Ultrazvuková extrakce z rostlin

15. 9. 2020

Rostliny jsou bohaté na bioaktivní látky, které lze z rostlinných částí (např. listů, květů, kořenů, stonků, kůry) extrahovat různými způsoby. Běžné metody zahrnují extrakci rozpouštědlem, superkritickou extrakci CO2 a ultrazvukovou extrakci. Ultrazvuk je již dlouho osvědčenou metodou pro uvolňování bioaktivních látek z rostlinného materiálu. Vzhledem k tomu, že ultrazvuková extrakce je proces, který může probíhat za laboratorní teploty, je velice šetrný k termolabilním látkám. Vysoce výkonný ultrazvuk se tak etabloval pro extrakci jak v laboratoři, tak i průmyslu jako efektivní metoda extrakce bioaktivních látek. Mezi běžné látky, které se extrahují sonikací, patří CBD, další kanabinoidy a terpeny z konopí, kapsaicin z feferonek, kofein z kávových zrn, glukány z medicinálních hub (Hericium) a četné bylinné fytochemické látky.

Co je to ultrazvuk?

Ultrazvuk je definován jako zvukové vibrace s více než 20 kHz, tj. více než 20 000 kmitů za sekundu. To je oblast, která je nad spektrem lidského sluchu. Ultrazvuk tak pokrývá velmi široký rozsah akustických vibrací, což znamená, že do oblasti ultrazvuku spadají různé aplikace. Mezi nejznámější příklady použití patří zobrazovací postupy v medicíně, nedestruktivní testování materiálů, ale také asistence při parkování. Pro uvedené příklady se používá vysokofrekvenční nedestruktivní ultrazvuk.

Vysokovýkonný ultrazvuk je definován jako intenzivní, nízkofrekvenční zvukové vlny s frekvencí cca. 20-60 kHz. Tyto energeticky husté zvukové vlny generují střídání vysokotlakých cyklů (komprese) a nízkotlakých cyklů (zředění) v kapalinách. Během nízkotlakého cyklu vysoce energetické ultrazvukové vlny vytvářejí mikrobubliny v kapalině. Když tyto bubliny dosáhnou objemu, kde nemohou absorbovat další energii, prasknou během vysokotlakého cyklu. Tento jev bublinové imploze je známý jako kavitace.

Kavitace vytváří lokální horká místa v kapalině nebo kalu, která může dosáhnout teploty až 5000 K a tlaků až 2000 atm. Imploze kavitačních bublin navíc vytváří proudy kapaliny rychlostí až 280 m / s. Tyto lokálně se vyskytující extrémní podmínky způsobují destrukci rostlinných buněk, takže se uvolňují bioaktivní látky, které jsou v těchto buňkách obsaženy.

Rostlinné výtažky vyrobené působením ultrazvuku

Extrémní podmínky prostředí v zóně „hot spot“ ultrazvukové kavitace mají různé účinky na rostlinný materiál a jeho extrahovatelnost. To zahrnuje překonání selektivní propustnosti buněčné membrány, zvýšenou výměnu látek mezi buněčným obsahem a rozpouštědlem, mechanické narušení buněk a uvolňování intracelulárních látek (např. fytolátky). Tyto účinky vedou k vysokému výtěžku kvalitních extraktů ve velmi krátké době působení ultrazvuku. 400 W ultrazvukový procesor, jako je Hielscherova UP400St (https://www.hielscher.com/up400st-powerful-ultrasonicator.htm) , může zpracovat 10 litrovou dávku bylinné kaše během 5-8 minut.

Obr. 1: Ultrazvukový sonikátor Hielscher Ultrasonics UP400St © 2020 www.hielscher.com

Průmyslové ultrasonikátory zpracovávají kaši sestávající z rostlinného materiálu a rozpouštědla v nepřetržitém procesu (24h7d). Médium je čerpáno a sonikováno v ultrazvukovém reaktoru s průtočnou celou, kterou je také možné temperovat. V průmyslovém měřítku může UIP4000hdT (https://www.hielscher.com/i4000_p.htm) dosáhnout cca. 3 l / min.

Obr. 2: Ultrazvukový reaktor Hielscher Ultrasonics UIP4000hdT © 2020 www.hielscher.com

Vzhledem k vysokému výtěžku extraktu a rychlosti procesu je extrakce ultrazvukem oblíbenou metodou pro extrakci bylin. Ultrazvuková extrakce uvolňuje kanabinoidy, jako je kanabidiol (CBD), kanabinol (CBN), tetrahydrokanabinol (THC) a mnoho dalších cenných látek z konopí a marihuany. Ultrazvuková extrakce umožňuje dosáhnout výtěžku 95-99 % kanabinoidů obsažených v rostlině konopí. Ultrazvukový proces lze optimálně přizpůsobit surovině a požadované kvalitě extraktu úpravou parametrů procesu (ultrazvuková amplituda, teplota, tlak, viskozita).

Díky ultrazvukové extrakci lze kanabinoidy extrahovat nejen z květu, ale lze zpracovat také listy, stonky a kořenový materiál.

Výhody ultrazvukových extrakčních systémů

Jak již bylo uvedeno, mezi výhody ultrazvukové extrakce patří vysoký výtěžek extrakce, téměř libovolná volba rozpouštědla (např.voda, ethanol, směs voda-ethanol, glycerin, MCT olej, olivový olej, butan atd.), jakož i jednoduchá a bezpečná obsluha s možností nepřetržitého procesu (24h 7d). Vzhledem k intenzivním mechanickým silám, které vznikají působením ultrazvuku, jsou k dosažení mimořádné rychlosti a výtěžku extrakce obvykle dostačující ekologická rozpouštědla, jako je voda, ethanol atd. Výsledkem je, že ultrazvuková extrakce zkracuje dobu extrakce a umožňuje omezené použití rozpouštědel nebo použití rozpouštědel šetrnějších. Protože procesní teplota může být přesně regulována během použití ultrazvuku, je zabráněno tepelnému rozkladu extraktů v důsledku nadměrně vysokých teplot a také odpařování látek. Ultrazvuk také neutralizuje bakterie, plísně a houby z rostlinného materiálu.

Ve srovnání se superkritickým extraktorem CO2 jsou pořizovací náklady ultrazvukového extraktoru nízké. Ultrazvukové procesory mohou také získat „body„z hlediska provozních nákladů, jednoduchého, uživatelsky přívětivého provozu a bezpečnosti práce.

Ultrazvuk – z laboratoře až do průmyslové výroby

Zvláštností ultrazvukového procesu, tedy i extrakce, je možnost lineárního rozšíření výkonu zařízení na základě laboratorních testů (specifická energie = J/ml). Studie proveditelnosti a výrobu menších šarží lze snadno provádět pomocí praktického ultrazvukového zařízení v otevřené nádobě. Díky tomu je snadné otestovat účinnost a kvalitu procesu ultrazvukové extrakce. Jakékoli výsledky získané v malém měřítku lze plně reprodukovat a zvětšit. Digitální ovládání ultrazvukového extraktoru a automatické protokolování ultrazvukových parametrů na interní SD kartě umožňují přesné sledování procesu a reprodukovatelnost standardů konstantní kvality např. UP 200 Ht/St (https://www.hielscher.com/up200st-powerful-ultrasonic-lab-homogenizer.htm).

Obr. 3: Ultrazvukový sonikátor Hielscher UP 200St © 2020 www.hielscher.com

Produktové portfolio společnosti Hielscher Ultrasonics nabízí ultrazvukové extraktory pro každé měřítko – od ručních zařízení s výkonem 50 Watt až po 16kW průmyslový sonikátor pro inline výrobu. Díky desetiletým zkušenostem společnosti Hielscher Ultrasonics v oblasti ultrazvukové extrakce a instalaci několika stovek systémů ultrazvukové extrakce po celém světě je zaručeno kompetentní a komplexní poradenství.

Jiří Dalecký (dalecky@pragolab.cz)