المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتحسين تفكيك خلايا الطحالب والاستخلاص منها
تحتوي الطحالب، الكبيرة والدقيقة، على العديد من المركبات القيّمة التي تُستخدم كأغذية مغذية أو إضافات غذائية أو كوقود أو مواد أولية لإنتاج الوقود. ولتحرير المواد المستهدفة من خلية الطحلب، يلزم استخدام تقنية قوية وفعّالة لتفكيك الخلايا. تتميز أجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بكفاءة عالية وموثوقية في استخلاص المركبات النشطة حيويًا من المواد النباتية والطحالب والفطريات. وتتوفر أجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من Hielscher على نطاق المختبر ووحدات سطح الطاولة والنطاق الصناعي، وقد ترسخ استخدامها في إنتاج المستخلصات المشتقة من الخلايا في إنتاج الأغذية والمستحضرات الصيدلانية والوقود الحيوي.
الطحالب مورد قيّم للتغذية والوقود
تُعد خلايا الطحالب مصدرًا متعدد الاستخدامات للمركبات النشطة حيويًا والغنية بالطاقة، مثل البروتينات والكربوهيدرات والدهون وغيرها من المواد النشطة حيويًا، وكذلك الألكانات. وهذا يجعل الطحالب مصدرًا للأغذية والمركبات المغذية، وكذلك للوقود.
تُعد الطحالب الدقيقة مصدرًا قيّمًا للدهون التي تُستخدم في التغذية وكمواد أولية للوقود الحيوي (مثل الديزل الحيوي). وتُعرف سلالات العوالق النباتية البحرية Dicrateria، مثل Dicrateria rotunda، بأنها طحالب منتجة للبنزين، إذ تستطيع تصنيع سلسلة من الهيدروكربونات المشبعة (ألكانات n) من C10H22 إلى C38H78، وتُصنّف هذه المركبات إلى بنزين (C10–C15)، وزيوت ديزل (C16–C20)، وزيوت وقود (C21–C38).
نظرًا إلى قيمتها الغذائية، تُستخدم الطحالب بوصفها «أغذية وظيفية» أو «مستحضرات غذائية علاجية». وتشمل المغذيات الدقيقة المهمة المستخلصة من الطحالب الكاروتينويدات أستازانتين وفوكوزانتين وزياكسانثين، والفوكويدان وlaminari وغيرها من الغلوكانات، إلى جانب العديد من المواد الأخرى النشطة حيويًا التي تُستخدم كمكملات غذائية ومستحضرات صيدلانية. ويُستخدم الكاراجينان والألجينات وغيرها من الغرويات المائية كإضافات غذائية. وتُستخدم دهون الطحالب كمصدر نباتي لأوميغا-3، كما تُستخدم كوقود أو كمواد أولية لإنتاج الديزل الحيوي.
جهاز الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية UIP2000hdT مع مفاعل من الفولاذ المقاوم للصدأ للاستخلاص التجاري للدهون والبروتينات ومضادات الأكسدة من الطحالب.
تفكيك خلايا الطحالب والاستخلاص منها بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة
تُستخدم أجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية، أو ببساطة أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، لاستخلاص المركبات القيّمة من عينات صغيرة في المختبر، وكذلك للإنتاج على نطاق تجاري كبير.
تحمي خلايا الطحالب مصفوفات معقدة لجدران الخلايا، تتكون من الدهون والسليلوز والبروتينات والبروتينات السكرية والسكريات المتعددة. وتتكون البنية الأساسية لمعظم جدران خلايا الطحالب من شبكة من اللييفات الدقيقة ضمن مصفوفة بروتينية شبيهة بالهلام؛ غير أن بعض الطحالب الدقيقة تمتلك جدارًا صلبًا غير عضوي يتكون من أغلفة من السيليكا الأوبالية أو كربونات الكالسيوم. وللحصول على المركبات النشطة حيويًا من الكتلة الحيوية للطحالب، يلزم استخدام تقنية فعّالة لتفكيك الخلايا. وإلى جانب العوامل التقنية للاستخلاص (أي طريقة الاستخلاص والمعدات)، تتأثر كفاءة تفكيك خلايا الطحالب والاستخلاص منها أيضًا بدرجة كبيرة بعوامل مختلفة مرتبطة بالطحالب، مثل تركيب جدار الخلية، وموقع الجزيء الحيوي المطلوب في خلايا الطحالب الدقيقة، ومرحلة نمو الطحالب الدقيقة أثناء الحصاد.
كيف يعمل تفكيك خلايا الطحالب والاستخلاص منها بالموجات فوق الصوتية؟
عند اقتران موجات فوق صوتية عالية الشدة بسائل أو معلّق عبر مسبار بالموجات فوق الصوتية (يُعرف أيضًا باسم بوق الموجات فوق الصوتية أو السونوترود)، تنتقل الموجات الصوتية عبر السائل، فتُنشئ دورات متناوبة من الضغط المرتفع / الضغط المنخفض. وخلال دورات الضغط المرتفع / الضغط المنخفض هذه، تنشأ فقاعات فراغية أو تجاويف متناهية الصغر. وتنشأ فقاعات التجويف عندما ينخفض الضغط الموضعي أثناء دورات الضغط المنخفض إلى مستوى أدنى بدرجة كافية من ضغط البخار المشبع، وهو مقدار تحدده مقاومة الشد للسائل عند درجة حرارة معينة. وتنمو هذه الفقاعات على مدى عدة دورات. وعندما تصل هذه الفقاعات الفراغية إلى حجم لا تستطيع عنده امتصاص المزيد من الطاقة، تنهار الفقاعة إلى الداخل بعنف أثناء دورة ضغط مرتفع. ويُعد انهيار فقاعات التجويف إلى الداخل عملية عنيفة وكثيفة الطاقة، تولّد موجات صدمية شديدة واضطرابات ونفاثات دقيقة في المائع. بالإضافة إلى ذلك، تنشأ ضغوط موضعية مرتفعة جدًا ودرجات حرارة مرتفعة جدًا. وتستطيع هذه الظروف الشديدة بسهولة تفكيك جدران الخلايا وأغشيتها وتحرير المركبات داخل الخلايا بطريقة فعّالة وناجعة وسريعة. وبذلك يمكن استخلاص المركبات داخل الخلايا، مثل البروتينات والسكريات المتعددة والدهون والفيتامينات والمعادن ومضادات الأكسدة، بكفاءة باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة.
جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St مثالي لتفكيك الطحالب واستخلاص المركبات النشطة حيويًا منها في دفعات أصغر (نحو 8–10L)
التجويف بالموجات فوق الصوتية لتفكيك الخلايا والاستخلاص
عند التعرض لطاقة فوق صوتية شديدة، يتفكك جدار أو غشاء أي نوع من الخلايا (بما في ذلك الخلايا النباتية وخلايا الثدييات والطحالب والفطريات والبكتيريا وغيرها)، وتتمزق الخلية إلى شظايا أصغر بفعل القوى الميكانيكية للتجويف فوق الصوتي كثيف الطاقة. وعندما يتحطم جدار الخلية، تتحرر المستقلبات الخلوية، مثل البروتين والدهون والحمض النووي والكلوروفيل، من مصفوفة جدار الخلية وكذلك من داخل الخلية، وتنتقل إلى وسط الاستنبات أو المذيب المحيط.
تُحدث آلية التجويف فوق الصوتي / الصوتي الموصوفة أعلاه تفكيكًا شديدًا لخلايا الطحالب الكاملة أو للفجوات الغازية والسائلة داخل الخلايا. ويعزز التجويف فوق الصوتي والاهتزاز والاضطرابات والجريان الدقيق انتقال الكتلة بين داخل الخلية والمذيب المحيط، فتتحرر الجزيئات الحيوية (أي المستقلبات) بكفاءة وسرعة. فالمعالجة بالموجات فوق الصوتية معالجة ميكانيكية بحتة لا تتطلب مواد كيميائية قاسية أو سامة و/أو باهظة الثمن.
تُنشئ الموجات فوق الصوتية عالية الشدة والمنخفضة التردد ظروفًا شديدة وكثيفة الطاقة، تتميز بضغوط ودرجات حرارة مرتفعة وقوى قص عالية. وتعزز هذه القوى الفيزيائية تفكيك البنى الخلوية لتحرير المركبات داخل الخلايا إلى الوسط. ولذلك تُستخدم الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد على نطاق واسع لاستخلاص المواد النشطة حيويًا والوقود من الطحالب. وبالمقارنة مع طرق الاستخلاص التقليدية، مثل الاستخلاص بالمذيبات أو الطحن بمطحنة الخرز أو التجانس بالضغط المرتفع، يتفوق الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بتحرير معظم المركبات النشطة حيويًا (مثل الدهون والبروتينات والسكريات المتعددة والمغذيات الدقيقة) من الخلية التي تكوّنت فيها مسام بفعل الموجات فوق الصوتية وتفككت. وعند تطبيق ظروف التشغيل المناسبة، يوفر الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية مردودات استخلاص متفوقة خلال مدة معالجة قصيرة جدًا. فعلى سبيل المثال، تُظهر أجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء أداءً ممتازًا في الاستخلاص من الطحالب عند استخدامها مع مذيب مناسب. وفي وسط حمضي أو قلوي، يصبح جدار خلية الطحلب مساميًا ومتجعدًا، مما يؤدي إلى زيادة المردودات عند درجة حرارة منخفضة (أقل من 60°C) خلال زمن قصير للمعالجة بالموجات فوق الصوتية (أقل من 3 ساعات). وتمنع مدة الاستخلاص القصيرة عند درجات حرارة معتدلة تحلل الفوكويدان، مما يتيح الحصول على عديد سكاريد ذي نشاط حيوي مرتفع.
تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا طريقة لتحويل الفوكويدان مرتفع الوزن الجزيئي إلى فوكويدان منخفض الوزن الجزيئي، يتمتع بنشاط حيوي أعلى بدرجة ملحوظة بفضل بنيته المنزوعة التفرعات. وبفضل نشاطه الحيوي المرتفع وقابليته العالية للإتاحة الحيوية، يُعد الفوكويدان منخفض الوزن الجزيئي مركبًا مثيرًا للاهتمام للمستحضرات الصيدلانية وأنظمة توصيل الأدوية.
دراسات حالة: استخلاص مركبات الطحالب بالموجات فوق الصوتية
دُرست كفاءة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية وتحسين معلمات الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع. وفيما يلي أمثلة على نتائج الاستخلاص بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية من أنواع مختلفة من الطحالب.
استخلاص البروتين من السبيرولينا باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية المصحوبة بالضغط والحرارة
بحثت مجموعة البروفيسور Chemat البحثية (جامعة أفينيون) تأثيرات المعالجة بالموجات فوق الصوتية المصحوبة بالضغط والحرارة (MTS) على استخلاص البروتينات (مثل الفيكوسيانين) من البكتيريا الزرقاء المجففة Arthrospira platensis (المعروفة أيضًا باسم السبيرولينا). وتتمثل المعالجة بالموجات فوق الصوتية المصحوبة بالضغط والحرارة (MTS) في تطبيق الموجات فوق الصوتية بالاقتران مع ضغوط ودرجات حرارة مرتفعة بهدف تكثيف عملية الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية.
«وفقًا للنتائج التجريبية، عززت MTS انتقال الكتلة (معامل انتشار فعّال مرتفع، De)، وأتاحت الحصول على بروتينات أكثر بنسبة 229% (28.42 ± 1.15 g/100 g DW) مقارنة بالعملية التقليدية دون الموجات فوق الصوتية (8.63 ± 1.15 g/100 g DW). وبوجود 28.42 g من البروتينات لكل 100 g من الكتلة الحيوية الجافة للسبيرولينا في المستخلص، تحقق معدل استرجاع للبروتين قدره 50% خلال 6 دقائق فعلية باستخدام عملية MTS مستمرة. وأظهرت الملاحظات المجهرية أن التجويف الصوتي أثّر في خيوط السبيرولينا بآليات مختلفة، مثل التجزئة وتكوين المسام بالموجات فوق الصوتية وتفكيك البنية النسيجية. وتُسهّل هذه الظواهر المختلفة استخلاص مركبات السبيرولينا النشطة حيويًا وتحريرها وإذابتها.» [Vernès et al., 2019]
صور بالمجهر الضوئي لخيوط السبيرولينا الكاملة التي خضعت لمعالجة MTS مع مرور الوقت. شريط المقياس (الصورة A) = 50 μm لجميع الصور.
الصورة والدراسة: ©Vernès et al. 2019
استخلاص الفوكويدان والغلوكان بالموجات فوق الصوتية من Laminaria digitata
بحثت مجموعة الدكتور Tiwari البحثية في TEAGASC استخلاص السكريات المتعددة، أي الفوكويدان واللامينارين والغلوكانات الكلية، من الطحالب الكبيرة Laminaria digitata باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP500hdT. وأظهرت معلمات الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية (UAE) التي دُرست تأثيرًا ملحوظًا على مستويات الفوكوز وFRAP وDPPH. وقد تم الحصول على مستويات قدرها 1060.75 mg/100 g ds و968.57 mg/100 g ds و8.70 μM trolox/mg fde و11.02% للفوكوز والغلوكانات الكلية وFRAP وDPPH، على التوالي، في ظروف محسّنة لدرجة الحرارة (76◦C) والزمن (10 min) وسعة الموجات فوق الصوتية (100%)، باستخدام 0.1 M HCl كمذيب. ثم طُبقت ظروف UAE الموصوفة بنجاح على طحالب بنية كبيرة أخرى ذات أهمية اقتصادية (L. hyperborea وA. nodosum) للحصول على مستخلصات غنية بالسكريات المتعددة. وتُظهر هذه الدراسة قابلية تطبيق UAE لتعزيز استخلاص السكريات المتعددة النشطة حيويًا من أنواع مختلفة من الطحالب الكبيرة.
استخلاص المركبات الكيميائية النباتية بالموجات فوق الصوتية من F. vesiculosus و P. canaliculata
قارن فريق García-Vaquero البحثي تقنيات استخلاص حديثة مختلفة، شملت الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء، والاستخلاص بالموجات فوق الصوتية والموجات الدقيقة، والاستخلاص بالموجات الدقيقة، والاستخلاص بمساعدة المعالجة الحرارية المائية، والاستخلاص بمساعدة الضغط المرتفع، لتقييم كفاءة الاستخلاص من نوعي الطحالب الدقيقة البنية Fucus vesiculosus وPelvetia canaliculata. وللمعالجة بالموجات فوق الصوتية، استخدموا جهاز الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية Hielscher UIP500hdT. وكشف تحليل مردودات الاستخلاص أن الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية حقق أعلى مردودات لمعظم المركبات الكيميائية النباتية من كلا F. vesiculosus. وهذا يعني أن أعلى مردودات للمركبات المستخلصة من F. vesiculosus باستخدام جهاز الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية UIP500hdT كانت: المحتوى الفينولي الكلي (445.0 ± 4.6 mg من مكافئات حمض الغاليك/g)، ومحتوى الفلوروتانينات الكلي (362.9 ± 3.7 mg من مكافئات الفلوروجلوكينول/g)، ومحتوى الفلافونويدات الكلي (286.3 ± 7.8 mg من مكافئات الكيرسيتين/g)، ومحتوى التانينات الكلي (189.1 ± 4.4 mg من مكافئات الكاتيكين/g).
وخلص الفريق في دراسته البحثية إلى أن استخدام الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية «بالاقتران مع محلول إيثانولي بنسبة 50% كمذيب للاستخلاص يمكن أن يكون استراتيجية واعدة تستهدف استخلاص TPC وTPhC وTFC وTTC، مع تقليل الاستخلاص المصاحب للكربوهيدرات غير المرغوبة من كل من F. vesiculosus وP. canaliculata، مع تطبيقات واعدة عند استخدام هذه المركبات كمستحضرات صيدلانية وغذائية علاجية وتجميلية علاجية.» [García-Vaquero et al., 2021]
توسيع نطاق المعالجة بالموجات فوق الصوتية المصحوبة بالضغط والحرارة في جامعة أفينيون باستخدام أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher: من المعدات المختبرية UIP1000hdT (A) إلى المعدات على النطاق التجريبي UIP4000hdT (B وC وD). تُظهر الصورة D رسمًا تخطيطيًا لمقطع عرضي لخلية التدفق فوق الصوتية FC100K.
الصورة والدراسة: ©Vernès et al. 2019
تجهيز جهاز استخلاص بالموجات فوق الصوتية ضمن خط المعالجة مع خلايا تدفق: 2x UIP1000hdT من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المزودة بمفاعلات خلايا التدفق للاستخلاص المستمر من الطحالب
UIP1000hdT (1kW, 20kHz) جهاز استخلاص بالموجات فوق الصوتية مع مقلب لتفكيك الطحالب والاستخلاص منها، مثل Chlorella والسبيرولينا وNannochloropsis والطحالب البنية، وكذلك غيرها من الطحالب الدقيقة والكبيرة.
- كفاءة استخلاص عالية
- مردودات استخلاص متفوقة
- عملية سريعة
- درجات حرارة منخفضة
- مناسب لاستخلاص المركبات الحساسة للحرارة
- متوافق مع أي مذيب
- استهلاك منخفض للطاقة
- تقنية استخلاص صديقة للبيئة
- تشغيل سهل وآمن
- تكاليف استثمار وتشغيل منخفضة
- تشغيل 24/7 في ظروف العمل الشاق
أجهزة استخلاص بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتفكيك الطحالب
تتيح معدات الموجات فوق الصوتية المتطورة من Hielscher التحكم الكامل في معلمات العملية، مثل السعة ودرجة الحرارة والضغط والطاقة المدخلة.
وللاستخلاص بالموجات فوق الصوتية، يمكن تغيير معلمات مثل حجم جسيمات المادة الخام، ونوع المذيب، ونسبة المادة الصلبة إلى المذيب، وزمن الاستخلاص، وتحسينها للحصول على أفضل النتائج.
وبما أن الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية طريقة استخلاص غير حرارية، يجري تجنب التحلل الحراري للمكونات النشطة حيويًا الموجودة في المواد الخام، مثل الطحالب.
وبوجه عام، تجعل مزايا مثل المردود المرتفع وزمن الاستخلاص القصير ودرجة حرارة الاستخلاص المنخفضة والكميات الصغيرة من المذيب المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة الاستخلاص المتفوقة.
الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية: تقنية راسخة في المختبر والصناعة
يُستخدم الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لاستخلاص أي نوع من المركبات النشطة حيويًا من المواد النباتية والطحالب والبكتيريا وخلايا الثدييات. وقد ترسخ الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بوصفه طريقة بسيطة ومجدية اقتصاديًا وعالية الكفاءة، تتفوق على تقنيات الاستخلاص التقليدية الأخرى بمردودات استخلاص أعلى ومدة معالجة أقصر.
ومع توفر أنظمة الموجات فوق الصوتية للمختبر ووحدات سطح الطاولة والأنظمة الصناعية بالكامل، أصبح الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية اليوم تقنية راسخة وموثوقة. وتُركّب أجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية من Hielscher في جميع أنحاء العالم في منشآت المعالجة الصناعية التي تنتج مركبات نشطة حيويًا بمواصفات غذائية وصيدلانية.
توحيد معايير العملية مع Hielscher Ultrasonics
يجب إنتاج المستخلصات المشتقة من الطحالب، التي تُستخدم في الأغذية أو المستحضرات الصيدلانية أو مستحضرات التجميل، وفقًا لممارسات التصنيع الجيدة (GMP) وبمواصفات معالجة موحّدة. وتأتي أنظمة الاستخلاص الرقمية من Hielscher Ultrasonics مزودة ببرمجيات ذكية تُسهّل ضبط عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية والتحكم فيها بدقة. ويسجّل التسجيل التلقائي للبيانات جميع معلمات العملية فوق الصوتية، مثل طاقة الموجات فوق الصوتية (الطاقة الكلية والصافية) والسعة ودرجة الحرارة والضغط (عند تركيب مستشعرات درجة الحرارة والضغط)، مع ختم التاريخ والوقت، على بطاقة SD المدمجة. وهذا يتيح لك مراجعة كل دفعة عولجت بالموجات فوق الصوتية. وفي الوقت نفسه، يُضمن إمكان إعادة إنتاج النتائج واستمرار جودة المنتج المرتفعة.
يوضح الجدول أدناه القدرة التقريبية للمعالجة بأجهزة 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 UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على نطاق المختبر والنطاق التجريبي والنطاق الصناعي.
المصادر / المراجع
- García-Vaquero, Marco; Rajauria, Gaurav; Brijesh Kumar, Tiwari; Sweeney, Torres; O’Doherty, John (2018): Extraction and Yield Optimisation of Fucose, Glucans and Associated Antioxidant Activities from Laminaria digitata by Applying Response Surface Methodology to High Intensity Ultrasound-Assisted Extraction. Marine Drugs 16(8), 2018.
- 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. - Harada, N., Hirose, Y., Chihong, S. et al. (2021): A novel characteristic of a phytoplankton as a potential source of straight‐chain alkanes. Scientific Reports Vol. 11, 2021.
- Halim, Ronald; Hill, David; Hanssen, Eric; Webley, Paul; Blackburn, Susan; Grossman, Arthur; Posten, Clemens; Martin, Gregory (2019): Towards sustainable microalgal biomass processing: Anaerobic induction of autolytic cell-wall self-ingestion in lipid-rich Nannochloropsis slurries. Green Chemistry 21, 2019.
- Garcia-Vaquero, Marco; Rajeev Ravindran; Orla Walsh; John O’Doherty; Amit K. Jaiswal; Brijesh K. Tiwari; Gaurav Rajauria (2021): Evaluation of Ultrasound, Microwave, Ultrasound–Microwave, Hydrothermal and High Pressure Assisted Extraction Technologies for the Recovery of Phytochemicals and Antioxidants from Brown Macroalgae. Marine Drugs 19 (6), 2021.
- Vernès, Léa; Vian, Maryline; Maâtaoui, Mohamed; Tao, Yang; Bornard, Isabelle; Chemat, Farid (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019.
حقائق جديرة بالمعرفة
الطحالب: الطحالب الكبيرة، والطحالب الدقيقة، والعوالق النباتية، والبكتيريا الزرقاء، والأعشاب البحرية
مصطلح الطحالب مصطلح غير رسمي يُستخدم لمجموعة كبيرة ومتنوعة من الكائنات حقيقية النوى التي تقوم بالبناء الضوئي. وتُعد الطحالب غالبًا من الطلائعيات، ولكنها تُصنّف أحيانًا أيضًا كنوع من النباتات أو الكروميستات. وبحسب بنيتها الخلوية، يمكن التمييز بينها كطحالب كبيرة وطحالب دقيقة، تُعرف أيضًا باسم العوالق النباتية. والطحالب الكبيرة كائنات متعددة الخلايا، تُعرف غالبًا باسم الأعشاب البحرية. وتضم فئة الطحالب الكبيرة أنواعًا مختلفة من الطحالب البحرية متعددة الخلايا والمرئية بالعين المجردة. ويُستخدم مصطلح العوالق النباتية أساسًا للطحالب البحرية المجهرية وحيدة الخلية (الطحالب الدقيقة)، لكنه قد يشمل أيضًا البكتيريا الزرقاء. والعوالق النباتية فئة واسعة من الكائنات المختلفة، تشمل البكتيريا التي تقوم بالبناء الضوئي، وكذلك الطحالب الدقيقة والكوكوليثوفورات المغطاة بصفائح واقية.
ونظرًا إلى أن الطحالب قد تكون وحيدة الخلية أو متعددة الخلايا، مع بنى خيطية (شبيهة بالخيوط) أو شبيهة بالنباتات، فإن تصنيفها يكون صعبًا في كثير من الأحيان.
أكثر أنواع الطحالب الكبيرة (الأعشاب البحرية) استزراعًا هي Eucheuma spp. وKappaphycus alvarezii وGracilaria spp. وSaccharina japonica وUndaria pinnatifida وPyropia spp. وSargassum fusiforme. ويُستزرع Eucheuma وK. alvarezii لإنتاج الكاراجينان، وهو عامل تَهَلُّم غرواني مائي؛ ويُستزرع Gracilaria لإنتاج الآغار؛ بينما تُجمع الأنواع الأخرى من الطبيعة للغذاء والتغذية.
وثمة نوع آخر من الأعشاب البحرية هو عشب البحر الكِلب. وأعشاب الكِلب طحالب بحرية بنية كبيرة تشكّل رتبة Laminariales. ويتميز الكِلب بغناه بالألجينات، وهي كربوهيدرات تُستخدم لتكثيف منتجات مثل المثلجات والهلام وصلصة السلطة ومعجون الأسنان، وكذلك كمكوّن في بعض أغذية الكلاب وفي المنتجات المصنّعة. ويُستخدم مسحوق الألجينات أيضًا كثيرًا في طب الأسنان العام وتقويم الأسنان. وتُستخدم السكريات المتعددة في الكِلب، مثل الفوكويدان، في العناية بالبشرة كمكونات مُكوِّنة للهلام.
الفوكويدان عديد سكاريد غير متجانس مُكبْرَت وقابل للذوبان في الماء، يوجد في أنواع متعددة من الطحالب البنية. ويُستخلص الفوكويدان المنتج تجاريًا أساسًا من أنواع الأعشاب البحرية Fucus vesiculosus وCladosiphon okamuranus وLaminaria japonica وUndaria pinnatifida.
أجناس الطحالب وأنواعها البارزة
- Chlorella جنس يضم نحو ثلاثة عشر نوعًا من الطحالب الخضراء وحيدة الخلية (الطحالب الدقيقة)، وينتمي إلى شعبة Chlorophyta. وتتخذ خلايا Chlorella شكلًا كرويًا، ويبلغ قطرها نحو 2 إلى 10 μm، وليس لها أسواط. وتحتوي بلاستيداتها الخضراء على صبغتي البناء الضوئي الخضراوين كلوروفيل-a وكلوروفيل-b. ومن أكثر أنواع Chlorella استخدامًا Chlorella vulgaris، الذي يُستخدم على نطاق واسع كمكمل غذائي أو كإضافة غذائية غنية بالبروتين.
- Spirulina (البكتيريا الزرقاء Arthrospira platensis) طحلب أزرق مخضر خيطي ومتعدد الخلايا.
- Nannochloropsis oculata نوع من جنس Nannochloropsis. وهو طحلب أخضر صغير وحيد الخلية، يوجد في المياه البحرية والعذبة على حد سواء. وتتميز طحالب Nannochloropsis بخلايا كروية أو بيضوية قليلًا، يبلغ قطرها 2–5 μm.
- Dicrateria جنس من الهابتوفيتات، يضم الأنواع الثلاثة Dicrateria gilva وDicrateria inornata وDicrateria rotunda وDicrateria vlkianum. ويمكن لـDicrateria rotunda (D. rotunda) تصنيع هيدروكربونات مكافئة للنفط (هيدروكربونات مشبعة يتراوح عدد ذرات الكربون فيها من 10 إلى 38).
كيف تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية في معالجة الطحالب؟
تؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية دورًا مزدوجًا في معالجة الطحالب – أولًا بتعزيز كفاءة الحصاد، ثم بتحسين مردودات الاستخلاص.
في مرحلة الحصاد، تُسهّل الموجات فوق الصوتية منخفضة الشدة ترسيب الكتلة الحيوية باستهداف الفجوات الغازية داخل خلايا الطحالب. وتتفكك هذه الفجوات، التي تعزز طبيعيًا قابلية الطفو والتعويم، وتُزال غازاتها أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وبمجرد إفراغها، تفقد الخلايا قدرتها على البقاء معلقة، وتترسب بسرعة أكبر، ويمكن تركيزها وفصلها عن وسط الاستنبات بكفاءة.
اقرأ المزيد عن حصاد الطحالب بالموجات فوق الصوتية
في خطوة المعالجة التالية، تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة لتفكيك جدران الخلايا، مما يتيح تحرير المحتويات داخل الخلايا بكفاءة، مثل الدهون والبروتينات والأصباغ والمغذيات الدقيقة. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع طريقة استخلاص قوية وغير حرارية، مناسبة لإنتاج مواد نشطة حيويًا عالية النقاوة من الطحالب الدقيقة.
اقرأ المزيد عن استخلاص الطحالب بالموجات فوق الصوتية!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء، من الحجم المختبري إلى الحجم الصناعي.