Studie zur Ultraschalltechnologie zur Extraktion pflanzlicher Wirkstoffe

Angetrieben durch das industrielle Ziel, eine umweltfreundliche Extraktion zu erreichen, sind neue Extraktionstechnologien wie die Mikrowellenextraktion, die Extraktion überkritischer Flüssigkeiten und die Ultraschallextraktion entstanden. Diese neuen Technologien haben die kommerzielle Entwicklung von Cash Crops erheblich vorangetrieben. In den letzten Jahren hat sich die Ultraschallextraktionstechnologie im Bereich der Lebensmittelindustrie rasant weiterentwickelt. Diese Technologie kann nicht nur die Qualität der Produkte verbessern, sondern auch die Produktionskosten senken und die Produktionseffizienz und -sicherheit verbessern. Ultraschallwellen können wirksam verhindern, dass wärmeempfindliche Substanzen in Hochtemperaturumgebungen zerstört werden, während die Stofftransferraten steigen. Es stimuliert kontinuierlich intrazelluläre Drüsen durch Kavitationseffekte, mechanische Effekte usw. und fördert so die schnelle Freisetzung von Wirkstoffen. Diese Technologie kann den Einsatz organischer Lösungsmittel reduzieren, die Reinheit bioaktiver Verbindungen verbessern und Verarbeitungszeit und Betriebskosten einsparen. Daher erfüllt die ultraschallunterstützte Extraktionstechnologie die menschlichen Bedürfnisse in Bezug auf umweltfreundliche Produktion, nachhaltige Entwicklung und Umweltschutz. Der Einsatz von Ultraschall bei der Extraktion pflanzlicher Wirkstoffe hat aufgrund seiner einzigartigen Vorteile zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Forscher versuchen außerdem immer wieder, die Ultraschalltechnologie mit verschiedenen anderen Extraktionsgeräten zu kombinieren, um eine bessere Extraktionsleistung zu erzielen. Neben der gebräuchlicheren Ultraschall-Lösungsmittelextraktion gibt es auch die Ultraschall-Soxhlet-Extraktion, die Ultraschall-homogene Extraktion, die Ultraschall-Wasserdestillationsextraktion, die Ultraschall-Mikrowellenextraktion und die Ultraschall-überkritische Kohlendioxidextraktion.

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.

2 Anwendung der Ultraschall-Kombinationstechnologie bei der Extraktion pflanzlicher Wirkstoffe

Ultraschall-kombinierte Lösungsmittelextraktionsmethode

Bei der Ultraschall-Lösungsmittelextraktion werden im Allgemeinen organische Lösungsmittel als Energieübertragungsmedien verwendet, d. h. Lösungsmittel unterschiedlicher Polarität werden entsprechend den Eigenschaften der zu extrahierenden Zielverbindung ausgewählt, das Lösungsmittel wird vollständig mit der Probenmatrix vermischt und dann wird ein Ultraschalleingriff angewendet. Diese Methode erfordert keine Beteiligung anderer Geräte. Das Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch wird zur Extraktion direkt in ein Ultraschallgerät gegeben. Die Ultraschallwelle überträgt Energie durch das flüssige Medium gleichmäßig auf die Probenmatrix und erreicht so den Zweck, die Extraktionsrate zu verbessern. Dies ist die traditionellste, einfachste und wirtschaftlichste Methode der Ultraschallextraktion.

Es gibt zwei Arten von Ultraschall-Extraktionsgeräten, nämlich Ultraschall-Wasserbad- und Sonden-Ultraschallgeräte. Beide Systeme basieren auf Wandlern als Ultraschallquellen. Ultraschallwasserbäder arbeiten üblicherweise mit einer Frequenz von etwa 40 kHz und sind mit Temperaturkontrollgeräten ausgestattet. Die Ausrüstung ist relativ günstig und kann eine große Anzahl von Proben gleichzeitig verarbeiten. Allerdings schwächen das im Ultraschallbad enthaltene Wasser und die verwendeten Glasgeräte die übertragene Ultraschallenergie stark ab. Für Extraktionsanwendungen sind Sonden-Ultraschallsysteme meist die erste Wahl. Da die Ultraschallenergie durch eine kleine Oberfläche übertragen wird (die Sondenspitze taucht unter die Flüssigkeitsoberfläche), wird die erzeugte Ultraschallenergie direkt in das Extraktionsmedium übertragen, sodass der Ultraschallenergieverlust gering ist. Die Intensität der vom Sondensystem auf das flüssige Medium übertragenen Ultraschallwellen führt dazu, dass die Temperatur des Fest-Flüssigkeits-Gemisches schnell ansteigt. Daher ist es erforderlich, für die Extraktion doppelschichtige kondensierte Glasgefäße zu verwenden.

Viele inländische Wissenschaftler haben diese einfache und kostengünstige Methode zur Extraktion verschiedener Wirkstoffe aus Pflanzenproben genutzt und dabei gute Ergebnisse erzielt. Liu Yanyan nutzte die ultraschallunterstützte Extraktion von Huoshan Dendrobium-Polysacchariden. Unter optimalen Extraktionsparametern kann die Polysaccharidausbeute 19,96 mg/g erreichen; Niu Sikun nutzte die ultraschallunterstützte Extraktion von Goldohr-Cumarinen, und die Extraktionsrate der gesamten Cumarine im Goldohr-Myzel erreichte ein Maximum von 0,85 %. Im Vergleich zur Lösungsmittelextraktion kann die Ultraschall-Lösungsmittelextraktion die Extraktionseffizienz des Zielprodukts erheblich verbessern, den Verbrauch organischer Lösungsmittel reduzieren und die Aktivität des Extrakts nicht leicht zerstören. Dennoch verbraucht diese Methode immer noch eine gewisse Menge an organischen Lösungsmitteln, was zu einer gewissen Umweltverschmutzung führt und die organischen Rückstände im gewonnenen Extrakt die Produktqualität stark beeinträchtigen. Daher haben einige Wissenschaftler in den letzten Jahren damit begonnen, herkömmliche Extraktionslösungsmittel durch niedrig eutektische Lösungsmittel zu ersetzen, kombiniert mit ultraschallunterstützten Methoden, um verschiedene Wirkstoffe aus Pflanzen zu extrahieren, und haben gute Ergebnisse erzielt. Niedrigeutektische Lösungsmittel sind eine neue Art umweltfreundlicher ionischer Flüssigkeiten, eine eutektische Mischung, die durch die Kombination von Wasserstoffbrückenbindungsakzeptoren und Wasserstoffbrückenbindungsdonoren gebildet wird und einen niedrigeren Schmelzpunkt als eine einzelne Komponente aufweist. Niedrigeutektische Lösungsmittel sind ungiftig, kostengünstig, einfach herzustellen und gut biologisch abbaubar. Sie sind ideale Lösungsmittel zur Extraktion pflanzlicher Wirkstoffe. Wang et al. verwendeten ultraschallunterstütztes niedrigeutektisches Lösungsmittel, um Echinacea-Glykoside und Oleuropein aus kleinen Nelkenblättern zu extrahieren. Wenn Cholinchlorid/Glycerin (1:2, Molverhältnis) als niedrigeutektisches Lösungsmittel verwendet wurde, betrug das Fest-Flüssigkeits-Verhältnis 20 g/ml, die Temperatur 68 °C, der Wassergehalt 20 % und die Ultraschallwelle 45 Minuten lang 200 W, die Extraktionsraten von Echinacea-Glykosiden und Oleuropein betrugen 80,04 % und 86,21 %. bzw. die deutlich besser waren als die Extraktionsergebnisse herkömmlicher organischer Reagenzien. Ni Yujiao et al. verwendeten ultraschallunterstütztes niedrigeutektisches Lösungsmittel, um phenolische Substanzen aus Sanddornsamenmehl zu gewinnen. Die Ergebnisse zeigten, dass bei gleicher Extraktionszeit die Polyphenolausbeute dieser Methode das 1,6-fache der Polyphenolausbeute der Heißrückflussextraktion betrug.