Ultrazvučna obrada za poboljšanje razgradnje ćelija algi i ekstrakcije

Alge, makro- i mikroalge, sadrže mnoge vrijedne spojeve, koji se koriste kao prehrambene namirnice, aditivi za hranu ili kao gorivo, odnosno sirovina za gorivo. Da bi se ciljne tvari oslobodile iz ćelije alge, potrebna je snažna i efikasna tehnika razgradnje ćelija. Ultrazvučni ekstraktori vrlo su efikasni i pouzdani kada je riječ o ekstrakciji bioaktivnih spojeva iz biljnih sirovina, algi i gljiva. Hielscher ultrazvučni ekstraktori, dostupni u laboratorijskoj, stolnoj i industrijskoj skali, etablirani su u proizvodnji ekstrakata dobivenih iz ćelija u proizvodnji hrane, farmaceutskih proizvoda i biogoriva.

Alge kao vrijedan resurs za prehranu i gorivo

Ćelije algi su svestran izvor bioaktivnih spojeva bogatih energijom, kao što su proteini, ugljikohidrati, lipidi i druge bioaktivne tvari, kao i alkani. Zbog toga su alge izvor hrane i nutritivnih spojeva, ali i goriva.
Mikroalge su cijenjen izvor lipida, koji se koriste za prehranu i kao sirovina za biogoriva (npr. biodizel). Sojevi morskog fitoplanktona Dicrateria, kao što je Dicrateria rotunda, poznati su kao alge koje proizvode benzin i mogu sintetizirati niz zasićenih ugljikovodika (n‐alkana) od C₁₀H₂₂ do C₃₈H₇₈, koji se kategoriziraju kao benzin (C10–C15), dizelska ulja (C16–C20) i loživa ulja (C21–C38).
Zbog svoje nutritivne vrijednosti alge se koriste kao „funkcionalna hrana“ ili „nutraceutici“. Važni mikronutrijenti izdvojeni iz algi uključuju karotenoide astaksantin, fukoksantin i zeaksantin, fukoidan, laminari i druge glukane, a brojne druge bioaktivne tvari koriste se kao dodaci prehrani i farmaceutski proizvodi. Karagenan, alginat i drugi hidrokoloidi koriste se kao aditivi za hranu. Lipidi algi koriste se kao veganski izvor omega-3 masnih kiselina, a također kao gorivo ili kao sirovina za proizvodnju biodizela.

Razgradnja ćelija algi i ekstrakcija pomoću snažnog ultrazvuka

Ultrazvučni ekstraktori, ili jednostavno ultrazvučni uređaji, koriste se za ekstrakciju vrijednih spojeva iz malih uzoraka u laboratoriji, kao i za proizvodnju u velikoj komercijalnoj skali.
Ćelije algi zaštićene su složenim matriksima ćelijskog zida, koji se sastoje od lipida, celuloze, proteina, glikoproteina i polisaharida. Osnova većine ćelijskih zidova algi izgrađena je od mikrofibrilarne mreže unutar proteinskog matriksa nalik gelu; međutim, neke mikroalge imaju anorganski kruti zid sastavljen od opalnih silikatnih frustula ili kalcijum-karbonata. Da bi se dobili bioaktivni spojevi iz biomase algi, neophodna je efikasna tehnika razgradnje ćelija. Pored tehnoloških faktora ekstrakcije (tj. metode ekstrakcije i opreme), na efikasnost razgradnje ćelija algi i ekstrakcije snažno utiču i različiti faktori ovisni o algama, kao što su sastav ćelijskog zida, lokacija željenog biomolekula u ćelijama mikroalgi i faza rasta mikroalgi tokom žetve.

Kako funkcionira ultrazvučna razgradnja ćelija algi i ekstrakcija?

Kada se ultrazvučni talasi visokog intenziteta putem ultrazvučne sonde (poznate i kao ultrazvučni rog ili sonotroda) uvedu u tečnost ili suspenziju, zvučni talasi putuju kroz tečnost i pritom stvaraju naizmjenične cikluse visokog i niskog pritiska. Tokom tih ciklusa visokog i niskog pritiska nastaju sitni vakuumski mjehurići ili šupljine. Kavitacijski mjehurići nastaju kada lokalni pritisak tokom ciklusa niskog pritiska padne dovoljno daleko ispod pritiska zasićene pare, vrijednosti koja je određena zateznom čvrstoćom tečnosti pri određenoj temperaturi. Koji rastu tokom nekoliko ciklusa. Kada ovi vakuumski mjehurići dosegnu veličinu pri kojoj ne mogu apsorbirati više energije, mjehurić silovito imploduje tokom ciklusa visokog pritiska. Implozija kavitacijskih mjehurića je silovit proces velike gustoće energije koji u fluidu stvara intenzivne udarne talase, turbulencije i mikromlazove. Pored toga, stvaraju se lokalizirani vrlo visoki pritisci i vrlo visoke temperature. Ti ekstremni uvjeti lako mogu razgraditi ćelijske zidove i membrane te osloboditi unutarćelijske spojeve na djelotvoran, efikasan i brz način. Unutarćelijski spojevi kao što su proteini, polisaharidi, lipidi, vitamini, minerali i antioksidansi mogu se na taj način učinkovito ekstrahirati pomoću snažnog ultrazvuka.

Ultrazvučna kavitacija za razgradnju ćelija i ekstrakciju

Kada je izložen intenzivnoj ultrazvučnoj energiji, zid ili membrana bilo koje vrste ćelije (uključujući biljne, sisarske, algalne, gljivične, bakterijske itd.) se razgrađuje, a ćelija se mehaničkim silama ultrazvučne kavitacije velike gustoće energije razdire na manje fragmente. Kada se ćelijski zid razbije, ćelijski metaboliti kao što su protein, lipid, nukleinska kiselina i hlorofil oslobađaju se iz matriksa ćelijskog zida, kao i iz unutrašnjosti ćelije, te prelaze u okolni kulturni medij ili otapalo.
Gore opisani mehanizam ultrazvučne / akustične kavitacije snažno razgrađuje cijele algalne ćelije ili plinske i tečne vakuole unutar ćelija. Ultrazvučna kavitacija, vibracije, turbulencije i mikrostrujanje potiču prijenos mase između unutrašnjosti ćelije i okolnog otapala, tako da se biomolekuli (tj. metaboliti) efikasno i brzo oslobađaju. Budući da je ultrazvučna obrada isključivo mehanički tretman koji ne zahtijeva agresivne, toksične i/ili skupe kemikalije.
Ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije stvara ekstremne uvjete velike gustoće energije, koje karakteriziraju visoki pritisci, temperature i jake smične sile. Te fizičke sile potiču razgradnju ćelijskih struktura radi oslobađanja unutarćelijskih spojeva u medij. Stoga se ultrazvuk niske frekvencije u velikoj mjeri koristi za ekstrakciju bioaktivnih tvari i goriva iz algi. U poređenju s konvencionalnim metodama ekstrakcije, kao što su ekstrakcija otapalom, mljevenje kuglicama ili homogenizacija pod visokim pritiskom, ultrazvučna ekstrakcija se ističe oslobađanjem većine bioaktivnih spojeva (kao što su lipidi, proteini, polisaharidi i mikronutrijenti) iz sonoporirane i razgrađene ćelije. Uz primjenu odgovarajućih procesnih uvjeta, ultrazvučna ekstrakcija daje superiorne prinose ekstrakcije u vrlo kratkom trajanju procesa. Na primjer, visokoučinkoviti ultrazvučni ekstraktori pokazuju odlične performanse ekstrakcije iz algi kada se koriste s odgovarajućim otapalom. U kiselom ili alkalnom mediju ćelijski zid alge postaje porozan i naboran, što dovodi do povećanih prinosa pri niskoj temperaturi (ispod 60°C) u kratkom vremenu ultrazvučne obrade (manje od 3 sata). Kratko trajanje ekstrakcije pri blagim temperaturama sprječava razgradnju fukoidana, tako da se dobiva visokobioaktivan polisaharid.
Ultrazvučna obrada je također metoda za pretvaranje fukoidana velike molekulske mase u fukoidan male molekulske mase, koji je znatno bioaktivniji zbog svoje razgranjene strukture uklonjene grananjem (debranched). Zbog visoke bioaktivnosti i bioraspoloživosti, fukoidan male molekulske mase zanimljiv je spoj za farmaceutske proizvode i sisteme za isporuku lijekova.

Studije slučaja: ultrazvučna ekstrakcija spojeva iz algi

Efikasnost ultrazvučne ekstrakcije i optimizacija parametara ultrazvučne ekstrakcije široko su proučavani. U nastavku možete pronaći primjere rezultata ekstrakcije ultrazvučnom obradom iz različitih vrsta algi.

Ekstrakcija proteina iz spiruline pomoću mano-termo-sonikacije

Istraživačka grupa prof. Chemata (Univerzitet u Avignonu) istražila je učinke manotermosonikacije (MTS) na ekstrakciju proteina (kao što je fikocijanin) iz suhe cijanobakterije Arthrospira platensis (poznate i kao spirulina). Mano-termo-sonikacija (MTS) je primjena ultrazvuka u kombinaciji s povišenim pritiscima i temperaturama radi intenziviranja procesa ultrazvučne ekstrakcije.
„Prema eksperimentalnim rezultatima, MTS je potaknuo prijenos mase (visoka efektivna difuzivnost, De) i omogućio dobivanje 229% više proteina (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) nego konvencionalni proces bez ultrazvuka (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Uz 28,42 g proteina na 100 g suhe biomase spiruline u ekstraktu, postignuta je stopa iskorištenja proteina od 50% za 6 efektivnih minuta kontinuiranim MTS procesom. Mikroskopska posmatranja pokazala su da je akustična kavitacija djelovala na filamente spiruline različitim mehanizmima kao što su fragmentacija, sonoporacija i deteksturacija. Ti različiti fenomeni olakšavaju ekstrakciju, oslobađanje i solubilizaciju bioaktivnih spojeva spiruline.“ [Vernès et al., 2019]

Snimci optičke mikroskopije cijelih filamenata spiruline podvrgnutih MTS tretmanu tokom vremena. Skala (slika A) = 50 μm za sve slike.
slika i studija: ©Vernès et al. 2019

Ultrazvučna ekstrakcija fukoidana i glukana iz Laminaria digitata

Istraživačka grupa TEAGASC dr. Tiwarija istražila je ekstrakciju polisaharida, tj. fukoidana, laminarina i ukupnih glukana, iz makroalge Laminaria digitata koristeći ultrazvučni uređaj UIP500hdT. Proučavani parametri ultrazvučno potpomognute ekstrakcije (UAE) pokazali su značajan utjecaj na razine fukoze, FRAP i DPPH. Razine od 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde i 11,02% dobivene su za fukozu, ukupne glukane, FRAP odnosno DPPH pri optimiziranim uvjetima temperature (76◦C), vremena (10 min) i ultrazvučne amplitude (100%) uz korištenje 0,1 M HCl kao otapala. Opisani UAE uvjeti zatim su uspješno primijenjeni na druge ekonomski relevantne smeđe makroalge (L. hyperborea i A. nodosum) radi dobivanja ekstrakata bogatih polisaharidima. Ova studija pokazuje primjenjivost UAE za poboljšanje ekstrakcije bioaktivnih polisaharida iz različitih vrsta makroalgi.

Ultrazvučna ekstrakcija fitohemikalija iz F. vesiculosus i P. canaliculata

Istraživački tim García-Vaquero uporedio je različite nove tehnike ekstrakcije, uključujući visokoučinkovitu ultrazvučnu ekstrakciju, ekstrakciju ultrazvukom i mikrovalovima, mikrovalnu ekstrakciju, hidrotermalno potpomognutu ekstrakciju i ekstrakciju potpomognutu visokim pritiskom, kako bi procijenili efikasnost ekstrakcije iz smeđih mikroalgi Fucus vesiculosus i Pelvetia canaliculata. Za ultrazvučnu obradu koristili su ultrazvučni ekstraktor Hielscher UIP500hdT. Analiza prinosa ekstrakcije pokazala je da je ultrazvučnom ekstrakcijom postignut najviši prinos većine fitohemikalija iz obje F. vesiculosus. To znači da su najviši prinosi spojeva ekstrahiranih iz F. vesiculosus pomoću ultrazvučnog ekstraktora UIP500hdT bili: ukupni sadržaj fenola (445,0 ± 4,6 mg ekvivalenata galne kiseline/g), ukupni sadržaj florotanina (362,9 ± 3,7 mg ekvivalenata floroglucinola/g), ukupni sadržaj flavonoida (286,3 ± 7,8 mg ekvivalenata kvercetina/g) i ukupni sadržaj tanina (189,1 ± 4,4 mg ekvivalenata katehina/g).
U svojoj istraživačkoj studiji tim je zaključio da bi primjena ultrazvučno potpomognute ekstrakcije „u kombinaciji s 50% etanolnom otopinom kao otapalom za ekstrakciju mogla biti obećavajuća strategija usmjerena na ekstrakciju TPC, TPhC, TFC i TTC, uz istovremeno smanjenje koekstrakcije nepoželjnih ugljikohidrata iz F. vesiculosus i P. canaliculata, s obećavajućim primjenama kada se ti spojevi koriste kao farmaceutski proizvodi, nutraceutici i kozmeceutici.“ [García-Vaquero et al., 2021]

Povećanje skale mano-termo-sonikacije na Univerzitetu u Avignonu pomoću Hielscher ultrazvučnih uređaja: od laboratorijske opreme UIP1000hdT (A) do opreme pilot skale UIP4000hdT (B, C i D). Na slici D shematski je prikazan poprečni presjek ultrazvučne protočne ćelije FC100K.
slika i studija: ©Vernès et al. 2019

Visokoučinkoviti ultrazvučni ekstraktori za razgradnju algi

Najsavremenija ultrazvučna oprema kompanije Hielscher omogućava potpunu kontrolu nad procesnim parametrima kao što su amplituda, temperatura, pritisak i unos energije.
Za ultrazvučnu ekstrakciju parametri kao što su veličina čestica sirovine, vrsta otapala, omjer čvrste tvari i otapala te vrijeme ekstrakcije mogu se mijenjati i optimizirati radi najboljih rezultata.
Budući da je ultrazvučna ekstrakcija netermalna metoda ekstrakcije, izbjegava se termička razgradnja bioaktivnih sastojaka prisutnih u sirovini kao što su alge.
Općenito, prednosti kao što su visok prinos, kratko vrijeme ekstrakcije, niska temperatura ekstrakcije i male količine otapala čine ultrazvučnu obradu superiornom metodom ekstrakcije.

Ultrazvučna ekstrakcija: etablirana u laboratoriji i industriji

Ultrazvučna ekstrakcija široko se primjenjuje za ekstrakciju bilo koje vrste bioaktivnih spojeva iz biljnih sirovina, algi, bakterija i sisarskih ćelija. Ultrazvučna ekstrakcija etablirala se kao jednostavna, isplativa i vrlo efikasna metoda koja nadmašuje druge tradicionalne tehnike ekstrakcije višim prinosima ekstrakcije i kraćim trajanjem obrade.
Uz lako dostupne laboratorijske, stolne i potpuno industrijske ultrazvučne sisteme, ultrazvučna ekstrakcija je danas dobro etablirana i pouzdana tehnologija. Hielscher ultrazvučni ekstraktori instalirani su širom svijeta u industrijskim pogonima za preradu koji proizvode bioaktivne spojeve za hranu i farmaceutsku upotrebu.

Standardizacija procesa uz Hielscher Ultrasonics

Ekstrakti dobiveni iz algi, koji se koriste u hrani, farmaceutskim proizvodima ili kozmetici, moraju se proizvoditi u skladu s dobrom proizvođačkom praksom (GMP) i pod standardiziranim procesnim specifikacijama. Digitalni ekstrakcijski sistemi kompanije Hielscher Ultrasonics dolaze s inteligentnim softverom, koji olakšava precizno podešavanje i kontrolu procesa ultrazvučne obrade. Automatsko bilježenje podataka upisuje sve parametre ultrazvučnog procesa kao što su ultrazvučna energija (ukupna i neto energija), amplituda, temperatura, pritisak (kada su ugrađeni senzori temperature i pritiska) s datumom i vremenskim žigom na ugrađenu SD karticu. To vam omogućava da pregledate svaku ultrazvučno obrađenu šaržu. Istovremeno su osigurane ponovljivost i kontinuirano visok kvalitet proizvoda.

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