استخلاص الطحالب بالموجات فوق الصوتية لإنتاج المكملات الغذائية
الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية هو الطريقة المتفوقة لتفكيك خلايا الطحالب بفعالية وسرعة. ويمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تحرير كامل كمية المركبات النشطة حيويًا، مما يجعل تقنية الموجات فوق الصوتية عالية الكفاءة.
كيفية استخلاص البروتينات والدهون والمركبات الفينولية من الطحالب بالموجات فوق الصوتية
تتميز أنواع الطحالب والطحالب الدقيقة بغناها بالمركبات النشطة بيولوجيًا، مثل البروتينات والدهون والكاروتينات والأصباغ (مثل الفيكوسيانينات والأستازانتين وغيرها)، والمركبات الفينولية والسكريات المتعددة (مثل الكاراجينانات). وهذا يجعلها مادة طبيعية واسعة الاستخدام لإنتاج مستخلصات للأغذية والمكملات الغذائية. ومن أنواع الطحالب الشائعة الاستخدام في المكملات الغذائية Arthrospira maxima و(المعروفة أيضًا باسم سبيرولينا)، وChlorella vulgaris، وHaematococcus pluvialis، وUlva spp. ومن المعروف أن الطحالب مصدر جيد للبروتينات عالية الجودة والدهون والأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة طويلة السلسلة (PUFAs، أي أوميغا-3)، والسكريات المتعددة (مثل الألجينات والكاراجينان وβ-غلوكانات)، والفيتامينات ومضادات الأكسدة.
السبيرولينا نوع شائع الاستخدام من الطحالب، غني بالمركبات النشطة حيويًا ذات القيمة العالية، مثل البروتينات (بنسبة 50–70% من الوزن الجاف). ونظرًا إلى اعتماد السبيرولينا من إدارة الغذاء والدواء في الولايات المتحدة (FDA) بوصفها معترفًا بها عمومًا على أنها آمنة (GRAS)، يمكن استخدام السبيرولينا ومستخلصاتها في الأغذية المطروحة تجاريًا أو كمكملات غذائية.
مزايا استخلاص الطحالب بالموجات فوق الصوتية
يتفوق الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية على طرق الاستخلاص البديلة في جوانب عديدة، مثل ارتفاع المردود والموثوقية والسلامة والبساطة ومراعاة البيئة.
مردود استخلاص كامل
تفتح أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء خلايا الطحالب وتفككها، مما يؤدي إلى تحرير المواد الموجودة داخل الخلايا. وبذلك يحرر الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية كامل طيف المركبات النشطة حيويًا، مثل الفيكوبيلبروتينات والكاروتينات والدهون والمركبات الفينولية.
يمكن تقسيم الفيكوبيلبروتينات إلى ثلاث مجموعات رئيسية، هي الكلورو-فيكوسيانينات والألوفيكوسيانينات والفيكوإريثرينات. ويُعد C-فيكوسيانين صبغة زرقاء طبيعية واسعة الاستخدام في المنتجات الغذائية والدوائية. ويحرر الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية كامل طيف البروتينات.
SonoStation – وهو نظام بالموجات فوق الصوتية يضم 2x من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 2kW، وخزانًا مزودًا بالتقليب ومضخة – نظام سهل الاستخدام للاستخلاص.
كفاءة استخلاص عالية
اختبر Duangsee وآخرون (2009) طريقتين مختلفتين لاستخلاص المركبات النشطة حيويًا من الكتلة الحيوية لـArthospira، هما الاستخلاص بالمذيبات بمساعدة الموجات فوق الصوتية والاستخلاص بالتجميد والإذابة المتكررين. ووجدوا أن الاستخلاص بالمذيبات بالموجات فوق الصوتية حقق كفاءة استخلاص أعلى (22.1%) من التجميد والإذابة (15.6%). وتُظهر مقارنة تمزق الخلايا بين المعالجة بالموجات فوق الصوتية والتجميد والإذابة المتكررين أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية أكثر فعالية. إذ يفكك التجويف فوق الصوتي خلايا الطحالب بسرعة وفعالية، مما يؤدي إلى تفكيك أكبر للخلايا مقارنة بخلايا السبيرولينا المعالجة بالتجميد والإذابة المتكررين.
كانت المعالجة بالموجات فوق الصوتية أكثر فعالية في تكسير الغلاف الخلوي مقارنة بالتجميد والإذابة المتكررين. وأظهر مردود استخلاص الفيكوسيانين أن درجة حرارة المعالجة تؤثر في كفاءة الاستخلاص.
عملية استخلاص سريعة
يمكن لأنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء إدخال قدرة فوق صوتية عالية إلى معلق الطحالب من خلال سعات اهتزاز عالية. وهذا يجعل الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية طريقة معالجة سريعة جدًا.
التحكم في درجة الحرارة
المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية استخلاص غير حرارية وميكانيكية بحتة. ويمكن التحكم بدقة في درجة حرارة الاستخلاص باستخدام مستشعر درجة حرارة قابل للتوصيل، موصول سلكيًا بجهاز Hielscher الرقمي للمعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتتيح برمجيات أجهزة Hielscher الرقمية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية ضبط حدود درجة الحرارة، بحيث يتوقف المجانس بالموجات فوق الصوتية مؤقتًا عند بلوغ حد درجة الحرارة. ويتيح التحكم الدقيق في درجة الحرارة منع التحلل الحراري للمواد الحساسة للحرارة، مثل الفيكوبيلبروتينات والفيتامينات والبوليفينولات والسكريات المتعددة والدهون وغيرها من المركبات النشطة حيويًا.
التوافق مع مذيبات متنوعة
تتوافق المعالجة بالموجات فوق الصوتية مع أي مذيب تقريبًا. وينتج الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بالاقتران مع مذيبات صديقة للبيئة، مثل الماء أو الإيثانول، مستخلصات نقية. ويمكن إدخال هذه المستخلصات الناتجة بالموجات فوق الصوتية في الأغذية بأمان، لأن مذيبي الاستخلاص، الإيثانول والماء، يتمتعان بوضع الاعتراف العام بهما على أنهما آمنان (GRAS).
قابلية تكرار النتائج وتوحيد معايير العملية
تأتي أجهزة Hielscher الرقمية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية مزودة ببرمجيات ذكية ومجموعة متنوعة ومتقنة من الإعدادات لضبط معلمات الاستخلاص المثالية. وتسجل البرمجيات جميع معلمات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية (مثل سعة الاهتزاز والقدرة الصافية والقدرة الإجمالية ودرجة الحرارة والضغط والوقت والتاريخ)، وتكتب بيانات المعالجة بالموجات فوق الصوتية في ملف CSV على بطاقة SD المدمجة. ويتيح لك ذلك توحيد معايير عملية الاستخلاص ومراقبة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وجودة الناتج بدقة. وتساعدك هذه الميزات على استيفاء متطلبات توحيد معايير العملية، وكذلك ممارسات التصنيع الجيدة (GMP)، وكلاهما بالغ الأهمية عند إنتاج المستخلصات للمكملات أو الأغذية أو المنتجات الدوائية.
بروتوكول استخلاص الفيكوسيانين بالموجات فوق الصوتية
درس Mazumder وآخرون (2017) معلمات المعالجة المثلى لاستخلاص الفيكوسيانين والمركبات الفينولية من Arthospira platensis بالموجات فوق الصوتية. وتحقق أعلى مردود من الفيكوسيانين (29.9 mg/g) والمركبات الفينولية الكلية (2.4 mg/g) عند تركيز إيثانول قدره 40% ودرجة حرارة استخلاص قدرها 34.9°C، باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP50H (50 watts، 30kHz) بسعة اهتزاز قدرها 95% وزمن استخلاص قدره 104.7 sec.
استخدم Vernès وآخرون (2019) جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT (1000W، 20kHz) لاستخلاص البروتينات من السبيرولينا. وكان الجهاز مزودًا بسونوترود BS2d34 ومفاعل تدفق بالموجات فوق الصوتية (انظر الصورة أدناه للاطلاع على التجهيز الدقيق للاستخلاص بالموجات فوق الصوتية، مع خلية التدفق ومضخة Seepex).
UIP1000hdT – تجهيز المعالجة بالموجات فوق الصوتية المصحوبة بالضغط والحرارة (MTS) واستخلاصنا للبروتين من السبيرولينا على النطاق المخبري
المصدر: Vernes وآخرون 2019
تُظهر نتائج البحث أن ظروف الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية المحسنة لتحقيق مردود البروتين تتضمن ارتفاعًا طفيفًا في درجة الحرارة والضغط (ما يُسمى المعالجة بالموجات فوق الصوتية المصحوبة بالضغط والحرارة، MTS). وتعزز MTS انتقال الكتلة وتتيح الحصول على كمية من البروتينات أكبر بنسبة 229% (28.42 ± 1.15 g/100 g من الوزن الجاف) مقارنة بالعملية التقليدية دون موجات فوق صوتية (8.63 ± 1.15 g/100 g من الوزن الجاف).
مع الحصول في المستخلص على 28.42 g من البروتينات لكل 100 g من الكتلة الحيوية الجافة للسبيرولينا، تحقق معدل استرجاع للبروتين قدره 50% خلال 6 دقائق فقط في عملية معالجة مستمرة بالموجات فوق الصوتية. ويكشف التصوير المجهري أن التجويف الصوتي يؤثر في خيوط السبيرولينا بآليات مختلفة، مثل التجزئة وتكوين المسام بالموجات فوق الصوتية وتفكيك البنية. وتجعل هذه التأثيرات المتنوعة استخلاص المركبات النشطة حيويًا من السبيرولينا وتحريرها وإذابتها أسهل وأكثر فعالية، مما يؤدي إلى مردود مرتفع من البروتينات عالية الجودة.
فيما يتعلق بجودة البروتينات المستخلصة بالموجات فوق الصوتية، لم تتعرض الأحماض الأمينية للتحلل بفعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية، بل وُجدت بكميات أكبر في حالة المعالجة بالموجات فوق الصوتية مقارنة بالاستخلاص التقليدي.
عند مقارنة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المصحوبة بالضغط والحرارة بالاستخلاص بالموجات فوق الصوتية دون رفع الضغط ودرجة الحرارة، يكون الفرق في مردود الاستخلاص وكفاءته ضئيلًا للغاية. ولذلك تُعد الموجات فوق الصوتية وحدها التقنية الأكثر اقتصادية والأسهل لإنتاج مستخلص عالي الجودة وغني ببروتينات السبيرولينا. والاستخلاص بالموجات فوق الصوتية تقنية استخلاص خضراء وصديقة للبيئة، مناسبة لاستخلاص البروتينات من السبيرولينا على النطاق المخبري، ويمكن توسيع نطاقها بسهولة إلى النطاق التجريبي والصناعي. (راجع Vernès وآخرين 2019)
UP400St لاستخلاص الطحالب بالموجات فوق الصوتية في دفعة بحجم 8L
أجهزة استخلاص بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء
يمكن توسيع نطاق جميع نتائج الاستخلاص المحققة على نطاق صغير بصورة خطية إلى طاقات إنتاجية أكبر. وتضم مجموعة منتجات Hielscher Ultrasonics الواسعة، من الأنظمة المخبرية إلى أنظمة الاستخلاص الصناعية، جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية الأنسب للطاقة التشغيلية التي تخطط لها. وسيساعدك موظفونا ذوو الخبرة الطويلة بدءًا من اختبارات الجدوى وتحسين العملية، وصولًا إلى تركيب نظام الموجات فوق الصوتية لديك على مستوى الإنتاج النهائي.
Hielscher Ultrasonics – معدات استخلاص متطورة
تغطي مجموعة منتجات Hielscher Ultrasonics كامل نطاق أجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء، من النطاق الصغير إلى الكبير. وتتيح الملحقات الإضافية تجميع التهيئة الأنسب لجهاز الموجات فوق الصوتية لعمليتك بسهولة. ويعتمد التجهيز الأمثل للموجات فوق الصوتية على الطاقة المخطط لها والحجم والمادة الخام، وعلى ما إذا كانت العملية تتم على دفعات أو ضمن خط الإنتاج، وعلى الجدول الزمني. وتتيح متانة معدات Hielscher للموجات فوق الصوتية التشغيل على مدار 24/7 في ظروف العمل الشاق والبيئات الصعبة. وتتيح قابلية التوسع الخطي لعمليات الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية زيادة الإنتاج بسهولة وموثوقية. اقرأ المزيد عن التوسع الخطي لعمليات الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية!
اختر من بين ملحقات متنوعة، مثل:
- سونوترودات بأحجام وأقطار وأشكال متنوعة
- سونوترودات لسعات اهتزاز عالية تبلغ 200µm وأكثر
- مفاعلات خلايا التدفق بأحجام وأشكال هندسية متنوعة
- مجموعة كبيرة من أبواق تعزيز الاهتزاز لزيادة معاملات التضخيم أو خفضها
- تجهيزات متكاملة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية، مثل SonoStation، تتضمن جهاز استخلاص بالموجات فوق الصوتية وخزانًا ومقلبًا ومضخة
- مستشعرات درجة حرارة قابلة للتوصيل
- مستشعرات ضغط قابلة للتوصيل
سيقدم لك موظفونا المدربون جيدًا وذوو الخبرة الطويلة المشورة، ويوصون بنظام الموجات فوق الصوتية الأنسب لمتطلبات عملية الاستخلاص لديك!
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على القدرة التقريبية على المعالجة لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:
| 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 UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة بدءًا من المختبر وصولًا إلى النطاق التجريبي والنطاق الصناعي .
المؤلفات / المراجع
- Anupriya Mazumder; P. Prabuthas; Hari Niwas Mishra (2017): Optimization of ultrasound-assisted solvent extraction of phycocyanin and phenolics from Arthospira platensis var. ‘lonor’ biomass. Nutrafoods (2017) 16:231-239.
- Vernès L., Abert-Vian M., El Maâtaoui M., Tao Y., Bornard I., Chemat F. (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019. 48-60.
- Merlyn Sujatha Rajakumar and Karuppan Muthukumar (2018): Influence of pre-soaking conditions on ultrasonic extraction of Spirulina platensis proteins and its recovery using aqueous biphasic system. Separation Science and Technology 2018.
- Smriti Kana Pyne, Paramita Bhattacharjee, Prem Prakash Srivastav (2020): Process optimization of ultrasonication-assisted extraction to obtain antioxidant-rich extract from Spirulina platensis. Sustainability, Agri, Food and Environmental Research 8(4), 2020.
- Zhou, Jianjun; Min Wang, Francisco J. Barba, Zhenzhou Zhu, Nabil Grimi (2023):
A combined ultrasound + membrane ultrafiltration (USN-UF) process for enhancing saccharides separation from Spirulina (Arthrospira platensis). Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 85, 2023. - Rachen Duangsee, Natapas Phoopat, Suwayd Ningsanond (2009): Phycocyanin extraction from Spirulina platensis and extract stability under various pH and temperature. Asian Journal of Food and Agro-Industry 2009, 2(04), 819-826.
حقائق جديرة بالمعرفة
ما هي السبيرولينا؟
السبيرولينا بكتيريا بدائية النوى، غنية بأصباغ مثل الكاروتينات والكلوروفيل والفيكوسيانين. وتوجد الكاروتينات (مثل β-كاروتين، وهو صبغة برتقالية صفراء)، والكلوروفيل والفيكوسيانين بنسب 0.4 و1.0 و14% من الوزن الجاف، على التوالي. والفيكوسيانين بروتين أزرق مخضر، يُسمى بروتينًا بيليًا، ويوجد في صفائح التمثيل الضوئي في الغشاء السيتوبلازمي للبكتيريا الزرقاء.
ويُستخدم كمضاف غذائي وملون غذائي ومكمل غذائي، وفي تطبيقات التشخيص المناعي.
كيف تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية في معالجة الطحالب؟
تسهّل المعالجة بالموجات فوق الصوتية حصاد الطحالب عن طريق تعزيز الترسيب. فعند معالجة الكتلة الحيوية للطحالب بالموجات فوق الصوتية، تتفكك الفجوات الغازية داخل خلية الطحلب، التي تعزز طفو الطحالب، وتُفرغ من محتواها. وبعد إزالة الغاز من الفجوات، تترسب خلايا الطحالب في القاع، مما يسهل تركيز الكتلة الحيوية للطحالب وفصلها. اقرأ المزيد عن حصاد الطحالب بالموجات فوق الصوتية!
في الخطوة التالية من العملية، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية راسخة وعالية الكفاءة لاستخلاص المغذيات والمركبات النشطة حيويًا من الطحالب. اقرأ المزيد عن استخلاص الطحالب بالموجات فوق الصوتية!