Ултразвукова екстракция на антоцианини

Антоцианините се използват широко като естествен оцветител и хранителна добавка в хранителните продукти. Ултразвуковата екстракция е високоефективна и проста техника за получаване на висококачествени антоцианини. Използването на ултразвукови апарати със сонда подпомага освобождаването на висококачествени антоцианини от растенията, което води до по-високи добиви и бърз процес. Същевременно ултразвуковата обработка е щадяща, екологична и ефективна техника за промишлено производство на антоцианини с качество за хранителни и фармацевтични приложения.

Антоцианини – как да извлечете висококачествени антоцианини с ултразвуков апарат

Антоцианините се използват широко като естествени оцветители в хранителната промишленост. Те имат широк спектър от цветови нюанси, вариращи от оранжево през червено до лилаво и синьо, в зависимост от молекулната структура и стойността на pH. Интересът към антоцианините се основава не само на оцветяващия им ефект, но и на полезните им за здравето свойства. Поради нарастващите опасения за околната среда и здравето във връзка със синтетичните багрила, естествените багрила са отлична алтернатива като екологични оцветители за хранителната и фармацевтичната промишленост.

Подобрена чрез ултразвук екстракция на антоцианини

Как да извлечете антоцианини с ултразвук? – Примери от изследвания

Ултразвукова екстракция на антоцианини от лилав ориз Oryza Sativa L.

Лилавият ориз от разновидността Oryza Sativa (известен също като Violet Nori или виолетов ориз) е изключително богат на фенолни съединения, като антоцианините от групата на флавоноидите. Turrini et al. (2018) използват ултразвукова екстракция за изолиране на полифенолни съединения, като антоцианини и антиоксиданти, от зърновките (в цяла, кафява и пропарена форма) и листата на лилавия ориз. Ултразвуковата екстракция е извършена с Hielscher UP200St (200W, 26kHz, снимката вляво) и етанол 60% като разтворител.
За да се запази целостта на антоцианините, ултразвуковите екстракти са съхранявани при −20°C, което позволява съхранението им за поне до три месеца.
Cyanidin-3 glucoside (известен също като хризантемин) е с голяма преднина основният открит антоцианин в сортовете ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ и ‘Nerone’, изследвани в проучването на Turrini et al., докато peonidin-3-glucoside и cyanidin-3-rutinoside (също антиринин) са открити в по-малки количества.
Виолетовите листа на Oryza Sativa са отличен източник на антоцианини и общо фенолно съдържание (TPC). С количество приблизително 2–3 пъти по-високо от това в ориза и брашното, листата на Oryza представляват евтина суровина за екстракция на антоцианини. Очакваният добив от около 4 kg антоцианини/t пресни листа е значително по-висок от 1 kg антоцианини/t ориз, изчислен въз основа на средните количества антоцианини, открити в ориза ‘Violet Nori’ (1300 µg/g ориз, като cyanidin-3-glucoside), при добив от около 68 kg ориз от 100 kg неолющен ориз.

Ултразвукова екстракция на антоцианини от червено зеле

Ravanfar et al. (2015) изследват ефективността на ултразвуковата екстракция на антоцианини от червено зеле. Експериментите с ултразвукова екстракция са проведени с ултразвуковата система UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Сонотродът MS10 (диаметър на върха 10mm) е поставен в центъра на стъклена лабораторна чаша с риза и регулирана температура.

За този експеримент са използвани прясно нарязани парчета червено зеле с размер 5mm (кубична форма) и съдържание на влага 92,11 ± 0,45 %. Стъклена лабораторна чаша с риза (обем: 200ml) е напълнена със 100ml дестилирана вода и 2g парчета червено зеле. Чашата е покрита с алуминиево фолио, за да се предотврати загубата на разтворител (вода) чрез изпарение по време на процеса. При всички експерименти температурата в чашата е поддържана с термостатичен регулатор. Накрая пробите са събрани, филтрирани и центрофугирани при 4000rpm, а супернатантите са използвани за определяне на добива на антоцианини. Като контролен експеримент е проведена екстракция на водна баня.
Оптималният добив на антоцианини от червено зеле е установен при мощност 100 W, време 30 min и температура 15°C, което води до добив на антоцианини от около 21 mg/L.
Поради промяната на цвета си в зависимост от стойността на pH и интензивното си оцветяване, багрилото от червено зеле се използва съответно като pH индикатор във фармацевтични препарати или като антиоксидант и оцветител в хранителни системи.

Ултразвукът значително интензифицира екстракцията на антоцианини от растителен материал.
източник: Ravanfar et al. 2015

 
Други изследвания демонстрират успешна ултразвукова екстракция на антоцианини от култивирани боровинки, къпини, грозде, череши, ягоди и лилав сладък картоф, наред с други източници.

Високопроизводителни ултразвукови екстрактори

Hielscher Ultrasonics е специализирана в производството на високопроизводителни ултразвукови процесори за получаване на висококачествени екстракти от растителни суровини.
Широкото портфолио от ултразвукови апарати на Hielscher се простира от малки, мощни лабораторни ултразвукови апарати до здрави настолни и изцяло промишлени системи, които осигуряват ултразвук с висок интензитет за ефективна екстракция и изолиране на биоактивни вещества (напр. антоцианини, гингерол, пиперин, куркумин и др.).
Всички ултразвукови апарати от 200W до 16 000W разполагат с цветен сензорен дисплей за цифрово управление, вградена SD карта за автоматично записване на данни, дистанционно управление през браузър и много други удобни за потребителя функции. Сонотродите и проточните клетки (частите, които са в контакт със средата) могат да се автоклавират и се почистват лесно.
Ултразвуковите апарати на Hielscher са много здрави и са конструирани за работа 24/7 при пълно натоварване, като същевременно изискват минимална поддръжка и са лесни и безопасни за работа. Цифровият цветен дисплей позволява удобно управление на ултразвуковия апарат.
Нашите системи могат да осигуряват амплитуди от ниски до много високи. За екстракция на канабиноиди и терпени предлагаме специални ултразвукови сонотроди (известни също като ултразвукови сонди или рогове), които са оптимизирани за щадящо изолиране на висококачествени активни вещества. Всички наши системи могат да се използват за екстракция и последващо емулгиране на канабиноиди. Здравата конструкция на ултразвуковите апарати на Hielscher позволява непрекъсната работа (24/7) при тежко натоварване и в тежки работни условия.

Прецизният контрол на параметрите на ултразвуковия процес осигурява възпроизводимост и стандартизация на процеса.
 

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

Литература / Източници

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Полезни факти

Как работи екстракцията с помощта на ултразвук?

Прилагането на интензивни ултразвукови вълни към течна среда води до кавитация. Явлението кавитация води локално до екстремни температури, налягания, скорости на нагряване/охлаждане, разлики в налягането и големи сили на срязване в средата. Когато кавитационните мехурчета имплодират върху повърхността на твърди тела (като частици, растителни клетки, тъкани и др.), микроструите и сблъсъците между частиците предизвикват ефекти като отслояване на повърхността, ерозия и раздробяване на частиците. Освен това имплозията на кавитационни мехурчета в течни среди създава макротурбулентност и микросмесване.
Ултразвуковото облъчване на растителен материал фрагментира матрицата на растителните клетки и подобрява тяхната хидратация. Chemat et al (2015) заключават, че ултразвуковата екстракция на биоактивни съединения от растителни суровини е резултат от различни независими или комбинирани механизми, включително фрагментация, ерозия, капилярност, разрушаване на структурата и сонопорация. Тези ефекти разрушават клетъчната стена, подобряват масопреноса чрез вкарване на разтворител в клетката и изсмукване на разтворителя, съдържащ растителни съединения, навън и осигуряват движение на течността чрез микросмесване.

Ултразвуковата екстракция се основава на акустичната кавитация и нейните хидродинамични сили на срязване

Ултразвуковото облъчване на растителен материал фрагментира матрицата на растителните клетки и подобрява тяхната хидратация. Chemat et al. (2015) заключават, че ултразвуковата екстракция на биоактивни съединения от растителни суровини е резултат от различни независими или комбинирани механизми, включително фрагментация, ерозия, капилярност, разрушаване на структурата и сонопорация. Тези ефекти разрушават клетъчната стена, подобряват масопреноса чрез вкарване на разтворител в клетката и изсмукване на разтворителя, съдържащ растителни съединения, навън и осигуряват движение на течността чрез микросмесване.
Ултразвуковата екстракция постига много бързо изолиране на съединения – превъзхождайки конвенционалните методи за екстракция с по-кратко време на процеса, по-висок добив и по-ниски температури. Като щадяща механична обработка, екстракцията с помощта на ултразвук избягва термичното разграждане на биоактивните компоненти и превъзхожда други техники, като конвенционална екстракция с разтворител, хидродестилация или екстракция по Сокслет, за които е известно, че разрушават чувствителните към топлина молекули. Поради тези предимства ултразвуковата екстракция е предпочитаната техника за освобождаване на чувствителни към температурата биоактивни съединения от растителни суровини.

Ултразвукова екстракция от растителни клетки: микроскопският напречен срез (TS) показва механизма на действие при ултразвукова екстракция от клетки (увеличение 2000x) [източник: Vilkhu et al. 2011]

Антоцианин – ценен растителен пигмент

Антоцианините са вакуолни растителни пигменти, които могат да бъдат червени, лилави, сини или черни. Цветовото проявление на водоразтворимите антоцианинови пигменти зависи от стойността на pH. Антоцианините се намират в клетъчната вакуола, предимно в цветовете и плодовете, но също и в листата, стъблата и корените, където се срещат главно във външните клетъчни слоеве, като епидермиса и периферните мезофилни клетки.
Най-често срещани в природата са гликозидите на цианидин, делфинидин, малвидин, пеларгонидин, пеонидин и петунидин.
Характерни примери за растения, богати на антоцианини, включват видове от род Vaccinium, като култивирана боровинка, червена боровинка и черна боровинка; плодове от род Rubus, включително черна малина, червена малина и къпина; касис, череша, патладжан, черен ориз, убе, окинавски сладък картоф, грозде Concord, мускадиново грозде, червено зеле и венчелистчета на теменужки. Прасковите и ябълките с червена месеста част съдържат антоцианини. Антоцианините са по-малко разпространени в бананите, аспержите, граха, резенето, крушите и картофите и могат напълно да липсват в определени сортове зелено цариградско грозде.

Структура на основните антоцианини

Антоцианините са отлична алтернатива за замяна на синтетичните оцветители в хранителните продукти. Антоцианините са одобрени за употреба като хранителни оцветители в Европейския съюз, Австралия и Нова Зеландия с код на оцветителя E163. Антоцианините се срещат в плодовете и зеленчуците и могат да бъдат описани като вид водоразтворими растителни пигменти. От химична гледна точка антоцианините са гликозиди на антоцианидините, основани на структурата 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Има повече от 200 различни фитохимични съединения, които попадат в категорията на антоцианините. Като основен цветен пигмент в дивите плодове, включително дребните плодове, антоцианините могат да бъдат извлечени от много източници. Важен източник на антоцианини е ципата на гроздето. Антоцианиновите пигменти в гроздовата ципа се състоят главно от диглюкозиди, моноглюкозид, ацилирани моноглюкозиди, както и ацилирани диглюкозиди на пеонидин, малвидин, цианидин, петунидин и делфинидин. Съдържанието на антоцианини в гроздето варира от 30–750mg/100g.
Най-значимите антоцианини са цианидин, делфинидин, пеларгонидин, пеонидин, малвидин и петунидин.
Например антоцианините peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside и cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside се срещат в лилавите сладки картофи.

Антоцианини – ползи за здравето

Освен заради отличната им способност да действат като естествен хранителен оцветител, антоцианините са високо ценени заради антиоксидантните си ефекти. Поради това антоцианините проявяват много положителни ефекти върху здравето. Изследванията показват, че антоцианините могат да потискат увреждането на ДНК в раковите клетки, да инхибират храносмилателни ензими, да предизвикват производство на инсулин в изолирани панкреатични клетки, да намаляват възпалителните реакции, да предпазват от свързания с възрастта спад на мозъчната функция, да подобряват непропускливостта на капилярните кръвоносни съдове и да предотвратяват агрегацията на тромбоцитите.