MICROWAVE-ASSISTED EXTRACTION

1. MICROWAVE-ASSISTED EXTRACTION TBA 2011

2. INTRODUCTION • Ekstraksi merupakan langkah yang terpenting dalam analisa kualitatif dan kuantitatif dari produk herbal • Soxhlet adalah metode ekstraksi yang paling banyak digunakan. Namun soxhlet memiliki kekurangan, yaitu memerlukan waktu yang panjang (8, 16, 24 jam atau lebih) sehingga memerlukan energi panas yang berlebihan. • Sehingga diperlukan teknik ekstraksi baru, yaitu metode yang lebih optimal, memiliki waktu ekstraksi yang diperpendek dan dapat mengurangi penggunaan pelarut organik sehinggamencegah polusi di laboratorium analitis dan dapat mengurangi biaya persiapan sampel. • Metode ekstraksi baru meliputi Microwave assisted extraction (MAE), supercritical fluidextraction (SCFE), pressurized solvent extraction (PSE)

3. Skema prinsip pemanasan

5. MICROWAVE • Microwaves merupakan gelombang elektromagnetik tak terionkan dengan frekuensi antara 300 MHz - 300 GHz dan berada di antara sinar-X dan dan sinar infra merah dalam spektrum elektromagnetik • Pemanasan terjadi dengan selektif dan tertarget dan praktis tidak ada panas yang hilang. • Mekanisme pemanasan yang unik ini dapat menurunkan waktu ekstraksi secara signifikan (biasanya kurang dari 30 menit) dibandingkan dengan Soxhlet. • Prinsip pemanasan dengan microwave berdasarkan pada pengaruhnya yang langsung terhadap bahan/pelarut polar dan ditentukan oleh dua fenomena: ionic conduction dan dipole rotation yang sering terjadi secara simultan.

6. Ionic conduction adalah migrasi elektrophoretic dari ion dibawah pengaruh perubahan medan listrik. • Resistensi dari larutan untuk aliran ion ini akan menghasilkan gesekan dan, dengan demikian, dapat memanaskan larutan. • Dipole rotationmerupakan penataan kembali dipole dari molekul dengan medan magnet berubah dengan cepat. • Pada 2450 MHz, yang merupakan frekuensi yang digunakan dalam sistem komersial, dipol menyelaraskan dan mengacak 4,9 x 109 kali per detik dan hasil gerakan molekul menghasilkan pemanasan.

7. Hanya bahan atau pelarut dielektrik dengan dipol permanen yang dapat dipanaskan dengan microwave. • Kemampuan pelarut untuk menyerap energi gelombang mikro dan menyebarkannya dalam bentuk panas untuk molekul lain,bergantung pada dissipation factor (tan δ) , dmn: tan δ = ε” / ε’

8. Prinsip ekstraksi Air adalah target utama dlm pemanasan microwave Menguap & menghslkan tekanan yg besar pd dinding sel shg sel mengembang Tekanan akan mendorong dinding sel dari dalam, tjd peregangan & akhirnya pecah Konstituen aktif lepas dari sel yang pecah

9. Ekstraksi dpt ditingkatkan bila matriks diimpregnasi dgn pelarut yg memiliki efisiensi pemanasan (tan δ) yg lebih tinggi Radiasi microwave dgn temperatur yg tinggi dpt menghidrolisis ikatan ester dari selulosa (mrpkan konstituent dari dinding sel) dan merubahnya mjd fraksi larut dlm 1 – 2 menit Temperatur tinggi juga dpt meningkatkan dehidrasi selulosa dan mereduksi kekuatan mekaniknya shg pelarut dpt mencapai senyawa di dlm sel dgn mudah

10. INSTRUMEN

11. Modifikasi Domestik Multimode

12. Proses ekstraksi dimulai dengan memasukkan sampel ke dalam vessel ekstraksi, diikuti dengan penambahan pelarut dan penutupan vessel. • Radiasi microwave diaplikasikan dan langkah pra-ekstraksi dimulai dalam rangka untuk memanaskan pelarut dengan nilai-nilai yang ditetapkan. • Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai yang ditetapkan akan tergantung pada efek yang diterapkan serta jumlah dan jenis sampel (membutuhkan waktu kurang dari 2 menit). • Sampel selanjutnya diiradiasi dan diekstraksi selama waktu tertentu (langkah ekstraksi statis), biasanya di kisaran 10-30 menit. • Ketika ekstraksi telah selesai, sampel dibiarkan mendingin ke suhu kamar untuk dapat ditangani (biasanya tidak melebihi 20 menit). • Sebelum analisis, penambahan standar internal dan/atau langkah pembersihan mungkin dibutuhkan.

13. PENYIAPAN SAMPEL • Dalam banyak aplikasi, sampel dipersiapkan dahulu sebelum dimasukkan ke dalam vessel ekstraksi. • Langkah pertama adalah dengan mengeringkan sample, baik menggunakan spray drying atau freeze drying. • Langkah berikutnya adlh pengecilan ukuran sampel dan/atau penyaringan. Ukuran partikel dari bahan yang diekstraksi harus berada dikisaran 100 µm – 2 mm.

14. PARAMETER YANG MEMPENGARUHI EKSTRAKSI • Pemilihan pelarut • Volume pelarut • Temperatur ekstraksi • Waktu ekstraksi • Karakteristik matriks • Kekuatan microwave

15. Pemilihan pelarut • Pertimbangan dalam pemilihan pelarut adalah kemampuan pelarut utk menyerap gelombang mikro, interaksi antara pelarut dengan matriks, dan kelarutan analit dalam pelarut. • Pelarut yang lebih disukai adalah pelarut yang memiliki selektivitas tinggi terhadap analit, tetapi tidak untuk komponen matriks. • Aspek lain yang penting adalah kompatibilitas dari pelarut ekstraksi dengan metode analis yang digunakan untuk langkah analisis akhir.

16. Volume pelarut • Jumlah pelarut yang diperlukan pada umumnya berkisar antara 10-30 ml. • Volume pelarut harus cukup untuk memastikan bahwa seluruh sampel terendam, terutama ketika memiliki matriks yang akan mengembang selama proses ekstraksi. • Umumnya dalam teknik ekstraksi konvensional volume pelarut lebih tinggi akan meningkatkan perolehan kembali (recovery), tetapi dalam MAE volume pelarut lebih tinggi dapat memberikan recovery yang lebih rendah.

17. Temperatur ekstraksi • Temperatur dan kekuatan microwave saling berhubungan satu sama lain • Peningkatan temperatur : • meningkatkan efisiensi ekstraksi karena meningkatkan desorpsi analit dari dlm matriks. • Meningkatkan kapasitas pelarutan • Menurunkan tegangan permukaan dan viskositas pelarut -> mempermudah pembasahan dan penetrasi • Kombinasi kekuatan rendah atau sedang dengan pemaparan yg lebih lama bisa menjadi pendekatan yang bijaksana.

18. Suhu didih dan suhu di bawah microwave pada 175 psig

19. Waktu ekstraksi • Umumnya, meningkatnya waktu ekstraksi -> jumlah analit yg terekstraksi meningkat, meskipun terdapat resiko degradasi • Pada umumnya 3 – 30 menit, tetapi ada juga penelitian yang menunjukkan 40 detik memberikan recovery yg sangat bagus • Waktu irradiasi juga dipengaruhi oleh sifat dielektrik pelarut. Pelarut spt air, etanol, dan metanol bisa menjadi sangat panas pada pemaparan yg lebih lama -> membahayakan konstituen termolabil.

20. Karakteristik matriks • Ukuran partikel berpengaruh terhadap recovery senyawa sebagaimana halnya teknik konvensional. • Dalam banyak kasus, kelembaban matriks dpt meningkatkan recovery ekstraksi. Pengaruh parameter ini, tentu saja, juga bergantung pada ekstraksi pelarut yang digunakan dalam metode. • Kelembaban selalu akan memiliki efek pada kemampuan pelarut menyerap microwave dan karenanya memfasilitasi proses pemanasan. Hal ini mungkin jugamemiliki efek pd pembengkakan matriks dan / atau mempengaruhi interaksi matriks – analit shgmembuat analit lebih tersedia untuk pelarut pengekstraksi.

21. Kekuatan microwave • Kekuatan microwave dan waktu iradiasi merupakan dua faktor yang saling mempengaruhi untuk jumlah yang tepat. • Kombinasi kekuatan rendah atau sedang dengan pemaparan yg lebih lama bisa menjadi pendekatan yang bijaksana. • Kekuatan yg lebih besar -> pemecahan sel lebih cepat -> banyak pengotor yg terbawa bersama analit • Kekuatan yg lebih kecil -> pemecahan sel bertahap -> MAE bisa lebih selektif • Pemilihan kekuatan berdasarkan pd jumlah bahan yg diekstrak. • Kekuatan hrs dipilih dg tepat utk menghindari temperatur yg berlebihan -> degradasi dan overpressure dlm sel.

22. Penggunaan 1. Polyhenols dari Green Tea. 2. Carotenoids dari Paprika powders 3. Glycyrrhizic acid dari liquorice root 4. Saikosaponins dari Bupleurum falcatum roots 5. Cocaine dan benzoylecgonine dari coca leaves 6. Carnosic acid dari Rosemary. 7. Canola oil dari Canola. 8. Oil dari evening primrose dan borage seeds. 19. Alkamides dari Echinacea purpurea L. roots 10. Piperine dari black pepper 1. Oil dari olive seeds 12. lipids dari several oleaginous seeds 13.Essential oil dari Mint Leaves 14. Essential oil dari Cuminum cyminum dan Zanthoxylum bungeanum 15. Camptothecin dari Nothapodytes foetida

23. Pengg Contd • 16. Essential oil dari Lippia alba • 17. Sanguinarine dan chelerythrine dari Macleaya cordata • 18. Diterpenes mirip tanshinones dari Salvia miltiorrhiza • 19. Geniposidic acid dan chlorogenic acid dari Eucommia ulmodies • 20. Solanesol dari Tobacco leaves • 21. Embelin dari Embelia ribes • 22. Artemisnin dari Artemisia annua L. • 25. Furanocoumarins dari Pastinaca sativa • 26. Coumarin dan asam melilotat dari Melilotus officinalis L. • 27. Senyawa fenolik dari Hypericum perforatum dan Thymus vulgaris • 28. Pigments dari Capsicum annum • 29. Saponin dari Panax ginseng • 30. Paclitaxel dari Taxus baccata • 31. Oleuropein dan turunan biophenols Olea europeaea • 32. Anthraquinones dari Morinda citrifolia

24. CONTOH APLIKASI MAE

25. MAE pd tekanan atmosfer utk determinasi pestisida organophosphorus di minyak jaitun dan alpukat • Ekstraksi OPPs Pestisida organophosphorus (OPPs) dalam minyak zaitun dan minyak alpukat ditentukan menggunakan atmospheric pressure microwave-assisted liquid–liquid extraction(APMAE) dan solid-phase extraction atau low-temperature precipitation sebagai tahap clean-up. Wadah ekstraksi menggunakan sistem gelas sederhana yg dilengkapi dengan air-cooled condenser Pestisida dipartisi antara asetonitril dan larutan minyak dalam heksan

26. Kondisi MAE optimum Waktu ekstraksi 13 menit Kekuatan microwave 150 W Pelarut 15 mL acetonitrile 5 g minyak diencerkan dalam 5mL heksan

27. Kesimpulan Metode ini simpel dan memadai untuk mengekstraksi pestisida organophosphorus pada kadar µg/g dalam minyak zaitun dan minyak alpukat dengan penggunaan pelarut yang sedang (25 ml per sampel) dan hasilnya bagus. Persen recovery 0,025 µg/g pestisida dalam minyak berada pd rentang 71% hingga 103%

28. Optimasi dan perbandingan MAE dan soxhlet ectraction utk determinasi polychlorinated biphenyl di sampel tanah • Ekstraksi polychlorinated biphenyls (PCBs) dari tanah dg soxhlet biasanya lebih lama dan tidak selektif. • MAE telah digunakan untuk ekstraksi PCBs dengan segala kelebihannya • Setelah melalui ekstraksi dan clean up, PCBs yg diekstraksi dg MAE jumlahnya lebih banyak dibandingkan Soxhlet

29. KondisiMAE: Pelarut 15 mL campuran aseton:hexane (74:26) (v:v), tekanan 21 psi, kekuatan microwave 57%, selama 40 menit • Kondisi Soxhlet: Pelarut 200 ml campuran aseton:heksan (75:25) (v:v) di bawah refluks selama 24 jam.

31. Analisis ginsenosides di Panax ginseng menggunakan high pressureMAE • Metode ekstraksi: HPMAE Soxhlet extraction Ultrasound-assisted extraction Heat reflux extraction

32. HPMAE Efek Pelarut • Pada penelitian ini, diteliti efek perbedaan penggunaan pelarut pada HPMAE. Pelarut tsbt adlh: methanol, 70% (v/v) ethanol–water danwater. Ekstraksi ginsenosides yg plg optimal dari ketiga pelarut kmdn dikondisikan dlm keadaan di bawah tekanan600, 400 and 300 kPa. • Kandungan ginsenosides dlm ekstrak air menurun jika tekanan ditingkatkan dari 400 mjd 500 kPa. • Ekstraksi yg plg optimal adlh pd ekstraksi menggunakan 70% (v/v) ethanol–water dan ekstraksi yg plg rendah adlh yg menggunakan air.

33. Efek Tekanan Kandungan 6 ginsenoside netral dlm akar P. ginseng meningkat dg tekanan dan laju peningkatan kandungan ginsenoside berbeda2.

34. Efek Waktu Ekstraksi Perubahan kandungan 6 ginsenoside netral sangat signifikan dari 2-10 menit. Namun perubahan dari 10-30 menit tidak nyata.

35. Perbandingan metode ekstraksi HPMAE lbh efisien dibandingkan dgn tiga meode lainnya. Hasil dari ekstraksi ginsenosides dan malonyl ginsenosides dari P. ginseng dipengaruhi oleh metode ekstraksi. Utk ekstraksi 6 ginsenoside utama Rg1, Re, Rb1, Rc, Rb2 and Rd, HPMAE dapat digunakan dan hasilnya baik, ttp utk ekstraksi malonyl ginsenosides HPMAE tidak dpt digunakan.

36. MAE dari lime pectin Metode ekstraksi: • Samples dipanaskan dlm oven microwave. Flavedo, albedo atau pulp (F, A or P) di iradiasi pada frekuensi 2450MHZ dgn kekuatan 630W. • Sampel (1 g) didispersikan dlm 25 mL HCl (pH 2) dan ditempatkan di salah satu vessel microwave. • Waktu pemanasan berkisar antara 1 – 10 menit. • Tekanan tdk blh lebih dari 50±2 lbs/in2.

37. Temperatur pd tekanan tsbt adlh sekitar 140 oC. • Stlh pemanasan, sampel didinginkan sampai mencapai suhu kamar kmdn disaring • Filtrat kmdn diendapkan menggunakan 70% isopropanol (IPA), dipisahkan dari cairan induk laludicuci (pencucian pertama menggunakan 70%IPA, kmdn dgn 100% IPA) • Stlh itu sampel dikeringkan tanpa pemanasan dan disimpan dlm refrigator hingga akan dianalisa.

38. Pelarut yg digunakan untuk ekstraksi pectin adalah HCl pH 2. dengan air murni saja tidak mampu mengekstraksi pectin. • Asam yg panas melarutkan pectin dan komponen lainnya dlm dinding sel. Ikatan ionik dan hidrogen dipecah, diikuti ikatan kovalen spt ikatan glikosida. • Asam jg menghidrolisis gugus ester yg menempel pd pectin. Rotasi cepat dipol air yg berpasangan dg konduktansi ionik ion H+ dan Cl- menyebabkan pelarut kehilangan dielektrik yg tinggi shg mampu dipanaskan dg cepat. • Keuntungan ekstraksi dan pemanasan yg cepat dibandingkan ekstraksi konvensional yg lambat adalah lebih sedikit ik. Kovalen yg putus shg pectin yg dihasilkan memiliki berat molekul dan viskositas yg lebih tinggi.

40. Aplikasi surfakatan non-ionik pd MAE alkaloid dari Rhizoma coptidis • Kemungkinan utk menggunakan surfaktan non-ionik, oligoethylene glycol monoalkyl ether (Genapol X-080), sbg pelarut alternatif dan efektif utk MAE alkaloid dari Rhizoma Coptidiswas telah diteliti. • Surfaktan berpotensi utk digunakan dlm proses analisis dan separasi  bdsrkan temperatur yg dpt menginduksi pemisahan fase

41. MAE • Sampel (2 gram) dilarutkan dlm 40 mL pelarut yg berbeda2 (methanol, ethanol, pure water, acidified methanol, 5% Genapol X-080, 5% acidified Genapol X-080 dgn berbagai konsentrasi (v/v)) • Sampel kmdn dipanaskan dlm vessel oven microwave. • Ekstrak kmdn di sentrifugasi pd 4000rpm slma 10 min. • Supernatan kmdn disaring dan di injeksikan ke sistem HPLC

42. Supernatan dimskkan ke dlm tabung sentrifugasi 50 mL utk memisahkan bhn aktif dgn larutan surfaktan. Sampel di+kan NaCl (8.0 g) kmdn divortex. Kmdn dipanaskan pd 100 ◦C sampai larutan bnr2 terpisah. Stlh sentrifugasi pd 4000 rpm slma 10 menit, fase air dan fase kaya surfaktan dikumpulkan menggunakan syringe utk dianalisa menggunakan HPLC.

43. Hasil • Bila dibandingkan dgn metode shake flask extraction method (pd suhu kamar, 6 jam, extraction recovery of alkaloids 70.3%) dan heat reflux extraction (1 jam, extraction recovery of alkaloids 90.5%), metode MAE merupakan metode dgn tingkat efisiensi ekstraksi yg plg tinggi. • Hasil ini tdk mengherankan krn saat efek pemanasan dari microwave ke molekul akan memfasilitasi interaksi antara larutan surfakatan dan alkaloid di material herbal.

44. Kombinasi antara MAE dan Genapol X-080 dpt digunakan sbg alternatif utk ekstraksi dan prekonsentrasi alkaloid dlm sampel Rhizoma Coptidis, tanpa penghilangan surfaktan dlm filtrat. • Recovery ekstraksi alkaloid adlh 92.8% dan efisiensi prekonsentrasi berada pd range 93.6–94.7% dgn nilai R.S.D. dibawah 3.3%.

45. MAE antioksidan antrakuinon dari akar Morinda citrifolia • Morinda citrifolia mengandung antarkuionon & utk mengekstraksi bhn aktif tsbt diperlukan metode ekstraksi yg simpel & ekonomis • Ekstraksi antioksidan antrakuinon dri akar tanaman obat cina, Morinda citrifolia menggunakan metode MAE mrpkan metode alternatif yg dpt digunakan

46. MAE • Sampel (0,1 g) di+kan 10 mL pelarut kmdn diletakkan di dalam vessel. • Vessel diletakkan dgn posisi simetris dgn medan microwave. • Tekanan output yg digunakan adlh 60% ((60% dari 1200 W) & waktu ektraksi adlh 2 menit.

47. Hasil • Mekanisme utk meningkatkan recovery antrakuinon menggunakan metode MAE adlh dgn mengubah dipole rotation dari pelarut polar di medan microwave, yang sgt dipengaruhi oleh dielectric constant dan dissipation factor pelarut. • Kondisi utk menghasilkan recovery maksimum adlh saat menggunakan etanol 80% pd temperatur 60 ◦C, selama 30 menit.

48. Dynamic microwave-assisted extraction flavonoid dari kultur sel Saussurea medusa • Pendekatan untuk metode ekstraksi flavonoid dari sel kering Saussurea medusa yang omotis, berkelanjutan dan cepat telah dikembangkan dlm design baru sistem ekstraksi dynamic microwave-assisted.

49. dynamic microwave-assisted extraction • Kultur S. medusa & 2.0 L ethanol 80% dimasukkan ke wadah, dihomogenkan menggunakan magnetic stirrer. • Suspensi kmdn di iradiasi dgn 60 % power output (60 % dari 1200 W), pada temperatur 80◦C, and kmdn di iradiasi secara periodik dgn microwave dlm prosedur yg tlh ditetapkan ( 15 % dari power output utk memanaskan, yg diikuti dgn 15 % dari power output utk pendingan tanpa diikuti perubahan suspensi mjd super-boil).

50. Hasil • Proses optimal utk mempercepat ekstraksi flavonoid dari kultur sel kering S. medusa telah ditemukan dlm btk design baru dari sistem dynamic microwave-assisted extraction. • Dengan membandingkan dynamic microwave-assisted extraction dgn dynamic solvent extraction tanpa microwave assistance, dynamic microwave-assisted extraction memperlihatkan kelebihan, yaitu pd durasi ekstraksi yg pendek dan memiliki efisiensi tinggi.