Yosun hüceyrələrinin parçalanmasını və ekstraksiyanı yaxşılaşdırmaq üçün ultrasəs emalı

Yosunlar, o cümlədən makro və mikroyosunlar, qidalı ərzaq məhsulları, qida əlavələri, yanacaq və ya yanacaq xammalı kimi istifadə olunan çoxsaylı qiymətli birləşmələr ehtiva edir. Hədəf maddələri yosun hüceyrəsindən azad etmək üçün güclü və səmərəli hüceyrə parçalama üsulu tələb olunur. Ultrasəs ekstraktorları bitkilərdən, yosunlardan və göbələklərdən bioaktiv birləşmələrin ekstraksiyasında yüksək səmərəliliyə və etibarlılığa malikdir. Laboratoriya, masaüstü və sənaye miqyasında mövcud olan Hielscher ultrasəs ekstraktorları qida, əczaçılıq və bioyanacaq istehsalında hüceyrə mənşəli ekstraktların alınmasında öz yerini tutmuşdur.

Yosunlar qidalanma və yanacaq üçün qiymətli resurs kimi

Yosun hüceyrələri zülallar, karbohidratlar, lipidlər və digər bioaktiv maddələr, eləcə də alkanlar kimi bioaktiv və enerji ilə zəngin birləşmələrin çoxşaxəli mənbəyidir. Bu, yosunları həm qida və qidalandırıcı birləşmələrin, həm də yanacaqların mənbəyinə çevirir.
Mikroyosunlar qidalanmada və bioyanacaqlar (məsələn, biodizel) üçün xammal kimi istifadə olunan lipidlərin qiymətli mənbəyidir. Dicrateria rotunda kimi dəniz fitoplanktonu Dicrateria ştamları benzin istehsal edən yosunlar kimi tanınır və aşağıdakı diapazonda bir sıra doymuş karbohidrogenləri (n-alkanları) sintez edə bilir: C₁₀H₂₂ – C₃₈H₇₈; bunlar benzin (C10–C15), dizel yanacaqları (C16–C20) və yanacaq yağları (C21–C38) kimi təsnif edilir.
Qida dəyərinə görə yosunlar “funksional qidalar” və ya “nutrasevtiklər” kimi istifadə olunur. Yosunlardan çıxarılan mühüm mikroqida maddələrinə astaksantin, fukoksantin və zeaksantin karotinoidləri daxildir; bunlar, fukoidan, laminari və digər qlükanlar, eləcə də çoxsaylı digər bioaktiv maddələr qida əlavələri və əczaçılıq preparatları kimi istifadə olunur. Karragenan, alginat və digər hidrokolloidlər qida əlavələri kimi istifadə olunur. Yosun lipidləri veqan omeqa-3 mənbəyi kimi, həmçinin yanacaq və ya biodizel istehsalı üçün xammal kimi istifadə olunur.

Yüksək güclü ultrasəslə yosun hüceyrələrinin parçalanması və ekstraksiya

Ultrasəs ekstraktorları və ya sadəcə ultrasonikatorlar həm laboratoriyada kiçik nümunələrdən qiymətli birləşmələrin çıxarılması, həm də iri kommersiya miqyasında istehsal üçün istifadə olunur.
Yosun hüceyrələri lipidlərdən, sellülozadan, zülallardan, qlikoproteinlərdən və polisaxaridlərdən ibarət mürəkkəb hüceyrə divarı matrisləri ilə qorunur. Əksər yosunların hüceyrə divarlarının əsasını geləbənzər zülal matrisi daxilindəki mikrofibrilyar şəbəkə təşkil edir; lakin bəzi mikroyosunlar opal tipli silisium dioksid frustullarından və ya kalsium karbonatdan ibarət qeyri-üzvi sərt divara malikdir. Yosun biokütləsindən bioaktiv birləşmələr əldə etmək üçün səmərəli hüceyrə parçalama üsulu lazımdır. Texnoloji ekstraksiya amilləri (yəni ekstraksiya üsulu və avadanlıq) ilə yanaşı, yosun hüceyrələrinin parçalanmasının və ekstraksiyanın səmərəliliyinə hüceyrə divarının tərkibi, arzu olunan biomolekulun mikroyosun hüceyrələrində yerləşməsi və yığım zamanı mikroyosunların böyümə mərhələsi kimi yosundan asılı müxtəlif amillər də güclü təsir göstərir.

Yosun hüceyrələrinin ultrasəslə parçalanması və ekstraksiya necə baş verir?

Yüksək intensivlikli ultrasəs dalğaları ultrasəs zondu (ultrasəs hornu və ya sonotrod kimi də tanınır) vasitəsilə mayeyə və ya suspenziyaya ötürüldükdə, səs dalğaları maye boyunca yayılır və beləliklə, növbələşən yüksək təzyiq / aşağı təzyiq dövrləri yaradır. Bu yüksək təzyiq / aşağı təzyiq dövrləri ərzində çox kiçik vakuum qabarcıqları və ya boşluqlar əmələ gəlir. Kavitasiya qabarcıqları aşağı təzyiq dövrləri zamanı yerli təzyiq doymuş buxar təzyiqindən kifayət qədər aşağı düşdükdə yaranır; bu qiymət mayenin müəyyən temperaturda dartılma möhkəmliyi ilə müəyyən olunur. Bu qabarcıqlar bir neçə dövr ərzində böyüyür. Vakuum qabarcıqları daha çox enerji uda bilməyəcək ölçüyə çatdıqda, yüksək təzyiq dövrü zamanı şiddətlə içəriyə doğru çökür. Kavitasiya qabarcıqlarının içəriyə doğru çökməsi mayedə güclü zərbə dalğaları, turbulentlik və mikroşırnaqlar yaradan şiddətli, yüksək enerji sıxlıqlı prosesdir. Bundan əlavə, lokal olaraq çox yüksək təzyiqlər və çox yüksək temperaturlar yaranır. Bu ekstremal şərait hüceyrə divarlarını və membranlarını asanlıqla parçalaya və hüceyrədaxili birləşmələri səmərəli, təsirli və sürətli şəkildə azad edə bilir. Beləliklə, zülallar, polisaxaridlər, lipidlər, vitaminlər, minerallar və antioksidantlar kimi hüceyrədaxili birləşmələr yüksək güclü ultrasəs vasitəsilə səmərəli şəkildə çıxarıla bilər.

Hüceyrələrin parçalanması və ekstraksiya üçün ultrasəs kavitasiyası

Güclü ultrasəs enerjisinin təsirinə məruz qaldıqda istənilən növ hüceyrənin (o cümlədən bitki, məməli, yosun, göbələk, bakteriya və s. hüceyrələrinin) divarı və ya membranı parçalanır və yüksək enerji sıxlıqlı ultrasəs kavitasiyasının mexaniki qüvvələri hüceyrəni daha kiçik fraqmentlərə ayırır. Hüceyrə divarı dağıldıqda zülal, lipid, nuklein turşusu və xlorofil kimi hüceyrə metabolitləri həm hüceyrə divarının matrisindən, həm də hüceyrənin daxilindən azad olur və ətrafdakı kultivasiya mühitinə və ya həllediciyə keçir.
Yuxarıda təsvir olunan ultrasəs / akustik kavitasiya mexanizmi bütöv yosun hüceyrələrini və ya hüceyrələr daxilindəki qaz və maye vakuollarını ciddi şəkildə parçalayır. Ultrasəs kavitasiyası, vibrasiya, turbulentlik və mikroaxınlar hüceyrənin daxili ilə ətrafdakı həlledici arasında kütlə ötürülməsini gücləndirir, nəticədə biomolekullar (yəni metabolitlər) səmərəli və sürətlə azad olur. Ultrasəs emalı sərt təsirli, zəhərli və/və ya bahalı kimyəvi maddələr tələb etməyən sırf mexaniki emaldır.
Yüksək intensivlikli, aşağı tezlikli ultrasəs yüksək təzyiqlər, temperaturlar və böyük kəsmə qüvvələri ilə səciyyələnən ekstremal, yüksək enerji sıxlıqlı şərait yaradır. Bu fiziki qüvvələr hüceyrədaxili birləşmələri mühitə buraxmaq üçün hüceyrə strukturlarının parçalanmasını təşviq edir. Buna görə aşağı tezlikli ultrasəs yosunlardan bioaktiv maddələrin və yanacaqların çıxarılması üçün geniş istifadə olunur. Həlledici ilə ekstraksiya, muncuqlarla üyütmə və ya yüksək təzyiqli homogenləşdirmə kimi ənənəvi ekstraksiya üsulları ilə müqayisədə ultrasəs ekstraksiyası sonoporasiya olunmuş və parçalanmış hüceyrədən bioaktiv birləşmələrin əksəriyyətini (lipidlər, zülallar, polisaxaridlər və mikroqida maddələri kimi) azad etməsi ilə üstünlük təşkil edir. Düzgün proses şəraiti tətbiq edildikdə ultrasəs ekstraksiyası çox qısa proses müddətində üstün ekstraksiya çıxımı verir. Məsələn, yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs ekstraktorları uyğun həlledici ilə istifadə edildikdə yosunlardan ekstraksiyada əla nəticələr göstərir. Turş və ya qələvi mühitdə yosunun hüceyrə divarı məsaməli və qırışmış olur, bu da aşağı temperaturda (60°C-dən aşağı) və qısa ultrasəs emalı müddətində (3 saatdan az) çıxımın artmasına gətirib çıxarır. Mülayim temperaturlarda qısa ekstraksiya müddəti fukoidanın parçalanmasının qarşısını alır, nəticədə yüksək bioaktivliyə malik polisaxarid əldə edilir.
Ultrasəs emalı həmçinin yüksək molekulyar kütləli fukoidanı, şaxələri aradan qaldırılmış quruluşuna görə əhəmiyyətli dərəcədə daha bioaktiv olan aşağı molekulyar kütləli fukoidana çevirmək üsuludur. Yüksək bioaktivliyi və bioloji əlçatanlığı ilə aşağı molekulyar kütləli fukoidan əczaçılıq preparatları və dərmanların çatdırılması sistemləri üçün maraq doğuran birləşmədir.

Tətbiq nümunələri: yosun birləşmələrinin ultrasəslə ekstraksiyası

Ultrasəs ekstraksiyasının səmərəliliyi və ultrasəs ekstraksiyası parametrlərinin optimallaşdırılması geniş tədqiq edilmişdir. Aşağıda müxtəlif yosun növlərindən ultrasəs vasitəsilə ekstraksiyanın nəticələrinə dair nümunələr tapa bilərsiniz.

Mano-termo-sonikasiya ilə spirulinadan zülal ekstraksiyası

Prof. Chematın tədqiqat qrupu (Avinyon Universiteti) manotermosonikasiyanın (MTS) quru Arthrospira platensis sianobakteriyalarından (spirulina kimi də tanınır) zülalların (fikosianin kimi) ekstraksiyasına təsirini araşdırmışdır. Mano-termo-sonikasiya (MTS) ultrasəs ekstraksiyası prosesini intensivləşdirmək üçün ultrasəsin yüksəldilmiş təzyiq və temperaturla birlikdə tətbiqidir.
“Eksperimental nəticələrə əsasən, MTS kütlə ötürülməsini gücləndirmiş (yüksək effektiv diffuziya əmsalı, De) və ultrasəssiz ənənəvi proseslə (8,63 ± 1,15 g/100 g DW) müqayisədə 229% daha çox zülal (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) əldə etməyə imkan vermişdir. Ekstraktda hər 100 g quru spirulina biokütləsinə 28,42 g zülal düşməklə, fasiləsiz MTS prosesi ilə 6 effektiv dəqiqə ərzində 50% zülal bərpa dərəcəsinə nail olunmuşdur. Mikroskopik müşahidələr akustik kavitasiyanın spirulina filamentlərinə fraqmentasiya, sonoporasiya və teksturanın dağılması kimi müxtəlif mexanizmlərlə təsir etdiyini göstərmişdir. Bu müxtəlif hadisələr spirulinanın bioaktiv birləşmələrinin ekstraksiyasını, azad olmasını və həll edilməsini asanlaşdırır.” [Vernès et al., 2019]

Zaman ərzində MTS emalına məruz qalmış bütöv spirulina filamentlərinin optik mikroskopiya görüntüləri. Bütün şəkillər üçün miqyas çubuğu (şəkil A) = 50 μm.
şəkil və tədqiqat: ©Vernès et al. 2019

Fukoidan və qlükanın ultrasəslə ekstraksiyası üçün mənbə: Laminaria digitata

Dr. Tiwarinin TEAGASC tədqiqat qrupu Laminaria digitata makroyosunundan polisaxaridlərin, yəni fukoidanın, laminarinin və ümumi qlükanların ekstraksiyasını araşdırmaq üçün UIP500hdT ultrasonikatorundan istifadə etmişdir. Tədqiq olunan ultrasəs dəstəkli ekstraksiya (UAE) parametrləri fukoza, FRAP və DPPH səviyyələrinə əhəmiyyətli təsir göstərmişdir. Həlledici kimi 0,1 M HCl istifadə etməklə temperatur (76◦C), müddət (10 min) və ultrasəs amplitudunun (100%) optimallaşdırılmış şəraitində fukoza, ümumi qlükanlar, FRAP və DPPH üçün müvafiq olaraq 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde və 11,02% səviyyələri əldə edilmişdir. Təsvir olunan UAE şəraiti daha sonra polisaxaridlərlə zəngin ekstraktlar əldə etmək üçün iqtisadi baxımdan əhəmiyyətli digər qonur makroyosunlara (L. hyperborea və A. nodosum) uğurla tətbiq edilmişdir. Bu tədqiqat müxtəlif makroyosun növlərindən bioaktiv polisaxaridlərin ekstraksiyasını yaxşılaşdırmaq üçün UAE-nin tətbiq oluna bildiyini nümayiş etdirir.

Fitokimyəvi maddələrin ultrasəslə ekstraksiyası üçün mənbələr: F. vesiculosus və P. canaliculata

García-Vaquero tədqiqat qrupu Fucus vesiculosus və Pelvetia canaliculata qonur mikroyosun növlərindən ekstraksiyanın səmərəliliyini qiymətləndirmək üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs ekstraksiyası, ultrasəs-mikrodalğa ekstraksiyası, mikrodalğa ekstraksiyası, hidrotermal dəstəkli ekstraksiya və yüksək təzyiq dəstəkli ekstraksiya daxil olmaqla müxtəlif yeni ekstraksiya üsullarını müqayisə etmişdir. Ultrasəs emalı üçün Hielscher UIP500hdT ultrasəs ekstraktorundan istifadə etmişlər. Ekstraksiya çıxımlarının təhlili ultrasəs ekstraksiyasının hər iki F. vesiculosus-dan fitokimyəvi maddələrin əksəriyyətinin ən yüksək çıxımlarını təmin etdiyini göstərmişdir. Bu o deməkdir ki, F. vesiculosus-dan birləşmələrin ekstraksiyasında UIP500hdT ultrasəs ekstraktorundan istifadə edildikdə əldə edilən ən yüksək göstəricilər bunlar olmuşdur: ümumi fenol tərkibi (445,0 ± 4,6 mg qall turşusu ekvivalentləri/g), ümumi florotannin tərkibi (362,9 ± 3,7 mg floroqlüsinol ekvivalentləri/g), ümumi flavonoid tərkibi (286,3 ± 7,8 mg kversetin ekvivalentləri/g) və ümumi tannin tərkibi (189,1 ± 4,4 mg katexin ekvivalentləri/g).
Tədqiqatlarında qrup belə qənaətə gəlmişdir ki, ultrasəs dəstəkli ekstraksiyanın “ekstraksiya həlledicisi kimi 50% etanol məhlulu ilə birgə istifadəsi həm F. vesiculosus-dan, həm də P. canaliculata-dan arzuolunmaz karbohidratların birgə ekstraksiyasını azaltmaqla TPC, TPhC, TFC və TTC-nin ekstraksiyasına yönəlmiş perspektivli strategiya ola bilər və bu birləşmələrin əczaçılıq preparatları, nutrasevtiklər və kosmesevtiklər kimi istifadəsi üçün perspektivli tətbiq imkanları yarada bilər.” [García-Vaquero et al., 2021]

Avinyon Universitetində Hielscher ultrasonikatorlarından istifadə etməklə mano-termo-sonikasiyanın miqyasının artırılması: laboratoriya avadanlığı UIP1000hdT (A) ilə pilot miqyaslı avadanlıq UIP4000hdT (B, C & D) arasındakı miqyas keçidi. D şəklində FC100K ultrasəs axın hüceyrəsinin en kəsiyi sxematik şəkildə göstərilmişdir.
şəkil və tədqiqat: ©Vernès et al. 2019

Yosunların parçalanması üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs ekstraktorları

Hielscher şirkətinin ən müasir ultrasəs avadanlığı amplitud, temperatur, təzyiq və verilən enerji kimi proses parametrlərinə tam nəzarət etməyə imkan verir.
Ultrasəs ekstraksiyasında xammalın hissəcik ölçüsü, həlledicinin növü, bərk maddənin həllediciyə nisbəti və ekstraksiya müddəti kimi parametrlər ən yaxşı nəticələr üçün dəyişdirilə və optimallaşdırıla bilər.
Ultrasəs ekstraksiyası qeyri-termik ekstraksiya üsulu olduğundan, yosun kimi xammalda mövcud olan bioaktiv komponentlərin istilik təsirindən parçalanmasının qarşısı alınır.
Ümumilikdə, yüksək çıxım, qısa ekstraksiya müddəti, aşağı ekstraksiya temperaturu və az miqdarda həlledici istifadəsi kimi üstünlüklər ultrasəs emalını üstün ekstraksiya üsuluna çevirir.

Ultrasəs ekstraksiyası: laboratoriyada və sənayedə öz yerini tutmuş texnologiya

Ultrasəs ekstraksiyası bitkilərdən, yosunlardan, bakteriyalardan və məməli hüceyrələrindən istənilən növ bioaktiv birləşmənin çıxarılması üçün geniş tətbiq olunur. Ultrasəs ekstraksiyası daha yüksək ekstraksiya çıxımı və daha qısa emal müddəti ilə digər ənənəvi ekstraksiya üsullarını üstələyən sadə, iqtisadi cəhətdən sərfəli və yüksək səmərəli üsul kimi qəbul olunmuşdur.
Laboratoriya, masaüstü və tam sənaye ultrasəs sistemlərinin asanlıqla əldə edilə bilməsi sayəsində ultrasəs ekstraksiyası hazırda öz yerini möhkəm tutmuş və etibar qazanmış texnologiyadır. Hielscher ultrasəs ekstraktorları bütün dünyada qida və əczaçılıq keyfiyyət tələblərinə uyğun bioaktiv birləşmələr istehsal edən sənaye emal müəssisələrində quraşdırılmışdır.

Hielscher Ultrasonics ilə prosesin standartlaşdırılması

Qida, əczaçılıq preparatları və ya kosmetikada istifadə olunan yosun mənşəli ekstraktlar Yaxşı İstehsalat Təcrübəsinə (GMP) uyğun və standartlaşdırılmış emal spesifikasiyaları əsasında istehsal edilməlidir. Hielscher Ultrasonics-in rəqəmsal ekstraksiya sistemləri ultrasəs emalı prosesinin dəqiq qurulmasını və idarə edilməsini asanlaşdıran ağıllı proqram təminatı ilə təchiz olunur. Avtomatik məlumat qeydi ultrasəs enerjisi (ümumi və xalis enerji), amplitud, temperatur, təzyiq (temperatur və təzyiq sensorları quraşdırıldıqda) kimi bütün ultrasəs prosesi parametrlərini tarix və vaxt nişanı ilə daxili SD-karta yazır. Bu, ultrasəslə emal edilmiş hər partiyanı nəzərdən keçirməyə imkan verir. Eyni zamanda, təkrarlana bilmə və davamlı yüksək məhsul keyfiyyəti təmin olunur.

Aşağıdakı cədvəl ultrasonikatorlarımızın təxmini emal gücü barədə təsəvvür yaradır: