Ултразвук за подобряване на разрушаването и извличането на клетките на водораслите

Водораслите, макро- и микроводораслите, съдържат много ценни съединения, които се използват като хранителни храни, хранителни добавки или като гориво или гориво. За да се освободят целевите вещества от клетката на водораслите, е необходима мощна и ефективна техника за разрушаване на клетките. Ултразвуковите екстрактори са високоефективни и надеждни, когато става въпрос за извличане на биоактивни съединения от растения, водорасли и гъбички. Налични в лабораторен, настолен и промишлен мащаб, ултразвуковите екстрактори на Hielscher са създадени в производството на екстракти от клетки в производството на храни, фармацевтика и биогорива.

Водораслите като ценен ресурс за хранене и гориво

Клетките на водораслите са универсален източник на биоактивни и богати на енергия съединения, като протеини, въглехидрати, липиди и други биоактивни вещества, както и алкани. Това прави водораслите източник на храна и хранителни съединения, както и за горива.
Микроводораслите са ценен източник на липиди, които се използват за хранене и като суровина за биогорива (напр. биодизел). Щамовете на морския фитопланктон Dicrateria, като Dicrateria rotunda, са известни като петролни водорасли, които могат да синтезират серия от наситени въглеводороди (n-алкани) от C₁₀H₂₂ до C₃₈H₇₈, които се категоризират като бензинови (C10–C15), дизелови масла (C16–C20) и мазути (C21–C38).
Поради хранителната си стойност водораслите се използват като “функционални храни” или “хранителни добавки”. Важни микроелементи, извлечени от водорасли, включват каротеноидите астаксантин, фукоксантин и зеаксантин, фукоидан, ламинари и други глюкани, както и много други биоактивни вещества, които се използват като хранителни добавки и фармацевтични продукти. Карагенанът, алгинатът и други хидроколоиди се използват като хранителни добавки. Липидите от водораслите се използват като вегетариански източник на омега-3, а също и като гориво или суровина за производство на биодизел.

Разрушаване на клетки от водорасли и екстракция чрез мощен ултразвук

Ултразвуковите екстрактори или просто ултразвуковите апарати се използват за извличане на ценни съединения от малки проби в лабораторията, както и за производство в голям търговски мащаб.
Клетките на водораслите са защитени от сложни матрици на клетъчната стена, които са съставени от липиди, целулоза, протеини, гликопротеини и полизахариди. Основата на повечето клетъчни стени на водораслите е изградена от микрофибриларна мрежа в гелообразна протеинова матрица; Въпреки това, някои микроводорасли са оборудвани с неорганична твърда стена, съставена от опалин силициев диоксид или калциев карбонат. За да се получат биоактивни съединения от биомасата на водораслите, е необходима ефективна техника за разрушаване на клетките. Освен технологичните фактори на екстракция (т.е. метод и оборудване за екстракция), ефективността на разрушаването и екстракцията на клетките на водораслите също е силно повлияна от различни фактори, зависими от водораслите, като състав на клетъчната стена, местоположение на желаната биомолекула в клетките на микроводораслите и етап на растеж на микроводораслите по време на прибиране на реколтата.

Как работи ултразвуковото разрушаване и извличане на клетки от водорасли?

Когато ултразвуковите вълни с висок интензитет се свързват чрез ултразвукова сонда (известна също като ултразвуков рог или сонотрод) в течност или каша, звуковите вълни преминават през течността и по този начин създават редуващи се цикли с високо / ниско налягане. По време на тези цикли с високо / ниско налягане се появяват малки вакуумни мехурчета или кухини. Кавитационни мехурчета се появяват, когато локалното налягане падне по време на циклите на ниско налягане достатъчно под налягането на наситените пари, стойност, дадена от якостта на опън на течността при определена температура. Тези, които растат в продължение на няколко цикъла. Когато тези вакуумни мехурчета достигнат размер, при който не могат да абсорбират повече енергия, мехурчето се взривява силно по време на цикъл на високо налягане. Имплозията на кавитационните мехурчета е насилствен, енергиен процес, който генерира интензивни ударни вълни, турбуленции и микроструи във флуида. Освен това се създават локализирани много високи налягания и много високи температури. Тези екстремни условия лесно могат да разрушат клетъчните стени и мембрани и да освободят вътреклетъчни съединения по ефективен, ефикасен и бърз начин. По този начин вътреклетъчните съединения като протеини, полизахариди, липиди, витамини, минерали и антиоксиданти могат ефективно да се извличат с помощта на мощен ултразвук.

Ултразвукова кавитация за клетъчно разрушаване и екстракция

Когато е изложена на интензивна ултразвукова енергия, стената или мембраната на всякакъв вид клетка (включително ботаническа, бозайна, водорасли, гъбични, бактериална и т.н.) се нарушава и клетката се разкъсва на по-малки фрагменти от механичните сили на енергийно плътна ултразвукова кавитация. Когато клетъчната стена е нарушена, клетъчните метаболити като протеин, липид, нуклеинова киселина и хлорофил се освобождават от матрицата на клетъчната стена, както и от вътрешността на клетката и се прехвърлят в околната среда за култура или разтворител.
Описаният по-горе механизъм на ултразвукова/акустична кавитация нарушава силно цели клетки от водорасли или газови и течни вакуоли в клетките. Ултразвуковата кавитация, вибрациите, турбуленциите и микропотокът насърчават преноса на маса между вътрешността на клетката и околния разтворител, така че биомолекулите (т.е. метаболитите) да бъдат ефективни и бързо освободени. Тъй като ултразвукът е чисто механична обработка, която не изисква агресивни, токсични и/или скъпи химикали.
Високоинтензивният, нискочестотен ултразвук създава екстремни енергийно плътни условия, включващи високо налягане, температури и високи сили на срязване. Тези физически сили насърчават разрушаването на клетъчните структури, за да се освободят вътреклетъчни съединения в средата. Следователно нискочестотният ултразвук се използва до голяма степен за извличане на биоактивни вещества и горива от водорасли. В сравнение с конвенционалните методи за екстракция като екстракция с разтворител, смилане на мъниста или хомогенизация под високо налягане, ултразвуковата екстракция се отличава чрез освобождаване на повечето от биоактивните съединения (като липиди, протеини, полизахариди и микроелементи) от сонопорираната и нарушена клетка. Прилагайки правилните условия на процеса, ултразвуковата екстракция осигурява превъзходни добиви за много кратка продължителност на процеса. Например, високоефективните ултразвукови екстрактори показват отлична ефективност на екстракция от водорасли, когато се използват с подходящ разтворител. В кисела или алкална среда клетъчната стена на водораслите става пореста и набръчкана, което води до повишен добив при ниска температура (под 60°C) за кратко време на ултразвук (по-малко от 3 часа). Кратката продължителност на екстракция при меки температури предотвратява разграждането на фукоидана, така че се получава високобиоактивен полизахарид.
Ултразвукът също е метод за трансформиране на фукоидан с високо молекулно тегло във фукоидан с ниско молекулно тегло, който е значително по-биоактивен поради разклонената си структура. Със своята висока биоактивност и биодостъпност, фукоиданът с ниско молекулно тегло е интересно съединение за фармацевтичните продукти и системите за доставяне на лекарства.

Казуси: Ултразвукова екстракция на съединения от водорасли

Ефективността на ултразвуковата екстракция и оптимизирането на параметрите на ултразвуковата екстракция са широко проучени. По-долу можете да намерите примерни резултати за резултатите от екстракцията чрез ултразвук от различни видове водорасли.

Извличане на протеин от спирулина с помощта на мано-термо-соникация

Изследователската група на професор Чемат (Университет в Авиньон) изследва ефектите на мантермосоникацията (MTS) върху екстракцията на протеини (като фикоцианин) от сухи цианобактерии Arthrospira platensis (известни също като спирулина). Мано-термо-соникацията (MTS) е прилагането на ултразвук, комбиниран с повишени налягания и температури, за да се засили процесът на ултразвукова екстракция.
“Според експерименталните резултати MTS насърчава масовия трансфер (висока ефективна дифузия, De) и позволява да се получат 229% повече протеини (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) в сравнение с конвенционалния процес без ултразвук (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). С 28,42 g протеини на 100 g суха биомаса от спирулина в екстракта, степента на възстановяване на протеините от 50% е постигната за 6 ефективни минути с непрекъснат процес MTS. Микроскопските наблюдения показаха, че акустичната кавитация е въздействала върху нишките на спирулина чрез различни механизми, като фрагментация, сонопорация, детекстурация. Тези различни явления улесняват извличането, освобождаването и разтварянето на биоактивните съединения на спирулина.” [Vernès et al., 2019]

Оптични микроскопски изображения на цели филаменти на спирулина, подложени на MTS обработка с течение на времето. Мащабна лента (снимка A) = 50 μm за всички снимки.
Снимка и проучване: ©Vernès et al. 2019

Ултразвукова екстракция на фукоидан и глюкан от Laminaria digitata

Изследователската група TEAGASC на д-р Тивари изследва извличането на полизахариди, т.е. фукоидан, ламинарин и общи глюкани, от макроводораслите Laminaria digitata, използвайки Ултразвуков уред UIP500hdT. Изследваните параметри на ултразвукова екстракция (UAE) показват значително влияние върху нивата на фукоза, FRAP и DPPH. Нива от 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM тролокс/mg fde и 11,02% са получени съответно за фукоза, общи глюкани, FRAP и DPPH при оптимизирани условия на температура (76◦C), време (10 min) и ултразвукова амплитуда (100%), като се използва 0,1 M HCl като разтворител. Описаните условия на ОАЕ след това са приложени успешно към други икономически значими кафяви макроводорасли (L. hyperborea и A. nodosum) за получаване на богати на полизахариди екстракти. Това проучване демонстрира приложимостта на ОАЕ за подобряване на извличането на биоактивни полизахариди от различни видове макроводорасли.

Ултразвукова фитохимична екстракция от F. vesiculosus и P. canaliculata

Изследователският екип на García-Vaquero сравни различни нови техники за екстракция, включително високоефективна ултразвукова екстракция, ултразвукова екстракция, микровълнова екстракция, хидротермална екстракция и екстракция с високо налягане, за да оцени ефективността на екстракция от кафявите видове микроводорасли Fucus vesiculosus и Pelvetia canaliculata. За ултразвук те използваха Ултразвуков екстрактор Hielscher UIP500hdT. Анилзисът на добивите на екстракция показа, че ултразвуковата екстракция постига най-високи добиви от повечето фитохимикали и от двата F. vesiculosus. Това означава, че най-високите добиви на съединения, извлечени от F. vesiculosus с помощта на ултразвуков екстрактор UIP500hdT са: общо фенолно съдържание (445,0 ± 4,6 mg еквиваленти на галова киселина/g), общо съдържание на флоротанин (362,9 ± 3,7 mg еквиваленти на флороглюцинолов/g), общо съдържание на флавоноиди (286,3 ± 7,8 mg еквиваленти на кверцетин/g) и общо съдържание на танин (189,1 ± 4,4 mg катехинови еквиваленти/g).
В своето изследване екипът стига до заключението, че използването на ултразвуково асистирана екстракция “в комбинация с 50% етанолов разтвор като екстракционен разтворител може да бъде обещаваща стратегия, насочена към извличане на TPC, TPhC, TFC и TTC, като същевременно се намалява съвместното извличане на нежелани въглехидрати както от F. vesiculosus, така и от P. canaliculata, с обещаващи приложения при използването на тези съединения като фармацевтични, нутрацевтични и козметични продукти.” [García-Vaquero et al., 2021]

Мащабиране на мано-термоултразвука в Университета в Авиньон с помощта на ултразвукораздвижители на Hielscher: от лабораторно оборудване UIP1000hdT А) за пилотно оборудване UIP4000hdT (Б, В & D). На снимка D е схематизиран напречен участък на ултразвуковата проточна клетка FC100K.
Снимка и проучване: ©Vernès et al. 2019

Високоефективни ултразвукови екстрактори за разрушаване на водорасли

Най-съвременното ултразвуково оборудване на Hielscher позволява пълен контрол върху параметрите на процеса като амплитуда, температура, налягане и входяща енергия.
За ултразвукова екстракция параметри като размер на частиците на суровината, тип разтворител, съотношение твърдо вещество към разтворител и време за екстракция могат да бъдат променяни и оптимизирани за най-добри резултати.
Тъй като ултразвуковата екстракция е метод на нетермична екстракция, се избягва термичното разграждане на биоактивните съставки, присъстващи в суровината, като водорасли.
Като цяло предимства като висок добив, кратко време за екстракция, ниска температура на екстракция и малки количества разтворител правят ултразвука превъзходен метод за екстракция.

Ултразвукова екстракция: Установена в лабораторията и индустрията

Ултразвуковата екстракция се прилага широко за извличане на всякакъв вид биоактивни съединения от растения, водорасли, бактерии и клетки на бозайници. Ултразвуковата екстракция е установена като проста, рентабилна и високоефективна, която превъзхожда другите традиционни техники за екстракция с по-високи добиви и по-кратка продължителност на обработката.
С лесно достъпни лабораторни, настолни и напълно индустриални ултразвукови системи, ултразвуковата екстракция в днешно време е утвърдена и надеждна технология. Ултразвуковите екстрактори на Hielscher се инсталират по целия свят в промишлени преработвателни съоръжения, които произвеждат хранителни и фармацевтични биоактивни съединения.

Стандартизация на процеса с Hielscher Ultrasonics

Екстрактите от водорасли, които се използват в храни, фармацевтични продукти или козметика, трябва да се произвеждат в съответствие с добрите производствени практики (ДПП) и при стандартизирани спецификации за обработка. Hielscher Ultrasonics’ цифровите системи за екстракция са снабдени с интелигентен софтуер, който улеснява прецизното настройване и управление на процеса на сониране. Автоматичното записване на данни записва всички параметри на ултразвуковия процес, като ултразвукова енергия (обща и нетна енергия), амплитуда, температура, налягане (когато са монтирани сензори за температура и налягане) с дата и час на вградената SD-карта. Това ви позволява да ревизирате всяка ултразвуково обработена партида. Същевременно се осигурява възпроизводимост и постоянно високо качество на продукта.

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