Ultraschallextraktion von Flavonoiden aus Propolis

Ultraschallextraktion von Flavonoiden aus Propolis

Propolis ist eine klebrige, gallertartige feste Substanz, die aus von Bienen gesammeltem Harz und Sekreten ihrer Drüsen gebildet wird. Bienen nutzen es, um ihre Bienenstöcke zu reparieren, sowohl um sich gegen eindringende Feinde zu verteidigen als auch um das Wachstum von Mikroorganismen im Bienenstock zu hemmen. Die Zusammensetzung von Propolis ist äußerst komplex und umfasst über 300 Bestandteile in 20 Hauptkategorien, darunter vor allem Flavonoide, Phenolsäuren, Terpene, Ester, Steroide, Aminosäuren und Vitamine. Die Zusammensetzung von Propolis ist nicht statisch; Sie wird durch Faktoren wie geografische Region, Sammelsaison, Pflanzenart und Bienenpopulation bestimmt. Propolis verfügt über ein breites Spektrum pharmakologischer Wirkungen, darunter antibakterielle, antimykotische, entzündungshemmende, antivirale, antitumorale, antioxidative und immunmodulatorische Wirkungen. 

In den letzten Jahren wurde Propolis in großem Umfang in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie eingesetzt. Flavonoide sind wichtige Wirkstoffe in Propolis und zeigen verschiedene biologische Aktivitäten wie antioxidative, antimikrobielle, krebsbekämpfende und immunmodulatorische Wirkungen. Daher sind die Optimierung des Extraktionsprozesses von Propolis-Flavonoiden und die Verbesserung der Ausbeute an Propolis-Flavonoiden von großem Referenzwert für die Entwicklung und Forschung von Propolis und von großer Bedeutung für die industrielle und soziale Entwicklung. 

Gegenwärtig gibt es viele Methoden zur Extraktion von Propolis-Flavonoiden, hauptsächlich einschließlich Mazerationsverfahren, Erhitzungsrückflussverfahren, Mikrowellenextraktionsverfahren, Ultraschallextraktionsverfahren, Ultrahochdruckextraktionsverfahren und überkritisches CO2-Extraktionsverfahren. Die Mazerationsmethode ist einfach durchzuführen, dauert jedoch lange und erfordert eine große Menge Lösungsmittel. Bei der Erhitzungsrückflussmethode wird zwar weniger Lösungsmittel verbraucht, die Bedienung ist jedoch umständlich, die Extraktion dauert lange und die Extraktionstemperatur ist hoch, wodurch die Wirkstoffe leicht zerstört werden können. Die Mikrowellen-Extraktionsmethode ist einfach zu handhaben und hat eine kurze Extraktionszeit, aber die hohe Extraktionstemperatur kann die Wirkstoffe leicht zerstören; Das Ultrahochdruck-Extraktionsverfahren und das überkritische CO2-Extraktionsverfahren sind kurz im Betrieb, haben einen geringen Energieverbrauch und sind schadstofffrei, aber die Ausrüstungskosten sind hoch. Im Vergleich zu den oben genannten Extraktionsmethoden zeichnet sich die Ultraschallextraktionsmethode durch einfache Ausrüstung, einfache Bedienung, kurze Zeit, hohe Effizienz, geringen Energieverbrauch und geringe Lösungsmittelmenge aus. Ultraschallwellen reduzieren die Partikelgröße von Rohstoffen durch mechanische Einwirkung und Kavitationseffekt, zerstören effektiv die Zellstruktur, erhöhen die Stoffübertragungsrate gelöster Substanzen und verbessern so die Ausbeute[4].

Die Analyse mit der Software Design Expert 8.0.6 ergab die optimalen Extraktionsbedingungen: Ultraschallleistung von 163,38 W, Ultraschallextraktionszeit von 15,89 Minuten und Ethanolkonzentration von 85,67 %. Unter diesen Bedingungen betrug die vorhergesagte Extraktionsausbeute 21,11 %. Um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Regressionsmodells weiter zu überprüfen, wurde ein Validierungsexperiment unter Verwendung der oben genannten optimalen Bedingungen durchgeführt. Unter Berücksichtigung der praktischen Durchführbarkeit wurden die optimalen Bedingungen wie folgt geändert: Ultraschallleistung von 150 W, Ultraschallextraktionszeit von 16 Minuten und Ethanolkonzentration von 86 %. Unter diesen Bedingungen betrug die Extraktionsausbeute an Propolis-Flavonoiden 21,10 % ± 0,075 % (n=3 Versuche) und lag damit nahe am vorhergesagten Wert des Modells, was die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Modells bestätigte.

Vergleichende Analyse von Ultraschallextraktionsmethoden

Im Allgemeinen wird die Qualität von Propolis anhand seines Flavonoidgehalts beurteilt; ein Gehalt über 5 % gilt als qualifiziert, ein Gehalt über 15 % gilt als überlegen. Die Flavonoidextraktionsausbeute von Propolis in diesem Experiment erreichte unter optimalen Ultraschallextraktionsbedingungen 21,10 %, daher ist das in diesem Experiment verwendete Propolis aus Xiaogan, Provinz Hubei, von höchster Qualität. Der Flavonoidgehalt von Propolis steht in direktem Zusammenhang mit der geografischen Herkunft des Propolis, wobei es zwischen verschiedenen Regionen erhebliche Unterschiede gibt. Über das in diesem Experiment verwendete Propolis wurde in der vorhandenen Literatur nicht berichtet und seine Quelle unterscheidet sich von der in der vorhandenen Literatur. Daher ist es unangemessen, die Qualität des Ultraschallverfahrens ausschließlich anhand der Flavonoidausbeute zu beurteilen. Es wurden nur die Extraktionsbedingungen verglichen. Cao Xiaoyan et al. verwendeten Ultraschall zur Extraktion von Flavonoiden aus Shaanxi-Propolis und erzielten den optimalen Extraktionsprozess wie folgt: Ultraschallzeit 20 Minuten, Extraktionstemperatur 50 °C, Material-Flüssigkeits-Verhältnis 1:30, Ethanolkonzentration 80 % und Flavonoidausbeute 9,60 %; Li Shuai [6] optimierte den Ultraschallextraktionsprozess von Jilin-Propolis-Flavonoiden mithilfe der Reaktionsoberflächenmethode und erreichte die optimalen Extraktionsbedingungen wie folgt: Ultraschallzeit von 27 Minuten, Extraktionstemperatur von 66 °C, Ultraschallleistung von 220 W, Ethanolkonzentration von 73 % und Flavonoidausbeute von 23,38 %; Ein Yanbo et al. Die optimalen Parameter des Ultraschallextraktionsprozesses von Shandong-Propolis-Flavonoiden wurden durch Experimente wie folgt ermittelt: Ultraschallzeit von 25 Minuten, Ethanolkonzentration von 72 %, Ultraschallleistung von 82 % und tatsächliche Flavonoidausbeute von 13,07 %. Im Vergleich zu den bekannten Ultraschall-Extraktionsverfahren für Propolis-Flavonoide bietet die Ultraschall-Extraktionsverfahren in diesem Experiment die Vorteile einer niedrigen Extraktionstemperatur und einer kurzen Extraktionszeit. 

Abschluss

In diesem Artikel wird der Ultraschall-Extraktionsprozess von Propolis-Flavonoiden mithilfe der Response-Surface-Methode optimiert und die folgenden Schlussfolgerungen gezogen:

(1) Die Extraktionsausbeute an Propolis-Flavonoiden steigt zunächst an und nimmt dann mit zunehmender Ultraschallleistung und Ultraschallextraktionszeit ab. Mit steigender Ethanolkonzentration steigt sie zunächst an und bleibt dann konstant.

(2) Durch Varianzanalyse der Regressionsgleichung sind die Haupt- und Nebenfaktoren, die die Extraktionsausbeute von Propolis-Flavonoiden beeinflussen, der Reihe nach Ultraschallextraktionszeit, Ethanolkonzentration und Ultraschallleistung.

(3) Durch Analyse unter Verwendung der Response-Surface-Methode und unter Berücksichtigung der Machbarkeit des tatsächlichen Betriebs sind die optimalen Extraktionsbedingungen: Ultraschallleistung von 150 W, Ultraschallextraktionszeit von 16 Minuten und Ethanolkonzentration von 86 %. Unter diesen Bedingungen beträgt die vorhergesagte Extraktionsausbeute an Propolis-Flavonoiden 21,11 %. Verifizierungsexperimente zu den oben genannten Extraktionsbedingungen zeigen, dass die Extraktionsausbeute an Propolis-Flavonoiden 21,10 % ± 0,075 % (n=3) beträgt, was nahe am vorhergesagten Wert des Modells liegt und somit die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Modells bestätigt.

Vorteilhafte Wirkungen dieser Erfindung: Herkömmliche Methoden zur Ethanolextraktion benötigen viel Zeit und weisen eine geringe Extraktionsrate auf. Bei der Soxhlet-Extraktion werden aufgrund ihrer übermäßig hohen Extraktionstemperatur auch andere Komponenten extrahiert, was den Extraktionsprozess beeinträchtigt und erhebliche Investitionen in die Ausrüstung erfordert. Die Ultraschallextraktion verbessert im Vergleich zu den beiden vorherigen Methoden die Extraktionszeit und -effizienz erheblich, indem sie die meisten alkohollöslichen Substanzen aus Propolis in nur 25 Minuten extrahiert und somit eine effektive Methode zur Extraktion funktioneller Komponenten aus Propolis darstellt.

Es ist offensichtlich, dass Ultraschall erhebliche Vorteile bei der Extraktionszeit und -effizienz bietet und daher äußerst effektiv zur Beschleunigung der Propolis-Extraktion ist. Dies zeigt das große Potenzial der Ultraschallextraktion und ihre Eignung für industrielle Anwendungen.

Ultraschall beschleunigt den Stoffaustausch, erzielt gute Ergebnisse bei niedrigeren Temperaturen und bewahrt effektiv den natürlichen Geschmack, die Farbe und die hitzeempfindlichen Substanzen des Rohmaterials. Darüber hinaus ist die verstärkende Wirkung von Ultraschall auf Propolis kontinuierlich; Auch nach Beendigung der Ultraschallbehandlung läuft der beschleunigte Extraktionsprozess noch eine Zeit lang weiter. Daher hat es breite Entwicklungsperspektiven in der Lebensmittelindustrie.