Ultrazvučna ekstrakcija algi za dodatke prehrani
Ultrazvučna ekstrakcija je vrhunska metoda za učinkovitu i brzu razgradnju ćelija algi. Ultrazvučna obrada (sonikacija) može osloboditi cjelokupnu količinu bioaktivnih spojeva, zbog čega je ultrazvučna tehnika izuzetno učinkovita.
Kako ultrazvukom izdvojiti proteine, lipide i fenolne spojeve iz algi
Vrste algi i mikroalgi bogate su biološki aktivnim spojevima kao što su proteini, lipidi, karotenoidi, pigmenti (npr. fikocijanini, astaksantin itd.), fenolni spojevi i polisaharidi (npr. karagenani). Zbog toga su one naširoko korišten prirodni materijal za proizvodnju ekstrakata za hranu i dodatke prehrani. Vrste algi koje se najčešće koriste za dodatke prehrani su Arthrospira maxima i (poznata i kao spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis i Ulva spp. Poznato je da su alge dobar izvor visokokvalitetnih proteina, lipida, dugolančanih PUFA (tj. omega-3), polisaharida (npr. alginata, karagenana, β-glukana), vitamina i antioksidansa.
Spirulina je često korištena vrsta algi bogata visokovrijednim bioaktivnim spojevima kao što su proteini (s 50–70% suhe tvari). Budući da je spirulina odobrena od FDA (američke Uprave za hranu i lijekove) kao GRAS (općepriznata kao sigurna), spirulina i ekstrakti spiruline mogu se koristiti u komercijalnoj hrani ili kao dodaci prehrani.
Prednosti ultrazvučne ekstrakcije algi
Ultrazvučna ekstrakcija nadmašuje alternativne metode ekstrakcije u mnogim aspektima, kao što su visok prinos, pouzdanost, sigurnost, jednostavnost i ekološka prihvatljivost.
Potpun prinos ekstrakcije
Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji razbijaju ćelije algi i razgrađuju ih kako bi se oslobodio unutarćelijski materijal. Ultrazvučna ekstrakcija pritom oslobađa cijeli spektar bioaktivnih spojeva, kao što su fikobiliproteini, karotenoidi, lipidi i fenolni spojevi.
Fikobiliproteini se mogu podijeliti u tri glavne skupine, a to su chloro-fikocijanini, alofikocijanini i fikoeritrini. C-fikocijanin je prirodni plavi pigment koji se široko koristi u prehrambenim i farmaceutskim proizvodima. Ultrazvučna ekstrakcija oslobađa cijeli spektar proteina.
SonoStation – ultrazvučni sistem s 2 ultrazvučna uređaja od po 2 kW, miješalicom s posudom i pumpom – korisnički je prihvatljiv sistem za ekstrakciju.
Visoka učinkovitost ekstrakcije
Duangsee i sar. (2009) testirali su dvije različite metode ekstrakcije (ekstrakciju otapalom uz pomoć ultrazvuka i ekstrakciju ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanjem) bioaktivnih spojeva iz biomase Arthospira te su utvrdili da je ultrazvučna ekstrakcija otapalom rezultirala većom učinkovitošću ekstrakcije (22,1%) nego zamrzavanje i odmrzavanje (15,6%). Poređenje razaranja ćelija ultrazvučnom obradom i ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanjem pokazuje da je ultrazvučna obrada učinkovitija. Ultrazvučna kavitacija brzo i učinkovito razgrađuje ćelije algi, što rezultira većom razgradnjom ćelija u poređenju s ćelijama spiruline tretiranim ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanjem.
Ultrazvučna obrada bila je učinkovitija u razbijanju ćelijske ovojnice u poređenju s ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanjem. Prinos ekstrakcije fikocijanina pokazao je da temperatura obrade utječe na učinkovitost ekstrakcije.
Brz proces ekstrakcije
Visokoučinkoviti ultrazvučni sistemi mogu putem visokih amplituda unijeti veliku snagu ultrazvuka u suspenziju algi. Zbog toga je ultrazvučna ekstrakcija vrlo brza metoda obrade.
Kontrola temperature
Ultrazvučna obrada je netermička, isključivo mehanička tehnika ekstrakcije. Temperatura ekstrakcije može se precizno kontrolirati pomoću priključivog temperaturnog senzora koji je spojen na digitalni ultrazvučni uređaj Hielscher. Softver digitalnih ultrazvučnih uređaja Hielscher omogućuje postavljanje temperaturnih granica, tako da ultrazvučni homogenizator pravi pauzu kada se dosegne granična temperatura. Precizna kontrola temperature omogućuje sprječavanje termičke razgradnje materijala osjetljivih na toplinu, kao što su fikobiliproteini, vitamini, polifenoli, polisaharidi, lipidi i drugi bioaktivni spojevi.
Kompatibilnost s raznim otapalima
Ultrazvučna obrada je kompatibilna s gotovo svakim otapalom. Ultrazvučna ekstrakcija u kombinaciji sa zelenim otapalima kao što su voda ili etanol daje čiste ekstrakte. Ovi ultrazvučni ekstrakti mogu se sigurno ugraditi u hranu jer otapala za ekstrakciju, etanol i voda, imaju GRAS (općepriznato kao sigurno) status.
Ponovljivost i standardizacija procesa
Digitalni ultrazvučni uređaji Hielscher isporučuju se s inteligentnim softverom i razrađenim izborom postavki za idealne parametre ekstrakcije. Softver bilježi sve ultrazvučne procesne parametre (npr. amplitudu, neto snagu, ukupnu snagu, temperaturu, pritisak, vrijeme, datum) i upisuje podatke o ultrazvučnoj obradi u CSV datoteku na ugrađenoj SD kartici. To vam omogućuje da standardizirate proces ekstrakcije te da pomno pratite ultrazvučnu obradu i kvalitet rezultata. Ove funkcije pomažu u ispunjavanju zahtjeva za standardizacijom procesa kao i dobre proizvođačke prakse (GMP), što je oboje vrlo važno kada se ekstrakti proizvode za dodatke prehrani, hranu ili farmaceutske proizvode.
Protokol ultrazvučne ekstrakcije fikocijanina
Mazumder i sar. (2017) istražili su optimalne parametre obrade za ultrazvučnu ekstrakciju fikocijanina i fenolnih spojeva iz Arthospira platensis. Maksimalni prinos fikocijanina (29,9 mg/g) i ukupnih fenola (2,4 mg/g) postignut je pri koncentraciji etanola od 40%, temperaturi ekstrakcije od 34,9°C, korištenjem ultrazvučnog uređaja UP50H (50 watts, 30kHz) pri amplitudi od 95% u trajanju ekstrakcije od 104,7 sec.
Vernès i sar. (2019) koristili su ultrazvučni uređaj UIP1000hdT (1000W, 20kHz) za ekstrakciju proteina iz spiruline. Ultrazvučni uređaj bio je opremljen sonotrodom BS2d34 i ultrazvučnim protočnim reaktorom (pogledajte sliku ispod za tačan postav ultrazvučne ekstrakcije s protočnom ćelijom i pumpom Seepex).
UIP1000hdT – postav za manotermosonikaciju (MTS) i naša ekstrakcija proteina iz spiruline u laboratorijskom mjerilu
izvor: Vernes et al. 2019
Rezultati istraživanja pokazuju da uvjeti ultrazvučne ekstrakcije optimizirani za prinos proteina uključuju neznatno povišenu temperaturu i pritisak (tzv. manotermosonikacija MTS). MTS potiče prijenos mase i omogućuje dobivanje 229% više proteina (28,42 ± 1,15 g/100 g suhe tvari) nego konvencionalni proces bez ultrazvuka (8,63 ± 1,15 g/100 g suhe tvari).
Sa 28,42 g proteina dobivenih na 100 g suhe biomase spiruline u ekstraktu postignuta je stopa iskorištenja proteina od 50% za samo 6 minuta u kontinuiranom procesu ultrazvučne obrade. Mikroskopsko snimanje otkriva da akustična kavitacija djeluje na filamente spiruline različitim mehanizmima, kao što su fragmentacija, sonoporacija i detekstuacija. Ovi različiti učinci olakšavaju i čine učinkovitijim ekstrakciju, oslobađanje i solubilizaciju bioaktivnih spojeva spiruline, što rezultira visokim prinosom proteina visokog kvaliteta.
Što se tiče kvaliteta ultrazvučno ekstrahiranih proteina, aminokiseline nisu razgrađene ultrazvučnim tretmanom, ali su u slučaju ultrazvučne obrade prisutne u većoj količini u poređenju s konvencionalnom ekstrakcijom.
Kada se uporede manotermosonikacija i ultrazvučna ekstrakcija bez povišenog pritiska i temperature, razlika u prinosu i učinkovitosti ekstrakcije je samo minimalna. Stoga se smatra da je sam ultrazvuk najekonomičnija i najjednostavnija tehnika za dobivanje visokokvalitetnog ekstrakta bogatog proteinima spiruline. Ultrazvučna ekstrakcija je zelena, ekološki prihvatljiva tehnika ekstrakcije pogodna za ekstrakciju proteina iz spiruline u laboratorijskom mjerilu, koja se može lako povećati na pilot i industrijsko mjerilo. (usp. Vernès et al. 2019)
UP400St za ultrazvučnu ekstrakciju algi u šarži od 8 L
Visokoučinkoviti ultrazvučni ekstraktori
Svi rezultati ekstrakcije postignuti u malom mjerilu mogu se linearno povećati na veće proizvodne kapacitete. Veliki proizvodni program kompanije Hielscher Ultrasonics, od laboratorijskih do industrijskih sistema za ekstrakciju, ima najprikladniji ultrazvučni uređaj za vaš planirani kapacitet procesa. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testova izvodljivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sistema na nivou konačne proizvodnje.
Hielscher Ultrasonics – sofisticirana oprema za ekstrakciju
Proizvodni program Hielscher Ultrasonics obuhvata cijeli spektar visokoučinkovitih ultrazvučnih ekstraktora od malog do velikog mjerila. Dodatni pribor omogućuje jednostavno sastavljanje najprikladnije konfiguracije ultrazvučnog uređaja za vaš proces. Optimalni ultrazvučni postav ovisi o planiranom kapacitetu, zapremini, sirovini, šaržnom ili inline procesu i vremenskom okviru. Robusnost ultrazvučne opreme Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima. Linearna skalabilnost procesa ultrazvučne ekstrakcije omogućuje jednostavno i pouzdano povećanje proizvodnje. Saznajte više o linearnom povećanju mjerila procesa ultrazvučne ekstrakcije!
Birajte između raznog pribora, kao što su:
- sonotrode različitih veličina, promjera i oblika
- sonotrode za visoke amplitude od 200µm i više
- reaktori s protočnom ćelijom različitih zapremina i geometrija
- brojni booster rogovi za povećanje ili smanjenje pojačanja
- kompletni postavi za ultrazvučnu obradu kao što je SonoStation, koji uključuju ultrazvučni ekstraktor, posudu, miješalicu i pumpu
- priključivi temperaturni senzori
- priključivi senzori pritiska
Naše dobro obučeno, dugogodišnje iskusno osoblje savjetovat će vas i preporučiti vam najprikladniji ultrazvučni sistem za zahtjeve vašeg procesa ekstrakcije!
Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Zapremina šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Visokosnažni ultrazvučni homogenizatori od laboratorijskog do pilot i industrijskog mjerila.
Literatura / reference
- Anupriya Mazumder; P. Prabuthas; Hari Niwas Mishra (2017): Optimization of ultrasound-assisted solvent extraction of phycocyanin and phenolics from Arthospira platensis var. ‘lonor’ biomass. Nutrafoods (2017) 16:231-239.
- Vernès L., Abert-Vian M., El Maâtaoui M., Tao Y., Bornard I., Chemat F. (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019. 48-60.
- Merlyn Sujatha Rajakumar and Karuppan Muthukumar (2018): Influence of pre-soaking conditions on ultrasonic extraction of Spirulina platensis proteins and its recovery using aqueous biphasic system. Separation Science and Technology 2018.
- Smriti Kana Pyne, Paramita Bhattacharjee, Prem Prakash Srivastav (2020): Process optimization of ultrasonication-assisted extraction to obtain antioxidant-rich extract from Spirulina platensis. Sustainability, Agri, Food and Environmental Research 8(4), 2020.
- Zhou, Jianjun; Min Wang, Francisco J. Barba, Zhenzhou Zhu, Nabil Grimi (2023):
A combined ultrasound + membrane ultrafiltration (USN-UF) process for enhancing saccharides separation from Spirulina (Arthrospira platensis). Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 85, 2023. - Rachen Duangsee, Natapas Phoopat, Suwayd Ningsanond (2009): Phycocyanin extraction from Spirulina platensis and extract stability under various pH and temperature. Asian Journal of Food and Agro-Industry 2009, 2(04), 819-826.
Vrijedno znanja
Šta je spirulina?
Spirulina, koja je prokariotska bakterija, bogata je pigmentima kao što su karotenoidi, hlorofil i fikocijanin. Karotenoidi (npr. β-karoten, narandžasto-žuti pigment), hlorofil i fikocijanin nalaze se u udjelu od 0,4, 1,0 odnosno 14% suhe tvari. Fikocijanin je plavozeleni protein, tzv. biliprotein, koji se nalazi u fotosintetskim lamelama u citoplazmatskoj membrani cijanobakterija.
Koristi se kao aditiv za hranu i bojilo za hranu, dodatak prehrani te u imunodijagnostičkim primjenama.
Kako se ultrazvučna obrada koristi u preradi algi?
Ultrazvučna obrada olakšava žetvu algi poticanjem sedimentacije. Ultrazvučnom obradom biomase algi razgrađuju se i prazne plinski vakuoli unutar ćelije alge, koji potiču plutanje algi. S degaziranim vakuolama ćelije algi se talože na dno, što olakšava koncentriranje i odvajanje biomase algi. Saznajte više o ultrazvučnoj žetvi algi!
U narednom koraku procesa ultrazvučna obrada je uhodana i vrlo učinkovita tehnika za ekstrakciju hranjivih i bioaktivnih spojeva iz algi. Saznajte više o ultrazvučnoj ekstrakciji algi!