Chiết xuất bằng nước hiệu quả cao nhờ siêu âm công suất

Quá trình chiết xuất các hợp chất thực vật bằng nước (ví dụ: chiết xuất bằng nước lạnh hoặc nước nóng, chiết xuất bằng nước có áp suất và chiết xuất bằng nước dưới tới hạn) có thể được cải thiện hiệu quả nhờ xử lý siêu âm. So với các kỹ thuật chiết xuất thông thường, chiết xuất bằng nước có hỗ trợ siêu âm không chỉ mang lại hiệu suất chiết cao hơn và rút ngắn thời gian xử lý mà còn giảm mức tiêu thụ năng lượng, tạo điều kiện chiết xuất ôn hòa hơn và thu được dịch chiết chất lượng cao. Chiết xuất bằng nước có hỗ trợ siêu âm được ứng dụng thành công để chiết xuất nhiều hợp chất có nguồn gốc thực vật, bao gồm alkaloid, flavonoid, glycoside, các hợp chất phenolic và polysaccharide.

Chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học bằng nước có hỗ trợ siêu âm

Nước là dung môi có độ phân cực cao nhất, do đó là dung môi rất tốt cho các hợp chất phân cực. Nhờ đặc tính không độc hại và thân thiện với môi trường, nước sẽ là dung môi lý tưởng cho bất kỳ dịch chiết thực vật nào. Tuy nhiên, các thành phần ít phân cực và không phân cực hòa tan kém hoặc hoàn toàn không hòa tan trong nước. Ngoài ra, nếu không có biện pháp thúc đẩy truyền khối, quá trình chiết xuất bằng nước sẽ diễn ra cực kỳ chậm và do đó không có hiệu quả kinh tế. Siêu âm cường độ cao, tần số thấp là một kỹ thuật chiết xuất rất hiệu quả, tạo ra sự trộn và truyền khối mạnh mẽ. Vì vậy, chiết xuất bằng siêu âm được biết đến rộng rãi nhờ những ưu điểm đáng kể so với các phương pháp chiết xuất thông thường. Những ưu điểm này bao gồm hiệu suất chiết cao hơn, xử lý nhanh, thời gian luân chuyển mẻ nhanh cũng như khả năng chiết xuất liên tục trên dây chuyền, sử dụng dung môi xanh, điều kiện chiết xuất ôn hòa giúp bảo toàn các hợp chất trong dịch chiết, vận hành an toàn và dễ dàng mở rộng quy mô để đạt năng suất xử lý lớn phục vụ sản xuất thương mại. (xem Zabot và cộng sự, 2021)

Cải thiện chiết xuất bằng nước nóng nhờ xử lý siêu âm

Các thông số quyết định việc chiết xuất các chất từ thực vật bằng nước là nhiệt độ, thời gian, áp suất và diện tích bề mặt của nguyên liệu thực vật. Nhờ nhiệt độ cao của nước, có thể điều chế dịch chiết bằng nước nóng trong thời gian tương đối ngắn.
Giải pháp: Hiệu suất chiết và tốc độ chiết xuất có thể được nâng cao đáng kể khi áp dụng khuấy trộn bằng siêu âm. Chỉ riêng nước nóng có khả năng phá vỡ cấu trúc tế bào hạn chế, còn nhiệt độ cao thường làm hư hại hoặc phá hủy các hợp chất kém bền nhiệt, khiến chất lượng dịch chiết bị suy giảm. Khi kết hợp chiết xuất bằng siêu âm với chiết xuất bằng nước nóng, nhiệt độ có thể giảm mạnh (ví dụ: từ 100°C xuống 50°C), giúp ngăn ngừa sự phân hủy do nhiệt của các thành phần thực vật được chiết xuất, tăng tổng hiệu suất chiết và tiết kiệm năng lượng. Hiện tượng xâm thực siêu âm là nguyên lý nền tảng của quá trình chiết xuất bằng siêu âm. Xâm thực siêu âm (hay xâm thực âm học) là các lực thuần cơ học giúp phá vỡ thành tế bào, giải phóng các hợp chất mục tiêu và cải thiện sự truyền khối giữa bên trong tế bào và nước (dung môi). Nhờ đó, chiết xuất bằng nước có hỗ trợ siêu âm mang lại kết quả chiết xuất vượt trội.

Cải thiện chiết xuất bằng nước lạnh nhờ xử lý siêu âm

Chiết xuất bằng nước lạnh (ngâm chiết bằng nước lạnh) kém hiệu quả hơn đáng kể vì không sử dụng nước nóng. Nước lạnh hoặc nước ở nhiệt độ phòng chiết xuất các hợp chất thực vật không tốt, do nước lạnh thấm vào nguyên liệu thực vật rất chậm và sự truyền khối gần như không đáng kể. Ưu điểm của chiết xuất bằng nước lạnh nằm ở việc tránh mọi sự gia tăng nhiệt độ, qua đó ngăn ngừa sự phân hủy do nhiệt của các hợp chất nhạy nhiệt. Tuy nhiên, động học chiết xuất rất kém khiến phương pháp chiết xuất bằng nước lạnh thông thường không khả thi cho sản xuất thương mại. Đó là lý do ngâm chiết bằng nước lạnh hầu như chỉ được sử dụng ở giai đoạn thử nghiệm do quá trình này chậm và kém hiệu quả.
Giải pháp: Khi áp dụng siêu âm vào quá trình chiết xuất bằng nước lạnh, có thể dễ dàng khắc phục tình trạng chậm và kém hiệu quả của phương pháp ngâm nước lạnh. Quá trình chiết xuất bằng nước lạnh được tăng cường bằng siêu âm cho phép duy trì nhiệt độ chiết xuất lạnh, đồng thời truyền lực cắt mạnh vào môi trường rắn–lỏng. Nhờ cơ chế chiết xuất bằng siêu âm, thành tế bào được phá mở và các hợp chất thực vật nhanh chóng được giải phóng vào nước. Chiết xuất và ngâm chiết bằng nước lạnh có hỗ trợ siêu âm biến quá trình ngâm lạnh thành một quy trình có hiệu quả rất cao, mang lại hiệu suất chiết cao và dịch chiết chất lượng cao trong thời gian chiết xuất ngắn.

Chiết xuất bằng nước có áp suất kết hợp với siêu âm

Chiết xuất bằng siêu âm có đặc trưng là sự trộn ở cấp độ vi mô; thông qua dao động, quá trình này thúc đẩy dung môi khuếch tán mạnh hơn vào bên trong hạt và từ bên trong hạt ra bề mặt, qua đó tăng cường truyền khối. Ngoài ra, siêu âm làm giảm kích thước hạt của vật liệu tế bào, giúp nâng cao hiệu quả chiết xuất bằng chất lỏng có áp suất với sự hỗ trợ của siêu âm. Các hạt nhỏ hơn, có kích thước khoảng 0,68 mm, cho hiệu suất chiết cao hơn các hạt lớn hơn (khoảng 1,05 mm), vì diện tích bề mặt lớn hơn cho phép tăng đáng kể sự truyền khối, từ đó cải thiện hiệu suất chiết. (xem Zabot và cộng sự, 2021)

Chiết xuất hiệu quả bằng nước lạnh có áp suất với siêu âm công suất cao

Dưới áp suất cao, nước lạnh dễ dàng thâm nhập vào mô thực vật hơn và các hợp chất hóa thực vật tan trong nước được hòa tan mà không gây phân hủy nhiệt. Phương pháp chiết xuất bằng nước lạnh áp suất cao có thể kết hợp với siêu âm để cải thiện khả năng phân lập các thành phần thực vật phân cực và không phân cực. Là một dung môi không độc, giá rẻ và thân thiện với môi trường, nước là lựa chọn thay thế hấp dẫn cho dung môi hữu cơ, đặc biệt trong sản xuất thực phẩm, sản phẩm trị liệu và thực phẩm bổ sung có nguồn gốc thực vật.
Để chiết xuất bằng nước lạnh có áp suất được tăng cường bằng siêu âm, một đầu dò siêu âm (sonotrode) được tích hợp vào bồn chiết xuất hoặc buồng dòng chảy. Bồn hoặc buồng dòng chảy thường được tạo áp suất từ 5 đến 100 barg tùy thuộc vào các hợp chất mục tiêu cần chiết xuất. Hielscher Ultrasonics còn cung cấp các thiết bị phản ứng siêu âm công nghiệp và buồng dòng chảy được tùy chỉnh, có thể được tạo áp suất lên đến 300barg, cho phép thiết lập áp suất tối ưu cho quy trình chiết xuất của bạn.
 

Chiết xuất bằng nước siêu tới hạn được cải thiện nhờ xử lý siêu âm

Chiết bằng nước dưới tới hạn được tăng cường bằng siêu âm là một kỹ thuật hiệp đồng khác, trong đó siêu âm công suất cao cải thiện quá trình truyền khối giữa pha rắn và pha lỏng. Chiết bằng nước dưới tới hạn (SWE) – còn được gọi là chiết bằng nước nóng có áp suất hoặc chiết bằng nước quá nhiệt – là một kỹ thuật ít được sử dụng hơn để chiết các hợp chất thực vật có độ phân cực thấp hơn. Trong quá trình chiết bằng nước dưới tới hạn, nước ở trạng thái siêu tới hạn được sử dụng làm dung môi.
Nước dưới tới hạn là gì và tại sao nước dưới tới hạn lại là dung môi tốt để chiết các hợp chất thực vật ít phân cực? “Nước có nhiều tính chất nhiệt động học chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ và áp suất. Tùy theo điều kiện, trạng thái vật lý (rắn, lỏng hoặc khí), đặc tính nhiệt, khối lượng riêng hoặc độ nhớt của nước có thể thay đổi. Bằng cách tăng nhiệt độ và áp suất vượt qua một điểm được gọi là điểm tới hạn (được xác định tại 221 bar và 374 °C), nước có thể đạt trạng thái siêu tới hạn. Ở điều kiện dưới tới hạn, tương ứng với nhiệt độ từ 100°C đến nhiệt độ tới hạn (374°C) và áp suất từ 1 bar đến áp suất tới hạn (221 bar) để tránh hóa hơi, độ phân cực của nước giảm; điều này khiến nước trở thành dung môi tốt hơn để chiết nhiều hợp chất hữu cơ có hoạt tính sinh học.” (Li and Chemat, 2019)
Khi kết hợp siêu âm với chiết bằng nước dưới tới hạn, hiệu quả chiết có thể được cải thiện thông qua việc tăng hiệu suất thu hồi dịch chiết và giảm thời gian chiết. Để có kết quả tối ưu, áp suất trong thiết bị phản ứng kín theo mẻ có áp suất hoặc thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy phải đạt ít nhất gấp đôi áp suất hơi của nước. (Bạn có thể tìm thấy bảng áp suất hơi của nước ở cuối trang này.)
Huang và cộng sự (2010) đã nghiên cứu tác động đối với quá trình chiết của siêu âm tần số thấp, công suất cao kết hợp với chiết bằng nước dưới tới hạn. Theo đó, một đầu dò siêu âm được lắp vào nồi của thiết bị chiết bằng nước dưới tới hạn để chiết tinh dầu từ Lithospermum erythrorhizon. Kết quả cho thấy tác dụng tăng cường nhờ siêu âm ở 20 KHz tốt hơn so với ở 36 KHz và tăng theo công suất đầu ra (từ 0 đến 250 W). Hiệu suất chiết bằng nước dưới tới hạn tăng từ 1,87% lên 2,39% nhờ dao động siêu âm (250 W, 20 KHz) ở nhiệt độ 160°C và áp suất 5 MPa trong quá trình chiết kéo dài 25 phút. Xử lý siêu âm có thể cải thiện không chỉ hiệu suất chiết mà còn cả tốc độ chiết, qua đó tiết kiệm thời gian.
Chiết bằng nước dưới tới hạn có hỗ trợ siêu âm có thể được thực hiện ở áp suất thấp hơn (ví dụ: 5barg) so với chiết bằng nước dưới tới hạn thông thường (ví dụ: 10MPa), giúp tiết kiệm chi phí năng lượng và làm cho quy trình chiết an toàn hơn.

Ưu điểm của chiết xuất thực vật bằng siêu âm

Cả nghiên cứu khoa học và triển khai công nghiệp đều cho thấy chiết có hỗ trợ siêu âm là một kỹ thuật đáng tin cậy, dễ vận hành, không đòi hỏi nền tảng kỹ thuật hoặc đào tạo chuyên sâu. Hiệu quả chiết rất cao, hiệu suất thu hồi cao, chi phí vận hành thấp cũng như chi phí đầu tư thấp (đặc biệt khi so sánh với các kỹ thuật khác như thiết bị chiết bằng CO₂ ) và chi phí năng lượng thấp là những ưu điểm chính của thiết bị chiết siêu âm dạng đầu dò.
Các lợi ích khác giúp công nghệ chiết siêu âm trở thành phương pháp được ưu tiên lựa chọn bao gồm dịch chiết chất lượng cao nhờ nhiệt độ chiết thấp, kết quả đáng tin cậy (độ lặp lại / độ tái lập), khả năng mở rộng quy mô hoàn toàn tuyến tính đến mọi mức sản xuất cũng như nhu cầu bảo trì thấp.
„Những ưu điểm khác gắn liền với việc sử dụng phương pháp chiết siêu âm dạng đầu dò là dễ thao tác với dịch chiết, thực hiện nhanh, không có dư lượng, hiệu suất thu hồi cao, thân thiện với môi trường, chất lượng được nâng cao và ngăn ngừa sự phân hủy của dịch chiết.”
(xem Chemat and Khan, 2011)

Hệ thống chiết xuất để phân lập các hợp chất thực vật: Máy siêu âm dạng đầu dò UP400St, bộ lọc chân không Büchi và máy cô quay để chiết xuất các hợp chất hóa thực vật.

Máy siêu âm hiệu năng cao để chiết xuất bằng nước

Các thiết bị chiết xuất của Hielscher Ultrasonics đã có vị thế vững chắc trong lĩnh vực chiết xuất thực vật, bất kể sử dụng dung môi nào. Các nhà sản xuất dịch chiết – từ những nhà sản xuất nhỏ chuyên cung cấp dịch chiết độc quyền cho thị trường ngách đến các nhà sản xuất hàng loạt quy mô lớn – đều tìm thấy trong danh mục thiết bị đa dạng của Hielscher thiết bị chiết xuất siêu âm lý tưởng cho yêu cầu sản xuất của mình. Các hệ thống xử lý theo mẻ cũng như xử lý liên tục trên đường ống đều có sẵn và có thể được giao ngay từ kho. Phù hợp để hoạt động với bất kỳ dung môi nào, phương pháp chiết xuất siêu âm có thể được áp dụng linh hoạt để chiết xuất bất kỳ nguyên liệu thực vật nào. Sử dụng nước làm dung môi cho phép sản xuất dịch chiết được chứng nhận hữu cơ mà không cần sử dụng ethanol “hữu cơ” có giá rất cao. (Tất nhiên, nguyên liệu thực vật phải được trồng theo phương pháp hữu cơ để sản xuất dịch chiết hữu cơ bằng nước).

Chiết xuất hiệu suất cao với Hielscher Ultrasonics

Các thiết bị chiết xuất siêu âm Hielscher phá vỡ tế bào thực vật một cách hiệu quả, tăng diện tích bề mặt của nguyên liệu thực vật để dung môi thâm nhập và tăng cường truyền khối để giải phóng các hợp chất hóa thực vật (các chất chuyển hóa thứ cấp). Được thiết kế chú trọng đến sự thuận tiện cho người dùng, các thiết bị chiết xuất Hielscher được lắp đặt nhanh chóng và có thể vận hành an toàn, trực quan.

Đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng cao nhất – Được thiết kế và sản xuất tại Đức

Phần cứng tinh vi và phần mềm thông minh của máy siêu âm Hielscher được thiết kế để bảo đảm kết quả chiết xuất siêu âm đáng tin cậy từ nguyên liệu thực vật của bạn, với kết quả có khả năng tái lập cùng khả năng vận hành an toàn, thuận tiện cho người dùng. Độ bền, độ tin cậy, khả năng vận hành 24/7 ở mức đầy tải và thao tác đơn giản từ góc nhìn của người vận hành là những yếu tố chất lượng bổ sung khiến máy siêu âm Hielscher được ưa chuộng.
Các thiết bị chiết xuất của Hielscher Ultrasonics được sử dụng trên toàn thế giới để chiết xuất các hợp chất hóa thực vật chất lượng cao. Đã được chứng minh là tạo ra các hợp chất thực vật chất lượng cao, thiết bị chiết xuất siêu âm Hielscher không chỉ được các nhà sản xuất nhỏ chuyên làm dịch chiết đặc biệt và cao cấp sử dụng, mà chủ yếu được dùng trong sản xuất công nghiệp các dịch chiết, thực phẩm bổ sung dinh dưỡng và sản phẩm điều trị được bán rộng rãi trên thị trường. Nhờ phần cứng bền bỉ và phần mềm thông minh, các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher có thể được vận hành và giám sát dễ dàng.

Ghi dữ liệu tự động

Để đáp ứng các tiêu chuẩn sản xuất thực phẩm, thực phẩm bổ sung dinh dưỡng và sản phẩm điều trị, các quy trình sản xuất phải được giám sát và ghi chép chi tiết. Các thiết bị siêu âm kỹ thuật số của Hielscher Ultrasonics có chức năng ghi dữ liệu tự động. Nhờ tính năng thông minh này, tất cả các thông số quy trình quan trọng như năng lượng siêu âm (tổng năng lượng và năng lượng thuần), nhiệt độ, áp suất và thời gian đều được tự động lưu vào thẻ SD tích hợp ngay khi thiết bị được bật. Giám sát quy trình và ghi dữ liệu rất quan trọng đối với việc tiêu chuẩn hóa quy trình liên tục và chất lượng sản phẩm. Bằng cách truy cập dữ liệu quy trình được ghi tự động, bạn có thể xem xét lại các lần xử lý siêu âm trước đó và đánh giá kết quả.
Một tính năng thuận tiện khác cho người dùng là điều khiển từ xa qua trình duyệt của các hệ thống siêu âm kỹ thuật số của chúng tôi. Thông qua chức năng điều khiển từ xa qua trình duyệt, bạn có thể khởi động, dừng, điều chỉnh và giám sát thiết bị xử lý siêu âm của mình từ xa, ở bất cứ đâu.
Bạn muốn tìm hiểu thêm về những ưu điểm của phương pháp chiết xuất bằng nước có hỗ trợ siêu âm từ nguyên liệu thực vật? Hãy liên hệ với chúng tôi ngay để thảo luận về quy trình sản xuất dịch chiết thực vật của bạn! Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẽ vui lòng chia sẻ thêm thông tin về chiết xuất siêu âm, các hệ thống siêu âm của chúng tôi và giá cả!

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:

Thông tin kỹ thuật về chiết xuất bằng nước có hỗ trợ siêu âm

Các phương pháp chiết xuất thông thường như ngâm chiết, ngâm hãm, ngấm kiệt, sắc, chiết hồi lưu, chưng cất lôi cuốn hơi nước, thăng hoa và ép thường được sử dụng để chiết xuất các hợp chất dược liệu từ thực vật. Nhược điểm của các phương pháp này bao gồm quá trình tốn thời gian, độ tinh khiết kém và hiệu quả thấp.

Các thông số quá trình ảnh hưởng đến chiết xuất bằng siêu âm

Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm được biết đến với các đặc tính và ưu điểm độc đáo, giúp xử lý siêu âm trở thành kỹ thuật chiết xuất vượt trội so với các phương pháp chiết xuất hợp chất thực vật thông thường. Một ưu điểm lớn của chiết xuất có hỗ trợ siêu âm nằm ở khả năng điều chỉnh chính xác các yếu tố xử lý siêu âm (như biên độ, thời gian, nhiệt độ, áp suất), cho phép điều chỉnh quá trình siêu âm một cách tối ưu cho hợp chất mục tiêu. Mỗi nguyên liệu thực vật đều có các thông số chiết xuất lý tưởng, tại đó đạt được hiệu suất thu hồi, chất lượng và tốc độ chiết xuất tốt nhất. Quá trình chiết xuất bằng siêu âm cho phép điều chỉnh để đáp ứng hoàn hảo các điều kiện chiết xuất tối ưu này.

Biên độ siêu âm

Biên độ là độ dịch chuyển dao động của đầu dò siêu âm (sonotrode). Biên độ càng cao, dao động và hiện tượng xâm thực trong chất lỏng được xử lý siêu âm càng mạnh. Hielscher Ultrasonics chuyên về các máy siêu âm dạng đầu dò hiệu năng cao, có thể cung cấp biên độ điều chỉnh được một cách chính xác. Các đầu dò tùy chỉnh có thể đạt biên độ lên đến 200µm khi vận hành liên tục 24/7 luôn có sẵn trong kho. Các đầu sonotrode siêu âm tùy chỉnh cho biên độ cao hơn nữa cũng có thể được chế tạo dễ dàng.
Biên độ là một trong những thông số quan trọng nhất – nếu không muốn nói là thông số quan trọng nhất – để chiết xuất thực vật hiệu quả. Biên độ cao tạo ra các lực cần thiết để phá vỡ thành tế bào và giải phóng vật chất nội bào. Nhờ đó, xử lý siêu âm hiệu năng cao đạt hiệu quả rất cao trong chiết xuất thực vật.

Thời gian / Thời lượng xử lý siêu âm

Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm thường diễn ra trong thời gian ngắn hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống, vì xử lý siêu âm giải phóng các hợp chất thực vật với tốc độ chiết xuất cao hơn đáng kể. Xử lý siêu âm cho phép rút ngắn quy trình chiết xuất, giúp bảo vệ các hợp chất được chiết xuất khỏi việc xử lý quá mức. Thời gian xử lý ngắn hơn nhờ siêu âm đồng nghĩa với năng suất xử lý cao hơn và chất lượng dịch chiết cao hơn.

Xử lý siêu âm dạng xung

Phát xung siêu âm là chế độ xử lý trong đó quá trình xử lý siêu âm được ngắt quãng bằng các khoảng tạm dừng xác định (ví dụ: chu kỳ làm việc 50%: BẬT 30 giây, TẮT 30 giây; chu kỳ làm việc 100%: xử lý siêu âm liên tục không có khoảng tạm dừng). Chu kỳ làm việc của siêu âm (còn gọi là chế độ xung hoặc các chu kỳ phát xung siêu âm) chỉ tỷ lệ phần trăm thời gian siêu âm được truyền vào môi trường (thời lượng xung) trong một chu kỳ xung. Ví dụ, chế độ chu kỳ 50% sẽ là BẬT 30 giây, TẮT 30 giây. Trong khoảng tạm dừng của một chu kỳ làm việc, chất lỏng được xử lý siêu âm trở về trạng thái không bị tác động trong một khoảng thời gian xác định (ví dụ: 30 giây), thuận lợi cho việc tản nhiệt để duy trì nhiệt độ xử lý mục tiêu. Chu kỳ làm việc của quá trình xử lý siêu âm ít quan trọng hơn đối với hiệu quả chiết xuất, nhưng được sử dụng để duy trì một nhiệt độ quá trình nhất định.

Áp suất thủy tĩnh

Áp suất là một thông số rất quan trọng khác đối với các quá trình siêu âm. Việc tác dụng áp suất thủy tĩnh lên môi trường được xử lý siêu âm ảnh hưởng đến cường độ xâm thực. Trong điều kiện áp suất cao, cường độ xâm thực do siêu âm (âm học) được tăng cường. Hielscher Ultrasonics cung cấp nhiều loại thiết bị phản ứng siêu âm theo mẻ và buồng dòng chảy có thể được tăng áp để tăng cường hiệu quả xử lý siêu âm.

Nhiệt độ chiết xuất

Giống như mọi phương pháp xử lý cơ học, xử lý bằng siêu âm làm tăng nhiệt độ, phù hợp với định luật thứ 2 của nhiệt động lực học. Tuy nhiên, xử lý bằng siêu âm là một kỹ thuật xử lý phi nhiệt, vì các phương pháp xử lý có hỗ trợ siêu âm dựa trên các lực thuần túy cơ học (còn gọi là lực cơ học do siêu âm). Nhiệt độ chiết xuất trong quá trình chiết xuất bằng siêu âm có thể được kiểm soát hiệu quả và duy trì trong một khoảng nhiệt độ đã chọn. Tất cả các thiết bị xử lý siêu âm kỹ thuật số của Hielscher đều được trang bị cảm biến nhiệt độ có thể cắm rời và phần mềm thông minh, cho phép thiết lập một khoảng nhiệt độ nhất định cho quá trình. Bất cứ khi nào nhiệt độ vượt quá khoảng này, thiết bị siêu âm sẽ tạm dừng cho đến khi nhiệt độ trở lại khoảng đã chọn, sau đó tự động tiếp tục quá trình xử lý siêu âm. Tính năng thông minh này của các thiết bị siêu âm Hielscher cho phép kiểm soát chính xác quá trình xử lý siêu âm và đạt được kết quả lý tưởng.
Vì nhiệt độ chiết xuất có thể khác nhau tùy theo hợp chất thực vật và loài thực vật, nhiệt độ là một yếu tố quan trọng không nên bỏ qua khi tối ưu hóa quá trình siêu âm. Ví dụ, 80°C được xác định là nhiệt độ lý tưởng để đạt hiệu suất thu hồi flavonoid tối đa từ Sophora flavescens, trong khi kết quả tốt nhất khi chiết xuất arabinoxylan từ cám lúa mì đạt được ở 50°C.

Sử dụng bất kỳ dung môi nào để chiết xuất bằng siêu âm

Các hợp chất thực vật khác nhau có độ phân cực khác nhau, ảnh hưởng đến độ tan của chúng trong các dung môi khác nhau. Ví dụ, saponin và polysaccharide có độ phân cực cao hơn nên tan tốt trong nước, vì nước có độ phân cực cao. Ngược lại, các hợp chất phenolic như anthocyanin và axit chlorogenic khá kém phân cực nên tan tốt hơn trong dung môi ít phân cực hơn như ethanol. Do đó, cần lựa chọn dung môi phù hợp với độ tan của các hợp chất mục tiêu để đạt hiệu quả chiết xuất cao. Ví dụ, nước là dung môi tốt để chiết xuất các hợp chất phân cực như psilocybin từ nấm cũng như oligosaccharide, glycoside và flavonoid; trong khi hỗn hợp ethanol–nước có nồng độ ethanol 60% (v/v) thích hợp để chiết xuất có hỗ trợ siêu âm các hợp chất như apigenin, baicalin và luteolin.
Đọc thêm về dung môi, độ phân cực của dung môi và các dung môi phù hợp nhất để chiết xuất bằng siêu âm!

Nước làm dung môi chiết xuất

Nước là dung môi phân cực nhất và thích hợp để chiết xuất nhiều loại hợp chất phân cực. Những ưu điểm chính của nước bao gồm khả năng hòa tan nhiều loại chất. Ngoài ra, nước có giá thành thấp, không độc, an toàn và không cháy. Nhược điểm của nước bao gồm tính chọn lọc mạnh đối với các hợp chất phân cực do độ phân cực cao. Do nước có điểm sôi cao ở 100°C, việc cô đặc dịch chiết (ví dụ bằng chưng cất hoặc cô quay) đòi hỏi một lượng năng lượng lớn. Hơn nữa, nước dễ tạo điều kiện cho vi khuẩn và nấm mốc phát triển.

Tần số siêu âm

Tần số siêu âm khoảng 20kHz đã được xác định là mạnh nhất và hiệu quả nhất để chiết xuất các hợp chất thực vật. Tần số siêu âm ảnh hưởng đến hiệu quả chiết xuất có hỗ trợ siêu âm khi chiết xuất các hợp chất dược liệu từ thực vật. Nhìn chung, tần số siêu âm thấp (tức khoảng 20kHz) tạo ra hiện tượng xâm thực mạnh hơn (các hiệu ứng cơ học do siêu âm), giúp quá trình chiết xuất đạt hiệu quả cao hơn.

Nguyên liệu thực vật

Nguyên liệu thực vật có thể khác biệt rất lớn về cấu trúc và độ cứng của tế bào. Tùy thuộc vào thành phần thành tế bào, có thể bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin, polysaccharide pectic, protein, các hợp chất phenolic và các hợp chất không phải cellulose, cùng với nước, thành tế bào có thể cứng chắc hoặc mềm. Các loài thực vật và bộ phận khác nhau chứa các loại và hàm lượng thành phần thành tế bào khác nhau. Vì vậy, mỗi loài thực vật cần các thông số xử lý riêng để đạt kết quả chiết xuất tối ưu.
Do cường độ có thể được điều chỉnh chính xác, các thiết bị chiết xuất siêu âm Hielscher có thể phá vỡ một cách đáng tin cậy cả thành tế bào mềm lẫn cứng. Thành tế bào mềm có thể cần xử lý siêu âm ở cường độ thấp hơn, trong khi cấu trúc tế bào cứng chắc được hưởng lợi từ quá trình xử lý mạnh hơn.
Nguyên liệu thô để chiết xuất thực vật có thể là nguyên liệu mới thu hoạch (ướt) hoặc đã sấy khô. Chiết xuất bằng siêu âm phù hợp với cả thực vật tươi/ướt và thực vật đã sấy khô. Kích thước hạt của chất rắn thực vật là một yếu tố quan trọng khác: Diện tích bề mặt lớn (tức là kích thước hạt nhỏ) có lợi vì tạo ra diện tích tiếp xúc lớn cho các lực cắt do xâm thực siêu âm, từ đó mang lại hiệu quả cao hơn. Vì vậy, nguyên liệu thực vật được ngâm mềm hoặc nghiền thành các mảnh nhỏ (khoảng 3–5mm).

Tại sao chiết xuất bằng siêu âm là phương pháp tốt nhất?

Hiệu quả

• Hiệu suất thu hồi cao hơn
• Quá trình chiết xuất nhanh – chỉ trong vài phút
• Dịch chiết chất lượng cao – chiết xuất nhẹ nhàng, không dùng nhiệt
• Dung môi xanh (nước, ethanol, glycerin, dầu thực vật, NADES, v.v.)

Tính đơn giản

• Cắm là chạy – Thiết lập và vận hành chỉ trong vài phút
• Năng suất xử lý cao – Dành cho sản xuất dịch chiết quy mô lớn
• Vận hành theo mẻ hoặc liên tục trên dây chuyền
• Lắp đặt và khởi động đơn giản
• Có thể mang theo / Di chuyển – Thiết bị di động hoặc được lắp trên bánh xe
• Mở rộng quy mô tuyến tính – lắp thêm một hệ thống siêu âm song song để tăng công suất xử lý
• Giám sát và điều khiển từ xa – qua PC, điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng
• Không cần giám sát quá trình – Thiết lập và chạy
• Hiệu năng cao – được thiết kế để sản xuất liên tục 24/7
• Bền chắc và ít cần bảo trì
• Chất lượng cao – được thiết kế và chế tạo tại Đức
• Nạp và tháo liệu nhanh giữa các lô
• Dễ vệ sinh

An toàn

• Vận hành đơn giản và an toàn
• Chiết xuất không dùng dung môi hoặc có dùng dung môi (nước, ethanol, dầu thực vật, glycerin, v.v.)
• Không sử dụng áp suất và nhiệt độ cao
• Có sẵn các hệ thống chống nổ được chứng nhận ATEX
• Dễ điều khiển (kể cả qua điều khiển từ xa)

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• Ping-ping Huang, Ri-fu Yang, Tai-qiu Qiu, Wei Zhang & Chun-mei Li (2010): Ultrasound-Enhanced Subcritical Water Extraction of Volatile Oil from Lithospermum erythrorhizon. Separation Science and Technology, 45:10, 1433-1439.
• Zabot, G. L., Viganó, J., & Silva, E. K. (2021): Low-Frequency Ultrasound Coupled with High-Pressure Technologies: Impact of Hybridized Techniques on the Recovery of Phytochemical Compounds. Molecules, 26(17), 2021. 5117.
• Li, Ying; Chemat, Farid (2019): Plant Based “Green Chemistry 2.0”: Moving from Evolutionary to Revolutionary. Springer Science 2019.
• 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.
• Fooladi, Hamed; Mortazavi, Seyyed Ali; Rajaei, Ahmad; Elhami Rad, Amir Hossein; Salar Bashi, Davoud; Savabi Sani Kargar, Samira (2013): Optimize the extraction of phenolic compounds of jujube (Ziziphus Jujube) using ultrasound-assisted extraction method.
• 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.