Ultrazvučna ekstrakcija antocijana

Antocijani se široko koriste kao prirodna bojila i nutritivni aditivi u prehrambenim proizvodima. Ultrazvučna ekstrakcija je visokoefikasna i jednostavna tehnika za dobivanje visokokvalitetnih antocijana. Upotreba ultrazvučnih uređaja sa sondom (sonikatora) potiče oslobađanje visokokvalitetnih antocijana iz biljaka, što rezultira većim prinosima i brzim procesom. Istovremeno, ultrazvučna obrada (sonikacija) je blaga, zelena i efikasna tehnika za industrijsku proizvodnju antocijana prehrambene i farmaceutske kvalitete.

Antocijani – kako izdvojiti visokokvalitetne antocijane pomoću sonikatora

Antocijani se široko koriste kao prirodna bojila u prehrambenoj industriji. Imaju širok spektar nijansi boja, od narandžaste preko crvene do ljubičaste i plave, ovisno o molekularnoj strukturi i pH vrijednosti. Interes za antocijane ne temelji se samo na njihovom efektu bojenja, nego i na njihovim svojstvima korisnim za zdravlje. Zbog rastuće zabrinutosti za okoliš i zdravlje u vezi sa sintetičkim bojama, prirodne boje su odlična alternativa kao ekološki prihvatljiva bojila za prehrambenu i farmaceutsku industriju.

Ultrazvučno poboljšana ekstrakcija antocijana

Kako ekstrahirati antocijane ultrazvukom? – Studije slučaja

Ultrazvučna ekstrakcija antocijana iz ljubičaste riže Oryza Sativa L.

Ljubičasta riža soja Oryza Sativa (poznata i kao Violet Nori ili violet riža) izuzetno je bogata fenolima, kao što je flavonoidna grupa antocijana. Turrini i sur. (2018) koristili su ultrazvučnu ekstrakciju za izdvajanje polifenola, kao što su antocijani, i antioksidanasa iz kariopse (cijele, smeđe i parboiled) te listova ljubičaste riže. Ultrazvučna ekstrakcija provedena je pomoću uređaja Hielscher UP200St (200W, 26kHz, sl. lijevo) i etanola 60% kao rastvarača.
Kako bi se očuvao integritet antocijana, ultrazvučni ekstrakti su pohranjeni na −20°C, što je omogućilo da se čuvaju najmanje do tri mjeseca.
Cijanidin-3-glukozid (poznat i kao krizantemin) bio je daleko najzastupljeniji detektirani antocijan u kultivarima ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ i ‘Nerone’ ispitanim u studiji Turrini i sur., dok su peonidin-3-glukozid i cijanidin-3-rutinozid (također antirinin) pronađeni u manjim količinama.
Ljubičasti listovi vrste Oryza Sativa odličan su izvor antocijana i ukupnog sadržaja fenola (TPC). S količinom otprilike 2–3 puta većom nego u riži i brašnu, listovi Oryze predstavljaju jeftinu sirovinu za ekstrakciju antocijana. Procijenjeni prinos od oko 4 kg antocijana/t svježih listova znatno je veći od prinosa od 1 kg antocijana/t riže, izračunatog na temelju srednjih količina antocijana detektiranih u riži ‘Violet Nori’ (1300 µg/g riže, kao cijanidin-3-glukozid) za prinos od oko 68 kg riže iz 100 kg neljuštene riže.

Ultrazvučna ekstrakcija antocijana iz crvenog kupusa

Ravanfar i sur. (2015) istraživali su efikasnost ultrazvučne ekstrakcije antocijana iz crvenog kupusa. Eksperimenti ultrazvučne ekstrakcije provedeni su pomoću ultrazvučnog sistema UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotroda MS10 (promjer vrha 10mm) postavljena je u središte staklene čaše s plaštom i kontrolom temperature.

Za ovaj eksperiment korišteni su svježe narezani komadići crvenog kupusa dimenzije 5mm (kockasti oblik) i sadržaja vlage 92,11 ± 0,45 %. Staklena čaša s płaštom (zapremina: 200ml) napunjena je sa 100ml destilirane vode i 2g komadića crvenog kupusa. Čaša je bila prekrivena aluminijskom folijom kako bi se spriječio gubitak rastvarača (vode) isparavanjem tokom procesa. U svim eksperimentima temperatura u čaši održavana je pomoću termostatskog regulatora. Uzorci su na kraju prikupljeni, filtrirani i centrifugirani pri 4000rpm, a supernatanti su korišteni za određivanje prinosa antocijana. Ekstrakcija u vodenoj kupelji provedena je kao kontrolni eksperiment.
Optimalni prinos antocijana iz crvenog kupusa određen je pri snazi od 100 W, vremenu od 30 min i temperaturi od 15°C, što je rezultiralo prinosom antocijana od oko 21 mg/L.
Zbog promjene boje ovisno o pH vrijednosti i intenzivnog bojenja, boja crvenog kupusa koristi se kao pH indikator u farmaceutskim formulacijama, odnosno kao antioksidans i bojilo u prehrambenim sistemima.

Ultrazvuk značajno intenzivira ekstrakciju antocijana iz biljnog materijala.
izvor: Ravanfar i sur. 2015

Druge studije pokazuju uspješnu ultrazvučnu ekstrakciju antocijana, između ostalog, iz borovnica, kupina, grožđa, trešanja, jagoda i ljubičastog batata.

Visokoučinkoviti ultrazvučni ekstraktori

Hielscher Ultrasonics specijaliziran je za proizvodnju visokoučinkovitih ultrazvučnih procesora za proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata iz biljnih materijala.
Širok portfelj Hielscher sonikatora kreće se od malih, snažnih laboratorijskih ultrasonikatora do robusnih stolnih i potpuno industrijskih sistema, koji isporučuju ultrazvuk visokog intenziteta za efikasnu ekstrakciju i izolaciju bioaktivnih supstanci (npr. antocijana, gingerola, piperina, kurkumina itd.).
Svi ultrasonikatori od 200W do 16.000W imaju u boji prikazan ekran osjetljiv na dodir za digitalnu kontrolu, integriranu SD karticu za automatsko bilježenje podataka, daljinsko upravljanje putem preglednika i mnoge druge funkcije prilagođene korisniku. Sonotrode i protočne ćelije (dijelovi koji su u kontaktu s medijem) mogu se autoklavirati i lako se čiste.
Hielscher sonikatori su vrlo robusni i izrađeni za rad 24/7 pod punim opterećenjem, uz nizak nivo održavanja te jednostavan i siguran rad. Digitalni ekran u boji omogućava korisniku prilagođeno upravljanje ultrasonikatorom.
Naši sistemi mogu isporučiti amplitude od niskih do vrlo visokih. Za ekstrakciju kanabinoida i terpena nudimo posebne ultrazvučne sonotrode (poznate i kao ultrazvučne sonde ili rogovi) optimizirane za blagu izolaciju visokokvalitetnih aktivnih supstanci. Svi naši sistemi mogu se koristiti za ekstrakciju i naknadnu emulzifikaciju kanabinoida. Robusnost Hielscher sonikatora omogućava kontinuirani rad (24/7) pri teškim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.

Precizna kontrola parametara ultrazvučnog procesa osigurava ponovljivost i standardizaciju procesa.

Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrasonikatora:

Literatura / Reference

• 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.

Činjenice vrijedne znanja

Kako funkcionira ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom?

Primjena intenzivnih ultrazvučnih valova na tečni medij rezultira kavitacijom. Fenomen kavitacije lokalno dovodi do ekstremnih temperatura, pritisaka, brzina zagrijavanja/hlađenja, razlika pritiska i visokih smičnih sila u mediju. Kada kavitacijski mjehurići implodiraju na površini čvrstih tvari (kao što su čestice, biljne ćelije, tkiva itd.), mikromlazevi i sudari među česticama stvaraju efekte kao što su ljuštenje površine, erozija i razgradnja čestica. Osim toga, implozija kavitacijskih mjehurića u tečnim medijima stvara makroturbulencije i mikromiješanje.
Ultrazvučno zračenje biljnog materijala fragmentira matriks biljnih ćelija i pospješuje njegovu hidrataciju. Chemat i sur. (2015) zaključuju da je ultrazvučna ekstrakcija bioaktivnih spojeva iz biljnih materijala rezultat različitih nezavisnih ili kombiniranih mehanizama, uključujući fragmentaciju, eroziju, kapilarnost, deteksturaciju i sonoporaciju. Ovi efekti razaraju ćelijski zid, poboljšavaju prijenos mase potiskivanjem rastvarača u ćeliju i usisavanjem rastvarača opterećenog fitospojevima van nje te osiguravaju kretanje tečnosti mikromiješanjem.

Ultrazvučna ekstrakcija temelji se na akustičnoj kavitaciji i njenim hidrodinamičkim smičnim silama

Ultrazvučno zračenje biljnog materijala fragmentira matriks biljnih ćelija i pospješuje njegovu hidrataciju. Chemat i sur. (2015) zaključuju da je ultrazvučna ekstrakcija bioaktivnih spojeva iz biljnih materijala rezultat različitih nezavisnih ili kombiniranih mehanizama, uključujući fragmentaciju, eroziju, kapilarnost, deteksturaciju i sonoporaciju. Ovi efekti razaraju ćelijski zid, poboljšavaju prijenos mase potiskivanjem rastvarača u ćeliju i usisavanjem rastvarača opterećenog fitospojevima van nje te osiguravaju kretanje tečnosti mikromiješanjem.
Ultrazvučna ekstrakcija postiže vrlo brzu izolaciju spojeva – nadmašujući konvencionalne metode ekstrakcije kraćim vremenom procesa, većim prinosom i pri nižim temperaturama. Kao blagi mehanički tretman, ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom izbjegava termičku razgradnju bioaktivnih komponenti i nadmašuje druge tehnike, kao što su konvencionalna ekstrakcija rastvaračima, hidrodestilacija ili Soxhletova ekstrakcija, za koje je poznato da razaraju toplinski osjetljive molekule. Zbog ovih prednosti, ultrazvučna ekstrakcija je preferirana tehnika za oslobađanje temperaturno osjetljivih bioaktivnih spojeva iz biljnih materijala.

Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih ćelija: mikroskopski poprečni presjek (TS) prikazuje mehanizam djelovanja tokom ultrazvučne ekstrakcije iz ćelija (uvećanje 2000x) [izvor: Vilkhu i sur. 2011]

Antocijan – vrijedan biljni pigment

Antocijani su vakuolarni biljni pigmenti, koji mogu biti crveni, ljubičasti, plavi ili crni. Izražaj boje u vodi topivih antocijanskih pigmenata ovisi o njihovoj pH vrijednosti. Antocijani se nalaze u ćelijskoj vakuoli, uglavnom u cvjetovima i plodovima, ali i u listovima, stabljikama i korijenju, gdje se najčešće nalaze u vanjskim slojevima ćelija, kao što su epiderm i periferne ćelije mezofila.
U prirodi se najčešće javljaju glikozidi cijanidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina i petunidina.
Poznati primjeri biljaka bogatih antocijanima uključuju vrste roda Vaccinium, kao što su borovnica, brusnica i crna borovnica; bobice roda Rubus, uključujući crnu malinu, crvenu malinu i kupinu; crni ribizl, trešnju, patlidžan, crnu rižu, ube, okinavski batat, grožđe sorte Concord, grožđe muscadine, crveni kupus i ljubičaste latice. Breskve i jabuke crvene pulpe sadrže antocijane. Antocijani su manje zastupljeni u banani, špargi, grašku, komoraču, kruški i krompiru, a mogu biti potpuno odsutni u određenim kultivarima zelenog ogrozda.

Struktura glavnih antocijana

Antocijani su odlična alternativa za zamjenu sintetičkih bojila u prehrambenim proizvodima. Antocijani su odobreni za upotrebu kao prehrambena bojila u Evropskoj uniji, Australiji i Novom Zelandu, s oznakom bojila E163. Antocijani se nalaze u voću i povrću i mogu se opisati kao vrsta u vodi topivih biljnih pigmenata. Hemijski, antocijani su glikozidi antocijanidina zasnovani na strukturi 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Postoji više od 200 različitih fitokemikalija koje spadaju u kategoriju antocijana. Kao glavni pigment boje u divljem voću i bobicama, postoje mnogi izvori iz kojih se antocijani mogu ekstrahirati. Značajan izvor antocijana je kožica grožđa. Antocijanski pigmenti u kožici grožđa uglavnom se sastoje od diglukozida, monoglukozida, aciliranih monoglukozida te aciliranih diglukozida peonidina, malvidina, cijanidina, petunidina i delfinidina. Sadržaj antocijana u grožđu varira od 30-750mg/100g.
Najznačajniji antocijani su cijanidin, delfinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin i petunidin.
Na primjer, antocijani peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside i cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside nalaze se u ljubičastim batatima.

Antocijani – zdravstvene koristi

Osim njihove odlične sposobnosti da djeluju kao prirodno prehrambeno bojilo, antocijani su vrlo cijenjeni zbog svojih antioksidativnih efekata. Stoga antocijani pokazuju mnoge pozitivne efekte na zdravlje. Istraživanja su pokazala da antocijani mogu inhibirati oštećenje DNK u ćelijama raka, inhibirati probavne enzime, inducirati proizvodnju inzulina u izoliranim ćelijama gušterače, smanjiti upalne odgovore, štititi od opadanja moždanih funkcija povezanog sa starenjem, poboljšati čvrstoću kapilarnih krvnih žila i spriječiti agregaciju trombocita.