефективність природних глибоких евтектичних розчинників. Ультразвукова екстракція з (природними) глибокими евтектичними розчинниками забезпечує винятково високий вихід за дуже короткий час обробки.
Потужні ультразвукові хвилі руйнують клітинну структуру рослинної сировини, вивільняють біоактивні сполуки та сприяють масоперенесенню між рослинним матеріалом і розчинником (наприклад, глибокими евтектичними розчинниками).
Поєднання ультразвукової екстракції з (природними) глибокими евтектичними розчинниками дає змогу поєднати здатність ультразвуку інтенсифікувати процес із чудовими солюбілізувальними властивостями та винятковими можливостями цілеспрямованого добору складу глибоких евтектичних розчинників. Завдяки високій ефективності ультразвукової екстракції, ультразвукові апарати також успішно застосовують для екстракції водою.
Зв’яжіться з нами зараз, щоб дізнатися більше про високоефективну ультразвукову екстракцію з використанням глибоких евтектичних розчинників!
Ультразвуковий екстрактор UIP2000hdT (2kW) для виробництва рослинних екстрактів
Ультразвукові екстрактори для лабораторної, пілотної та промислової екстракції з DES
Ультразвукова екстракція – це надійна технологія обробки, яка полегшує та прискорює виробництво високоякісних екстрактів із різноманітної рослинної сировини з використанням будь-якого розчинника. Ультразвукова екстракція чудово сумісна з (природними) глибокими евтектичними розчинниками, перевагами яких є відмінна солюбілізувальна здатність, можливість цілеспрямованого добору складу відповідно до екстракту, сталість, біорозкладність та екологічність. Поєднання інтенсифікації процесу потужним ультразвуком із перевагами (природних) глибоких евтектичних розчинників забезпечує цій технології обробки перевагу на багатьох рівнях. Асортимент Hielscher Ultrasonics охоплює весь діапазон від компактних лабораторних ультразвукових апаратів до промислових екстракційних систем. Усі вони, звичайно, придатні для екстракції з глибокими евтектичними розчинниками.
Наші фахівці з багаторічним досвідом допоможуть вам на всіх етапах – від випробувань здійсненності та оптимізації процесу до встановлення вашої ультразвукової системи на кінцевому виробничому рівні.
| Об’єм екстракції | Рекомендований ультразвуковий апарат |
|---|---|
| Розроблення методики, дослідження та розробки, скринінг | UP100H (100W), UP200Ht (200W), UP400St (400W) |
| Партії в’язких DES/NADES | UIP500hdT (500W), UIP1000hdT (1000W) |
| Пілотне виробництво | UIP1000hdT або UIP2000hdT (2000W) |
| Безперервна промислова екстракція | UIP4000hdT (4000W), UIP6000hdT (6000W), UIP16000hdT (16kW) або кластери |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Поширені запитання про ультразвукову екстракцію з глибокими евтектичними розчинниками
Що таке ультразвукова екстракція з використанням глибоких евтектичних розчинників?
Ультразвукова екстракція з використанням глибоких евтектичних розчинників поєднує ультразвукову обробку зондового типу з розчинниковими системами DES або NADES. Ультразвуковий зонд вводить звукові хвилі високої інтенсивності в суспензію рослинної сировини в розчиннику. Кавітація, що виникає внаслідок цього, руйнує структури рослинних клітин, поліпшує проникнення розчинника та прискорює перенесення біоактивних сполук у глибокий евтектичний розчинник.
Навіщо використовувати ультразвук для екстракції з DES і NADES?
Ультразвук поліпшує екстракцію з DES і NADES, посилюючи масоперенесення, скорочуючи час екстракції та допомагаючи розчиннику ефективніше досягати внутрішньоклітинних сполук. Це особливо корисно для рослинної сировини, у якій цільові сполуки утримуються всередині рослинних клітин, волокон або смолистих структур.
Які сполуки можна екстрагувати за допомогою DES і NADES з використанням ультразвукової обробки?
Ультразвукову екстракцію з DES і NADES можна застосовувати для багатьох біоактивних сполук, зокрема поліфенолів, флавоноїдів, антоціанів, терпенів, канабіноїдів, алкалоїдів, антиоксидантів, пігментів, ароматичних сполук та інших фітохімічних речовин. Склад розчинника слід підбирати відповідно до полярності, стабільності та розчинності цільової сполуки.
Чи сумісні глибокі евтектичні розчинники з ультразвуковими екстракторами Hielscher?
Так. Зондові ультразвукові апарати Hielscher придатні для екстракції з використанням глибоких евтектичних розчинників, природних глибоких евтектичних розчинників, розчинникових систем на основі гліцерину, води, етанолу та багатьох інших екстракційних середовищ. Для в’язких систем DES або NADES потужний зондовий ультразвуковий апарат особливо корисний, оскільки він забезпечує інтенсивне перемішування, кавітацію та масоперенесення безпосередньо в рідині.
Чи можна під час ультразвукової екстракції з DES обробляти високов’язкі розчинники?
Так. Багато композицій DES і NADES мають вищу в’язкість, ніж звичайні розчинники. Ультразвукові процесори Hielscher добре підходять для в’язких екстракційних середовищ, оскільки сонотрод вводить ультразвук високої амплітуди безпосередньо в суміш розчинника та сировини. Для більших об’ємів або безперервної обробки проточні реактори можуть поліпшити перемішування, контроль теплового режиму та однорідність процесу.
Чи придатна ультразвукова екстракція з DES для виробництва харчових продуктів, нутрицевтиків і косметики?
Так. DES і NADES часто обирають для застосувань, де важливі низька леткість, знижені ризики, пов’язані з розчинниками, та можливість налаштування ефективності екстракції. Залежно від обраних компонентів розчинника та нормативних вимог ультразвукову екстракцію з DES можна використовувати для отримання харчових інгредієнтів, нутрицевтичних екстрактів, активних косметичних інгредієнтів, рослинних концентратів та екстрактів для дослідницьких цілей.
Чи можна масштабувати ультразвукову екстракцію з DES?
Так. Ультразвукова екстракція добре піддається масштабуванню, оскільки ті самі параметри процесу – як-от амплітуда, підведена енергія, час перебування, температура та співвідношення твердої й рідкої фаз – можна переносити з лабораторних випробувань на пілотне та промислове виробництво. Hielscher постачає ультразвукові екстрактори для невеликих лабораторних зразків, оптимізації на настільних установках, пілотних партій і безперервної промислової проточної екстракції.
Яку ультразвукову екстракцію слід використовувати для процесів із DES – періодичну чи в потоці?
Періодична екстракція часто є найкращим варіантом для лабораторних випробувань, скринінгу композицій і невеликих обсягів виробництва. Для пілотного та промислового виробництва зазвичай віддають перевагу ультразвуковій екстракції в потоці, оскільки вона забезпечує контрольований час перебування, кращу відтворюваність, простіше охолодження та безперервне проходження матеріалу через установку. Найкраща конфігурація залежить від в’язкості, рослинної сировини, співвідношення розчинника й сировини, цільової сполуки та виробничої потужності.
Як вибрати відповідний ультразвуковий екстрактор для екстракції з DES?
Вибір відповідного ультразвукового екстрактора залежить від об’єму зразка, розміру партії, об’ємної витрати, в’язкості розчинника, цільової сполуки, температури екстракції та виробничої мети. Невеликі лабораторні прилади підходять для розроблення методик, тоді як промислові ультразвукові апарати серії UIP використовують для екстракції з DES у пілотному та виробничому масштабах. Hielscher може рекомендувати конфігурацію з урахуванням вашої сировини, розчинникової системи та необхідної продуктивності.
Які параметри процесу важливі для ультразвукової екстракції з DES?
До важливих параметрів належать амплітуда ультразвуку, підведена енергія, тривалість екстракції, температура, склад DES або NADES, вміст води, співвідношення твердої та рідкої фаз, розмір частинок, в’язкість і об’ємна витрата. Ці параметри слід оптимізувати для кожної рослинної сировини та цільової сполуки, щоб забезпечити високий вихід, належну якість екстракту та відтворюваність виробництва.
Література / Посилання
- 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.
Високопродуктивна ультразвукова техніка! Асортимент продукції Hielscher охоплює весь спектр обладнання – від компактних лабораторних ультразвукових апаратів і настільних пристроїв до повністю промислових ультразвукових систем.