استخلاص الأنثوسيانينات بالموجات فوق الصوتية

تُستخدم الأنثوسيانينات على نطاق واسع بوصفها ملونات طبيعية وإضافات غذائية في المنتجات الغذائية. ويُعد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية تقنية بسيطة وعالية الكفاءة للحصول على أنثوسيانينات عالية الجودة. ويعزز استخدام أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات المسبار تحرير الأنثوسيانينات عالية الجودة من النباتات، مما يؤدي إلى زيادة المردود وتسريع العملية. وفي الوقت نفسه، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية لطيفة وخضراء وفعالة للإنتاج الصناعي للأنثوسيانينات ذات الدرجة الغذائية والصيدلانية.

الأنثوسيانينات – كيفية استخلاص أنثوسيانينات عالية الجودة باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية

تُستخدم الأنثوسيانينات على نطاق واسع بوصفها ملونات طبيعية في صناعة الأغذية. وتتميز بطيف واسع من درجات اللون، يتراوح من البرتقالي مرورًا بالأحمر إلى البنفسجي والأزرق، بحسب البنية الجزيئية وقيمة الأس الهيدروجيني pH. ولا يستند الاهتمام بالأنثوسيانينات إلى تأثيرها التلويني فحسب، بل أيضًا إلى خصائصها المفيدة للصحة. ونظرًا إلى تزايد المخاوف البيئية والصحية المتعلقة بالأصباغ الاصطناعية، تُعد الأصباغ الطبيعية بديلًا ممتازًا بوصفها ملونات صديقة للبيئة لصناعتي الأغذية والأدوية.

استخلاص الأنثوسيانينات المعزز بالموجات فوق الصوتية

كيفية استخلاص الأنثوسيانينات بالموجات فوق الصوتية؟ – دراسات حالة

استخلاص الأنثوسيانينات بالموجات فوق الصوتية من الأرز البنفسجي Oryza Sativa L.

الأرز البنفسجي من سلالة Oryza Sativa (المعروف أيضًا باسم Violet Nori أو الأرز البنفسجي) غني بصورة استثنائية بالمركبات الفينولية، مثل الأنثوسيانينات التي تنتمي إلى مجموعة الفلافونويدات. استخدم Turrini et al. (2018) الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية لعزل المركبات متعددة الفينول، مثل الأنثوسيانينات ومضادات الأكسدة، من الثمرة الحَبّية (بصورتها الكاملة والبنية والمسلوقة جزئيًا) ومن أوراق الأرز البنفسجي. وأُجري الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز Hielscher UP200St (200W, 26kHz, في الصورة إلى اليسار) والإيثانول بتركيز 60% بوصفه مذيبًا.
وللحفاظ على سلامة الأنثوسيانينات، حُفظت المستخلصات الناتجة عن المعالجة بالموجات فوق الصوتية عند −20°C، مما أتاح تخزينها لمدة تصل إلى ثلاثة أشهر على الأقل.
كان Cyanidin-3 glucoside (المعروف أيضًا باسم chrysanthemin) الأنثوسيانين الرئيسي المكتشف بفارق كبير في أصناف ‘Violet Nori’ و‘Artemide’ و‘Nerone’ التي تناولتها دراسة Turrini et al.، بينما وُجد peonidin-3-glucoside وcyanidin-3-rutinoside (المعروف أيضًا باسم antirrhinin) بكميات أقل.
تُعد الأوراق البنفسجية لنبات Oryza Sativa مصدرًا ممتازًا للأنثوسيانينات وللمحتوى الفينولي الكلي (TPC). وبكميات تزيد بنحو 2–3 أضعاف على تلك الموجودة في الأرز والدقيق، تمثل أوراق Oryza مادة خام منخفضة التكلفة لاستخلاص الأنثوسيانينات. ويُقدَّر المردود بنحو 4 kg من الأنثوسيانين لكل t من الأوراق الطازجة، وهو أعلى بكثير من مردود 1 kg من الأنثوسيانين لكل t من الأرز، المحسوب استنادًا إلى متوسط كميات الأنثوسيانين المكتشفة في أرز ‘Violet Nori’ (1300 µg/g من الأرز، محسوبة بوصفها cyanidin-3-glucoside)، لمردود يبلغ نحو 68 kg من الأرز من 100 kg من الأرز غير المقشور.

استخلاص الأنثوسيانينات بالموجات فوق الصوتية من الملفوف الأحمر

بحث Ravanfar et al. (2015) كفاءة استخلاص الأنثوسيانينات من الملفوف الأحمر بالموجات فوق الصوتية. وأُجريت تجارب الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية باستخدام نظام الموجات فوق الصوتية UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). أُدخل السونوترود MS10 (قطر الطرف 10mm) في مركز كأس زجاجي ذي غلاف حراري مع التحكم في درجة الحرارة.

استُخدمت في هذه التجربة قطع ملفوف أحمر مقطعة حديثًا بأبعاد 5mm (مكعبة الشكل) ومحتوى رطوبة قدره 92.11 ± 0.45 %. ومُلئ كأس زجاجي ذو غلاف حراري (حجمه: 200ml) بمقدار 100ml من الماء المقطر و2g من قطع الملفوف الأحمر. وغُطي الكأس برقائق الألومنيوم لمنع فقدان المذيب (الماء) بالتبخر أثناء العملية. وفي جميع التجارب، حُوفظ على درجة الحرارة داخل الكأس باستخدام وحدة تحكم ترموستاتية. وفي النهاية، جُمعت العينات ورُشحت وخضعت للطرد المركزي عند 4000rpm، واستُخدمت السوائل الطافية لتحديد مردود الأنثوسيانينات. وأُجري الاستخلاص في حمام مائي بوصفه تجربة ضابطة.
حُدد المردود الأمثل للأنثوسيانينات من الملفوف الأحمر عند قدرة 100 W ومدة 30 min ودرجة حرارة 15°C، مما أسفر عن مردود أنثوسيانينات يبلغ نحو 21 mg/L.
وبسبب تغير لون صبغة الملفوف الأحمر تبعًا لقيمة الأس الهيدروجيني pH وشدة تأثيرها التلويني، استُخدمت مؤشرًا للأس الهيدروجيني pH في المستحضرات الصيدلانية، أو مضادًا للأكسدة وملونًا في النظم الغذائية، على التوالي.

تعزز الموجات فوق الصوتية استخلاص الأنثوسيانينات من المواد النباتية بدرجة كبيرة.
المصدر: Ravanfar et al. 2015

تُظهر دراسات أخرى نجاح استخلاص الأنثوسيانينات بالموجات فوق الصوتية من التوت الأزرق والتوت الأسود والعنب والكرز والفراولة والبطاطا الحلوة البنفسجية، وغيرها.

أجهزة استخلاص بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء

تتخصص Hielscher Ultrasonics في تصنيع أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لإنتاج مستخلصات عالية الجودة من المواد النباتية.
وتتراوح المجموعة الواسعة من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher من أجهزة مختبرية صغيرة وقوية إلى أنظمة متينة توضع على طاولة المختبر وأنظمة صناعية بالكامل، توفر موجات فوق صوتية عالية الشدة لاستخلاص المواد النشطة حيويًا وعزلها بكفاءة (مثل الأنثوسيانينات، الجينجيرول, البيبيرين, الكركمين وغيرها).
وتتميز جميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من 200W إلى 16,000W بشاشة لمس ملونة للتحكم الرقمي، وبطاقة SD مدمجة لتسجيل البيانات تلقائيًا، وإمكانية التحكم عن بُعد عبر المتصفح، والعديد من الميزات الأخرى السهلة الاستخدام. ويمكن تعقيم السونوترودات وخلايا التدفق (الأجزاء الملامسة للوسط) في الأوتوكلاف، كما يسهل تنظيفها.
تتميز أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بمتانة كبيرة، وهي مصممة للتشغيل على مدار 24/7 تحت الحمل الكامل، مع قلة الحاجة إلى الصيانة وسهولة التشغيل وأمانه. وتتيح شاشة رقمية ملونة التحكم بسهولة في جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
تستطيع أنظمتنا توفير سعات اهتزاز تتراوح من المنخفضة إلى العالية جدًا. ولاستخلاص القنبيات والتربينات، نوفر سونوترودات خاصة للموجات فوق الصوتية (تُعرف أيضًا باسم مسابير أو أبواق الموجات فوق الصوتية)، محسنة للعزل اللطيف للمواد الفعالة عالية الجودة. ويمكن استخدام جميع أنظمتنا لاستخلاص القنبيات واستحلابها لاحقًا. وتتيح متانة أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher التشغيل المستمر (24/7) في ظروف التشغيل الشاق والبيئات الصعبة.

ويضمن التحكم الدقيق في معلمات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية قابلية تكرار النتائج وتوحيد العملية.
 

يعطي الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:

المؤلفات / المراجع

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

حقائق جديرة بالمعرفة

كيف يعمل الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية؟

يؤدي تطبيق موجات فوق صوتية شديدة على وسط سائل إلى حدوث التجويف. وتؤدي ظاهرة التجويف موضعيًا إلى درجات حرارة وضغوط ومعدلات تسخين/تبريد وفروق ضغط قصوى، وقوى قص عالية في الوسط. وعندما تنهار فقاعات التجويف على سطح المواد الصلبة (مثل الجسيمات والخلايا النباتية والأنسجة وغيرها)، تولد النفاثات الدقيقة والتصادمات بين الجسيمات تأثيرات مثل تقشير السطح والتآكل وتفتت الجسيمات. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي انهيار فقاعات التجويف في الأوساط السائلة إلى اضطرابات واسعة النطاق ومزج دقيق.
يؤدي تعريض المواد النباتية للموجات فوق الصوتية إلى تفتيت مصفوفة الخلايا النباتية وتعزيز إماهتها. ويخلص Chemat et al (2015) إلى أن استخلاص المركبات النشطة حيويًا من المواد النباتية بالموجات فوق الصوتية ينتج عن آليات مختلفة مستقلة أو مشتركة، تشمل التفتيت والتآكل والخاصية الشعرية وتفكيك البنية وتكوين المسام بالموجات فوق الصوتية. وتؤدي هذه التأثيرات إلى تفكيك جدار الخلية، وتحسين انتقال الكتلة بدفع المذيب إلى داخل الخلية وسحب المذيب المحمل بالمركبات النباتية إلى خارجها، وضمان حركة السائل من خلال المزج الدقيق.

يعتمد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية على التجويف الصوتي وقوى القص الهيدروديناميكية الناتجة عنه

يؤدي تعريض المواد النباتية للموجات فوق الصوتية إلى تفتيت مصفوفة الخلايا النباتية وتعزيز إماهتها. ويخلص Chemat et al. (2015) إلى أن استخلاص المركبات النشطة حيويًا من المواد النباتية بالموجات فوق الصوتية ينتج عن آليات مختلفة مستقلة أو مشتركة، تشمل التفتيت والتآكل والخاصية الشعرية وتفكيك البنية وتكوين المسام بالموجات فوق الصوتية. وتؤدي هذه التأثيرات إلى تفكيك جدار الخلية، وتحسين انتقال الكتلة بدفع المذيب إلى داخل الخلية وسحب المذيب المحمل بالمركبات النباتية إلى خارجها، وضمان حركة السائل من خلال المزج الدقيق.
يحقق الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية عزلًا سريعًا جدًا للمركبات – متفوقًا على طرق الاستخلاص التقليدية بقصر زمن العملية وزيادة المردود والعمل عند درجات حرارة أقل. وبوصفه معالجة ميكانيكية لطيفة، يتجنب الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية التحلل الحراري للمكونات النشطة حيويًا، ويتفوق مقارنة بتقنيات أخرى، مثل الاستخلاص التقليدي بالمذيبات أو التقطير المائي أو استخلاص سوكسليت، المعروفة بإتلاف الجزيئات الحساسة للحرارة. وبفضل هذه المزايا، يُعد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية التقنية المفضلة لتحرير المركبات النشطة حيويًا الحساسة للحرارة من المواد النباتية.

الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من الخلايا النباتية: يُظهر المقطع العرضي المجهري (TS) آلية التأثيرات أثناء الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من الخلايا (بتكبير 2000x) [المصدر: Vilkhu et al. 2011]

الأنثوسيانين – صبغة نباتية قيّمة

الأنثوسيانينات أصباغ نباتية توجد في الفجوات، وقد تظهر باللون الأحمر أو البنفسجي أو الأزرق أو الأسود. ويعتمد اللون الذي تظهر به أصباغ الأنثوسيانين القابلة للذوبان في الماء على قيمة الأس الهيدروجيني pH. وتوجد الأنثوسيانينات في الفجوة الخلوية، غالبًا في الأزهار والثمار، ولكنها توجد أيضًا في الأوراق والسيقان والجذور، حيث تتركز في الغالب في طبقات الخلايا الخارجية، مثل البشرة وخلايا النسيج المتوسط الطرفية.
وأكثرها شيوعًا في الطبيعة هي غليكوزيدات السيانيدين والدلفينيدين والمالفيدين والبيلارغونيدين والبيونيدين والبيتونيدين.
تشمل الأمثلة البارزة للنباتات الغنية بالأنثوسيانينات أنواع vaccinium، مثل التوت الأزرق والتوت البري والتوت الأزرق البري؛ وثمار Rubus، بما فيها توت العليق الأسود وتوت العليق الأحمر والتوت الأسود؛ والكشمش الأسود والكرز والباذنجان والأرز الأسود واليام البنفسجي والبطاطا الحلوة الأوكيناوية وعنب Concord وعنب المسكادين والملفوف الأحمر وبتلات البنفسج. ويحتوي الخوخ والتفاح ذوا اللب الأحمر على الأنثوسيانينات. وتوجد الأنثوسيانينات بوفرة أقل في الموز والهليون والبازلاء والشمر والكمثرى والبطاطس، وقد تغيب تمامًا في بعض أصناف عنب الثعلب الأخضر.

بنية الأنثوسيانينات الرئيسية

تُعد الأنثوسيانينات بديلًا ممتازًا للملونات الاصطناعية في المنتجات الغذائية. والأنثوسيانينات معتمدة للاستخدام بوصفها ملونات غذائية في الاتحاد الأوروبي وأستراليا ونيوزيلندا، وتحمل رمز الملون E163. وتوجد الأنثوسيانينات في الفواكه والخضراوات، ويمكن وصفها بأنها نوع من الأصباغ النباتية القابلة للذوبان في الماء. ومن الناحية الكيميائية، فإن الأنثوسيانينات هي غليكوزيدات الأنثوسيانيدينات القائمة على بنية 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). ويوجد أكثر من 200 مركب كيميائي نباتي متميز يندرج ضمن فئة الأنثوسيانينات. وبوصفها صبغة لونية رئيسية في الفواكه البرية والثمار التوتية، توجد مصادر عديدة يمكن استخلاص الأنثوسيانينات منها. وتُعد قشور العنب مصدرًا بارزًا للأنثوسيانينات. وتتكون أصباغ الأنثوسيانين في قشور العنب أساسًا من ثنائيات الغلوكوزيد وأحادي الغلوكوزيد وأحاديات الغلوكوزيد المُأسْيَلة، وكذلك ثنائيات الغلوكوزيد المُأسْيَلة للبيونيدين والمالفيدين والسيانيدين والبيتونيدين والدلفينيدين. ويتراوح محتوى الأنثوسيانينات في العنب بين 30–750mg/100g.
وأبرز الأنثوسيانينات هي السيانيدين والدلفينيدين والبيلارغونيدين والبيونيدين والمالفيدين والبيتونيدين.
فعلى سبيل المثال، توجد الأنثوسيانينات peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside وpeonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside وcyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside في البطاطا الحلوة البنفسجية.

الأنثوسيانينات – الفوائد الصحية

إلى جانب قدرتها الكبيرة على العمل بوصفها ملونات غذائية طبيعية، تحظى الأنثوسيانينات بتقدير كبير لتأثيراتها المضادة للأكسدة. ولذلك، تُظهر الأنثوسيانينات العديد من التأثيرات الصحية الإيجابية. وقد أظهرت الأبحاث أن الأنثوسيانينات يمكن أن تثبط تلف DNA في الخلايا السرطانية، وتثبط الإنزيمات الهاضمة، وتحفز إنتاج الإنسولين في خلايا البنكرياس المعزولة، وتقلل الاستجابات الالتهابية، وتحمي من تراجع وظائف الدماغ المرتبط بالعمر، وتحسن إحكام الأوعية الدموية الشعرية، وتمنع تجمع الصفائح الدموية.