Ултразвукова екстракция на водорасли за хранителни добавки

Ултразвуковата екстракция е най-добрият метод за ефективно и бързо разрушаване на клетките на водораслите. Соникацията може да освободи пълното количество биоактивни съединения, което прави ултразвуковата техника високоефективна.

Как да извлечем протеини, липиди и феноли от водорасли с ултразвук

Видовете водорасли и микроводорасли са богати на биологично активни съединения като протеини, липиди, каротеноиди, пигменти (напр. фикоцианини, астаксантин и др.), феноли и полизахариди (напр. карагенани). Това ги прави широко използван естествен материал за производство на екстракти от храни и хранителни добавки. Често използваните видове водорасли за хранителни добавки са Arthrospira maxima и (известни също като спирулина), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis, и Ulva spp. Водораслите са известен като добър източник на висококачествени протеини, липиди, дълговерижни PUFAs (т.е. омега-3), полизахариди (напр. алгинат, карагенан, β-глюкани), витамини и антиоксиданти.
Спирулината е често използван вид водорасли, който е богат на високо ценни биоактивни съединения като протеини (с 50–70% суха тегловност). Тъй като спирулината е одобрена от FDA (Администрация по храните и лекарствата на Съединените щати) като GRAS (общопризната като безопасна), екстрактите от спирулина и спирулина могат да се използват в комерсиализирани храни или като хранителни добавки.

Предимства на ултразвуковата екстракция на водорасли

Ултразвуковата екстракция превъзхожда алтернативните методи за извличане в различни точки, като висок добив, надеждност, безопасност, простота и екологичност.

Пълен добив на екстракция

Високоефективните ултразвукови апарати разбиват клетките на водораслите и ги разрушават, така че вътреклетъчният материал да се освободи. По този начин ултразвуковата екстракция освобождава пълния спектър от биоактивни съединения, като фикобилипротеини, каротеноиди и липиди и феноли.
Фикобилипротеините могат да бъдат диференцирани в три основни групи, а именно хлор-фикоцианини, алофикоцианини и фикоеритрини. С-фикоцианинът е естествен син пигмент, който се използва широко в хранително-вкусовите и фармацевтичните продукти. Ултразвуковата екстракция освобождава пълния спектър от протеини.

Висока ефективност на извличане

Duangsee et al. (2009) тестват два различни метода на екстракция (ултразвукова екстракция с разтворител и екстракция чрез многократно замразяване и размразяване) на биоактивни съединения от биомаса Arthospira и установяват, че ултразвуковата екстракция с разтворител води до по-висока ефективност на екстракция (22,1%) от замразяването и размразяването (15,6%). Сравнението на клетъчното разкъсване между ултразвука и многократното замразяване и размразяване показва, че ултразвукът е по-ефективен. Ултразвуковата кавитация разрушава клетките на водораслите бързо и ефективно, което води до по-високо клетъчно разрушаване в сравнение с клетките на спирулина, третирани чрез многократно замразяване и размразяване.
Соникацията е по-ефективна за разбиване на клетъчната обвивка в сравнение с многократното замразяване и размразяване. Добивът на фикоцианин показва, че температурата на обработка влияе върху ефективността на екстракцията.

Бърз процес на екстракция

Високопроизводителните ултразвукови системи могат да прилагат висока ултразвукова мощност чрез високи амплитуди в суспензията на водораслите. Това прави ултразвуковата екстракция много бърз метод на обработка.

контрол на температурата

Ултразвукът е нетермична, чисто механична техника на екстракция. Температурата на екстракция може да се контролира прецизно с помощта на щепселен температурен сензор, който е свързан към цифровия ултразвуков уред Hielscher. Софтуерът на цифровите ултразвукови апарати на Hielscher позволява да се задават температурни граници, така че ултразвуковият хомогенизатор да спира при достигане на температурната граница. Прецизният контрол на температурата позволява да се предотврати термичното разграждане на чувствителни към топлина материали като фикобилипротеини, витамини, полифеноли, полизахариди, липиди и други биоактивни съединения.

Съвместим с различни разтворители

Ултразвукът е съвместим с почти всеки разтворител. Ултразвуковата екстракция в комбинация със зелени разтворители като вода или етанол произвежда чисти екстракти. Тези ултразвукови екстракти могат безопасно да бъдат включени в храните, тъй като екстракционните разтворители етанол и вода имат статус GRAS (общопризнати като безопасни).

Възпроизводимост и стандартизация на процесите

Цифровите ултразвукови апарати на Hielsher се предлагат с интелигентен софтуер и сложно разнообразие от настройки за идеалните параметри на екстракцията. Софтуерът протоколира всички параметри на ултразвуковия процес (напр. амплитуда, нетна мощност, обща мощност, температура, налягане, час, дата) и записва данните за ултразвука в CSV файл на вградената SD-карта. Това ви позволява да стандартизирате процеса на извличане и да следите отблизо ултразвука и качеството на изхода. Тези функции ви помагат да изпълните изискванията за стаданизация на процеса, както и добрите производствени практики (GMP), които са много важни, когато екстрактите се произвеждат за добавки, храни или фармацевтични продукти.

Ултразвуков протокол за екстракция на фикоцианин

Mazumder et al. (2017) изследва оптималните параметри на обработка за ултразвукова екстракция на фикоцианин и феноли от Arthospira platensis. Максималният добив на фикоцианин (29,9 mg/g) и общ фенол (2,4 mg/g) е получен при 40% концентрация на етанол, температура на екстракция 34,9°C с помощта на ултразвуков апарат UP50H (50 вата, 30kHz) при амплитуда 95% за време на екстракция 104,7 sec.

Vernès et al. (2019) са използвали ултразвуков уред UIP1000hdT (1000W, 20kHz) за извличане на протеини от спирулина. Ултразвуковият уред е оборудван с сонотроде BS2d34 и ултразвуков реактор (вижте снимката по-долу за точната настройка за ултразвукова екстракция с проточна клетка и помпа Seepex).

UIP1000hdT – Настройка на Mothermosonication (MTS) и екстракция на протеин от спирулина в лабораторен мащабизточник: Vernes et al. 2019

Резултатите от изследванията показват, че условията за ултразвукова екстракция, оптимизирани за добива на протеини, включват леко повишена температура и налягане (т.нар. MTS насърчава преноса на маса и позволява да се получат 229% повече протеини (28,42 ± 1,15 g/100 g суха тегловна маса), отколкото конвенционалният процес без ултразвук (8,63 ± 1,15 g/100 g суха тегловна маса).
С 28,42 g протеини, получени на 100 g суха биомаса на спирулина в екстракта, скоростта на възстановяване на протеина от 50% е постигната само за 6 минути при непрекъснат процес на ултразвук. Микроскопското изобразяване разкрива, че акустичната кавитация засяга нишките на спирулината чрез различни механизми като фрагментация, сонопорация, детекстурация. Тези различни ефекти правят извличането, освобождаването и разтварянето на биоактивните съединения на спирулина по-лесно и по-ефективно, което води до висок добив на протеин с високо качество.
Що се отнася до качеството на ултразвуково извлечените протеини, аминокиселините не се разграждат при ултразвукова обработка, но присъстват в по-голямо количество в случай на ултразвук в сравнение с конвенционалната екстракция.
Когато се сравняват моносонизацията и ултразвуковата екстракция без повишено налягане и температура, разликата в добива и ефективността на екстракция е минимална. Следователно ултразвукът сам по себе си се счита за най-икономичната и лесна техника за производство на висококачествен екстракт, богат на протеини на спирулина. Ултразвуковата екстракция е зелена, екологична техника за екстракция, подходяща за екстракция на протеини от спирулина в лабораторен мащаб, която може лесно да се мащабира до пилотен и индустриален мащаб. (вж. Vernès et al. 2019)

Високоефективни ултразвукови екстрактори

Всички резултати от извличането, постигнати в малък мащаб, могат да бъдат линейно мащабирани до по-големи производствени мощности. Голямото продуктово портфолио на Hielscher Ultrasonics от лабораторни до промишлени системи за екстракция разполага с най-подходящия ултразвуков уред за вашия предвиден технологичен капацитет. Нашият дългогодишен опитен персонал ще ви помогне от тестовете за осъществимост и оптимизацията на процеса до инсталирането на вашата ултразвукова система на крайно производствено ниво.

Caution: Video "duration" is missing

Hielscher Ultrasonics – Сложно оборудване за извличане

Продуктовото портфолио на Hielscher Ultrasonics обхваща пълната гама от високоефективни ултразвукови екстрактори от малки до големи мащаби. Допълнителните аксесоари позволяват лесното сглобяване на най-подходящата конфигурация на ултразвуковото устройство за вашия процес. Оптималната ултразвукова настройка зависи от предвидения капацитет, обем, суровина, партиден или вграден процес и времева линия. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди. Линейната мащабируемост на процесите на ултразвукова екстракция позволява лесно и надеждно увеличаване на производството. Прочетете повече за линейното мащабиране на процесите на ултразвукова екстракция!

Изберете от различни аксесоари като:

• сонотроди с различни размери, диаметри и форми
• сонотроди за висока амплитуда от 200 μm и по-висока
• реактори с поточни клетки с различни обеми и геометрии
• Многобройни бустерни клаксони за увеличаване или намаляване на печалбите
• пълни настройки за ултразвук като SonoStation, които включват ултразвуков екстрактор, резервоар, бъркалка и помпа
• Щепселни температурни сензори
• Щепселни сензори за налягане

Нашият добре обучен, дългогодишен опит персонал ще ви консултира и ще ви препоръча най-подходящата ултразвукова система за вашите изисквания към процеса на екстракция!

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: