Ултразвукова екстракция на водорасли за хранителни добавки

Ултразвуковата екстракция е превъзходният метод за ефективно и бързо разрушаване на клетките на водораслите. Ултразвуковата обработка може да освободи цялото количество биоактивни съединения, което прави ултразвуковата техника високоефективна.

Как да извличате протеини, липиди и фенолни съединения от водорасли с ултразвук

Видовете водорасли и микроводорасли са богати на биологично активни съединения като протеини, липиди, каротеноиди, пигменти (напр. фикоцианини, астаксантин и др.), фенолни съединения и полизахариди (напр. карагенани). Това ги прави широко използвана природна суровина за производството на екстракти за храни и хранителни добавки. Често използвани видове водорасли за хранителни добавки са Arthrospira maxima и (известна също като спирулина), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis и Ulva spp. Известно е, че водораслите са добър източник на висококачествени протеини, липиди, дълговерижни полиненаситени мастни киселини (PUFAs, т.е. омега-3), полизахариди (напр. алгинат, карагенан, β-глюкани), витамини и антиоксиданти.
Спирулината е често използван вид водорасли, богат на ценни биоактивни съединения като протеини (със съдържание 50–70% от сухото тегло). Тъй като спирулината е одобрена от FDA (Агенцията по храните и лекарствата на Съединените щати) като GRAS (общопризната като безопасна), спирулината и екстрактите от спирулина могат да се използват в предлагани на пазара храни или като хранителни добавки.

Предимства на ултразвуковата екстракция на водорасли

Ултразвуковата екстракция превъзхожда алтернативните методи за екстракция в множество отношения, като висок добив, надеждност, безопасност, простота и екологичност.

Пълен екстракционен добив

Високопроизводителните ултразвукови устройства разкъсват и разрушават клетките на водораслите, така че вътреклетъчният материал да се освободи. По този начин ултразвуковата екстракция освобождава пълния спектър от биоактивни съединения, като фикобилипротеини, каротеноиди, липиди и фенолни съединения.
Фикобилипротеините могат да бъдат разделени на три основни групи, а именно хлорофикоцианини, алофикоцианини и фикоеритрини. C-фикоцианинът е естествен син пигмент, който се използва широко в хранителни и фармацевтични продукти. Ултразвуковата екстракция освобождава пълния спектър от протеини.

Висока ефективност на екстракцията

Duangsee et al. (2009) изпитват два различни метода за екстракция на биоактивни съединения от биомаса на Arthospira (екстракция с разтворител, подпомагана от ултразвук, и екстракция чрез многократно замразяване и размразяване) и установяват, че ултразвуковата екстракция с разтворител води до по-висока ефективност на екстракцията (22,1%) в сравнение със замразяването и размразяването (15,6%). Сравнението на разкъсването на клетките при ултразвукова обработка и при многократно замразяване и размразяване показва, че ултразвуковата обработка е по-ефективна. Ултразвуковата кавитация разрушава клетките на водораслите бързо и ефективно, което води до по-висока степен на разрушаване на клетките в сравнение с клетките на спирулината, обработени чрез многократно замразяване и размразяване.
Ултразвуковата обработка е по-ефективна при разрушаването на клетъчната обвивка в сравнение с многократното замразяване и размразяване. Екстракционният добив на фикоцианин показва, че температурата на обработка влияе върху ефективността на екстракцията.

Бърз процес на екстракция

Високопроизводителните ултразвукови системи могат да предават висока ултразвукова мощност в суспензията от водорасли чрез високи амплитуди. Това прави ултразвуковата екстракция много бърз метод за обработка.

Контрол на температурата

Ултразвуковата обработка е нетермична, изцяло механична техника за екстракция. Температурата на екстракция може да се контролира прецизно с помощта на включваем температурен сензор, свързан с кабел към цифровото ултразвуково устройство на Hielscher. Софтуерът на цифровите ултразвукови устройства на Hielscher позволява задаване на температурни граници, така че ултразвуковият хомогенизатор да спира временно 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.

Съвместимост с различни разтворители

Ултразвуковата обработка е съвместима с почти всеки разтворител. Ултразвуковата екстракция в комбинация с екологични разтворители като вода или етанол дава чисти екстракти. Тези ултразвукови екстракти могат безопасно да се влагат в храни, тъй като екстракционните разтворители етанол и вода имат статут GRAS (общопризнати като безопасни).

Възпроизводимост и стандартизация на процеса

Цифровите ултразвукови устройства на Hielscher се предлагат с интелигентен софтуер и подробно разработен набор от настройки за идеалните параметри на екстракцията. Софтуерът регистрира всички параметри на ултразвуковия процес (напр. амплитуда, нетна мощност, обща мощност, температура, налягане, време, дата) и записва данните за ултразвуковата обработка в CSV файл на вградената SD карта. Това ви позволява да стандартизирате процеса на екстракция и да следите отблизо ултразвуковата обработка и качеството на получения продукт. Тези функции ви помагат да изпълните изискванията за стандартизация на процеса, както и за добри производствени практики (GMP), които са изключително важни при производството на екстракти за добавки, храни или фармацевтични продукти.

Протокол за ултразвукова екстракция на фикоцианин

Mazumder et al. (2017) изследват оптималните параметри на обработка за ултразвуковата екстракция на фикоцианин и фенолни съединения от Arthospira platensis. Максималният добив на фикоцианин (29,9 mg/g) и общи фенолни съединения (2,4 mg/g) е получен при концентрация на етанол 40% и температура на екстракция 34,9°C с ултразвуковото устройство UP50H (50 вата, 30kHz), при амплитуда 95% и време на екстракция 104,7 sec.

Vernès et al. (2019) използват ултразвуково устройство UIP1000hdT (1000W, 20kHz) за извличане на протеини от спирулина. Ултразвуковото устройство е оборудвано със сонотрод BS2d34 и ултразвуков проточен реактор (вижте изображението по-долу за точната конфигурация на ултразвуковата екстракция с проточна клетка и помпа Seepex).

UIP1000hdT – инсталация за манотермоултразвукова обработка (MTS) и нашата екстракция на протеини от спирулина в лабораторен мащаб
източник: Vernes et al. 2019

Резултатите от изследването показват, че условията за ултразвукова екстракция, оптимизирани за добив на протеини, включват леко повишени температура и налягане (т.нар. манотермоултразвукова обработка MTS). MTS подпомага масопреноса и позволява да се получат 229% повече протеини (28,42 ± 1,15 g/100 g сухо тегло) в сравнение с конвенционалния процес без ултразвук (8,63 ± 1,15 g/100 g сухо тегло).
При получени в екстракта 28,42 g протеини на 100 g суха биомаса от спирулина е постигната степен на извличане на протеините 50% само за 6 минути в непрекъснат процес на ултразвукова обработка. Микроскопските изображения разкриват, че акустичната кавитация въздейства върху нишките на спирулината чрез различни механизми, като фрагментация, сонопорация и разрушаване на структурата. Тези различни ефекти правят екстракцията, освобождаването и солюбилизацията на биоактивните съединения на спирулината по-лесни и по-ефективни, което води до висок добив на висококачествени протеини.
По отношение на качеството на ултразвуково извлечените протеини, аминокиселините не се разграждат при ултразвуковата обработка, а присъстват в по-голямо количество при ултразвукова обработка в сравнение с конвенционалната екстракция.
При сравнение на манотермоултразвуковата обработка и ултразвуковата екстракция без повишени налягане и температура разликата в екстракционния добив и ефективността е само минимална. Следователно използването само на ултразвук се счита за най-икономичната и най-лесната техника за производство на висококачествен екстракт, богат на протеини от спирулина. Ултразвуковата екстракция е зелена, екологична техника за екстракция, подходяща за извличане на протеини от спирулина в лабораторен мащаб, която лесно може да бъде мащабирана до пилотен и промишлен мащаб. (вж. Vernès et al. 2019)

Високопроизводителни ултразвукови екстрактори

Всички резултати от екстракцията, постигнати в малък мащаб, могат да бъдат линейно мащабирани до по-големи производствени капацитети. Обширната продуктова гама на Hielscher Ultrasonics, от лабораторни до промишлени системи за екстракция, включва най-подходящото ултразвуково устройство за предвидения от вас капацитет на процеса. Нашият персонал с дългогодишен опит ще ви съдейства от изпитванията за осъществимост и оптимизацията на процеса до инсталирането на вашата ултразвукова система на окончателното производствено ниво.

Hielscher Ultrasonics – усъвършенствано оборудване за екстракция

Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics обхваща пълния диапазон от високопроизводителни ултразвукови екстрактори за малък до голям мащаб. Допълнителните принадлежности позволяват лесно сглобяване на най-подходящата конфигурация на ултразвуковото устройство за вашия процес. Оптималната ултразвукова конфигурация зависи от предвидения капацитет, обем, суровина, партиден или проточен процес и времеви график. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при тежко натоварване и в трудни условия. 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 измежду различни принадлежности, като:

• сонотроди с различни размери, диаметри и форми
• сонотроди за висока амплитуда от 200µm и повече
• реактори с проточни клетки с различни обеми и геометрии
• множество бустерни рогове за увеличаване или намаляване на коефициентите на усилване
• цялостни инсталации за ултразвукова обработка като SonoStation, които включват ултразвуков екстрактор, резервоар, бъркалка и помпа
• включваеми температурни сензори
• включваеми сензори за налягане

Нашият добре обучен персонал с дългогодишен опит ще ви консултира и ще ви препоръча най-подходящата ултразвукова система за изискванията на вашия процес на екстракция!

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