Kann Ultraschallextraktion die Anti-Influenza-Aktivität von Aloe Vera erhöhen?

1 Prinzip der Ultraschallextraktion

Unter Ultraschall versteht man eine Schallwelle mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz, die die Wahrnehmungsgrenze des menschlichen Gehörs überschreitet. Ultraschall ist eine mechanische Welle mit einer hohen Energiedichte. Seine Schallenergie-Ausgangsquelle ist normalerweise ein vibrierendes Objekt, das das umgebende Medium zum Vibrieren bringen und dann Energie auf andere benachbarte Partikel übertragen kann. Wenn Ultraschall das Medium durchdringt, bewirkt er eine Längsverschiebung der Partikel. Diese dichten molekularen Effekte verursachen Schäden an der Zellwand und beschleunigen die Massentransferrate wirksamer Substanzen im Medium, wodurch der Zweck einer Verbesserung der Extraktionsrate erreicht wird. Die Ultraschallextraktion beruht nicht auf einem einzelnen Wirkmechanismus, sondern funktioniert kontinuierlich oder gleichzeitig durch mehrere physikalische Mechanismen wie mechanische Fragmentierung, thermische Wirkung und Kavitationseffekt. Im Homogenat einer Fest-Flüssigkeits-Mischung verursachen die durch akustische Kavitation im flüssigen Medium erzeugten Mikrostrahlen und Mikroturbulenzen starke mechanische Störungen, wodurch die Kollision zwischen Partikeln verstärkt wird, was leicht zur Zersetzung und zum lokalen Bruch einiger spröder Materialien führen kann. Andererseits werden durch die Verringerung der Partikelgröße die Stoffübergangsrate fester Partikel und die Kontaktfläche zwischen fester und flüssiger Phase erhöht, was einer Beschleunigung der Auflösung der Inhaltsstoffe in der Probenmatrix förderlich ist.

Der Kavitationseffekt ist ein einzigartiges und komplexes physikalisches Phänomen, das durch die Ausbreitung und Vibration von Ultraschall in Flüssigkeiten verursacht wird. Es bezieht sich im Allgemeinen auf den Prozess der Bildung, Expansion und des Platzens von Kavitationsblasen in einer Flüssigkeit. Einfach ausgedrückt: Wenn hochintensiver Ultraschall angewendet wird, kann die Anziehung zwischen den Molekülen des Mediums den kritischen Wert überschreiten, wodurch eine hohe Scherspannung in der Flüssigkeit erzeugt wird und sich anschließend Kavitationsblasen bilden. 1 Kavitationsblase bildet sich nahe der Oberfläche der Matrix. Nach kontinuierlichen Verdichtungs- und Verdünnungszyklen platzt die Kavitationsblase während des Verdichtungszyklus und erzeugt kurzfristig Wärmeenergie, wodurch sich Hochgeschwindigkeits-Mikrostrahlflüssigkeit auf der Oberfläche der Matrix bildet und starke Stoßwellen erzeugt. Durch diesen Prozess kann die lokale Umgebungstemperatur bis zu etwa 5.000 K betragen, und der momentane Druck kann 50 bis 1.000 atm erreichen. Die entstehende Hochdruck- und Hochtemperaturumgebung zerstört die Zellwand der Pflanzenmatrix und setzt dadurch intrazelluläre Substanzen in die Lösung frei. Auf den rasterelektronenmikroskopischen Bildern von Basilikumblättern, die von CHEMAT und anderen vor und nach der Ölextraktion aufgenommen wurden, lässt sich dies deutlicher erkennen: Vor der Extraktion waren die Drüsen auf den Blättern glatt und voll; nach der Extraktion beginnen sie zu schrumpfen, aber die Drüsenstruktur bleibt intakt; und nach der ultraschallunterstützten Extraktion werden die Drüsen vollständig aufgebrochen und ihr gesamter Inhalt wird freigesetzt.

Aloe Vera erfreut sich großer Beliebtheit und wird als Schönheitsprodukt, Abführmittel und Kräutermedizin vermarktet. Ihre antibakterielle Wirkung wurde nachgewiesen. Allerdings ist die antivirale Wirkung von Aloe Vera, abgesehen von einigen wenigen Berichten, nicht ausreichend nachgewiesen. Bisher ist es üblich, Aloe-Vera-Verbindungen mit organischen Lösungsmitteln zu extrahieren, da die Wirkstoffe in Methanol effektiv extrahiert werden können. In dieser Studie verwendeten wir eine 5-minütige Ultraschallextraktionsmethode, um Aloin und Aloe-Emodin-Verbindungen effektiv aus Aloe Vera in Wasser zu extrahieren. Dieses schnelle Eintopf-Extraktionsverfahren verbesserte die Extraktion von Flavonoiden und Phenolen im Ultraschall-Wasserextrakt und reichert die Aloin- und Aloe-Emodin-Fraktionen an. Die Extrakte wurden auf ihre Anti-Influenza-Aktivität getestet und die Ergebnisse zeigten, dass die Ultraschallextraktion dem Wasserextrakt eine hervorragende Anti-Influenza-Aktivität ermöglichte, die mit der des Methanolextrakts vergleichbar war. Die Zytotoxizität des Wasserextrakts war Null im Vergleich zum Methanolextrakt, der eine hohe Zytotoxizität aufwies. Das spektrophotometrische Scannen der Extrakte bestätigte die Anreicherung von Aloin- und Aloe-Emodin-Peaks im Ultraschallextrakt von Aloe Vera, was auf deren Einfluss auf die Anti-Influenza-Aktivität hinweist. Die demonstrierten Techniken werden bei richtiger Anwendung zu vielversprechenden Lösungen im pharmazeutischen Kampf gegen Influenzaviren führen.

Bisher wurden mehr als 200 bioaktive Chemikalien in Aloe-Vera-Gel gefunden, und ihre Bioaktivität ist eher auf die synergistischen Effekte von Verbindungen als auf einzelne Verbindungen zurückzuführen. Daher ist die ordnungsgemäße Extraktion bioaktiver Verbindungen von entscheidender Bedeutung, um alle Wirkstoffe hinsichtlich ihrer physiologischen und medizinischen Eigenschaften voll auszuschöpfen.

Es wurde festgestellt, dass Aloe Vera Gel sowohl gegen grampositive als auch gramnegative Bakterien sowie bestimmte Pilze und Viren wirksam ist. Es wurde über hemmende Wirkungen von Bacillus versicolor gegen das humane Cytomegalievirus, das Herpes-simplex-Virus Typ 2 (HSV-2) und das Poliovirus berichtet. Influenza ist eine akute Atemwegsinfektion, die durch Influenzaviren verursacht wird und enorme globale Auswirkungen hat. Dieses Virus kann schwere Pandemien und wirtschaftliche Verluste verursachen. Sein Genom ist sehr variabel und weist eine hohe Mutationsrate auf, was es resistent gegen viele Medikamente macht. Derzeit haben synthetische antivirale Medikamente und Methoden (Nukleoprotein-Inhibitoren, Neuraminidase-Inhibitoren, Ionenkanalblocker und siRNA-Technologie) aufgrund des Auftretens arzneimittelresistenter Stämme, hoher Kosten und schädlicher Nebenwirkungen nur begrenzte Anwendungsmöglichkeiten. Pflanzliche Arzneimittel sind kostengünstig, weisen eine geringe Toxizität auf und haben oft eine Multi-Target-Wirkung, die nicht nur als antivirale Medikamente wirken, sondern auch das Immunsystem zur Bekämpfung von Viren anregen kann. Zu den klassisch definierten antiviralen Mechanismen von Heilpflanzen gehören die Hemmung der Virusreplikation, die Blockierung der Virusanheftung, die Inaktivierung von Viren und die Verhinderung einer Virusinfektion. Das Interesse von Forschern und Kunden an der Verwendung dieser Arzneimittel ist aufgrund der Vorliebe für natürliche Arzneimittel und der Besorgnis über die toxischen Wirkungen synthetischer Materialien gestiegen.

Ultraschall zeichnet sich durch hohe Frequenz (18 kHz-1 MHz), kleine Verschiebung (weniger als etwa 50 mm), moderate Geschwindigkeit (ms-1), steilen transversalen Geschwindigkeitsgradienten (bis zu 4.000 s-1) und sehr hohe Beschleunigung (bis zu etwa 80.000 g) aus. Wenn die zugeführte akustische Leistung hoch genug ist, erzeugt Ultraschall Kavitation, wodurch an der Keimbildungsstelle Mikrobläschen erzeugt werden können. Die Blasen wachsen während der Verdünnungsphase der Schallwelle und kollabieren dann während der Kompressionsphase. Beim Kollaps durchdringen starke Stoßwellen das Medium. Der gesamte Prozess der Keimbildung, des Wachstums und des Platzens von Blasen unter der Einwirkung starker Schallwellen wird als Kavitation bezeichnet. Hinsichtlich der Extraktion bietet die Extraktion mittels Ultraschall bzw. Ultraschall-Membranaufschluss den Vorteil einer deutlichen Verkürzung der Extraktionszeit und einer Erhöhung der Extraktionsausbeute. Die Anwendung von Ultraschall zerstört die Zellwandstruktur und beschleunigt die Diffusion der Zellmembran; Daher werden die Zellen lysiert, wodurch die Freisetzung von Zellinhalten gefördert wird. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Verbesserung der Hydratation des Pflanzengewebes während des Ultraschalls mit der Zerstörung des Pflanzengewebes einhergeht und zu einer verbesserten Extraktion während des Ultraschalls führt. Daher hat der Einsatz der Ultraschalltechnologie bei der Aloe-Extraktion gute Aussichten.

Die aktuelle Arbeit konzentriert sich auf die Extraktion reichhaltiger bioaktiver Verbindungen aus Aloe-Extrakt mithilfe ultraschallbasierter Methoden. Die Ultraschallextraktionsfrequenz wurde optimiert, um den gewünschten Extraktionseffekt zu erzielen. Die Ultraschallextraktion führte zu einer Nanoverpackung aktiver Metaboliten mit verbesserter Wasserlöslichkeit. Zum ersten Mal wurde gezeigt, dass die Ultraschalltechnologie bei der Extraktion von Aloin- und Rhabarberbestandteilen, die die besten Extraktoren in organischen Lösungsmitteln in Wasser waren, wirksam ist.