Hóa thực vật học và xử lý siêu âm: Chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học từ thực vật bằng siêu âm hiệu suất cao
Hóa thực vật học là ngành khoa học nghiên cứu các hợp chất hóa học có nguồn gốc thực vật – từ polyphenol, flavonoid và alkaloid đến terpene, saponin, glycoside, sắc tố, chất chống oxy hóa và các thành phần tinh dầu. Các hợp chất hóa thực vật này có giá trị trong thực phẩm bổ sung có lợi cho sức khỏe, dược phẩm, mỹ phẩm, thành phần thực phẩm, chất tạo màu tự nhiên, hương liệu, dịch chiết thảo dược và nghiên cứu phân tích.
Nâng cao quy trình chiết xuất hợp chất hóa thực vật của bạn với máy siêu âm Hielscher
Chiết xuất nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học hơn trong thời gian ngắn hơn
Máy siêu âm dạng đầu dò Hielscher tăng cường quá trình chiết xuất thực vật bằng cách phá vỡ tế bào thực vật và đẩy nhanh quá trình truyền khối. Điều này cho phép chiết xuất các hợp chất hóa thực vật với hiệu suất thu hồi cao từ thảo dược, rễ, lá, hoa, quả, hạt, vỏ cây, tảo và các nguyên liệu thực vật khác.
Tại sao nên chọn hệ thống chiết xuất siêu âm Hielscher
- Hiệu suất thu hồi khi chiết xuất cao hơn: Thu hồi nhiều hợp chất mục tiêu hơn từ cùng một nguyên liệu thực vật.
- Thời gian xử lý ngắn hơn: Thay thế các bước ngâm chiết kéo dài hoặc chiết xuất sử dụng nhiều nhiệt bằng xử lý siêu âm nhanh chóng.
- Chiết xuất nhẹ nhàng, không dùng nhiệt: Bảo toàn các hợp chất hóa thực vật nhạy cảm với nhiệt như polyphenol, terpene, anthocyanin, vitamin và chất chống oxy hóa.
- Linh hoạt về dung môi: Sử dụng nước, ethanol, hỗn hợp ethanol và nước, glycerin, dầu, dung môi eutectic sâu hoặc các môi trường chiết xuất phù hợp khác.
- Kiểm soát quy trình chính xác: Điều chỉnh biên độ, công suất, năng lượng đầu vào, thời gian, nhiệt độ, áp suất và lưu lượng.
- Mở rộng quy mô tuyến tính: Xây dựng các thông số chiết xuất trong phòng thí nghiệm và chuyển chúng sang sản xuất ở quy mô thí điểm và công nghiệp.
- Vận hành theo mẻ và trực tuyến: Lựa chọn xử lý siêu âm ở quy mô cốc thí nghiệm, xử lý trong bồn khuấy hoặc chiết xuất dòng chảy liên tục.
- Thiết kế công nghiệp bền chắc: Máy siêu âm Hielscher được thiết kế cho môi trường sản xuất khắt khe, khả năng vận hành có tính tái lập và khả năng tích hợp dễ dàng.
Máy siêu âm UIP1000hdT để chiết xuất các hợp chất hóa thực vật
Xử lý siêu âm giúp chiết xuất các hợp chất hóa thực vật nhanh hơn, sạch hơn và triệt để hơn
Để sử dụng các hợp chất hóa thực vật trong công thức bào chế, phép thử hoặc sản phẩm thương mại, trước tiên cần giải phóng chúng khỏi nền thực vật. Đây là khâu mà xử lý siêu âm đã trở thành một trong những công nghệ chiết xuất hiệu quả nhất. Máy siêu âm dạng đầu dò tạo ra hiện tượng xâm thực âm học mạnh trong chất lỏng và huyền phù. Các dòng rối vi mô, lực cắt và dao động áp suất sinh ra phá vỡ tế bào thực vật, cải thiện khả năng thâm nhập của dung môi và đẩy nhanh sự chuyển dịch của các phân tử có hoạt tính sinh học vào môi trường chiết xuất.
Hielscher Ultrasonics cung cấp máy siêu âm hiệu năng cao để chiết xuất các hợp chất hóa thực vật, từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp toàn diện. Dù bạn đang phát triển dịch chiết thực vật, tối ưu hóa việc chuẩn bị mẫu phân tích hay mở rộng quy mô quy trình sản xuất thành phần có nguồn gốc thực vật, xử lý siêu âm đều giúp bạn kiểm soát chính xác cường độ chiết xuất, tính tái lập và năng suất xử lý.
Máy siêu âm UP200Ht để chiết xuất các hợp chất hóa thực vật
Xử lý siêu âm trong hóa thực vật học là gì?
Xử lý siêu âm là việc áp dụng siêu âm công suất cao vào chất lỏng hoặc huyền phù. Trong hóa thực vật học, xử lý siêu âm được sử dụng phổ biến nhất cho chiết xuất có hỗ trợ siêu âm, chuẩn bị mẫu, phá vỡ tế bào, phân tán, nhũ hóa và tăng cường quy trình.
Khi đầu dò siêu âm cường độ cao truyền sóng âm vào môi trường chiết xuất, các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp luân phiên tạo ra hiện tượng xâm thực âm học. Các bong bóng xâm thực phát triển và sụp đổ dữ dội. Sự sụp đổ này tạo ra lực cắt cục bộ, các tia chất lỏng vi mô và hiệu ứng trộn mạnh.
Trong chiết xuất thực vật, các hiệu ứng này giúp:
- phá vỡ thành tế bào và màng tế bào
- tăng khả năng tiếp cận của dung môi với các hợp chất nội bào
- giảm các lớp biên bao quanh các hạt thực vật
- cải thiện sự khuếch tán của các hợp chất hóa thực vật vào dung môi
- rút ngắn thời gian chiết xuất
- tăng tính tái lập
- giảm nhu cầu sử dụng nhiệt quá cao hoặc tiếp xúc kéo dài với dung môi
Kết quả là quá trình chiết xuất nhanh hơn, hiệu quả hơn và thường nhẹ nhàng hơn so với các phương pháp ngâm chiết, hãm, ngấm kiệt hoặc chiết hồi lưu thông thường.
Tại sao xử lý siêu âm lại quan trọng đối với chiết xuất hợp chất hóa thực vật hiện đại
Nguyên liệu thực vật có cấu trúc phức tạp. Các hợp chất có hoạt tính sinh học nằm bên trong tế bào thực vật, liên kết với các thành phần cấu trúc hoặc phân bố trong các mô khác nhau. Chiết xuất thông thường thường đòi hỏi thời gian lưu dài, lượng dung môi lớn hoặc nhiệt độ cao. Những điều kiện này có thể kém hiệu quả và có thể làm phân hủy các hợp chất kém bền nhiệt.
Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm khắc phục những hạn chế này bằng cách tăng cường giải phóng các hợp chất hóa thực vật thông qua tác động vật lý. Thay vì chỉ dựa vào khuếch tán thụ động, xử lý siêu âm chủ động phá vỡ nền thực vật và thúc đẩy truyền khối.
Điều này khiến chiết xuất bằng siêu âm đặc biệt hữu ích khi các nhà sản xuất cần:
- hiệu suất thu hồi cao hơn từ nguyên liệu thực vật đắt tiền
- chu kỳ sản xuất ngắn hơn
- mức tiêu thụ dung môi thấp hơn
- cải thiện khả năng chiết xuất các hợp chất nhạy cảm với nhiệt
- chiết xuất có độ tái lập cao để kiểm soát chất lượng
- khả năng mở rộng quy mô xử lý từ phòng thí nghiệm đến sản xuất
- khả năng tương thích với dung môi xanh và nguyên liệu đáp ứng tiêu chí nhãn sạch
Trong nghiên cứu hóa thực vật, xử lý siêu âm cũng cải thiện việc chuẩn bị mẫu phân tích. Các phòng thí nghiệm có thể chiết xuất các hợp chất mục tiêu một cách nhanh chóng và nhất quán trước khi thực hiện HPLC, GC-MS, LC-MS, UV-Vis, các phép thử hoạt tính chống oxy hóa hoặc các phương pháp phân tích khác.
Phương pháp thông thường so với phương pháp chiết xuất – So sánh
| Phương pháp chiết xuất thông thường | Hạn chế của phương pháp thông thường | Ưu điểm của xử lý siêu âm |
|---|---|---|
| Ngâm chiết | Ngâm chiết đơn giản nhưng chậm. Phương pháp này có thể cần nhiều giờ, nhiều ngày hoặc thậm chí nhiều tuần để đạt hiệu suất chiết xuất chấp nhận được. | Xử lý siêu âm đẩy nhanh quá trình chiết xuất dựa trên cùng nguyên lý sử dụng dung môi bằng cách chủ động phá vỡ tế bào thực vật và cải thiện sự khuếch tán. Điều này có thể rút ngắn đáng kể thời gian xử lý. |
| Chiết hồi lưu | Chiết hồi lưu sử dụng nhiệt để cải thiện độ hòa tan và truyền khối. Tuy nhiên, nhiệt có thể làm phân hủy các hợp chất hóa thực vật nhạy cảm và làm tăng mức tiêu thụ năng lượng. | Xử lý siêu âm đạt hiệu quả chiết xuất cao ở nhiệt độ thấp hơn, nên phù hợp với các hợp chất thực vật nhạy cảm với nhiệt. |
| Chiết Soxhlet | Chiết Soxhlet được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm nhưng tiêu tốn nhiều dung môi và thời gian. | Chiết xuất bằng siêu âm có thể giảm lượng dung môi và thời gian chiết xuất, khiến phương pháp này trở thành lựa chọn hấp dẫn cho công tác phân tích, nghiên cứu và phát triển cũng như phát triển quy trình. |
| Khuấy cơ học | Khuấy cải thiện sự trộn nhưng không tạo ra tác động phá vỡ tế bào do xâm thực giống như siêu âm dạng đầu dò. | Xử lý siêu âm kết hợp trộn, phá kết tụ hạt và phá vỡ tế bào trong một bước xử lý, giúp chiết xuất mạnh mẽ hơn. |
Xử lý siêu âm theo mẻ và trong dây chuyền cho dịch chiết thực vật
Chiết xuất bằng siêu âm theo mẻ
Xử lý siêu âm theo mẻ lý tưởng cho nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, phát triển công thức, sản xuất quy mô nhỏ và xử lý linh hoạt. Đầu dò của thiết bị siêu âm được đưa vào bình chứa huyền phù nguyên liệu thực vật trong dung môi. Xử lý theo mẻ dễ thiết lập và rất phù hợp để sàng lọc các thông số như loại dung môi, biên độ, thời gian chiết xuất và nhiệt độ.
Chiết xuất bằng siêu âm liên tục trong dây chuyền
Đối với sản lượng lớn hơn, xử lý siêu âm liên tục trong dây chuyền là cấu hình được ưu tiên. Huyền phù nguyên liệu thực vật được bơm qua buồng siêu âm dòng chảy, nơi huyền phù chịu tác động của hiện tượng xâm thực được kiểm soát. Xử lý trong dây chuyền cải thiện độ tái lập, khả năng kiểm soát quy trình và năng suất xử lý. Phương pháp này cũng giúp việc mở rộng quy mô dễ dự đoán hơn vì năng lượng đầu vào, thời gian lưu và lưu lượng có thể được xác định chính xác.
Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher được thiết kế để vận hành liên tục và có thể được tích hợp với máy bơm, thiết bị trao đổi nhiệt, bồn chứa, hệ thống lọc, hệ thống thu hồi dung môi và công đoạn cô đặc tiếp theo.
Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi dùng cho chiết xuất thực vật
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị siêu âm được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 đến 150L | 3 đến 15L/min | UIP6000hdT |
| không áp dụng | 10 đến 100L/min | UIP16000hdT |
| không áp dụng | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000hdT |
Các hợp chất hóa thực vật được chiết xuất bằng siêu âm
Xử lý siêu âm phù hợp với nhiều nhóm hợp chất hóa thực vật. Kết quả chiết xuất phụ thuộc vào nguyên liệu thực vật, kích thước hạt, dung môi, nhiệt độ, biên độ siêu âm, thời gian lưu và quá trình phân tách ở công đoạn sau.
Polyphenol và flavonoid
Polyphenol và flavonoid nằm trong số những hợp chất hóa thực vật được nghiên cứu nhiều nhất nhờ đặc tính chống oxy hóa và vai trò trong các công thức thực phẩm, thực phẩm bổ sung có lợi cho sức khỏe và mỹ phẩm. Chiết xuất bằng siêu âm tăng cường giải phóng axit phenolic, catechin, quercetin, rutin, anthocyanin và các hợp chất liên quan từ lá, quả, vỏ quả, hoa, hạt và vỏ cây.
Terpen và các thành phần tinh dầu
Terpen và các hợp chất tạo hương có vai trò quan trọng đối với dịch chiết thảo dược, hương thơm, hương liệu và quá trình chế biến cần sa hoặc cây gai dầu. Xử lý siêu âm có thể cải thiện khả năng chiết xuất từ mô thực vật đồng thời cho phép kiểm soát nhiệt độ ở mức nhẹ, điều này rất quan trọng đối với các hợp chất dễ bay hơi và nhạy cảm với quá trình oxy hóa.
Alkaloid
Alkaloid có trong nhiều cây dược liệu và thường được chiết xuất cho mục đích phân tích, dược phẩm hoặc thực phẩm bổ sung có lợi cho sức khỏe. Xử lý siêu âm cải thiện khả năng phá vỡ nền mẫu và có thể đẩy nhanh quá trình chuyển alkaloid vào các dung môi phù hợp.
Saponin, glycoside và tannin
Nhiều loại rễ, thảo mộc, cây họ đậu và cây dược liệu chứa saponin, glycoside và tannin. Xử lý siêu âm giúp giải phóng các hợp chất này khỏi nền thực vật dạng sợi hoặc có cấu trúc đặc và có thể được tối ưu hóa để cân bằng hiệu suất thu hồi với tính chọn lọc.
Sắc tố và chất chống oxy hóa
Các sắc tố tự nhiên như anthocyanin, diệp lục, carotenoid và betalain có giá trị đối với các ứng dụng trong thực phẩm, đồ uống, mỹ phẩm và phân tích. Vì nhiều sắc tố nhạy cảm với nhiệt, oxy và pH, chiết xuất bằng siêu âm trong điều kiện nhiệt độ được kiểm soát mang lại lợi thế lớn.
Cannabinoid và các hợp chất hóa thực vật trong cây gai dầu
Cây gai dầu và cần sa chứa cannabinoid, terpen, flavonoid và các thành phần thực vật khác. Chiết xuất bằng siêu âm cải thiện khả năng giải phóng các hợp chất này từ sinh khối đã nghiền và có thể được điều chỉnh để sử dụng với ethanol, hỗn hợp ethanol–nước hoặc các hệ dung môi khác.
Chiết xuất các hợp chất hóa thực vật bằng siêu âm
Câu hỏi thường gặp: Xử lý siêu âm và hóa thực vật
Xử lý siêu âm trong hóa thực vật là gì?
Xử lý siêu âm trong hóa thực vật là việc sử dụng siêu âm công suất cao để chiết xuất, giải phóng hoặc xử lý các hợp chất hóa học có nguồn gốc thực vật. Phương pháp này thường được sử dụng để chiết xuất có hỗ trợ siêu âm các hợp chất hóa thực vật như polyphenol, flavonoid, terpen, alkaloid, sắc tố, chất chống oxy hóa và các thành phần tinh dầu.
Xử lý siêu âm chiết xuất các hợp chất hóa thực vật từ thực vật như thế nào?
Xử lý siêu âm tạo ra hiện tượng xâm thực âm trong chất lỏng chiết xuất. Hiện tượng xâm thực tạo ra lực cắt, các vi tia chất lỏng và sự trộn mạnh, qua đó phá vỡ cấu trúc tế bào thực vật và cải thiện khả năng thâm nhập của dung môi. Điều này đẩy nhanh quá trình chuyển các hợp chất hóa thực vật từ nền thực vật vào dung môi.
Những hợp chất hóa thực vật nào có thể được chiết xuất bằng siêu âm?
Chiết xuất bằng siêu âm có thể được sử dụng cho polyphenol, flavonoid, anthocyanin, terpen, cannabinoid, alkaloid, saponin, tannin, glycoside, diệp lục, carotenoid, các thành phần tinh dầu và nhiều hợp chất có nguồn gốc thực vật khác.
Chiết xuất bằng siêu âm có phù hợp với các hợp chất hóa thực vật nhạy cảm với nhiệt không?
Có. Xử lý siêu âm được coi là phương pháp chiết xuất nhẹ, phi nhiệt khi nhiệt độ được kiểm soát đúng cách. Điều này khiến phương pháp phù hợp với các hợp chất nhạy cảm với nhiệt như chất chống oxy hóa, sắc tố, terpen và một số vitamin.
Xử lý siêu âm bằng đầu dò có tốt hơn bể siêu âm trong chiết xuất các hợp chất hóa thực vật không?
Để chiết xuất hiệu quả, xử lý siêu âm bằng đầu dò thường có công suất cao hơn nhiều và dễ kiểm soát hơn so với bể siêu âm. Thiết bị siêu âm dạng đầu dò truyền năng lượng trực tiếp vào chất lỏng, tạo ra hiện tượng xâm thực mạnh trong mẫu hoặc dòng vật liệu của quy trình. Bể siêu âm có cường độ thấp hơn đáng kể và không mang lại kết quả có độ tái lập đối với các nhiệm vụ chiết xuất có yêu cầu cao. Hãy xem sự khác biệt về kết quả chiết xuất bằng siêu âm khi so sánh máy siêu âm dạng đầu dò với bể siêu âm!
Có thể sử dụng những dung môi nào để chiết xuất các hợp chất hóa thực vật bằng siêu âm?
Các dung môi phổ biến bao gồm nước, ethanol, hỗn hợp ethanol–nước, glycerin, dầu và các dung môi khác dành riêng cho từng ứng dụng. Đối với chiết xuất phục vụ phân tích, có thể sử dụng methanol hoặc các dung môi phòng thí nghiệm khác. Xử lý siêu âm cũng có thể kết hợp với dung môi eutectic sâu và dung môi eutectic sâu tự nhiên.
Xử lý siêu âm có thể giảm thời gian chiết xuất không?
Có. Chiết xuất bằng siêu âm có thể rút ngắn đáng kể thời gian chiết xuất so với các phương pháp ngâm chiết, hãm chiết hoặc chiết bằng dung môi thông thường vì hiện tượng xâm thực đẩy nhanh quá trình phá vỡ tế bào và truyền khối.
Có thể mở rộng quy mô chiết xuất bằng siêu âm không?
Có. Máy siêu âm Hielscher có các phiên bản từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp. Các quy trình được phát triển với những thông số được kiểm soát như biên độ, năng lượng đầu vào, nhiệt độ và thời gian lưu có thể được chuyển sang các hệ thống xử lý theo mẻ lớn hơn hoặc hệ thống xử lý liên tục trên đường ống.
Xử lý siêu âm có phù hợp để chiết xuất thực vật ở quy mô công nghiệp không?
Có. Máy siêu âm công nghiệp có thiết bị phản ứng dòng chảy có thể xử lý liên tục huyền phù thực vật. Điều này giúp xử lý siêu âm phù hợp với sản xuất thương mại các dịch chiết dùng trong thực phẩm bổ sung dinh dưỡng, cồn thuốc thảo dược, hoạt chất mỹ phẩm, thành phần thực phẩm và hoạt chất sinh học có nguồn gốc thực vật.
Những ưu điểm chính của máy siêu âm Hielscher trong hóa thực vật học là gì?
Máy siêu âm Hielscher tạo ra hiện tượng xâm thực mạnh, cho phép kiểm soát chính xác các thông số, chiết xuất với kết quả có thể tái lập, vận hành theo mẻ và trên đường ống, cung cấp các lựa chọn thiết bị có thể mở rộng quy mô và tương thích với nhiều dung môi cũng như nguyên liệu thực vật. Các máy này phù hợp cho nghiên cứu, phát triển quy trình và sản xuất ở quy mô đầy đủ.
Làm thế nào để chọn máy chiết xuất siêu âm phù hợp?
Máy chiết xuất siêu âm tốt nhất phụ thuộc vào nguyên liệu thực vật, các hợp chất mục tiêu, dung môi, thể tích, hàm lượng chất rắn, giới hạn nhiệt độ và năng suất xử lý cần thiết của bạn. Hielscher có thể đề xuất máy siêu âm phù hợp cho phòng thí nghiệm, quy mô thí điểm hoặc quy mô công nghiệp dựa trên quy trình chiết xuất của bạn.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- Turrini, Federica; Donno, Dario; Beccaro, Gabriele; Zunin, Paola; Pittaluga, Anna; Boggia, Raffaella (2019): Pulsed Ultrasound-Assisted Extraction as an Alternative Method to Conventional Maceration for the Extraction of the Polyphenolic Fraction of Ribes nigrum Buds: A New Category of Food Supplements Proposed by The FINNOVER Project. Foods. 8. 466; 2019
- Larasati, I.D.; Oktaviani, N.M.D.; Lioe, H.N.; Estiasih, T.; Palma, M.; Setyaningsih, W. (2023): Optimization of Ultrasound-Assisted Cold-Brew Method for Developing Roselle (Hibiscus sabdariffa L.)-Based Tisane with High Antioxidant Activity. Beverages, 9, 58; 2023.
- Turrini, F.; Beruto, M.; Mela, L.; Curir, P.; Triglia, G.; Boggia, R.; Zunin, P.; Monroy, F. (2021): Ultrasound-Assisted Extraction of Lavender (Lavandula angustifolia Miller, Cultivar Rosa) Solid By-Products Remaining after the Distillation of the Essential Oil. Applied Sciences 11, 2021.
- 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.
- hiệu suất cao
- công nghệ tiên tiến nhất
- độ tin cậy & độ bền
- kiểm soát quy trình chính xác, có thể điều chỉnh
- theo mẻ & trên đường ống
- cho mọi thể tích
- phần mềm thông minh
- các tính năng thông minh (ví dụ: có thể lập trình, ghi dữ liệu, điều khiển từ xa)
- vận hành dễ dàng và an toàn
- ít cần bảo trì
- CIP (vệ sinh tại chỗ)
Hielscher Ultrasonics sản xuất máy đồng hóa siêu âm hiệu năng cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.