مستخلصات كاتيكين فائقة الجودة باستخدام الموجات فوق الصوتية
استخلاص الكاتيكينات بالموجات فوق الصوتية
الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية تقنية غير حرارية تعتمد على تطبيق قوى ميكانيكية بحتة. تُقرَن الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية الشدة بوسط سائل عبر مسبار للموجات فوق الصوتية (سونوترود). وتثقب قوى القص الشديدة الناتجة عن التجويف الصوتي أغشية الخلايا وتفككها، وتعزز انتقال الكتلة بين داخل الخلية والمذيب، وتُطلِق المركبات الموجودة داخل الخلايا إلى المذيب.
في مراجعتهما الشاملة لطرق الاستخلاص من الشاي الأخضر (Camellia sinensis)، وجد Banerjee وChatterjee (2015) أن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار أكثر كفاءة بدرجة كبيرة من حمامات الموجات فوق الصوتية. ويذكر المؤلفان كذلك أن الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية هو الطريقة المفضلة لاستخلاص كاتيكينات الشاي بسبب زيادة فعالية عملية الاستخلاص عند درجات حرارة أقل، مما يمنع التحلل الحراري للمركبات الحساسة للحرارة ويحافظ على قيمتها العلاجية. وكثيرًا ما يؤدي الاستخلاص بدرجات حرارة مرتفعة إلى تحلل المركبات متعددة الفينولات وزيادة إطلاق البروتين والبكتين، اللذين يؤثران في الجودة الحسية للشاي من خلال تكوّن راسب كريمي. وتكمن ميزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في آليتها غير الحرارية. وقد أثبت الباحثون في دراستهم أن الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يزيد مردود المركبات متعددة الفينولات في الشاي عند 65°C مقارنةً بالاستخلاص التقليدي عند 85°C. ومع ذلك، يعمل الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية أيضًا في درجة حرارة الغرفة. وبوصفها تقنية استخلاص غير حرارية، تطبق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية قوى ميكانيكية لفتح الخلايا وإطلاق المركبات النشطة حيويًا، مثل المركبات متعددة الفينولات والكاتيكينات، إلى المذيب بكفاءة فائقة.
يوفر الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية مردودًا مرتفعًا من المغذيات عالية الجودة. وبوصفه عملية غير حرارية، فإنه يتجنب فقدان المغذيات الحساسة للحرارة.
يمكن أيضًا إجراء الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية في درجة حرارة الغرفة أو في سوائل مبردة. انقر هنا لقراءة المزيد عن تحضير الشاي بالنقع البارد باستخدام الموجات فوق الصوتية!
- خالٍ من المذيبات / قائم على الماء
- مردود استخلاص مرتفع
- مستخلصات عالية الجودة
- مستخلصات كاملة الطيف
- عملية سريعة
- تقنية خضراء وصديقة للبيئة
- تشغيل بسيط وآمن
- متطلبات صيانة قليلة
- عائد سريع على الاستثمار
جهاز الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية UIP2000hdT (2kW) مع مفاعل دفعي مزود بتقليب مستمر
دراسة حالة لاستخلاص الكاتيكين بالموجات فوق الصوتية
يمكن إجراء الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية باستخدام مذيبات متنوعة، بما فيها الماء والإيثانول ومزيج الماء : الإيثانول والأيزوبروبانول والزيت النباتي والغليسرين وغيرها.
في دراسة أُجريت عام 2018، قارن Ayyildiz وآخرون الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية باستخدام الماء والإيثانول كمذيبين بطريقة الاستخلاص التقليدية بالماء الساخن. وفي هذه الدراسة على النطاق التجريبي، استخدموا جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية Hielscher UIP2000hd (2kW, 20kHz) في تجهيزات التشغيل الدفعي والتدفق المستمر.
أظهرت النتائج أن الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية باستخدام الإيثانول كان أكثر كفاءة بدرجة ذات دلالة إحصائية (p < 0.05) في استخلاص كميات أكبر من EGCG وEGC وECG وEC مقارنةً بالاستخلاص التقليدي بالماء الساخن والاستخلاص بالموجات فوق الصوتية القائم على الماء. وفي ظروف العملية المثلى، أتاح الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية باستخدام الإيثانول الحصول على محتوى من EGCG أعلى بنحو 100% و50% مقارنةً بالاستخلاص التقليدي بالماء الساخن والاستخلاص بالموجات فوق الصوتية باستخدام الماء، على التوالي. وكانت الظروف المثلى لاستخلاص EGCG بالموجات فوق الصوتية باستخدام الإيثانول هي 66.53ºC و43.75 min وإيثانول بتركيز 67.81%.
الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية هو الطريقة المفضلة لاستخلاص كاتيكينات الشاي بسبب زيادة فعالية عملية الاستخلاص عند درجات حرارة أقل مع الاحتفاظ بنشاطها المضاد للأكسدة.
أجهزة استخلاص عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية
تُستخدم أنظمة الاستخلاص من Hielscher Ultrasonics في جميع أنحاء العالم في الصناعات الغذائية والصيدلانية للإنتاج التجاري لمستخلصات نباتية عالية الجودة تُستخدم كمكملات غذائية ومستحضرات صيدلانية. سواء أردت إنتاج دفعات أصغر من الشاي المحضَّر بالنقع البارد أو معالجة كميات كبيرة من مستخلصات المركبات متعددة الفينولات / الكاتيكينات عالية الجودة، فإن Hielscher Ultrasonics توفر لك جهاز الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية المناسب. وتتميز أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بسهولة التشغيل وأمانه. وتتيح البرمجيات سهلة الاستخدام والتحكم الرقمي عبر شاشة تعمل باللمس التحكم الدقيق في العملية. كما تتيح متانة معدات الموجات فوق الصوتية من Hielscher التشغيل على مدار 24/7 تحت أحمال شديدة وفي بيئات صعبة.
جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP100H لاستخلاص الكاتيكين من أوراق الشاي
توحيد معايير العملية باستخدام Hielscher Ultrasonics
ينبغي إنتاج المستخلصات ذات الدرجة الغذائية والصيدلانية وفقًا لممارسات التصنيع الجيدة (GMP) وبموجب مواصفات معالجة موحدة. وتأتي أنظمة الاستخلاص الرقمية من Hielscher Ultrasonics مزودة ببرمجيات ذكية تجعل ضبط عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية والتحكم فيها بدقة أمرًا سهلًا. ويسجل نظام التسجيل التلقائي للبيانات جميع معلمات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مثل طاقة الموجات فوق الصوتية (الطاقة الكلية والصافية)، والسعة، ودرجة الحرارة، والضغط (عند تركيب مستشعرات درجة الحرارة والضغط)، مع طابع التاريخ والوقت على بطاقة SD المدمجة. ويتيح لك ذلك مراجعة كل دفعة معالجة بالموجات فوق الصوتية. وفي الوقت نفسه، يضمن قابلية إعادة إنتاج النتائج واستمرار الجودة العالية للمنتج.
يوضح الجدول أدناه القدرة التقريبية على المعالجة لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
تواصل معنا! / اسألنا!
مجانسات عالية القدرة بالموجات فوق الصوتية من النطاق المختبري إلى النطاق التجريبي و النطاق الصناعي .
المؤلفات/المراجع
- Ayyildiz, Sena Saklar; Karadeniz, Bulent; Sagcanb, Nihan; Bahara, Banu; Us, Ahmet Abdullah; Alasalvar, Cesarettin (2018): تحسين معلمات استخلاص غالات الإيبيغالوكاتيكين من الشاي الأخضر باستخدام طرق الماء الساخن التقليدية والطرق المدعومة بالموجات فوق الصوتية. Food and Bioproducts Processing 111 (2018). 37–44.
- Banerjee, S., Chatterjee, J. (2015): استراتيجيات فعالة لاستخلاص الجزيئات الحيوية للشاي (Camellia sinensis). J. Food Sci. Technol. 52, 2015. 3158–3168.
- Martín-García Beatriz; Pasini, Federica; Verardo, Vito; Díaz-de-Cerio, Elixabet; Tylewicz, Urszula; Gómez-Caravaca, Ana María; Caboni Maria Fiorenza (2019): تحسين الاستخلاص المدعوم بالموجات فوق الصوتية باستخدام السونوترود للبروأنثوسيانيدينات من حبوب التخمير المستهلكة. Antioxidants 2019, 8, 282.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): الاستخلاص الدفعي والمستمر المدعوم بالموجات فوق الصوتية لأوراق البولدو (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750–5764.
- K.S. Suslick, K. Othmer، «موسوعة التكنولوجيا الكيميائية»؛ الطبعة 4. J. Wiley & Sons: نيويورك، 1998، المجلد 26، الصفحات 517–541.
حقائق جديرة بالمعرفة
الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية – مبدأ العمل
الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية طريقة ميكانيكية لإطلاق المركبات الموجودة داخل الخلايا وعزلها من المصفوفات الخلوية، مثل الخلايا النباتية. وعند اقتران الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بمعلق كثيف (يتكون، مثلًا، من جسيمات نباتية منقوعة في الماء أو المذيب)، تولّد الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة التجويف. وتؤدي ظاهرة التجويف موضعيًا إلى درجات حرارة وضغوط ومعدلات تسخين/تبريد وفروق ضغط شديدة، وقوى قص عالية في الوسط. وعندما تنهار فقاعات التجويف إلى الداخل على سطح المواد الصلبة (مثل الجسيمات والخلايا النباتية والأنسجة وغيرها)، تولّد النفاثات الدقيقة والتصادمات بين الجسيمات تأثيرات مثل تقشير السطح والتآكل وتفتت الجسيمات. كذلك يولّد انهيار فقاعات التجويف إلى الداخل في الأوساط السائلة اضطرابات كبيرة وخلطًا دقيقًا.
يمثل التشعيع بالموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة لتعزيز عمليات انتقال الكتلة، إذ تؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى التجويف والآليات المرتبطة به، مثل الحركة الدقيقة الناتجة عن النفاثات السائلة، والانضغاط وإزالة الانضغاط في المادة وما يتبعهما من تفكيك جدران الخلايا، وكذلك معدلات التسخين والتبريد العالية.
الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من الخلايا النباتية: يُظهر المقطع العرضي المجهري (TS) آلية التأثيرات أثناء الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من الخلايا (تكبير 2000x) [المصدر: Vilkhu وآخرون 2011]
تؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية للمواد النباتية إلى تفتيت مصفوفة الخلايا النباتية وتعزيز إماهتها. ويخلص Chemat وآخرون (2015) إلى أن استخلاص المركبات النشطة حيويًا من المواد النباتية بالموجات فوق الصوتية ناتج عن آليات مختلفة مستقلة أو مجتمعة، تشمل التفتيت والتآكل والخاصية الشعرية وتفكيك البنية النسيجية وإحداث المسام بالموجات فوق الصوتية. وتفكك هذه التأثيرات جدار الخلية، وتحسن انتقال الكتلة بدفع المذيب إلى داخل الخلية وسحب المذيب المحمّل بالمركبات النباتية إلى خارجها، وتضمن حركة السائل من خلال الخلط الدقيق.
ما المزايا الرئيسية للاستخلاص بالموجات فوق الصوتية؟
- عملية سريعة وإنتاجية عالية
- استهلاك منخفض للطاقة
- تكلفة معالجة أقل
- تقنية غير حرارية
- نقاوة أعلى
- تقنية خضراء
التجويف الصوتي وتأثيراته
تُنشئ الموجات فوق الصوتية في السائل دورات شديدة متناوبة من الضغط المرتفع / الضغط المنخفض، تؤدي إلى تكوّن فقاعات التجويف. وعلى مدى عدة دورات ضغط، تنمو فقاعات التجويف حتى تصل إلى حد لا تستطيع عنده الفقاعة امتصاص مزيد من الطاقة. وعند هذه النقطة، تنهار الفقاعة بعنف إلى الداخل. وأثناء هذا الانهيار، تنشأ ظروف شديدة، مثل درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 5000K، وضغوط تصل إلى 2000atm، ومعدلات تسخين/تبريد مرتفعة جدًا وفروق ضغط. ولأن ديناميكيات انهيار الفقاعة أسرع من انتقال الكتلة والحرارة، تُحصر الطاقة في التجويف المنهار في منطقة صغيرة جدًا تُسمّى أيضًا «بقعة ساخنة». كما يؤدي انهيار فقاعة التجويف إلى الداخل إلى اضطرابات دقيقة ونفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/s وقوى قص ناتجة عنها. وتُعرف هذه الظاهرة بالتجويف فوق الصوتي أو التجويف الصوتي.
يعتمد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية على التجويف الصوتي وقوى القص الهيدروديناميكية الناتجة عنه
الكاتيكينات
يُعرف الشاي الأخضر بغناه بالمركبات متعددة الفينولات، مثل حمض الكافئيك وحمض الغاليك والكاتيكين والإيبيكاتيكين والغالوكاتيكين وغالات الكاتيكين وغالات الغالوكاتيكين وغالات الإيبيكاتيكين والإيبيغالوكاتيكين وغالات الإيبيغالوكاتيكين (EGCG)، مما يجعل الشاي الأخضر غذاءً صحيًا شائعًا يُستهلك كمشروب وكمستخلص. ويُعد EGCG كاتيكينًا معروفًا يوجد بكميات كبيرة في الأوراق المجففة للشاي الأخضر (7380 mg لكل 100 g)، والشاي الأبيض (4245 mg لكل 100 g)، وبكميات أقل في الشاي الأسود (936 mg لكل 100 g). وأثناء إنتاج الشاي الأسود، تتحول معظم الكاتيكينات إلى الثيافلافينات والثياروبيجينات بفعل إنزيمات أكسيداز متعدد الفينولات.
الفوائد الصحية لغالات الإيبيغالوكاتيكين (EGCG)
من بين مجموعة الكاتيكينات، تُعد غالات الإيبيغالوكاتيكين (EGCG) الأكثر دراسةً والأكثر وعدًا. وتُظهر EGCG فوائد عديدة، تتراوح من التأثيرات المضادة للسرطان والأكسدة والالتهاب والتليف وإنزيم الكولاجيناز إلى تعزيز الجهاز المناعي ومقاومة الشيخوخة، ولذلك تُستهلك على هيئة مشروب الشاي الأخضر وكذلك على هيئة مكملات غذائية، مثل الكبسولات والمساحيق والأقراص وغيرها.
تشير الدراسات البحثية إلى أن الكاتيكينات، مثل غالات الإيبيغالوكاتيكين (EGCG)، قد تقلل الالتهاب ويمكن أن تقي من حالات مزمنة معينة، مثل أمراض القلب والسكري وبعض أشكال السرطان.
EGCG وتأثيراتها المضادة للسرطان
نظرًا إلى أن السرطان مرض يهدد الحياة في كثير من الأحيان، تخضع خصائص EGCG المضادة للسرطان لأبحاث مكثفة. وتشير الدراسات إلى أن EGCG يمكن أن تثبط نشوء الأورام من خلال تقليل تأثيرات المواد المسرطنة أو إزالتها. وتشير نتائج إلى أن EGCG تمنع نشوء أورام الكبد المرتبطة بالسمنة والمستحثة بثنائي إيثيل نيتروزامين، من خلال تثبيط محور IGF/IGF-1R، وتحسين حالة فرط الإنسولين في الدم، وتخفيف الالتهاب المزمن. وتتمثل آلية أخرى لتأثير EGCG المضاد للسرطان في تثبيط تكوّن الأوعية الدموية، ومن ثم الحد من تكاثر الأورام.
EGCG وتأثيراتها المضادة للأكسدة
تحدث في جسم الإنسان عمليات مضادة للأكسدة لا تُحصى، وتسهم في الصحة والقوة والعافية. وتُعد EGCG مضادًا للأكسدة. ويمكن لمضادات الأكسدة الحماية من الضرر الخلوي من خلال اصطياد الجذور الحرة وتحييدها. وتعمل حلقات الفينول في بنية EGCG كمصائد للإلكترونات وكعوامل لاصطياد الجذور الحرة، وتثبط تكوّن أنواع الأكسجين التفاعلية، وبذلك تقلل الأضرار الناجمة عن الإجهاد التأكسدي.
EGCG وتأثيراتها المضادة للالتهاب
قد ينجم الالتهاب عن المرض والإجهاد المزمن والتلوث البيئي. ويستجيب الجسم لعوامل الإجهاد هذه بالالتهاب، الذي يتميز بتجمع عدد كبير من الخلايا المناعية في مواضع الالتهاب، وإطلاق السيتوكينات المحفزة للالتهاب وأنواع الأكسجين/النيتروجين التفاعلية (ROS/RNS). وترتبط ROS/RNS بتنشيط عامل النسخ NF-B والبروتين المنشِّط-(AP-)1. وبعد التنشيط، ينتقل NF-jB وAP-1 من السيتوبلازم إلى النواة ويزيدان التعبير عن مجموعة متنوعة من الجينات الالتهابية، مما يؤدي لاحقًا إلى تفاقم الاستجابة الالتهابية وتلف الأنسجة.
تثبط EGCG انتقال NF-B وAP-1، بحيث ينخفض التعبير عن iNOS وCOX-2 أساسًا من خلال اصطياد أكسيد النيتريك والبيروكسينيتريت وغيرها من ROS/RNS، وينخفض إنتاج العوامل الالتهابية.
EGCG وتأثيراتها في تعزيز تكوّن العظام
هشاشة العظام مرض شديد يتميز بتدهور مصفوفة العظام وفقدان كثافتها. وتُظهر EGCG تأثيرات تنظيمية في استقلاب العظام. ويمكن أن تحفز EGCG الاستماتة في الخلايا ناقضة العظم وتثبط تكوّن هذه الخلايا من خلال منع توليد NF-B وIL-1b. كما يمكنها تعزيز تكوّن العقيدات العظمية المتمعدنة.
[راجع: Chenyu Chu; Jia Deng; Yi Man; Yili Qu (2017): مستخلصات الشاي الأخضر إيبيغالوكاتيكين-3-غالات لعلاجات مختلفة. BioMed Research International المجلد 2017]