Für die Extraktion natürlicher Pflanzenextrakte kommen derzeit verschiedene Methoden zum Einsatz, die jeweils auf spezifische Anforderungen zugeschnitten sind und unterschiedliche Vorteile bieten. Gängige Techniken sind die Lösungsmittelextraktion, Ultraschallextraktion, Mikrowellenextraktion und enzymatische Extraktion. Fortgeschrittene Methoden wie die überkritische Fluidextraktion und die mikrowellenunterstützte Extraktion werden aufgrund ihrer Effizienz, Skalierbarkeit und Umweltfreundlichkeit zunehmend eingesetzt. Diese Techniken ermöglichen die Isolierung bioaktiver Verbindungen wie Flavonoide, ätherische Öle und Antioxidantien, die in Branchen wie der Pharma-, Kosmetik- und Lebensmittelproduktion weit verbreitet sind.
Lösungsmittelextraktionsmethode
Die Lösungsmittelextraktion ist eine grundlegende Technik, bei der Lösungsmittel verwendet werden, um Wirkstoffe aus festem Pflanzenmaterial zu lösen und zu extrahieren. Das Lösungsmittel muss mit den Zielverbindungen kompatibel sein, d. h. es sollte mit dem gelösten Stoff mischbar sein, um eine effektive Extraktion zu gewährleisten. Gängige Lösungsmittel sind Wasser für polare Verbindungen wie Zucker und Aminosäuren, Ethanol für Polyphenole und Flavonoide sowie Methanol oder Aceton für eine breitere Palette von Phytochemikalien. Der Prozess beginnt mit dem Zerkleinern des Pflanzenmaterials, um seine Oberfläche zu vergrößern. Anschließend wird es in einen geeigneten Behälter gegeben und das Mehrfache seines Volumens an Lösungsmittel hinzugefügt. Die Extraktion kann mit verschiedenen Methoden durchgeführt werden: Einweichen des Materials, Perkolation (Durchleiten des Lösungsmittels durch das Material), Abkochen (Kochen), Rückfluss (Recycling des Lösungsmittels durch Kondensation) oder kontinuierliche Extraktion (mithilfe spezieller Geräte). Beispielsweise werden Bakos Salvia-Extrakt und viele ätherische Öle durch Lösungsmittelextraktion hergestellt, was ihre Vielseitigkeit bei verschiedenen Pflanzenarten verdeutlicht.
Die Effizienz der Lösungsmittelextraktion wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Die Lösungsmittelkonzentration beeinflusst die Löslichkeit der Zielverbindungen, während das Fest-Flüssig-Verhältnis den Grad des Kontakts zwischen Pflanzenmaterial und Lösungsmittel bestimmt – bei zu wenig Lösungsmittel bleiben Verbindungen möglicherweise unextrahiert, bei zu viel Lösungsmittel kann die Ausbeute sinken. Die Extraktionstemperatur verbessert die Löslichkeit, birgt jedoch das Risiko einer Zersetzung hitzeempfindlicher Substanzen. Außerdem muss die Extraktionszeit ausgewogen sein, um die Ausbeute zu maximieren, ohne sie übermäßig zu verlängern. Eine Studie von Cristina Juan et al. zeigte dies durch Extraktion von Ochratoxin A (OTA) aus Reis. Dabei wurden die Bedingungen optimiert, um einen maximalen OTA-Gehalt von 4,17 ng/g zu erreichen, der durch Fluoreszenzdetektion und Flüssigchromatographie verifiziert wurde. Auf ähnliche Weise extrahierten Monte D. Holt et al. Alkylresorcine aus rohem und gekochtem Weizen und fanden heraus, dass die Lösungsmittelextraktion die Verarbeitungszeit im Vergleich zu alternativen Methoden verkürzte, was ihre praktischen Vorteile unterstreicht.
Ultraschall-Extraktionsmethode
Die Ultraschallextraktion nutzt hochfrequente Schallwellen, um die Freisetzung von Verbindungen aus Pflanzenzellen in ein Lösungsmittel zu beschleunigen. Das Verfahren basiert auf Kavitation – Ultraschallwellen erzeugen Blasen, die kollabieren und Mikrostrahlen erzeugen, die Zellwände aufbrechen. Dadurch wird die Diffusion verbessert und gleichzeitig die Struktur und Bioaktivität empfindlicher Verbindungen wie Vitamine und Enzyme erhalten. Dieses Niedertemperaturverfahren eignet sich ideal für hitzeempfindliche Substanzen und hat sich in den letzten Jahren als hocheffizientes physikalisches Verfahren etabliert. Es übertrifft die traditionelle Lösungsmittelextraktion oft durch Zeit- und Lösungsmitteleinsparungen bei gleichzeitiger Steigerung der Ausbeute.
Wichtige Variablen bei der Ultraschallextraktion sind Lösungsmittelart und -konzentration, Fest-Flüssig-Verhältnis, Temperatur und Dauer. Ling Zhou et al. untersuchten dies mit Schisandra chinensis und fanden heraus, dass höhere Temperaturen und Ultraschallleistung die Extraktionsraten aufgrund der verbesserten Lösungsmittelpenetration erhöhten. Hong Van Le et al. verglichen Ultraschall- und Enzymextraktion von Vitamin E und phenolischen Verbindungen aus Kirschen und stellten fest, dass die Ultraschallextraktion dank der mechanischen Zerstörung sechsmal schneller war und zwei- bis dreimal mehr Extrakt ergab. Zhong Aiguo et al. extrahierten Chlorophyll aus frischen Bambusblättern und erzielten bei Raumtemperatur höhere Erträge als mit Methoden mit organischen Lösungsmitteln, sparten Energie und behielten die Stabilität der Verbindung bei, wie durch Spektrophotometrie quantifiziert wurde.
Überkritische Fluidextraktion (SFE)
Die überkritische Fluidextraktion (SFE) ist ein innovatives Verfahren, das typischerweise Kohlendioxid (CO2) als Extraktionsmittel verwendet. CO2 wird oberhalb seines kritischen Punktes (31,1 °C und 73,8 bar) überkritisch und kombiniert gasähnliche Diffusion mit flüssigkeitsähnlicher Lösungskraft. Dies ermöglicht eine präzise Extraktion durch Anpassung von Temperatur und Druck. Anschließend wird der Extrakt durch Druckentlastung abgetrennt, sodass keine Lösungsmittelrückstände zurückbleiben. Die niedrige Betriebstemperatur der SFE schont hitzeempfindliche Verbindungen, und ihre Umweltfreundlichkeit – die Verwendung von ungiftigem CO2 – macht sie zu einer umweltfreundlichen Wahl für Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikanwendungen.
Seit Mitte der 1980er Jahre hat die überkritische CO2-Extraktion die Extraktion von Pflanzenstoffen vorangetrieben. Ruey Chi Hsu et al. extrahierten Wirkstoffe aus Ganoderma (Reishi-Pilz) mithilfe von CO2 und Ethanol und stellten so die Fließfähigkeit ohne temperaturbedingten Abbau sicher. Monica Waldebäck et al. optimierten die Squalen- und α-Tocopherol-Extraktion aus Oliven bei 190 °C für 10 Minuten mit Ethanol und demonstrierten damit die Präzision der SFE. Yi Qiang Ge et al. extrahierten natürliches Vitamin E aus Weizenkeimen und erzielten Spitzenerträge mit einer Partikelgröße von 30 Mesh, einem Druck von 4000–5000 psi, einer Temperatur von 40–50 °C und einem CO2-Fluss von 2,0 ml/min, was die Rolle der Vorbehandlung und der Bedingungen unterstreicht.
Mikrowellenunterstützte Extraktion (MAE)
Bei der mikrowellenunterstützten Extraktion (MAE) werden Pflanzenzellen mittels Mikrowellenenergie erhitzt und durch thermischen Stress aufgebrochen, um Verbindungen in ein Lösungsmittel freizusetzen. Mikrowellen zielen auf polare Moleküle wie Wasser ab und erhitzen das Pflanzenmaterial schneller als das umgebende Lösungsmittel, was die Extraktionsgeschwindigkeit und -effizienz erhöht. Diese Methode verkürzt die Extraktionszeit von Stunden auf Minuten, spart Lösungsmittel und minimiert den Abbau wertvoller Verbindungen. Sie ist daher ideal für Polyphenole und ätherische Öle.
MAE benötigt polare Lösungsmittel (z. B. Wasser, Ethanol, Methanol), die Mikrowellen absorbieren, sowie Pflanzenmaterialien mit ausreichend Feuchtigkeit. Ting Zhou et al. extrahierten Flavonoide und Cumarine aus Heilpflanzen und erreichten unter optimierten Bedingungen mittels orthogonaler Experimente eine Extraktionsrate von 98,71 TP3T. Li Haibin et al. extrahierten Mogroside aus getrockneten Mönchsfrüchten und erreichten eine Ausbeute von 70,51 TP3T – 451 TP3T mehr als bei der Wasserextraktion – bei einer Zeitersparnis von 501 TP3T, was die Überlegenheit von MAE für bestimmte Anwendungen demonstriert.
Mikrowellen-Ultraschall-Synergistische Extraktionsmethode
Die Kombination von Mikrowellen- und Ultraschalltechnologien ermöglicht eine synergistische Extraktionsmethode. Mikrowellen sorgen für schnelles Erhitzen, haben aber eine begrenzte Durchdringung, während Ultraschallwellen durch Kavitation bei minimaler Hitze eine mechanische Zerstörung bewirken. Zusammen fördern sie den Zellaufbruch und die Wirkstofffreisetzung, verbessern die Effizienz und senken den Energieverbrauch. HeJT et al. extrahierten wasserlösliche Bestandteile aus der traditionellen chinesischen Medizin, während Luo Feng et al. Flavonoide aus Süßholz extrahierten. Ma Lihua et al. übertrafen die traditionelle Destillation bei der Gewinnung von Kletten-Carotinoiden, und Bai Hongjin et al. testeten die antioxidative Wirkung von Aloe-Extrakten auf Öle und bestätigten damit die breite Anwendbarkeit der Methode.