استخلاص الأستازانتين بالموجات فوق الصوتية لتحقيق مردود أعلى
- الأستازانتين مضاد أكسدة بالغ الفعالية يُستخدم في المستحضرات الصيدلانية والمكملات الغذائية.
- لإنتاج أستازانتين عالي الجودة من مصادر طبيعية مثل الطحالب، يلزم استخدام تقنية استخلاص عالية الأداء.
- الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية معالجة ميكانيكية تحقق مردودًا مرتفعًا من الأستازانتين في وقت استخلاص قصير جدًا.
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لإنتاج مستخلصات أستازانتين عالية الجودة
الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية تقنية استخلاص عالية الأداء تستخدم موجات فوق صوتية شديدة لاستخلاص الأستازانتين من مصادر طبيعية، مثل الطحالب الدقيقة أو الكريل أو القشريات. والأستازانتين صبغة كاروتينويدية موجودة في الطبيعة، معروفة بخصائصها القوية المضادة للأكسدة وفوائدها الصحية المتنوعة. ويُستخدم عادةً كمكمل غذائي ومادة لتلوين الأغذية. تعرّف على كيفية مساهمة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في تحسين عملية استخلاص الأستازانتين لديك!
MultiSonoReactor لتحسين استخلاص الأستازانتين باستخدام موجات فوق صوتية عالية القدرة
استخلاص الأستازانتين من الطحالب الدقيقة بالموجات فوق الصوتية
يُحصل على الأستازانتين المستخدم في المكملات الغذائية، التي يتناولها البشر والحيوانات لفوائدها الصحية، من المأكولات البحرية أو يُستخلص من طحالب H. pluvialis. وHaematococcus pluvialis طحلب دقيق أخضر يُنتج محتويات مرتفعة من الأستازانتين عند تعريضه لظروف إجهاد، مثل ارتفاع الملوحة ونقص النيتروجين وارتفاع درجة الحرارة وشدة الضوء. وبمحتوى يصل إلى 9.2mg/g من الأستازانتين لكل خلية طحلبية (= ما يصل إلى 3.8% من الوزن الجاف لطحالب H. pluvialis)، يراكم Haematococcus pluvialis محتوى مرتفعًا جدًا من الأستازانتين الطبيعي، ولذلك فهو الكائن المفضل لإنتاج الأستازانتين.
لتحرير الأستازانتين من الطحالب الدقيقة الخضراء، يجب تفكيك الخلايا الطحلبية. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية راسخة لتفكيك الخلايا وتحللها وعزل المركبات النشطة حيويًا، مثل الدهون ومضادات الأكسدة والبوليفينولات والأصباغ الطبيعية. وتولّد الموجات فوق الصوتية عالية الأداء قوى ميكانيكية بحتة تفكك جدران الخلايا بفعل قوى القص، وتؤدي إلى تحرير مواد نشطة حيويًا مثل الأستازانتين.
استخلاص الأستازانتين من الخميرة بالموجات فوق الصوتية
Phaffia rhodozyma خميرة غنية بالأستازانتين. غير أن جدار الخلية السميك في P. rhodozyma، الذي يتكون أساسًا من الغلوكان والمسؤول عن صلابة الخلية، يجعل تفكيك الخلايا وعزل الأستازانتين مهمة صعبة. وقد وجد الباحثون (Gogate et al. 2015) أن الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بالاقتران مع حمض اللاكتيك يعزز تفكيك الخلايا، ويجعل استخلاص الأستازانتين من P. rhodozyma عملية أكثر استدامة وصداقة للبيئة. واستخدموا حمض اللاكتيك وسطًا للتفكيك والإيثانول مذيبًا للاستخلاص. وتحقق أعلى مردود من الأستازانتين (90%) باستخدام نهج الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية القائم على استخدام حمض اللاكتيك بتركيز 3 M وزمن تفكيك قدره 15 min. وتتيح أجهزة الاستخلاص القوية بالموجات فوق الصوتية، مثل UIP4000hd (4kW، انظر الصورة على اليسار)، بالاقتران مع مفاعل تدفق قابل للضغط، توليد تجويف شديد جدًا. وتفكك قوى القص الناتجة عن التجويف جدران خلايا الخميرة وتعزز انتقال الكتلة بين داخل الخلية والمذيب.
- مردود فائق
- استخلاص سريع – خلال دقائق
- مستخلصات عالية الجودة – معالجة لطيفة وغير حرارية
- مذيبات صديقة للبيئة (مثل الماء/الإيثانول)
- فعّال من حيث التكلفة
- تشغيل سهل وآمن
- تكاليف استثمار وتشغيل منخفضة
- تشغيل 24/7 في ظروف العمل الشاق
- طريقة مستدامة وصديقة للبيئة
استخلاص الأستازانتين بالموجات فوق الصوتية – بنمط الدُفعات أو التدفق المستمر
الأستازانتين مركب محب للدهون، ويمكن إذابته في المذيبات (مثل 48.0% من الإيثانول في أسيتات الإيثيل) والزيوت (مثل زيت فول الصويا).
الدُفعات: يمكن تشغيل عمليات الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية كعمليات دُفعات بسيطة أو كمعالجة ضمن خط الإنتاج، حيث يُغذّى الوسط باستمرار عبر مفاعل تدفق بالموجات فوق الصوتية.
المعالجة بالدُفعات إجراء سهل، يُنفّذ فيه الاستخلاص دفعةً بعد أخرى. وتوفر Hielscher Ultrasonics معالجات بالموجات فوق الصوتية للدُفعات الصغيرة والكبيرة، أي من 1L إلى 120L.
لمعالجة دُفعات من 5 إلى 10L، نوصي باستخدام UP400ST مع سونوترود S24d22L2D (انظر الصورة على اليسار).
لمعالجة دُفعات بحجم يقارب 120L، نوصي باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UIP2000hdT مع سونوترود RS4d40L4.
التدفق عبر المفاعل: للأحجام الأكبر والاستخلاص التجاري على النطاق الكامل، يُغذّى تيار سائل مستمر عبر مفاعل بالموجات فوق الصوتية، حيث يخضع مزيج المذيب والمادة النباتية المعلّقة لمعالجة مكثفة بالموجات فوق الصوتية.
لحجم يقارب 8L/min.، نوصي باستخدام UIP4000hdT مع سونوترود RS4d40L3 وخلية التدفق القابلة للضغط FC130L4-3G0
UIP2000hdT (2kW) للاستخلاص بالدُفعات على نطاق واسع
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء للاستخلاص
تتخصص Hielscher Ultrasonics في تصنيع أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لإنتاج مستخلصات عالية الجودة من النباتات والخمائر والخلايا. وتتراوح مجموعة منتجات Hielscher Ultrasonics الواسعة من أجهزة معالجة مخبرية صغيرة وقوية بالموجات فوق الصوتية إلى أنظمة متينة توضع على طاولة العمل وأنظمة صناعية بالكامل، تولّد موجات فوق صوتية عالية الشدة لاستخلاص المكونات النشطة حيويًا وعزلها بكفاءة، مثل الأستازانتين والكيرسيتين والكافيين والكركمين والتربينات وغيرها. وتتميز جميع أجهزة المعالجة الرقمية بالموجات فوق الصوتية، من 200W إلى 16,000W، بقائمة سهلة الاستخدام ذات إعدادات قابلة للبرمجة، وشاشة لمس ملونة لتشغيل مريح، وبطاقة SD مدمجة لتسجيل البيانات تلقائيًا، والتحكم عن بُعد عبر المتصفح، والعديد من الميزات الأخرى الميسّرة للمستخدم. ويمكن تعقيم السونوترودات وخلايا التدفق (الأجزاء التي تلامس الوسط) في الأوتوكلاف، كما يسهل تنظيفها. وجميع أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية مصممة للتشغيل 24/7، وتتطلب صيانة قليلة، وهي سهلة وآمنة التشغيل.
تتيح شاشة رقمية ملونة التحكم في معدات الموجات فوق الصوتية بسهولة. وتستطيع أنظمتنا توفير سعات اهتزاز تتراوح من المنخفضة إلى المرتفعة جدًا. ولاستخلاص المركبات الكيميائية مثل الأستازانتين، نوفر سونوترودات خاصة للموجات فوق الصوتية (تُعرف أيضًا بالمجسات أو الأبواق فوق الصوتية)، محسّنة لعزل المواد الفعالة عالية الجودة بعناية. وتوفر Hielscher سونوترودات خاصة لسعات الاهتزاز العالية بالاقتران مع خلايا تدفق قابلة للضغط، تستطيع توليد قوى قص شديدة للغاية ناتجة عن التجويف، تفكك حتى خلايا الخميرة شديدة المتانة. وتتيح متانة معدات Hielscher للموجات فوق الصوتية التشغيل 24/7 في ظروف العمل الشاق والبيئات الصعبة.
ويضمن التحكم الدقيق في معلمات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية قابلية تكرار النتائج وتوحيد العملية. وقد صُممت أنظمة Hielscher الآلية للاستخلاص بالموجات فوق الصوتية على النطاق الصناعي لتحقيق طاقات إنتاجية مرتفعة من مستخلصات فائقة الجودة، مع تقليل العمالة والتكلفة والطاقة في الوقت نفسه.
تواصل معنا! / اسألنا!
المصادر/المراجع
- B. Brands and M. Kleinke (2022): Astaxanthin production in Xanthophyllomyces dendrorhous grown in medium containing watery extracts from vegetable residue streams. IOP Conference Series: Earth Environ. Sci. 1034, 2022.
- Chougle, J.A.; Singha, R.S.; Baik, O.-D.(2014): Recovery of Astaxanthin from Paracoccus NBRC 101723 using Ultrasound-Assisted Three Phase Partitioning (UA-TPP). Separation Science and Technology, 49, 2014.
- Gogate et al. (2015): Ultrasound-assisted Intensification of Extraction of Astaxanthin from Phaffia rhodozyma. Indian Chemical Engineer 2015, 57:3-4, 240-255.
- Zou et al. (2013): Response Surface Methodology for Ultrasound-Assisted Extraction of Astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Marine Drugs 2013, 11, 1644-1655.
- Farid Chemat, Natacha Rombaut, Anne-Gaëlle Sicaire, Alice Meullemiestre, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier, Maryline Abert-Vian (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 34, 2017. 540-560.
معلومات تستحق المعرفة
الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية
يعتمد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية على مبدأ التجويف الصوتي.
عند تطبيق موجات فوق صوتية شديدة على أنظمة سائلة، يحدث التجويف الصوتي، وهو ظاهرة تكوّن فقاعات فراغية ونموها ثم انهيارها في النهاية (انظر الصورة أدناه). وأثناء انتشار الموجات فوق الصوتية، تتذبذب الفقاعات الفراغية وتنمو حتى تصل إلى مرحلة لا تستطيع فيها امتصاص المزيد من الطاقة. وعند بلوغ ذروة نموها، تنهار بعنف، مما يسبب تأثيرات حرارية وميكانيكية وكيميائية موضعية. وتشمل التأثيرات الميكانيكية ضغوطًا مرتفعة تصل إلى 1000atm، واضطرابات في الجريان، وقوى قص شديدة. وتفكك هذه القوى جدران الخلايا وتعزز انتقال الكتلة بين داخل الخلية والمذيب، مما يحرر المركبات النشطة حيويًا في السائل المحيط (أي المذيب).
يولّد التجويف الصوتي، الناتج عن موجات فوق صوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد، قوى قص شديدة وفروقًا موضعية كبيرة في الضغط ودرجة الحرارة، توفر التأثير اللازم لتفكيك الخلايا والخلط المكثف وانتقال الكتلة. وتُستخدم قوى القص فوق الصوتية هذه بنجاح لاستخلاص القنب.
لقد خضع استخلاص المركبات من المواد النباتية والأنسجة الخلوية بالموجات فوق الصوتية لأبحاث واسعة. ويسهم تطبيق موجات فوق صوتية شديدة جدًا في تعزيز عمليات الاستخلاص بدرجة كبيرة. وإلى جانب تكثيف العملية – الذي يؤدي إلى مردود أعلى ووقت استخلاص أقصر – يُمنع التحلل الحراري وفقدان المكونات الحساسة لدرجة الحرارة، لأن المعالجة بالموجات فوق الصوتية معالجة غير حرارية. وعلاوة على ذلك، يتسم الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بانخفاض تكاليف الاستثمار والتشغيل، ويقلل استخدام المذيبات و/أو يتيح استخدام مذيبات أكثر صداقة للبيئة، مما يجعله تقنية استخلاص اقتصادية وصديقة للبيئة. وقد جرى اعتماد الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية (UAE) من صناعة الأغذية لإنتاج مركبات نشطة حيويًا مع تحقيق مكاسب اقتصادية، إذ يتفوق على طرق الاستخلاص التقليدية.
تفكك الموجات فوق الصوتية القوية المصفوفة الخلوية للبُنى البيولوجية وتحرر المركبات النشطة حيويًا. ويُعزَّز انتقال الكتلة بين المادة النباتية والمذيب. وبفضل هذه الآليات، يُعد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية عالي الكفاءة لاستخلاص القنب.
الأستازانتين
يتميز الأستازانتين بلون أحمر داكن. وهو صبغة ذائبة في الدهون توجد في الطحالب (مثل Haematococcus pluvialis وChlorella zofingiensis وChlorococcum)، والخميرة (مثل Phaffia rhodozyma)، والسلمون والتروتة والكريل والروبيان وجراد البحر النهري. ويُعد الأستازانتين مضاد أكسدة فائقًا، إذ تفوق فعاليته المضادة للأكسدة فعالية العديد من الكاروتينويدات الأخرى، مثل بيتا كاروتين واللوتين والزياكسانثين، بعشرة إلى عشرين ضعفًا، وتفوق فعالية ألفا توكوفيرول (فيتامين E) بمئة ضعف.
الأستازانتين (3,3′-dihydroxy-β, β′-carotene-4,4′-dione) كاروتينويد كيتوني، وينتمي إلى فئة أكبر من المركبات الكيميائية تُعرف بالتربينات (بوصفه تربينويدًا رباعيًا)، تتكون من سلائف ذات خمس ذرات كربون، هي ثنائي فوسفات الإيزوبنتينيل وثنائي فوسفات ثنائي ميثيل الأليل. ويُصنَّف الأستازانتين ضمن نوع من المركبات الكاروتينويدية ذات مكونات تحتوي على الأكسجين، وتحديدًا الهيدروكسيل (-OH) أو الكيتون (C=O)، مثل الزياكسانثين والكانثازانتين. والأستازانتين مستقلب للزياكسانثين و/أو الكانثازانتين، ويحتوي على كل من مجموعتي الهيدروكسيل والكيتون الوظيفيتين. ومثل العديد من الكاروتينويدات، يُعد الأستازانتين صبغة ذائبة في الدهون ويتميز بلونه الأحمر. وتُعرف الكاروتينويدات، بما فيها الأستازانتين، بقدرتها المضادة للأكسدة.
الأستازانتين صبغة حمراء تنشأ طبيعيًا في الطحالب الدقيقة الموجودة في مياه الأمطار (Haematococcus pluvialis) وفي الخميرة المسماة Xanthophyllomyces dendrorhous (المعروفة أيضًا باسم Phaffia rhodozyma). وتتعرض الطحالب للإجهاد بفعل أحد الظروف أو مجموعة منها، تتراوح من نقص المغذيات وارتفاع الملوحة إلى التعرض المفرط لضوء الشمس، فتنتج الأستازانتين. وتنعكس هذه الصبغة بدرجاتها الحمراء والبرتقالية على مظهر الأنواع التي تتغذى على تلك الطحالب الدقيقة المجهدة في المياه العذبة، مثل السلمون والتروتة الحمراء والدنيس الأحمر والفلامنغو والقشريات (مثل الروبيان والكريل والسرطان والكركند وجراد البحر النهري).
ويُعطى الأستازانتين كمكمل لما له من تأثيرات تعزز الصحة وتعالج الأمراض. وهو مستحضر غذائي علاجي راسخ الاستخدام يُعطى لتحسين صحة الجلد (مثل تقليل التجاعيد والأضرار الناجمة عن حروق الشمس وغيرها).
وعلاوة على ذلك، يحظى الأستازانتين باهتمام متزايد لاستخدامه في علاج مرض ألزهايمر ومرض باركنسون وأمراض القلب والأوعية الدموية وارتفاع الكوليسترول وأمراض الكبد والتنكس البقعي المرتبط بالعمر، والوقاية من السرطان.
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء تتراوح أحجامها من الحجم المخبري إلى الحجم الصناعي.