Ultrasonication za poboljšanje poremećaja i ekstrakcije ćelija algi

Alge, makro- i mikroalge, sadrže mnoge vrijedne spojeve, koji se koriste kao nutritivna hrana, aditivi za hranu ili kao gorivo ili sirovina za gorivo. Da bi se ciljne supstance oslobodile iz ćelije algi, potrebna je moćna i efikasna tehnika uništavanja ćelija. Ultrazvučni ekstraktori su visoko efikasni i pouzdani kada je u pitanju ekstrakcija bioaktivnih jedinjenja iz biljaka, algi i gljivica. Dostupni u laboratorijskim, stonim i industrijskim razmjerima, Hielscher ultrazvučni ekstraktori su uspostavljeni u proizvodnji ekstrakata iz ćelija u proizvodnji hrane, farmacije i biogoriva.

Alge kao vrijedan resurs za ishranu i gorivo

Stanice algi su svestrani izvor bioaktivnih i energetski bogatih spojeva, kao što su proteini, ugljikohidrati, lipidi i druge bioaktivne tvari, kao i alkani. Ovo čini alge izvorom hrane i nutritivnih jedinjenja, kao i za gorivo.
Mikroalge su cijenjeni izvor lipida, koji se koriste za ishranu i kao sirovina za biogoriva (npr. biodizel). Sojevi morskog fitoplanktona Dicrateria, kao što je Dicrateria rotunda, poznati su kao alge koje proizvode benzin, koje mogu sintetizirati niz zasićenih ugljikovodika (n-alkana) iz C₁₀H₂₂ do C₃₈H₇₈, koji su kategorizirani kao benzin (C10–C15), dizelska ulja (C16–C20) i lož ulja (C21–C38).
Zbog svoje nutritivne vrijednosti, alge se koriste kao “funkcionalna hrana” ili “nutricionizam”. Važni mikronutrijenti ekstrahovani iz algi uključuju karotenoide astaksantin, fukoksantin i zeaksantin, fukoidan, laminari i druge glukane, među brojnim drugim bioaktivnim supstancama koje se koriste kao dodaci ishrani i farmaceutski proizvodi. Karagenan, alginat i drugi hidrokoloidi se koriste kao aditivi za hranu. Lipidi algi se koriste kao veganski izvor omega-3, a također se koriste kao gorivo ili kao sirovina za proizvodnju biodizela.

Poremećaj ćelija algi i ekstrakcija pomoću ultrazvuka

Ultrazvučni ekstraktori ili jednostavno ultrasonikatori se koriste za ekstrakciju vrijednih spojeva iz malih uzoraka u laboratoriji, kao i za proizvodnju u velikim komercijalnim razmjerima.
Ćelije algi zaštićene su složenim matriksima stanične stijenke, koji se sastoje od lipida, celuloze, proteina, glikoproteina i polisaharida. Osnova većine ćelijskih zidova algi je izgrađena od mikrofibrilarne mreže unutar gelaste proteinske matrice; međutim, neke mikroalge su opremljene neorganskim krutim zidom koji se sastoji od opalin silicijumskih frustula ili kalcijum karbonata. Da bi se iz biomase algi dobila bioaktivna jedinjenja, neophodna je efikasna tehnika destrukcije ćelija. Osim tehnoloških faktora ekstrakcije (tj. metoda i opreme ekstrakcije), na efikasnost razaranja i ekstrakcije stanica algi također snažno utječu različiti faktori zavisni od algi kao što su sastav ćelijskog zida, lokacija željene biomolekule u ćelijama mikroalgi i rast faza mikroalgi tokom berbe.

Kako radi ultrazvučno uništavanje i ekstrakcija ćelija algi?

Kada se ultrazvučni talasi visokog intenziteta spoje preko ultrazvučne sonde (poznate i kao ultrazvučni rog ili sonotroda) u tečnost ili kašu, zvučni talasi putuju kroz tečnost i stvaraju naizmjenično cikluse visokog/niskog pritiska. Tokom ovih ciklusa visokog/niskog pritiska, javljaju se sitni vakuumski mehurići ili šupljine. Kavitacijski mjehurići nastaju kada lokalni tlak padne tokom ciklusa niskog tlaka dovoljno daleko ispod tlaka zasićene pare, vrijednosti koju daje vlačna čvrstoća tečnosti na određenoj temperaturi. Koji rastu u nekoliko ciklusa. Kada ovi vakuumski mjehurići dostignu veličinu u kojoj ne mogu apsorbirati više energije, mjehurić implodira nasilno tokom ciklusa visokog pritiska. Implozija kavitacijskih mjehurića je nasilan proces s gustom energijom koji stvara intenzivne udarne valove, turbulencije i mikro-mlazove u tekućini. Osim toga, stvaraju se lokalizirani vrlo visoki pritisci i vrlo visoke temperature. Ovi ekstremni uslovi su lako sposobni da poremete ćelijske zidove i membrane i da oslobode intracelularna jedinjenja na efikasan, efikasan i brz način. Intracelularna jedinjenja kao što su proteini, polisaharidi, lipidi, vitamini, minerali i antioksidansi mogu se na taj način efikasno ekstrahovati korišćenjem moćnog ultrazvuka.

Ultrazvučna kavitacija za razbijanje i ekstrakciju ćelija

Kada su izloženi intenzivnoj ultrazvučnoj energiji, zid ili membrana bilo koje vrste ćelije (uključujući botaničke, sisavske, algalne, gljivične, bakterijske itd.) bivaju poremećene i stanica se cijepa na manje fragmente mehaničkim silama energetski guste ultrazvučne kavitacije . Kada se stanični zid razbije, ćelijski metaboliti poput proteina, lipida, nukleinske kiseline i hlorofila oslobađaju se iz matriksa ćelijskog zida kao i iz unutrašnjosti ćelije i prenose se u okolni medij kulture ili rastvarač.
Gore opisani mehanizam ultrazvučne/akustične kavitacije ozbiljno narušava čitave ćelije algi ili gasne i tečne vakuole unutar ćelija. Ultrazvučna kavitacija, vibracije, turbulencije i mikro-strujanje pospješuju prijenos mase između unutrašnjosti ćelije i okolnog rastvarača tako da su biomolekuli (tj. metaboliti) efikasni i brzo se oslobađaju. Budući da je sonikacija čisto mehanički tretman koji ne zahtijeva oštre, toksične i/ili skupe kemikalije.
Ultrazvuk visokog intenziteta, niske frekvencije stvara ekstremne uslove gustoće energije, sa visokim pritiscima, temperaturama i velikim silama smicanja. Ove fizičke sile potiču narušavanje ćelijskih struktura kako bi se unutarćelijska jedinjenja oslobodila u medijum. Zbog toga se ultrazvuk niske frekvencije u velikoj mjeri koristi za ekstrakciju bioaktivnih tvari i goriva iz algi. U poređenju sa konvencionalnim metodama ekstrakcije kao što su ekstrakcija rastvaračem, mlevenje kuglica ili homogenizacija pod visokim pritiskom, ultrazvučna ekstrakcija se ističe oslobađanjem većine bioaktivnih jedinjenja (kao što su lipidi, proteini, polisaharidi i mikronutrijenti) iz sonoporirane i oštećene ćelije. Primjenom pravih uvjeta procesa, ultrazvučna ekstrakcija daje vrhunske prinose ekstrakcije u vrlo kratkom trajanju procesa. Na primjer, ultrazvučni ekstraktori visokih performansi pokazuju odlične performanse ekstrakcije iz algi, kada se koriste s odgovarajućim rastvaračem. U kiselom ili alkalnom mediju, ćelijski zid algi postaje porozan i naboran, što dovodi do povećanog prinosa na niskoj temperaturi (ispod 60°C) u kratkom vremenu sonikacije (manje od 3 sata). Kratko trajanje ekstrakcije na blagim temperaturama sprečava razgradnju fukoidana, tako da se dobija visoko bioaktivan polisaharid.
Ultrazvuk je također metoda za transformaciju fukoidana visoke molekularne težine u fukoidan niske molekularne težine, koji je znatno bioaktivniji zbog svoje razgranate strukture. Sa svojom visokom bioaktivnošću i biodostupnošću, fukoidan niske molekularne težine je zanimljiv spoj za farmaceutske proizvode i sisteme za isporuku lijekova.

Studije slučaja: Ultrazvučna ekstrakcija spojeva algi

Efikasnost ultrazvučne ekstrakcije i optimizacija parametara ultrazvučne ekstrakcije su široko proučavani. U nastavku možete pronaći uzorne rezultate za rezultate ekstrakcije putem ultrazvučne obrade iz različitih vrsta algi.

Ekstrakcija proteina iz spiruline korištenjem Mano-Thermo-soniciranja

Istraživačka grupa prof. Chemat (Univerzitet u Avinjonu) istraživala je efekte manotermosonikacije (MTS) na ekstrakciju proteina (kao što je fikocijanin) iz suvih cijanobakterija Arthrospira platensis (takođe poznate kao spirulina). Mano-Thermo-Sonication (MTS) je primjena ultrazvuka u kombinaciji s povišenim pritiscima i temperaturama u cilju intenziviranja procesa ultrazvučne ekstrakcije.
“Prema eksperimentalnim rezultatima, MTS je promovirao prijenos mase (visoka efikasna difuzivnost, De) i omogućio da se dobije 229% više proteina (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) od konvencionalnog procesa bez ultrazvuka (8,63 ± 1,15 g/100 g DW) . Sa 28,42 g proteina na 100 g suhe biomase spiruline u ekstraktu, postignuta je stopa oporavka proteina od 50% za 6 efektivnih minuta uz kontinuirani MTS proces. Mikroskopska zapažanja su pokazala da akustična kavitacija utječe na filamente spiruline različitim mehanizmima kao što su fragmentacija, sonoporacija, deteksturacija. Ovi različiti fenomeni olakšavaju ekstrakciju, oslobađanje i solubilizaciju bioaktivnih spojeva spiruline.” [Vernès et al., 2019.]

Optički mikroskopski snimci cijelih filamenata spiuruline 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

TEAGASC istraživačka grupa dr. Tiwarija istraživala je ekstrakciju polisaharida, tj. fukoidana, laminarina i ukupnih glukana, iz makroalgi Laminaria digitata koristeći Ultrasonicator UIP500hdT. Proučeni parametri ultrazvučno potpomognute ekstrakcije (UAE) pokazali su značajan uticaj na nivoe fukoze, FRAP i DPPH. Nivoi od 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde i 11,02% su dobijeni za fukozu, ukupne glukane, FRAP i DPPH pri optimiziranim uslovima temperature (76◦C), respektivno. 10 min) i ultrazvučne amplitude (100%) koristeći 0,1 M HCl kao rastvarač. Opisani uslovi UAE su zatim uspešno primenjeni na druge ekonomski relevantne smeđe makroalge (L. hyperborea i A. nodosum) kako bi se dobili ekstrakti bogati polisaharidima. Ova studija pokazuje primjenjivost UAE za poboljšanje ekstrakcije bioaktivnih polisaharida iz različitih vrsta makroalgi.

Ultrazvučna fitokemijska ekstrakcija iz F. vesiculosus i P. canaliculata

Istraživački tim García-Vaquera uporedio je različite nove tehnike ekstrakcije, uključujući ultrazvučnu ekstrakciju visokih performansi, ultrazvučnu mikrovalnu ekstrakciju, mikrovalnu ekstrakciju, hidrotermalnu ekstrakciju i ekstrakciju potpomognutu visokim pritiskom kako bi se procijenila efikasnost ekstrakcije iz vrsta smeđih mikroalgi. Fucus vesiculosus i Pelvetia canaliculata. Za ultrasonication, oni su koristili Hielscher UIP500hdT ultrazvučni ekstraktor. Analizom prinosa ekstrakcije otkriveno je da je ultrazvučna ekstrakcija postigla najveće prinose većine fitokemikalija iz oba F. vesiculosus. To znači da su najveći prinosi jedinjenja ekstrahovanih iz F. vesiculosus korišćenjem ultrazvučni ekstraktor UIP500hdT bili su: ukupni sadržaj fenola (445,0 ± 4,6 mg ekvivalenta galne kiseline/g), sadržaj ukupnog florotanina (362,9 ± 3,7 mg ekvivalenata floroglucinola/g), sadržaj ukupnog flavonoida (286,3 ± 7,8 mg ekvivalenta kvercetina) i 189 ekvivalenata kvercetina. ± 4,4 mg ekvivalenata katehina/g).
U svojoj istraživačkoj studiji, tim je zaključio da bi upotreba ultrazvučno potpomognute ekstrakcije „u kombinaciji sa 50% etanolnom otopinom kao rastvaračem 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 ovi spojevi koriste kao farmaceutski, nutraceutički i kozmeceutički proizvodi.” [García-Vaquero et al., 2021.]

Povećanje mano-termo sonikacije na Univerzitetu u Avignonu pomoću Hielscher ultrasonikatora: iz laboratorijske opreme UIP1000hdT (A) na pilotsku opremu UIP4000hdT (B, C & D). Na slici D je shematiziran poprečni presjek ultrazvučne protočne ćelije FC100K.
slika i studija: ©Vernès et al. 2019

Ultrazvučni ekstraktori visokih performansi za uklanjanje algi

Hielscherova najsavremenija ultrazvučna oprema omogućava potpunu kontrolu nad parametrima procesa kao što su amplituda, temperatura, pritisak i unos energije.
Za ultrazvučnu ekstrakciju, parametri kao što su veličina čestica sirovog materijala, tip rastvarača, omjer čvrste tvari i rastvarača i vrijeme ekstrakcije mogu se mijenjati i optimizirati za najbolje rezultate.
Budući da je ultrazvučna ekstrakcija metoda netermalne ekstrakcije, izbjegava se termička degradacija bioaktivnih sastojaka prisutnih u sirovinama kao što su alge.
Sve u svemu, prednosti kao što su visok prinos, kratko vrijeme ekstrakcije, niska temperatura ekstrakcije i male količine rastvarača čine ultrazvuk superiornom metodom ekstrakcije.

Ultrazvučna ekstrakcija: uspostavljena u laboratoriji i industriji

Ultrazvučna ekstrakcija se široko primjenjuje za ekstrakciju bilo koje vrste bioaktivnih spojeva iz biljaka, algi, bakterija i stanica sisara. Ultrazvučna ekstrakcija je uspostavljena kao jednostavna, isplativa i visoko efikasna koja nadmašuje druge tradicionalne tehnike ekstrakcije većim prinosima ekstrakcije i kraćim trajanjem obrade.
Sa dostupnim laboratorijskim, stonim i potpuno industrijskim ultrazvučnim sistemima, ultrazvučna ekstrakcija je danas dobro uspostavljena i pouzdana tehnologija. Hielscher ultrazvučni ekstraktori instalirani su širom svijeta u industrijskim prerađivačkim objektima koji proizvode bioaktivne spojeve prehrambene i farmaceutske kvalitete.

Standardizacija procesa sa Hielscher Ultrasonics

Ekstrakti dobijeni od algi, koji se koriste u hrani, farmaciji ili kozmetici, moraju se proizvoditi u skladu sa dobrom proizvođačkom praksom (GMP) i prema standardizovanim specifikacijama za preradu. Hielscher Ultrasonics digitalni sustavi za ekstrakciju dolaze s inteligentnim softverom, koji olakšava precizno postavljanje i kontrolu procesa sonikacije. Automatsko snimanje podataka zapisuje sve ultrazvučne parametre procesa kao što su ultrazvučna energija (ukupna i neto energija), amplituda, temperatura, pritisak (kada su senzori temperature i pritiska montirani) sa datumom i vremenskom oznakom na ugrađenoj SD kartici. Ovo vam omogućava da revidirate svaku ultrazvučno obrađenu seriju. Istovremeno se osigurava ponovljivost i kontinuirano visok kvalitet proizvoda.

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