Ултразвукова обработка за подобряване на разрушаването на клетките на водораслите и екстракцията

Водораслите, както макроводораслите, така и микроводораслите, съдържат много ценни съединения, които се използват като питателни храни, хранителни добавки или като гориво или суровина за гориво. За освобождаване на целевите вещества от клетката на водораслото е необходим мощен и ефективен метод за разрушаване на клетките. Ултразвуковите екстрактори са високоефективни и надеждни при извличането на биоактивни съединения от растителни материали, водорасли и гъби. Предлагани в лабораторен, настолен и промишлен мащаб, ултразвуковите екстрактори на Hielscher са утвърдени в производството на екстракти от клетки за хранителната и фармацевтичната промишленост и производството на биогорива.

Водораслите като ценен ресурс за хранене и гориво

Клетките на водораслите са многостранен 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 на горива.
Микроводораслите са ценен източник на липиди, които се използват за хранене и като суровина за биогорива (напр. биодизел). Щамове на морския фитопланктон Dicrateria, като Dicrateria rotunda, са известни като водорасли, произвеждащи бензин, които могат да синтезират серия от наситени въглеводороди (n-алкани) от C₁₀H₂₂ до C₃₈H₇₈, които се категоризират като бензин (C10–C15), дизелови горива (C16–C20) и котелни горива (C21–C38).
Поради хранителната си стойност водораслите се използват като „функционални храни“ или „нутрацевтици“. Важните микронутриенти, извличани от водораслите, включват каротеноидите астаксантин, фукоксантин и зеаксантин, фукоидан, laminari и други глюкани, които наред с множество други биоактивни вещества се използват като хранителни добавки и фармацевтични продукти. Карагенанът, алгинатът и други хидроколоиди се използват като добавки в храните. Липидите от водорасли се използват като вегански източник на омега-3, а също и като гориво или суровина за производство на биодизел.

Разрушаване на клетките на водораслите и екстракция чрез мощен ултразвук

Ултразвуковите екстрактори, или просто ултразвуковите устройства, се използват за извличане на ценни съединения от малки проби в лабораторията, както и за производство в голям промишлен мащаб.
Клетките на водораслите са защитени от сложни матрици на клетъчните стени, съставени от липиди, целулоза, протеини, гликопротеини и полизахариди. Основата на повечето клетъчни стени на водораслите е изградена от микрофибрилна мрежа в гелообразна протеинова матрица; някои микроводорасли обаче имат твърда неорганична стена, съставена от фрустули от опалинен силициев диоксид или калциев карбонат. За получаване на биоактивни съединения от биомаса от водорасли е необходим ефективен метод за разрушаване на клетките. Освен технологичните фактори на екстракцията (т.е. метода на екстракция и оборудването), ефективността на разрушаването на клетките на водораслите и екстракцията се влияе силно и от различни фактори, зависещи от водораслите, като състава на клетъчната стена, местоположението на желаната биомолекула в клетките на микроводораслите и стадия на растеж на микроводораслите при събирането им.

Как протичат ултразвуковото разрушаване на клетките на водораслите и екстракцията?

Когато ултразвукови вълни с висок интензитет се предават чрез ултразвукова сонда (известна също като ултразвуков рог или сонотрод) в течност или суспензия, звуковите вълни преминават през течността и създават редуващи се цикли на високо налягане / ниско налягане. По време на тези цикли на високо налягане / ниско налягане възникват миниатюрни вакуумни мехурчета или кухини. Кавитационни мехурчета се образуват, когато по време на циклите на ниско налягане локалното налягане спадне достатъчно под налягането на наситените пари – стойност, определена от якостта на опън на течността при дадена температура. Те нарастват в продължение на няколко цикъла. Когато тези вакуумни мехурчета достигнат размер, при който не могат да поглъщат повече енергия, мехурчето имплодира бурно по време на цикъл на високо налягане. Имплозията на кавитационните мехурчета е бурен процес с висока плътност на енергията, който генерира силни ударни вълни, турбулентност и микроструи в течността. Освен това локално се създават много високи налягания и много високи температури. Тези екстремни условия могат лесно да разрушат клетъчните стени и мембрани и да освободят вътреклетъчните съединения по ефективен, резултатен и бърз начин. Така вътреклетъчни съединения като протеини, полизахариди, липиди, витамини, минерали и антиоксиданти могат да бъдат ефективно извлечени чрез мощен ултразвук.

Ултразвукова кавитация за разрушаване на клетките и екстракция

При излагане на интензивна ултразвукова енергия стената или мембраната на всеки вид клетка (включително растителна, на бозайник, на водорасло, гъбична, бактериална и др.) се разрушава и клетката се разкъсва на по-малки фрагменти от механичните сили на ултразвуковата кавитация с висока плътност на енергията. Когато клетъчната стена се разруши, клетъчните метаболити като протеини, липиди, нуклеинови киселини и хлорофил се освобождават както от матрицата на клетъчната стена, така и от вътрешността на клетката и преминават в околната хранителна среда или разтворител.
Описаният по-горе механизъм на ултразвукова / акустична кавитация силно разрушава цели клетки на водорасли или газови и течни вакуоли в клетките. Ултразвуковата кавитация, вибрациите, турбулентността и микропотоците подпомагат масопреноса между вътрешността на клетката и околния разтворител, така че биомолекулите (т.е. метаболитите) се освобождават ефективно и бързо. Ултразвуковата обработка е изцяло механична обработка, която не изисква агресивни, токсични и/или скъпи химикали.
Високоинтензивният нискочестотен ултразвук създава екстремни условия с висока плътност на енергията, характеризиращи се с високи налягания, температури и големи сили на срязване. Тези физични сили подпомагат разрушаването на клетъчните структури, за да се освободят вътреклетъчните съединения в средата. Поради това нискочестотният ултразвук се използва широко за извличане на биоактивни вещества и горива от водорасли. В сравнение с конвенционални методи за екстракция като екстракция с разтворител, смилане в мелница с микросфери или хомогенизация под високо налягане, ултразвуковата екстракция се отличава с освобождаването на повечето биоактивни съединения (като липиди, протеини, полизахариди и микронутриенти) от клетката, в която са образувани пори чрез ултразвук и която е разрушена. При прилагане на подходящите технологични условия ултразвуковата екстракция осигурява по-високи добиви за много кратко време на обработка. Например високопроизводителните ултразвукови екстрактори показват отлични резултати при екстракция от водорасли, когато се използват с подходящ разтворител. В кисела или алкална среда клетъчната стена на водораслите става пореста и нагъната, което води до повишени добиви при ниска температура (под 60°C) и кратко време на ултразвукова обработка (по-малко от 3 часа). Кратката продължителност на екстракцията при умерени температури предотвратява разграждането на фукоидана, така че се получава полизахарид с висока биоактивност.
Ултразвуковата обработка е и метод за превръщане на високомолекулен фукоидан в нискомолекулен фукоидан, който е значително по-биоактивен поради структурата си с отстранени разклонения. С високата си биоактивност и биодостъпност нискомолекулният фукоидан представлява интерес за фармацевтични продукти и системи за доставяне на лекарства.

Примери от изследвания: ултразвукова екстракция на съединения от водорасли

Ефективността на ултразвуковата екстракция и оптимизирането на параметрите ѝ са широко изследвани. По-долу можете да намерите примерни резултати от екстракция чрез ултразвукова обработка на различни видове водорасли.

Извличане на протеини от спирулина чрез мано-термо-ултразвукова обработка

Изследователската група на проф. Chemat (Университетът в Авиньон) изследва въздействието на манотермоултразвуковата обработка (MTS) върху извличането на протеини (като фикоцианин) от сухи цианобактерии Arthrospira platensis (известни също като спирулина). Мано-термо-ултразвуковата обработка (MTS) представлява прилагане на ултразвук в съчетание с повишени налягания и температури с цел интензифициране на процеса на ултразвукова екстракция.
„Според експерименталните резултати MTS подпомага масопреноса (висок ефективен коефициент на дифузия, De) и позволява получаването на 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). При 28,42 g протеини на 100 g суха биомаса от спирулина в екстракта е постигната степен на извличане на протеините от 50% за 6 минути ефективна обработка при непрекъснат MTS процес. Микроскопските наблюдения показват, че акустичната кавитация въздейства върху нишките на спирулината чрез различни механизми, като фрагментация, сонопорация и разрушаване на текстурата. Тези различни явления улесняват екстракцията, освобождаването и солюбилизирането на биоактивните съединения на спирулината.“ [Vernès et al., 2019]

Изображения от оптична микроскопия на цели нишки на спирулина, подложени на MTS обработка във времето. Мащабната линия (изображение A) = 50 μm за всички изображения.
изображение и изследване: ©Vernès et al. 2019

Ултразвукова екстракция на фукоидан и глюкани от Laminaria digitata

Изследователската група на д-р Tiwari от TEAGASC изследва извличането на полизахариди, т.е. фукоидан, ламинарин и общи глюкани, от макроводораслото Laminaria digitata с помощта на ултразвуковото устройство UIP500hdT. Изследваните параметри на подпомаганата с ултразвук екстракция (UAE) показват значително влияние върху нивата на фукоза, FRAP и DPPH. За фукозата, общите глюкани, FRAP и DPPH са получени съответно стойности от 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde и 11,02% при оптимизирани условия на температура (76◦C), време (10 min) и ултразвукова амплитуда (100%), като за разтворител е използван 0,1 M HCl. След това описаните условия на UAE са приложени успешно към други икономически значими кафяви макроводорасли (L. hyperborea и A. nodosum) за получаване на богати на полизахариди екстракти. Това изследване демонстрира приложимостта на UAE за подобряване на извличането на биоактивни полизахариди от различни видове макроводорасли.

Ултразвукова екстракция на фитохимични съединения от F. vesiculosus и P. canaliculata

Изследователският екип на García-Vaquero сравнява различни нови методи за екстракция, включително високопроизводителна ултразвукова екстракция, ултразвуково-микровълнова екстракция, микровълнова екстракция, хидротермално подпомагана екстракция и екстракция, подпомагана от високо налягане, за да оцени ефективността на екстракцията от видовете кафяви микроводорасли Fucus vesiculosus и Pelvetia canaliculata. За ултразвуковата обработка те използват ултразвуковия екстрактор Hielscher UIP500hdT. Анализът на добивите от екстракцията показва, че ултразвуковата екстракция постига най-високите добиви на повечето фитохимични съединения и от двете F. vesiculosus. Това означава, че най-високите добиви на съединения, извлечени от F. vesiculosus с помощта на ултразвуковия екстрактор UIP500hdT, са: общо съдържание на фенолни съединения (445,0 ± 4,6 mg еквиваленти на галова киселина/g), общо съдържание на флоротанини (362,9 ± 3,7 mg еквиваленти на флороглуцинол/g), общо съдържание на флавоноиди (286,3 ± 7,8 mg еквиваленти на кверцетин/g) и общо съдържание на танини (189,1 ± 4,4 mg еквиваленти на катехин/g).
В своето изследване екипът заключава, че използването на подпомагана с ултразвук екстракция „в съчетание с 50% етанолов разтвор като разтворител за екстракция би могло да бъде обещаваща стратегия, насочена към извличането 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 продукти, нутрацевтици и козмецевтици.“ [García-Vaquero et al., 2021]

Увеличаване на мащаба на мано-термо-ултразвуковата обработка в Университета в Авиньон с помощта на ултразвукови устройства на Hielscher: от лабораторно оборудване UIP1000hdT (A) до оборудване в пилотен мащаб UIP4000hdT (B, C и D). На изображение D е представен схематично напречен разрез на ултразвуковата проточна клетка FC100K.
изображение и изследване: ©Vernès et al. 2019

Високопроизводителни ултразвукови екстрактори за разрушаване на клетките на водораслите

Съвременното ултразвуково оборудване на Hielscher позволява пълен контрол върху параметрите на процеса, като амплитуда, температура, налягане и вложена енергия.
При ултразвуковата екстракция параметри като размера на частиците на суровината, вида на разтворителя, съотношението между твърдото вещество и разтворителя и времето на екстракция могат да бъдат променяни и оптимизирани за постигане на най-добри резултати.
Тъй като ултразвуковата екстракция е нетермичен метод за екстракция, се избягва термичното разграждане на биоактивните съставки, присъстващи в суровината, например във водораслите.
Като цяло предимства като висок добив, кратко време на екстракция, ниска температура на екстракция и малки количества разтворител правят ултразвуковата обработка по-добрия метод за екстракция.

Ултразвукова екстракция: утвърдена в лабораторията и промишлеността

Ултразвуковата екстракция се прилага широко за извличане на всякакъв вид биоактивни съединения от растителни материали, водорасли, бактерии и клетки на бозайници. Ултразвуковата екстракция се е утвърдила като прост, икономически ефективен и високоефективен метод, който превъзхожда другите традиционни методи за екстракция с по-високи добиви и по-кратка продължителност на обработката.
Благодарение на леснодостъпните лабораторни, настолни и изцяло промишлени ултразвукови системи ултразвуковата екстракция днес е добре утвърдена и надеждна технология. Ултразвуковите екстрактори на Hielscher са инсталирани по целия свят в промишлени съоръжения, които произвеждат биоактивни съединения с качество за хранителни и фармацевтични приложения.

Стандартизиране 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 (GMP) и съгласно стандартизирани спецификации за обработка. Цифровите системи за екстракция на Hielscher Ultrasonics са снабдени с интелигентен софтуер, който улеснява прецизното настройване и управление на процеса на ултразвукова обработка. Автоматичното записване на данни съхранява всички параметри на ултразвуковия процес, като ултразвукова енергия (обща и нетна енергия), амплитуда, температура и налягане (когато са монтирани датчици за температура и налягане), заедно с дата и час върху вградената SD карта. Това ви позволява да проверявате всяка партида, обработена с ултразвук. Същевременно се осигуряват възпроизводимост и постоянно високо качество на продукта.

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