Ultrazvuková extrakce antokyanů

Antokyany se široce používají jako přírodní barvivo a nutriční přísada v potravinářských výrobcích. Ultrazvuková extrakce je vysoce účinná a jednoduchá technika pro získávání vysoce kvalitních antokyanů. Použití sondových sonikátorů podporuje uvolňování vysoce kvalitních antokyanů z rostlin, což vede k vyšším výtěžkům a rychlému procesu. Sonikace je zároveň šetrná, ekologická a účinná technika pro průmyslovou výrobu antokyanů v potravinářské a farmaceutické kvalitě.

Antokyany – jak extrahovat vysoce kvalitní antokyany pomocí sonikátoru

Antokyany se v potravinářském průmyslu široce používají jako přírodní barviva. Mají široké spektrum barevných odstínů od oranžové přes červenou až po fialovou a modrou, v závislosti na molekulární struktuře a hodnotě pH. Zájem o antokyany nevychází pouze z jejich barvicího účinku, ale také z jejich zdraví prospěšných vlastností. Vzhledem k rostoucím environmentálním a zdravotním obavám ohledně syntetických barviv jsou přírodní barviva skvělou alternativou jako ekologická barviva pro potravinářský a farmaceutický průmysl.

Ultrazvukem zlepšená extrakce antokyanů

Jak extrahovat antokyany pomocí ultrazvuku? – Případové studie

Ultrazvuková extrakce antokyanů z fialové rýže Oryza Sativa L.

Fialová rýže kmene Oryza Sativa (známá také jako Violet Nori nebo fialová rýže) je mimořádně bohatá na fenolické látky, jako je flavonoidní skupina antokyanů. Turrini et al. (2018) použili ultrazvukovou extrakci k izolaci polyfenolických látek, jako jsou antokyany a antioxidanty, z obilky (v celé, hnědé a předvařené formě) a z listů fialové rýže. Ultrazvuková extrakce byla provedena pomocí přístroje Hielscher UP200St (200W, 26kHz, obr. vlevo) a 60% ethanolu jako rozpouštědla.
Aby byla zachována integrita antokyanů, byly ultrazvukové extrakty skladovány při −20°C, což umožnilo jejich skladování po dobu nejméně až tří měsíců.
Zdaleka hlavním detekovaným antokyanem v kultivarech ‚Violet Nori‘, ‚Artemide‘ a ‚Nerone‘ zkoumaných ve studii Turrini et al. byl Cyanidin-3 glucoside (známý také jako chrysantemin), zatímco peonidin-3-glucoside a cyanidin-3-rutinoside (také antirrhinin) byly nalezeny v nižším množství.
Fialové listy Oryza Sativa jsou vynikajícím zdrojem antokyanů a celkového obsahu fenolických látek (TPC). S množstvím přibližně 2–3krát vyšším než v rýži a mouce představují listy Oryza levnou surovinu pro extrakci antokyanů. Odhadovaný výtěžek přibližně 4 kg antokyanů/t čerstvých listů je výrazně vyšší než výtěžek 1 kg antokyanů/t rýže, vypočtený na základě středního množství antokyanů zjištěného v rýži ‚Violet Nori‘ (1300 µg/g rýže, jako cyanidin-3-glucoside) při výtěžku přibližně 68 kg rýže ze 100 kg neloupané rýže.

Ultrazvuková extrakce antokyanů z červeného zelí

Ravanfar et al. (2015) zkoumali účinnost ultrazvukové extrakce antokyanů z červeného zelí. Experimenty s ultrazvukovou extrakcí byly provedeny pomocí ultrazvukového systému UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotroda MS10 (průměr hrotu 10mm) byla vložena do středu temperované skleněné kádinky s pláštěm.

Pro tento experiment byly použity čerstvě nakrájené kousky červeného zelí o rozměru 5mm (krychlového tvaru) s obsahem vlhkosti 92,11 ± 0,45 %. Skleněná kádinka s pláštěm (objem: 200ml) byla naplněna 100ml destilované vody a 2g kousků červeného zelí. Kádinka byla zakryta hliníkovou fólií, aby se během procesu zabránilo ztrátě rozpouštědla (vody) odpařováním. Ve všech experimentech byla teplota v kádince udržována pomocí termostatického regulátoru. Vzorky byly nakonec odebrány, přefiltrovány a odstředěny při 4000rpm a supernatanty byly použity ke stanovení výtěžku antokyanů. Jako kontrolní experiment byla provedena extrakce ve vodní lázni.
Optimální výtěžek antokyanů z červeného zelí byl stanoven při výkonu 100 W, době 30 min a teplotě 15°C, což vedlo k výtěžku antokyanů přibližně 21 mg/L.
Díky změnám barvy v závislosti na hodnotě pH a intenzivnímu zbarvení se barvivo z červeného zelí používá jako pH indikátor ve farmaceutických formulacích, resp. jako antioxidant a barvivo v potravinových systémech.

Ultrazvuk výrazně intenzifikuje extrakci antokyanů z rostlinného materiálu.
zdroj: Ravanfar et al. 2015

 
Další studie prokazují úspěšnou ultrazvukovou extrakci antokyanů mimo jiné z borůvek, ostružin, hroznů, třešní, jahod a fialových batátů.

Vysoce výkonné ultrazvukové extraktory

Hielscher Ultrasonics se specializuje na výrobu vysoce výkonných ultrazvukových procesorů pro produkci vysoce kvalitních extraktů z rostlinných surovin.
Široké portfolio sonikátorů Hielscher sahá od malých, výkonných laboratorních ultrazvukových přístrojů po robustní stolní a plně průmyslové systémy, které dodávají ultrazvuk o vysoké intenzitě pro účinnou extrakci a izolaci bioaktivních látek (např. antokyanů, gingerolu, piperinu, kurkuminu atd.).
Všechny ultrazvukové přístroje od 200W do 16 000W jsou vybaveny barevným dotykovým displejem pro digitální ovládání, integrovanou SD kartou pro automatický záznam dat, dálkovým ovládáním přes prohlížeč a mnoha dalšími uživatelsky přívětivými funkcemi. Sonotrody a průtokové cely (části, které jsou v kontaktu s médiem) lze autoklávovat a snadno se čistí.
Sonikátory Hielscher jsou velmi robustní a konstruované pro provoz 24/7 při plném zatížení, přičemž vyžadují nízkou údržbu a jejich obsluha je snadná a bezpečná. Digitální barevný displej umožňuje uživatelsky přívětivé ovládání ultrazvukového přístroje.
Naše systémy jsou schopny dodávat nízké až velmi vysoké amplitudy. Pro extrakci kanabinoidů a terpenů nabízíme speciální ultrazvukové sonotrody (známé také jako ultrazvukové sondy nebo horny), které jsou optimalizovány pro šetrnou izolaci vysoce kvalitních účinných látek. Všechny naše systémy lze použít pro extrakci a následnou emulgaci kanabinoidů. Robustnost sonikátorů Hielscher umožňuje nepřetržitý provoz (24/7) při vysokém zatížení a v náročných prostředích.

Přesné řízení parametrů ultrazvukového procesu zajišťuje reprodukovatelnost a standardizaci procesu.
 

Níže uvedená tabulka vám poskytne přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:

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.

Fakta, která stojí za to znát

Jak funguje ultrazvukem asistovaná extrakce?

Působení intenzivních ultrazvukových vln na kapalné médium vede ke kavitaci. Jev kavitace vede lokálně k extrémním teplotám, tlakům, rychlostem ohřevu/ochlazování, tlakovým rozdílům a vysokým smykovým silám v médiu. Když kavitační bubliny implodují na povrchu pevných látek (jako jsou částice, rostlinné buňky, tkáně atd.), mikroproudy a mezičásticové srážky vyvolávají efekty, jako je odlupování povrchu, eroze a rozpad částic. Kromě toho imploze kavitačních bublin v kapalných médiích vytváří makroturbulence a mikromísení.
Ultrazvukové ozařování rostlinného materiálu fragmentuje matrici rostlinných buněk a zvyšuje jeho hydrataci. Chemat et al (2015) dospěli k závěru, že ultrazvuková extrakce bioaktivních látek z rostlinných surovin je výsledkem různých nezávislých nebo kombinovaných mechanismů, včetně fragmentace, eroze, kapilarity, detexturace a sonoporace. Tyto účinky narušují buněčnou stěnu, zlepšují přenos hmoty tím, že vtlačují rozpouštědlo do buňky a odsávají rozpouštědlo nasycené fytolátkami ven, a zajišťují pohyb kapaliny mikromísením.

Ultrazvuková extrakce je založena na akustické kavitaci a jejích hydrodynamických smykových silách

Ultrazvukové ozařování rostlinného materiálu fragmentuje matrici rostlinných buněk a zvyšuje jeho hydrataci. Chemat et al. (2015) dospěli k závěru, že ultrazvuková extrakce bioaktivních látek z rostlinných surovin je výsledkem různých nezávislých nebo kombinovaných mechanismů, včetně fragmentace, eroze, kapilarity, detexturace a sonoporace. Tyto účinky narušují buněčnou stěnu, zlepšují přenos hmoty tím, že vtlačují rozpouštědlo do buňky a odsávají rozpouštědlo nasycené fytolátkami ven, a zajišťují pohyb kapaliny mikromísením.
Ultrazvuková extrakce dosahuje velmi rychlé izolace látek – překonává konvenční extrakční metody kratší dobou procesu, vyšším výtěžkem a nižšími teplotami. Jako šetrné mechanické ošetření se ultrazvukem asistovaná extrakce vyhýbá tepelné degradaci bioaktivních složek a vyniká ve srovnání s jinými technikami, jako je konvenční extrakce rozpouštědlem, hydrodestilace nebo Soxhletova extrakce, o nichž je známo, že ničí tepelně citlivé molekuly. Díky těmto výhodám je ultrazvuková extrakce preferovanou technikou pro uvolňování teplotně citlivých bioaktivních látek z rostlinných surovin.

Ultrazvuková extrakce z rostlinných buněk: mikroskopický příčný řez (TS) ukazuje mechanismus působení během ultrazvukové extrakce z buněk (zvětšení 2000x) [zdroj: Vilkhu et al. 2011]

Antokyan – cenný rostlinný pigment

Antokyany jsou vakuolární rostlinné pigmenty, které se mohou jevit jako červené, fialové, modré nebo černé. Barevný projev ve vodě rozpustných antokyanových pigmentů závisí na jejich hodnotě pH. Antokyany se nacházejí v buněčné vakuole, převážně v květech a plodech, ale také v listech, stoncích a kořenech, kde se vyskytují převážně ve vnějších buněčných vrstvách, jako je epidermis a periferní buňky mezofylu.
V přírodě se nejčastěji vyskytují glykosidy kyanidinu, delfinidinu, malvidinu, pelargonidinu, peonidinu a petunidinu.
Významnými příklady rostlin bohatých na antokyany jsou druhy rodu Vaccinium, jako je kanadská borůvka, klikva a borůvka černá; plody rodu Rubus, včetně černých malin, červených malin a ostružin; černý rybíz, třešně, lilek, černá rýže, ube, okinawský batát, hrozny odrůdy Concord, hrozny muškadinové révy, červené zelí a fialové okvětní lístky. Broskve a jablka s červenou dužninou obsahují antokyany. V banánech, chřestu, hrachu, fenyklu, hruškách a bramborách se antokyany vyskytují v menším množství a v některých kultivarech zelených angreštů mohou zcela chybět.

Struktura hlavních antokyanů

Antokyany jsou skvělou alternativou k nahrazení syntetických barviv v potravinářských výrobcích. Antokyany jsou schváleny pro použití jako potravinářská barviva v Evropské unii, Austrálii a na Novém Zélandu pod kódem barviva E163. Antokyany se nacházejí v ovoci a zelenině a lze je popsat jako typ ve vodě rozpustných rostlinných pigmentů. Chemicky jsou antokyany glykosidy antokyanidinů založené na struktuře 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Do kategorie antokyanů spadá více než 200 různých fytochemikálií. Jelikož jsou hlavním barevným pigmentem planě rostoucího ovoce a bobulí, existuje mnoho zdrojů, ze kterých lze antokyany extrahovat. Významným zdrojem antokyanů je slupka hroznů. Antokyanové pigmenty ve slupce hroznů tvoří převážně di-glukosidy, mono-glukosid, acylované monoglukosidy a také acylované di-glukosidy peonidinu, malvidinu, kyanidinu, petunidinu a delfinidinu. Obsah antokyanů v hroznech se pohybuje v rozmezí 30–750mg/100g.
Nejvýznamnějšími antokyany jsou kyanidin, delfinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin a petunidin.
Ve fialových batátech se nacházejí například antokyany peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside a cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside.

Antokyany – přínosy pro zdraví

Kromě své vynikající schopnosti fungovat jako přírodní potravinářské barvivo jsou antokyany vysoce ceněny pro své antioxidační účinky. Antokyany proto vykazují mnoho pozitivních účinků na zdraví. Výzkum ukázal, že antokyany mohou inhibovat poškození DNA v nádorových buňkách, inhibovat trávicí enzymy, indukovat produkci inzulinu v izolovaných buňkách slinivky břišní, snižovat zánětlivé reakce, chránit před věkem podmíněným úbytkem mozkových funkcí, zlepšovat těsnost kapilárních cév a zabraňovat agregaci trombocytů.