Ultrazvučna ekstrakcija antocijana

Antocijanini se široko koriste kao prirodne boje i nutritivni aditiv u prehrambenim proizvodima. Ultrazvučna ekstrakcija je veoma efikasna i jednostavna tehnika za dobijanje visokokvalitetnih antocijana. Upotreba sonikatora tipa sonde potiče oslobađanje visokokvalitetnih antocijanina iz biljaka što rezultira većim prinosima i brzim procesom. U isto vrijeme, sonikacija je blaga, zelena i efikasna tehnika za industrijsku proizvodnju antocijanina za hranu i farmaciju.

antocijani – Kako ekstrahirati visokokvalitetne antocijane pomoću sonikatora

Antocijanini se široko koriste kao prirodne boje u prehrambenoj industriji. Imaju širok spektar tonova boja, u rasponu od narandžaste preko crvene, do ljubičaste i plave, ovisno o molekularnoj strukturi i pH vrijednosti. Interes za antocijanine nije zasnovan samo na njihovom efektu bojenja, već i na njihovim zdravstvenim korisnim svojstvima. Zbog sve veće zabrinutosti za okoliš i zdravlje u vezi sa sintetičkim bojama, prirodne boje su odlična alternativa kao ekološki prihvatljiva boja za prehrambenu i farmaceutsku industriju.

Ultrazvučno poboljšana ekstrakcija antocijanina

Kako ekstrahirati antocijanine ultrazvukom? – Studije slučaja

Ultrazvučna ekstrakcija antocijana iz ljubičaste riže Oryza Sativa L.

Ljubičasta riža soja Oryza Sativa (također poznata kao Violet Nori ili ljubičasta riža) izuzetno je bogata fenolnim tvarima kao što je favonoidna grupa antocijana. Turrini et al. (2018) koristili su ultrazvučnu ekstrakciju za izolaciju polifenola kao što su antocijanini i antioksidansi iz kariopsa (u cijelom, smeđom i prokuhanom obliku) i listova ljubičaste riže. Ultrazvučna ekstrakcija je izvedena pomoću Hielschera UP200St (200W, 26kHz, pic. lijevo) i etanol 60% kao rastvarač.
Kako bi se očuvao integritet antocijana, ultrazvučni ekstrakti su čuvani na -20°C, što im je omogućilo čuvanje najmanje tri mjeseca.
Cijanidin-3 glukozid (također poznat kao krizantemin) bio je daleko najveći otkriveni antocijanin u sortama 'Violet Nori', 'Artemide' i 'Nerone' istraživanim u studiji Turrini et al., dok je peonidin-3-glukozid i cijanidin- 3-rutinozid (također antirinin) pronađeni su u manjim količinama.
Listovi ljubičice Oryza Sativa su odličan izvor antocijana i ukupnog sadržaja fenola (TPC). Sa količinom od cca. 2-3 puta veći od onih u pirinču i brašnu, listovi Oryze predstavljaju jeftinu sirovinu za ekstrakciju antocijana. Procijenjeni prinos od oko 4 kg antocijanina/t svježeg lišća značajno je veći od prinosa od 1 kg antocijanina/t riže, izračunat na osnovu srednjih količina antocijana otkrivenih u 'Violet Nori' riži (1300 µg/g riže, kao cijanidin -3-glukozid) za prinos od oko 68 kg pirinča od 100 kg neoljuštenog.

Ultrazvučna ekstrakcija antocijana iz crvenog kupusa

Ravanfar et al. (2015) su istraživali efikasnost ultrazvučne ekstrakcije antocijana iz crvenog kupusa. Eksperimenti ultrazvučne ekstrakcije izvedeni su pomoću ultrazvučnog sistema UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotroda MS10 (prečnik vrha 10 mm) umetnuta je u centar staklene čaše sa omotačem sa kontrolisanom temperaturom.

Za ovaj ogled korišteni su svježe narezani komadići crvenog kupusa dimenzija 5 mm (kockastog oblika) i 92,11 ± 0,45 % vlage. Staklena čaša sa omotačem (volumen: 200 ml) napunjena je sa 100 ml destilovane vode i 2 g komada crvenog kupusa. Čaša je 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 sakupljeni, filtrirani i centrifugirani na 4000 rpm, a supernatanti su korišteni za određivanje prinosa antocijanina. Ekstrakcija u vodenom kupatilu izvedena 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 na pH vrijednosti i intenzivne boje, boja za crveni kupus se koristi kao pH indikator u farmaceutskim formulacijama ili kao antioksidans i bojila u prehrambenim sistemima.

Ultrazvuk značajno intenzivira ekstrakciju antocijana iz biljnog materijala.
izvor: Ravanfar et al. 2015

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

Ultrazvučni ekstraktori visokih performansi

Hielscher Ultrasonics je specijaliziran za proizvodnju ultrazvučnih procesora visokih performansi za proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata iz biljaka.
Široki portfelj Hielscher sonikatora kreće se od malih, moćnih laboratorijskih ultrasonikatora do robusnih stonih i potpuno industrijskih sistema, koji isporučuju ultrazvuk visokog intenziteta za efikasnu ekstrakciju i izolaciju bioaktivnih supstanci (npr. antocijanina, gingerol, piperin, kurkumin itd.).
Svi ultrasonikatori iz 200W to 16.000W imaju ekran na dodir u boji za digitalnu kontrolu, integrisanu SD karticu za automatsko snimanje podataka, daljinsko upravljanje pretraživačem i mnoge druge funkcije prilagođene korisniku. Sonotrode i protočne ćelije (dijelovi koji su u kontaktu sa medijumom) mogu se autoklavirati i lako se čiste.
Hielscher sonikatori su vrlo robusni i napravljeni za 24/7 rad pod punim opterećenjem, dok zahtijevaju nisko održavanje te su laki i sigurni za rad. Digitalni displej u boji omogućava laku kontrolu ultrazvučnog aparata.
Naši sistemi su u stanju da isporuče od malih do veoma velikih amplituda. Za ekstrakciju kanabinoida i terpena nudimo posebne ultrazvučne sonotrode (poznate i kao ultrazvučne sonde ili rogovi) koje su optimizirane za razumnu izolaciju visokokvalitetnih aktivnih supstanci. Svi naši sistemi se mogu koristiti za ekstrakciju i naknadnu emulzifikaciju kanabinoida. Robusnost Hielscher sonikatora omogućava kontinuirani rad (24/7) u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima.

Precizna kontrola parametara ultrazvučnog procesa osigurava ponovljivost i standardizaciju procesa.
 

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

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 koje vrijedi znati

Kako funkcionira ekstrakcija uz pomoć ultrazvuka?

Primjena intenzivnih ultrazvučnih valova na tečni medij dovodi do kavitacije. Fenomen od kavitacija lokalno dovodi do ekstremnih temperatura, pritisaka, brzina grijanja/hlađenja, razlika tlaka i visokih sila smicanja u mediju. Kada kavitacijski mjehurići implodiraju na površini čvrstih tvari (kao što su čestice, biljne ćelije, tkiva itd.), mikro-mlaznice i međučestični sudar stvaraju efekte kao što su površinsko ljuštenje, erozija i razbijanje čestica. Dodatno, implozija kavitacijskih mjehurića u tekućim medijima stvara makro-turbulencije i mikro-miješanje.
Ultrazvučno zračenje biljnog materijala fragmentira matriks biljnih ćelija i pojačava hidrataciju istih. Chemat i ostali (2015) zaključuju da je ultrazvučna ekstrakcija bioaktivnih spojeva iz biljaka rezultat različitih neovisnih ili kombiniranih mehanizama uključujući fragmentaciju, eroziju, kapilarnost, deteksturaciju i sonoporaciju. Ovi efekti remete ćelijski zid, poboljšavaju prijenos mase guranjem rastvarača u ćeliju i isisavanjem otapala napunjenog fito-spojem, te osiguravaju kretanje tekućine mikro-miješanjem.

Ultrazvučna ekstrakcija se zasniva na akustičnoj kavitaciji i njenim hidrodinamičkim silama smicanja

Ultrazvučno zračenje biljnog materijala fragmentira matriks biljnih ćelija i pojačava hidrataciju istih. Chemat et al. (2015) zaključuju da je ultrazvučna ekstrakcija bioaktivnih jedinjenja iz biljaka rezultat različitih nezavisnih ili kombinovanih mehanizama uključujući fragmentaciju, eroziju, kapilarnost, deteksturaciju i sonoporaciju. Ovi efekti remete ćelijski zid, poboljšavaju prijenos mase guranjem rastvarača u ćeliju i isisavanjem otapala napunjenog fito-spojem, te osiguravaju kretanje tekućine mikro-miješanjem.
Ultrazvučna ekstrakcija postiže vrlo brzu izolaciju spojeva – nadmašujući konvencionalne metode ekstrakcije u kraćem vremenu procesa, većem prinosu i na nižim temperaturama. Kao blagi mehanički tretman, ekstrakcija uz pomoć ultrazvuka izbjegava termičku degradaciju bioaktivnih komponenti i ističe se u poređenju s drugim tehnikama kao što su konvencionalna ekstrakcija rastvaračem, hidrodestilacija ili Soxhlet ekstrakcija, za koje je poznato da uništavaju molekule osjetljive na toplinu. Zbog ovih prednosti, ultrazvučna ekstrakcija je poželjna tehnika za oslobađanje temperaturno osjetljivih bioaktivnih spojeva iz biljaka.

Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih ćelija: mikroskopski poprečni presek (TS) pokazuje mehanizam delovanja tokom ultrazvučne ekstrakcije iz ćelija (uvećanje 2000x) [izvor: Vilkhu et al. 2011]

antocijanin – Vrijedan biljni pigment

Antocijanini su vakuolni biljni pigmenti, koji mogu izgledati crveni, ljubičasti, plavi ili crni. Ekspresija boje antocijanskih pigmenata rastvorljivih u vodi zavisi od njihove pH vrednosti. Antocijanini se nalaze u ćelijskoj vakuoli, uglavnom u cvjetovima i plodovima, ali i u listovima, stabljikama i korijenima, gdje se nalaze uglavnom u vanjskim slojevima ćelija kao što su epiderma i periferne ćelije mezofila.
U prirodi se najčešće javljaju glikozidi cijanidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina i petunidina.
Istaknuti primjeri biljaka bogatih antocijaninima uključuju vrste vacciniuma, kao što su borovnica, brusnica i borovnica; Rubus bobice, uključujući crnu malinu, crvenu malinu i kupinu; crna ribizla, trešnja, patlidžan, crni pirinač, ube, okinavski slatki krompir, grožđe Concord, muskadino grožđe, crveni kupus i latice ljubičice. Breskve i jabuke sa crvenim mesom sadrže antocijanine. Antocijanini su manje zastupljeni u bananama, šparogama, grašku, komoraču, kruški i krompiru, a mogu biti potpuno odsutni u određenim sortama zelenog ogrozda.

Struktura glavnih antocijana

Antocijanini su odlična alternativa za zamjenu sintetičkih bojila u prehrambenim proizvodima. Antocijanini su odobreni za upotrebu kao boje za hranu u Evropskoj uniji, Australiji i Novom Zelandu, imaju šifru boje E163. Antocijanini se nalaze u voću i povrću i mogu se opisati kao vrsta biljnih pigmenata rastvorljivih u vodi. Hemijski, antocijanini su glikozidi antocijanidina zasnovani na strukturi 2-fenilbenzofirilijum (flavilijum). Postoji više od 200 različitih fitokemikalija koje spadaju u kategoriju antocijana. Kao glavni pigment boje u divljem voću i bobičastom voću, postoji mnogo izvora iz kojih se mogu ekstrahovati antocijani. Istaknuti izvor antocijana je kožica grožđa. Pigmenti antocijana u kožici grožđa sastoje se uglavnom od di-glukozida, mono-glukozida, aciliranih monoglukozida kao i aciliranih di-glukozida peonidina, malvidina, cijanidina, petunidina i delfinidina. Sadržaj antocijana u grožđu varira od 30-750mg/100g.
Najistaknutiji antocijanini su cijanidin, delfinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin i petunidin.
Na primjer, antocijanini peonidin-3-kafeoil-p-hidroksibenzoil soforozid-5-glukozid, peonidin-3-(6″-kafeoil-6‴-feruloil soforozid)-5-glukozid i cijanidin-3-kafeoil-benzoil-p soforozid-5-glukozid se nalazi u ljubičastom slatkom krompiru.

antocijani – Zdravstvene koristi

Pored velike sposobnosti da funkcionišu kao prirodna boja za hranu, antocijanini su veoma cenjeni zbog svojih antioksidativnih efekata. Stoga antocijani pokazuju mnoge pozitivne učinke na zdravlje. Istraživanja su pokazala da antocijanini mogu inhibirati oštećenje DNK u stanicama raka, inhibirati probavne enzime, inducirati proizvodnju inzulina u izoliranim stanicama pankreasa, smanjiti upalne odgovore, zaštititi od opadanja moždane funkcije uzrokovane starenjem, poboljšati zategnutost kapilarnih krvnih žila i spriječiti agregaciju trombocita.