Ultrazvuková extrakcia z rastlín

Rastliny sú bohaté na bioaktívne látky, ktoré možno z rastlinných častí (napr. listov, kvetov, koreňov, stoniek, kôry) extrahovať rôznymi spôsobmi. Bežné metódy zahŕňajú extrakciu rozpúšťadlom, superkritickú extrakciu CO2 a ultrazvukovú extrakciu. Ultrazvuk je už dlho osvedčenou metódou pre uvoľňovanie bioaktívnych látok z rastlinného materiálu. Vzhľadom na to, že ultrazvuková extrakcia je proces, ktorý môže prebiehať pri laboratórnej teplote, je veľmi šetrný k termolabilným látkam. Vysoko výkonný ultrazvuk sa tak etabloval na extrakciu tak v laboratóriu, ako aj v priemyselnej oblasti ako efektívna metóda extrakcie bioaktívnych látok. Medzi bežné látky, ktoré sa extrahujú ultrazvukom, patrí CBD, ďalšie kanabinoidy a terpény z konopy, kapsaicín z feferóniek, kofeín z kávových zŕn, glukány z medicinálnych húb (Hericium) a iné bylinné fytochemické látky (fytoživiny).

Čo je to ultrazvuk?

Ultrazvuk sú vlastne zvukové vibrácie s frekvenciou vyššou ako 20 kHz, tj. viac ako 20 000 kmitov za sekundu. To je oblasť, ktorá je nad spektrom ľudského sluchu. Ultrazvuk tak pokrýva veľmi široký rozsah akustických vibrácií, čo znamená, že do oblasti ultrazvuku spadajú rôzne aplikácie. Medzi najznámejšie príklady použitia patria zobrazovacie postupy v medicíne, nedeštruktívne testovania materiálov, ale aj asistencia pri parkovaní. Pre uvedené príklady sa používa vysokofrekvenčný nedeštruktívny ultrazvuk.

Vysokovýkonný ultrazvuk je definovaný ako intenzívne, nízkofrekvenčné zvukové vlny s frekvenciou v rozsahu 20-60 kHz. Tieto „husté“ zvukové vlny generujú striedanie vysokotlakových cyklov (kompresia) a nízkotlakových cyklov (zriedenie) v kvapalinách. Počas nízkotlakového cyklu vysoko energetické ultrazvukové vlny vytvárajú mikrobubliny v kvapaline. Keď tieto bubliny dosiahnu objem, kde nemôžu absorbovať ďalšiu energiu, prasknú počas vysokotlakového cyklu. Tento jav bublinovej implózie je známy ako kavitácia.

Kavitácia vytvára lokálne horúce miesta v kvapaline alebo kalu, ktorá môže dosiahnuť teplotu až 5000 K a tlak až 2000 atm. Implózie kavitačných bublín navyše vytvárajú prúdy kvapaliny rýchlosti až 280 m/s. Tieto lokálne sa vyskytujúce extrémne podmienky spôsobujú deštrukciu rastlinných buniek, a uvoľnenie bioaktívnych látok, ktoré sú v týchto bunkách obsiahnuté.

Rastlinné výťažky vyrobené pôsobením ultrazvuku

Extrémne podmienky prostredia v zóne „hot spot“ ultrazvukovej kavitácie majú rôzne účinky na rastlinný materiál a jeho extrahovateľnosť. To zahŕňa prekonanie selektívnej priepustnosti bunkovej membrány, zvýšenú výmenu látok medzi bunečným obsahom a rozpúšťadlom, mechanické narušenie buniek a uvoľňovanie intracelulárnych látok (napr. fytolátky). Tieto účinky vedú k vysokému výťažku kvalitných extraktov za veľmi krátku dobu pôsobenia ultrazvuku. 400 W ultrazvukový procesor, ako je Hielscherova UP400St (https://www.hielscher.com/up400st-powerful-ultrasonicator.htm), môže spracovať 10-litrovú dávku bylinnej kaše v priebehu 5-8 minút.

Priemyselné ultrasonikátory spracovávajú kašu pozostávajúcu z rastlinného materiálu a rozpúšťadla v nepretržitom procese (24h/7d). Médium je čerpané a sonifikované v ultrazvukovom reaktore s prietokovou celou, ktorú je možné tiež temperovať. V priemyselnom meradle môže (https://www.hielscher.com/i4000_p.htm) dosiahnuť cca 3 l/min.

Vzhľadom na vysoký výťažok extraktu a rýchlosť procesu je extrakcia ultrazvukom obľúbenou metódou pre extrakciu bylín. Ultrazvuková extrakcia uvoľňuje kanabinoidy, ako je kanabidiol (CBD), kanabinol (CBN), tetrahydrokanabinol (THC) a mnoho ďalších cenných látok z konopy a marihuany. Ultrazvuková extrakcia umožňuje dosiahnuť výťažok 95-99% kanabinoidov obsiahnutých v rastline konopy. Ultrazvukový proces možno optimálne prispôsobiť surovine a požadovanej kvalite extraktu úpravou parametrov procesu (ultrazvuková amplitúda, teplota, tlak, viskozita).

Vďaka ultrazvukovej extrakcie možno napr. kanabinoidy extrahovať nielen z kvetu, ale je možné spracovať aj listy, stonky a koreňový materiál.

Výhody ultrazvukových extrakčných systémov

Ako už bolo uvedené, medzi výhody ultrazvukovej extrakcie patrí vysoký výťažok extrakcie, takmer ľubovoľná voľba rozpúšťadla (napr. voda, etanol, zmes voda-etanol, glycerín, MCT olej, olivový olej, bután, atď.), ako aj jednoduchá a bezpečná obsluha s možnosťou nepretržitého procesu (24h/7d). Vzhľadom na intenzívne mechanické sily, ktoré vznikajú pôsobením ultrazvuku, sú na dosiahnutie mimoriadnej rýchlosti a výťažku extrakcie zvyčajne dostačujúce ekologické rozpúšťadlá, ako je voda, etanol, atď.. Výsledkom je, že ultrazvuková extrakcia skracuje dobu extrakcie a umožňuje použitie menšieho množstva rozpúšťadiel alebo použitie naopak umožňuje použitie šetrnejších rozpúšťadiel. Pretože procesná teplota môže byť presne regulovaná počas použitia ultrazvuku, je zabránené tepelnému rozkladu extraktov v dôsledku nadmerne vysokých teplôt a tiež odparovaniu látok. Ultrazvuk taktiež neutralizuje baktérie, plesne a huby z rastlinného materiálu, čo možno považovať za ďalšie plus použitia takéhoto postupu extrakcie.

V porovnaní so superkritickým extraktorom CO2 sú obstarávacie náklady ultrazvukového extraktora nízke. Ultrazvukové procesory môžu tiež získať „body“ z hľadiska prevádzkových nákladov, jednoduchej, užívateľsky prívetivej prevádzky a bezpečnosti práce.

Ultrazvuk - z laboratória až do priemyselnej výroby

Zvláštnosťou ultrazvukového procesu, teda aj extrakcie, je možnosť lineárneho rozšírenia výkonu zariadenia na základe laboratórnych testov (špecifická energia = J/ml). Štúdie uskutočniteľnosti a výrobu menších šarží možno ľahko vykonávať pomocou praktického ultrazvukového zariadenia v otvorenej nádobe. Vďaka tomu je ľahké otestovať účinnosť a kvalitu procesu ultrazvukovej extrakcie. Akékoľvek výsledky získané v malom meradle možno plne reprodukovať a „zväčšiť“. Digitálne ovládanie ultrazvukového extraktora a automatické protokolovanie ultrazvukových parametrov na internej SD karte umožňujú presné sledovanie procesu a reprodukovateľnosť štandardov konštantnej kvality napr. UP200Ht/St (https://www.hielscher.com/up200st-powerful-ultrasonic-lab-homogenizer.htm).

Produktové portfólio spoločnosti Hielscher Ultrasonics ponúka ultrazvukové extraktory pre každé meradlo - od ručných zariadení s výkonom 50 W až po 16 kW priemyselný ultrazvuk pre online výrobu. Vďaka dlhoročným skúsenostiam spoločnosti Hielscher Ultrasonics v oblasti ultrazvukovej extrakcie a inštalácie niekoľkých stoviek systémov ultrazvukovej extrakcie po celom svete je zaručené kompetentné a komplexné poradenstvo.

Jiří Dalecký (dalecky@pragolab.cz)

Ultrazvuková extrakcia z rastlín

Nenechajte si ujsť ďalšie zaujímavosti