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The extraction kinetics of polyphenols, which are leached from red vine leaves, are studied and evaluated using a laboratory robot and nonconventional processing techniques such as ultrasonic (US)-, microwave (MW)-, and pulsed electric field (PEF)-assisted extraction processes. The robotic high-throughput screening reveals optimal extraction conditions at a pH value of 2.5, a temperature of 56 °C, and a solvent mixture of methanol:water:HCl of 50:49:1 v/v/v. Nonconventional processing techniques, such as MW- and US-assisted extraction, have the fastest kinetics and produce the highest polyphenol yield. The non-conventional techniques yield is 2.29 g/L (MW) resp. 2.47 g/L (US) for particles that range in size from 450 to 2000 µm and 2.20 g/L (MW) resp. 2.05 g/L (US) for particles that range from 2000 to 4000 µm. PEF has the lowest yield of polyphenols with 0.94 g/L (450–2000 µm), resp. 0.64 g/L (2000–4000 µm) in comparison to 1.82 g/L (2000 to 4000 µm) in a standard stirred vessel (50 °C). When undried red vine leaves (2000 to 4000 µm) are used the total phenol content is 1.44 g/L with PEF.
Die Verwendung der Fest-Flüssig Extraktion zur Gewinnung von Wirkstoffen aus
Pflanzenmaterial ist so alt wie die Menschheit. Es sind daher angereicherte Extrakte oder
aufgereinigte Wirkstoffe in der Lebensmitteltechnologie, Biotechnologie und Pharmakologie
alltäglich vorzufinden. Die Diffusion sowie der Stofftransport der Wirkstoffe werden durch die
biologischen, chemischen, physikalischen Charakteristika des Pflanzenmaterials und durch die
Betriebsführung des Extraktionsvorgangs beeinflusst. Diese Dissertation analysiert das
Diffusionsverhalten diverser Wirkstoffe aus unterschiedlichen Pflanzenmaterialien mit einer
Unterstützung des Extraktionsvorgangs durch Mikrowellen, Ultraschallwellen oder Hochspannungsimpulse. Der Stofftransport wird bei festgesetzter Temperatur mit verfahrenstechnischen Modellen einstufig und mehrstufig beschrieben.
Im Gegensatz zu vorangegangenen Studien werden mannigfaltige Pflanzenstrukturen in
Kombination mit alternativen Prozesskonzepte beruhend auf den verschiedenen
Wirkmechanismen ausgewählt. Diese Modellierungen sind durch die vielfältigen Pflanzenmaterialien wie Blätter, Blüten, Nadeln, Samen, Rinde, Wurzeln und Kräuter unter der Einwirkung
der Mikrowellen, Ultraschallwellen sowie Hochspannungsimpulse, die zur Erhöhung der Ausbeute
an den Wirkstoffen im Extrakt beitragen, inspiriert. Zuerst wurden die Eigenschaften wie die
Schüttgutdichte, der Anteil an flüchtigen Bestandteilen, Partikelgrößenverteilung, der Lösungsmittel- und Phasenverhältniseinfluss der ausgewählten Pflanzenmaterialien untersucht. Wie
erwartet zeigt jede Pflanze und deren Wirkstoffe verschiedene Merkmale, die sich auf den
Extraktionsvorgang mit alternativen Prozesskonzepte auswirken.
Entgegen den Vermutungen, erreicht die Mikrowellen-unterstützende Extraktion mittels
dielektrischer Erwärmung nach Optimierung der Leistung die höchste Ausbeute für alle ausgewählten Pflanzenmaterialien, wenn diese getrocknet vorliegen. Mit der Ultraschall-unterstützenden Extraktionstechnologie wird bei festgesetzter Extraktionstemperatur eine
größere Quantität der Wirkstoffe im Extrakt im Vergleich zu einem gerührten Batch gemessen.
Die Hochspannungsimpuls-unterstützende Extraktionstechnologie mit einem einfachen
Pulsprotokoll und einer moderaten elektrischen Feldstärke zeigt bei frisch geernteten bzw. nicht
getrockneten Pflanzenmaterialien und wässrigen Extraktionsmilieu mit maximal 20 Vol% Ethanol
eine hohe Ausbeute an Wirkstoffen und eine milde Erwärmung des Extraktionsmittels.
Die Berechnungen der Geschwindigkeitskonstanten, der daraus resultierenden
Aktivierungsenergien und der effektiven Diffusionskoeffizienten, die auf der analytischen Lösung
des 2. Fick‘schen Gesetz basieren, korrelieren mit den festgestellten Makro- und Mikroeigenschaften der Pflanzenmaterialien. Schließlich werden mit einem automatisierten Hochdurchsatzsystem durchgeführte, dreistufige Kreuzstromextraktionen auf Grundlage der
Massenbilanzen modelliert und die tatsächlich eingesetzten mit den berechneten
Extraktionsmittelmengen bei unterschiedlichen Pflanzenmaterialien verglichen. Die Wirkstoffe in
holzartigen Strukturen und in Kräuter zeigen aufgrund ihres Quellverhalten eine abgeschwächte
Diffusion im Vergleich zum Herauslösen der Wirkstoffe aus blättrigem Rohstoff oder
Gewürzsamen.