Ultrazvučna ekstrakcija algi za prehrambene dodatke

Ultrazvučna ekstrakcija je superiorna metoda za efikasno i brzo uništavanje ćelija algi. Sonikacija može osloboditi kompletnu količinu bioaktivnih spojeva, što ultrazvučnu tehniku čini vrlo efikasnom.

Kako ekstrahovati proteine, lipide i fenole iz algi ultrazvukom

Vrste algi i mikroalgi bogate su biološki aktivnim spojevima kao što su proteini, lipidi, karotenoidi, pigmenti (npr. fikocijanini, astaksantin itd.), fenoli i polisaharidi (npr. karagenani). To ih čini široko korištenim prirodnim materijalom za proizvodnju ekstrakata za hranu i dijetetske suplemente. Najčešće korištene vrste algi za dodatke ishrani su Arthrospira maxima i (također poznate 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 antioksidanata.
Spirulina je uobičajena vrsta algi koja je bogata visoko vrijednim bioaktivnim spojevima kao što su proteini (sa 50-70% suhe mase). Budući da je spirulina odobrena od strane FDA (Food Drug Administration of United States) kao GRAS (generalno priznata kao sigurna), spirulina i ekstrakti spiruline mogu se koristiti u komercijaliziranoj hrani ili kao dodaci prehrani.

Prednosti ultrazvučne ekstrakcije algi

Ultrazvučna ekstrakcija nadmašuje alternativne metode ekstrakcije u višestrukim tačkama, kao što su visok prinos, pouzdanost, sigurnost, jednostavnost i ekološka prihvatljivost.

Potpuni prinos ekstrakcije

Ultrasonikatori visokih performansi otvaraju ćelije algi i ometaju ih tako da se oslobađa unutarćelijski materijal. Ultrazvučna ekstrakcija oslobađa na taj način cijeli spektar bioaktivnih spojeva, kao što su fikobiliproteini, karotenoidi i lipidi i fenoli.
Fikobiliproteini se mogu diferencirati u tri velike grupe, a to su hloro-fikocijanini, alofikocijanini i fikoeritrini. C-Phycocyanin je prirodni plavi pigment, koji se široko koristi u prehrambenim i farmaceutskim proizvodima. Ultrazvučna ekstrakcija oslobađa cijeli spektar proteina.

Visoka efikasnost ekstrakcije

Duangsee et al. (2009) testirali su dvije različite metode ekstrakcije (ultrazvukom potpomognutu ekstrakciju rastvaračem i ekstrakciju ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanje) bioaktivnih jedinjenja iz biomase Arthospira i otkrili da ultrazvučna ekstrakcija rastvaračem rezultira većom efikasnošću ekstrakcije (22,1%) od smrzavanja i odmrzavanja ( 15,6%). Poređenje rupture ćelija između ultrazvučne obrade i ponovnog zamrzavanja i odmrzavanja pokazuje da je sonikacija efikasnija. Ultrazvučna kavitacija brzo i efikasno ometa ćelije algi, što dovodi do većeg oštećenja ćelija u poređenju sa ćelijama spiruline koje se tretiraju ponovnim zamrzavanjem i odmrzavanje.
Sonikacija je bila efikasnija u razbijanju ćelijske ovojnice u poređenju sa ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanje. Prinos ekstrakcije fikocijanina pokazao je da temperatura obrade utiče na efikasnost ekstrakcije.

Brzi proces ekstrakcije

Ultrazvučni sistemi visokih performansi mogu primijeniti veliku snagu ultrazvuka preko velikih amplituda u suspenziju algi. Ovo čini ultrazvučnu ekstrakciju veoma brzom metodom obrade.

Kontrola temperature

Ultrasonication je netermalna, čisto mehanička tehnika ekstrakcije. Temperatura ekstrakcije može se precizno kontrolirati pomoću senzora temperature koji se može priključiti, koji je spojen na digitalni Hielscher ultrasonikator. Softver Hielscherovih digitalnih ultrasonikatora omogućava postavljanje temperaturnih ograničenja, tako da ultrazvučni homogenizator pauzira kada se dostigne temperaturna granica. Precizna kontrola temperature omogućava da se spreči termička degradacija materijala osetljivih na toplotu kao što su fikobiliproteini, vitamini, polifenoli, polisaharidi, lipidi i druga bioaktivna jedinjenja.

Kompatibilan sa raznim rastvaračima

Ultrasonication je kompatibilan s gotovo svim otapalima. Ultrazvučna ekstrakcija u kombinaciji sa zelenim otapalima kao što su voda ili etanol daje čiste ekstrakte. Ovi ultrazvučni ekstrakti mogu se bezbedno ugraditi u hranu budući da rastvarači za ekstrakciju etanol i voda imaju GRAS status (generalno priznato kao bezbedno).

Reproducibilnost i standardizacija procesa

Hielscherovi digitalni ultrasonikatori dolaze s inteligentnim softverom i razrađenim nizom postavki za idealne parametre ekstrakcije. Softver protokolira sve parametre ultrazvučnog procesa (npr. amplituda, neto snaga, ukupna snaga, temperatura, pritisak, vrijeme, datum) i zapisuje podatke sonikacije u CSV datoteku na ugrađenoj SD kartici. Ovo vam omogućava da standardizirate svoj proces ekstrakcije i da pomno nadgledate sonikaciju i kvalitetu. Ove karakteristike vam pomažu da ispunite zahtjeve standardizacije procesa, kao i dobre proizvodne prakse (GMP), koje su vrlo važne kada se ekstrakti proizvode za suplemente, hranu ili farmaceutske proizvode.

Ultrazvučni protokol za ekstrakciju fikocijanina

Mazumder et al. (2017) istraživali su optimalne parametre obrade za ultrazvučnu ekstrakciju fikocijanina i fenola iz Arthospira platensis. Maksimalni prinos fikocijanina (29,9 mg/g) i ukupnih fenola (2,4 mg/g) dobijen je pri 40% koncentracije etanola, 34,9°C ekstrakcijske temperature pomoću ultrazvučnog aparata UP50H (50 vati, 30 kHz) pri amplitudi od 95% za vrijeme ekstrakcije od 104,7 sek.

Vernès et al. (2019) koristio je ultrazvučni aparat UIP1000hdT (1000W, 20kHz) za ekstrakciju proteina iz spiruline. Ultrasonikator je opremljen sonotrodom BS2d34 i ultrazvučnim protočnim reaktorom (pogledajte sliku ispod za tačnu postavku ultrazvučne ekstrakcije sa protočnom ćelijom i Seepex pumpom).

UIP1000hdT – Postavljanje manotermosonikacije (MTS) i naša ekstrakcija proteina iz spiruline u laboratoriji
izvor: Vernes et al. 2019

Rezultati istraživanja pokazuju da ultrazvučni uslovi ekstrakcije optimizovani za prinos proteina uključuju blago povišenu temperaturu i pritisak (tzv. manotermosonikaciona MTS). MTS podstiče prenos mase i omogućava da se dobije 229% više proteina (28,42 ± 1,15 g/100 g suve mase) od konvencionalnog procesa bez ultrazvuka (8,63 ± 1,15 g/100 g suve mase).
Sa 28,42 g proteina dobijenih na 100 g suhe biomase spiruline u ekstraktu, stopa oporavka proteina od 50% postignuta je za samo 6 minuta u kontinuiranom procesu sonikacije. Mikroskopsko snimanje otkriva da akustična kavitacija utječe na filamente spiruline različitim mehanizmima kao što su fragmentacija, sonoporacija, deteksturacija. Ovi različiti efekti čine ekstrakciju, oslobađanje i solubilizaciju bioaktivnih jedinjenja spiruline lakšim i efikasnijim, što rezultira visokim prinosom proteina visokog kvaliteta.
Što se tiče kvaliteta ultrazvučno ekstrahiranih proteina, aminokiseline nisu degradirane ultrazvučnim tretmanom, ali su prisutne u većoj količini u slučaju ultrazvučne obrade u odnosu na konvencionalnu ekstrakciju.
Kada se uporede manotermosonizacija i ultrazvučna ekstrakcija bez povišenog pritiska i temperature, razlika u prinosu i efikasnosti ekstrakcije je minimalna. Stoga se sam ultrazvuk smatra najekonomičnijom i najlakšom tehnikom za proizvodnju visokokvalitetnog ekstrakta bogatog proteinima spiruline. Ultrazvučna ekstrakcija je zelena, ekološki prihvatljiva tehnika ekstrakcije pogodna za ekstrakciju proteina iz spiruline u laboratorijskoj skali, koja se lako može proširiti na pilot i industrijsku skalu. (usp. Vernès et al. 2019.)

Ultrazvučni ekstraktori visokih performansi

Svi rezultati ekstrakcije postignuti u malom obimu, mogu se linearno skalirati na veće proizvodne kapacitete. Hielscher Ultrasonics veliki portfelj proizvoda od laboratorijskih do industrijskih sistema za ekstrakciju ima najprikladniji ultrasonikator za vaš predviđeni kapacitet procesa. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testiranja izvodljivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sistema na konačnom nivou proizvodnje.

Hielscher Ultrasonics – Sofisticirana oprema za ekstrakciju

Hielscher Ultrasonics portfolio proizvoda pokriva cijeli niz ultrazvučnih ekstraktora visokih performansi od malih do velikih. Dodatni pribor omogućava jednostavnu montažu najprikladnije konfiguracije ultrazvučnog uređaja za vaš proces. Optimalna ultrazvučna postavka zavisi od predviđenog kapaciteta, zapremine, sirovine, serijskog ili inline procesa i vremenskog okvira. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima. Linearna skalabilnost procesa ultrazvučne ekstrakcije omogućava jednostavno i pouzdano povećanje proizvodnje. Pročitajte više o linearnom povećanju procesa ultrazvučne ekstrakcije!

Birajte između raznih dodataka kao što su:

• sonotrode različitih veličina, promjera i oblika
• sonotrode za visoku amplitudu od 200µm i više
• reaktori sa protočnim ćelijama različitih zapremina i geometrije
• brojne buster rogove za povećanje ili smanjenje dobitaka
• kompletne postavke sonikacije kao što je SonoStation, koje uključuju ultrazvučni ekstraktor, spremnik, miješalicu i pumpu
• uklopivi temperaturni senzori
• uklopivi senzori pritiska

Naše dobro obučeno osoblje sa dugogodišnjim iskustvom će vas konsultovati i preporučiti vam najprikladniji ultrazvučni sistem za vaše zahteve procesa ekstrakcije!

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: