MICROWAVE-ASSISTED EXTRACTION

TBA 2011

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 sehingga mencegah polusi di

laboratorium analitis dan dapat mengurangi biaya persiapan sampel.

Metode ekstraksi baru meliputi Microwave assisted extraction (MAE),

supercritical fluid extraction (SCFE), pressurized solvent extraction

(PSE)

Skema prinsip pemanasan

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.

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 rotation merupakan 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.

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’

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

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

INSTRUMEN

Modifikasi Domestik Multimode

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 di iradiasi 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.

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.

PARAMETER YANG MEMPENGARUHI EKSTRAKSI

Pemilihan pelarut

Volume pelarut

Temperatur ekstraksi

Waktu ekstraksi

Karakteristik matriks

Kekuatan microwave

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.

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.

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.

Suhu didih dan suhu di bawah microwave pada 175 psig

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.

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 juga memiliki efek pd pembengkakan

matriks dan / atau mempengaruhi interaksi matriks – analit shg

membuat analit lebih tersedia untuk pelarut pengekstraksi.

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.

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

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

CONTOH APLIKASI MAE

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

Kondisi MAE optimum

Waktu ekstraksi 13 menit

Kekuatan microwave 150 W

Pelarut 15 mL acetonitrile

5 g minyak diencerkan dalam 5 mL heksan

KesimpulanMetode 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%

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

Kondisi MAE:

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.

Analisis ginsenosides di Panax ginseng menggunakan high pressure MAE Metode ekstraksi:

HPMAE

Soxhlet extraction

Ultrasound-assisted extraction

Heat reflux extraction

HPMAE

Efek Pelarut

Pada penelitian ini, diteliti efek perbedaan penggunaan pelarut pada

HPMAE. Pelarut tsbt adlh: methanol, 70% (v/v) ethanol–water dan

water. Ekstraksi ginsenosides yg plg optimal dari ketiga pelarut

kmdn dikondisikan dlm keadaan di bawah tekanan 600, 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.

Efek Tekanan

Kandungan 6

ginsenoside netral dlm

akar P. ginseng

meningkat dg tekanan

dan laju peningkatan

kandungan ginsenoside

berbeda2.

Efek Waktu Ekstraksi

Perubahan kandungan

6 ginsenoside netral

sangat signifikan dari

2-10 menit. Namun

perubahan dari 10-30

menit tidak nyata.

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.

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.

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 lalu dicuci (pencucian

pertama menggunakan 70% IPA, kmdn dgn 100% IPA)

Stlh itu sampel dikeringkan tanpa pemanasan dan

disimpan dlm refrigator hingga akan dianalisa.

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.

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

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

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.

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.

Hasil

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%.

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

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.

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.

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.

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).

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.

Optimasi MAE utk 4 macam astragalosides di Radix Astragali

Metode ekstraksi:

MAE

Soxhlet

Heat reflux extraction (HRE)

Ultrasonic extraction (UE)

Maceration extraction (ME)

Prosedur ekstraksi

Kondisi MAE

Material (5 g) & IS (1 mg)

Pelarut: etanol 0 – 90 %

Waktu ekstraksi : 1 – 12 menit

Suhu : 50 – 70 %

Kekuatan : 300 – 800

Siklus ekstraksi : 3 – 5 kali

Hasil Dibandingkan dgn teknik ekstraksi lain, proses MAE membutuhkan waktu

yg lbh sedikit dan memberikan hasil ekstraksi yg efisien. Hal ini

disebabkan MAE dpt memecahkan ikatan hidrogen krn adanya rotasi

dipole dari molekul dan migrasi ion, shg meningkatkan penetrasi pelarut

ke dalam matriks dan melepaskan produk intraseluler dgn cara

memecahkan dinding sel.

Kondisi MAE optimum adlh saat ekstraksi menggunakan ethanol 80%, dgn ratio solid/liquid 1:25 (g/ml), pada suhu 70 C, 3 siklus ekstraksi, slma 5 min dgn kekuatan microwave 700 W.