Ultrazvuku ke zlepšení narušení a extrakce buněk řas

Řasy, makro- a mikrořasy, obsahují mnoho cenných sloučenin, které se používají jako výživné potraviny, potravinářské přísady nebo jako palivo nebo palivová surovina. Aby se cílové látky uvolnily z buňky řasy, je nutná silná a účinná technika narušení buněk. Ultrazvukové extraktory jsou vysoce účinné a spolehlivé, pokud jde o extrakci bioaktivních sloučenin z rostlin, řas a hub. Ultrazvukové extraktory Hielscher, které jsou k dispozici v laboratorním, stolním a průmyslovém měřítku, jsou zavedeny při výrobě extraktů odvozených od buněk v potravinářství, farmacii a výrobě biopaliv.

Řasy jako cenný zdroj výživy a paliva

Buňky řas jsou všestranným zdrojem bioaktivních a energeticky bohatých sloučenin, jako jsou bílkoviny, sacharidy, lipidy a další bioaktivní látky a také alkany. Díky tomu jsou řasy zdrojem potravy a výživných látek i jako paliva.
Mikrořasy jsou cenným zdrojem lipidů, které se používají pro výživu a jako vstupní surovina pro biopaliva (např. bionaftu). Kmeny mořského fytoplanktonu Dicrateria, jako je Dicrateria rotunda, jsou známé jako řasy produkující benzín, které mohou syntetizovat řadu nasycených uhlovodíků (n-alkanů) z C₁₀H₂₂ až C₃₈H₇₈, které jsou kategorizovány jako benzín (C10–C15), motorová nafta (C16–C20) a topné oleje (C21–C38).
Díky své nutriční hodnotě se řasy používají jako "funkční potraviny" nebo "nutraceutika". Mezi důležité mikroživiny extrahované z řas patří karotenoidy astaxanthin, fukoxanthin a zeaxantin, fukoidan, laminari a další glukany a mnoho dalších bioaktivních látek, které se používají jako doplňky výživy a léčiva. Karagenan, alginát a další hydrokoloidy se používají jako potravinářské přísady. Lipidy z řas se používají jako veganský zdroj omega-3 a také jako palivo nebo jako surovina pro výrobu bionafty.

Narušení a extrakce buněk řas výkonovým ultrazvukem

Ultrazvukové extraktory nebo jednoduše ultrazvukové extraktory se používají k extrakci cenných sloučenin z malých vzorků v laboratoři, stejně jako pro výrobu ve velkém komerčním měřítku.
Buňky řas jsou chráněny složitými matricemi buněčné stěny, které se skládají z lipidů, celulózy, proteinů, glykoproteinů a polysacharidů. Základ většiny buněčných stěn řas je tvořen mikrofibrilární sítí v gelovité proteinové matrici; Některé mikrořasy jsou však vybaveny anorganickou tuhou stěnou složenou z opálových křemičitých frustulí nebo uhličitanu vápenatého. Aby bylo možné získat bioaktivní sloučeniny z biomasy řas, je nutná účinná technika narušení buněk. Kromě technologických extrakčních faktorů (tj. metody extrakce a zařízení) je účinnost narušení a extrakce buněk řas silně ovlivněna také různými faktory závislými na řasách, jako je složení buněčné stěny, umístění požadované biomolekuly v buňkách mikrořas a růstová fáze mikrořas během sklizně.

Jak funguje ultrazvukové narušení a extrakce buněk řas?

Když jsou ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou spojeny pomocí ultrazvukové sondy (známé také jako ultrazvukový roh nebo sonotroda) do kapaliny nebo suspenze, zvukové vlny procházejí kapalinou a vytvářejí tak střídání vysokotlakých / nízkotlakých cyklů. Během těchto vysokotlakých / nízkotlakých cyklů se vyskytují nepatrné vakuové bubliny nebo dutiny. Kavitační bubliny vznikají, když místní tlak během nízkotlakých cyklů klesne dostatečně hluboko pod tlak nasycených par, což je hodnota daná pevností kapaliny v tahu při určité teplotě. Které rostou v několika cyklech. Když tyto vakuové bubliny dosáhnou velikosti, kdy nemohou absorbovat více energie, bublina během vysokotlakého cyklu prudce imploduje. Imploze kavitačních bublin je prudký, energeticky hustý proces, který generuje intenzivní rázové vlny, turbulence a mikrotrysky v kapalině. Kromě toho se vytvářejí lokalizované velmi vysoké tlaky a velmi vysoké teploty. Tyto extrémní podmínky jsou snadno schopné narušit buněčné stěny a membrány a uvolňovat intracelulární sloučeniny účinným, účinným a rychlým způsobem. Intracelulární sloučeniny, jako jsou proteiny, polysacharidy, lipidy, vitamíny, minerály a antioxidanty, lze tak účinně extrahovat pomocí výkonného ultrazvuku.

Ultrazvuková kavitace pro narušení a extrakci buněk

Při vystavení intenzivní ultrazvukové energii je stěna nebo membrána jakéhokoli druhu buňky (včetně botanické, savčí, řasové, plísňové, bakteriální atd.) narušena a buňka je roztrhána na menší fragmenty mechanickými silami energeticky husté ultrazvukové kavitace. Když dojde k porušení buněčné stěny, buněčné metabolity, jako je protein, lipid, nukleová kyselina a chlorofyl, se uvolní z matrice buněčné stěny i z vnitřku buňky a přenesou se do okolního kultivačního média nebo rozpouštědla.
Výše popsaný mechanismus ultrazvukové / akustické kavitace závažně narušuje celé buňky řas nebo vakuoly plynu a kapaliny v buňkách. Ultrazvuková kavitace, vibrace, turbulence a mikroproudění podporují přenos hmoty mezi vnitřkem buňky a okolním rozpouštědlem, takže biomolekuly (tj. metabolity) jsou účinné a rychle se uvolňují. Vzhledem k tomu, že sonikace je čistě mechanické ošetření, které nevyžaduje drsné, toxické a/nebo drahé chemikálie.
Ultrazvuk s vysokou intenzitou a nízkou frekvencí vytváří extrémně energeticky husté podmínky s vysokými tlaky, teplotami a vysokými smykovými silami. Tyto fyzikální síly podporují narušení buněčných struktur za účelem uvolnění intracelulárních sloučenin do média. Proto se nízkofrekvenční ultrazvuk z velké části používá k extrakci bioaktivních látek a paliv z řas. Ve srovnání s konvenčními extrakčními metodami, jako je extrakce rozpouštědlem, mletí kuliček nebo vysokotlaká homogenizace, ultrazvuková extrakce vyniká tím, že uvolňuje většinu bioaktivních sloučenin (jako jsou lipidy, proteiny, polysacharidy a mikroživiny) ze sonoporované a narušené buňky. Při použití správných procesních podmínek poskytuje ultrazvuková extrakce vynikající výtěžnost extrakce během velmi krátké doby trvání procesu. Například vysoce výkonné ultrazvukové extraktory vykazují vynikající extrakční výkon z řas při použití s vhodným rozpouštědlem. V kyselém nebo zásaditém médiu se buněčná stěna řas stává porézní a zvrásněnou, což vede ke zvýšeným výnosům při nízké teplotě (pod 60 °C) v krátké době sonikace (méně než 3 hodiny). Krátká doba extrakce při mírných teplotách zabraňuje degradaci fukoidanu, takže se získá vysoce bioaktivní polysacharid.
Ultrazvuku je také metoda transformace fukoidanu s vysokou molekulovou hmotností na fukoidan s nízkou molekulovou hmotností, který je díky své rozvětvené struktuře výrazně bioaktivnější. Díky své vysoké biologické aktivitě a biologické dostupnosti je fukoidan s nízkou molekulovou hmotností zajímavou sloučeninou pro léčiva a systémy dodávání léčiv.

Případové studie: Ultrazvuková extrakce sloučenin řas

Účinnost ultrazvukové extrakce a optimalizace parametrů ultrazvukové extrakce byly široce studovány. Níže naleznete příkladné výsledky pro výsledky extrakce ultrazvukem z různých druhů řas.

Extrakce proteinů ze spiruliny pomocí mano-termo-sonikace

Výzkumná skupina prof. Chemat (University of Avignon) zkoumala účinky manotermosonikace (MTS) na extrakci proteinů (jako je fykocyanin) ze suchých sinic Arthrospira platensis (také známých jako spirulina). Mano-Thermo-Sonikace (MTS) je aplikace ultrazvuku v kombinaci se zvýšenými tlaky a teplotami za účelem zintenzivnění procesu ultrazvukové extrakce.
"Podle experimentálních výsledků MTS podpořil přenos hmoty (vysoká efektivní difuzivita, De) a umožnil získat o 229 % více proteinů (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) než konvenční proces bez ultrazvuku (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). S 28,42 g bílkovin na 100 g suché biomasy spiruliny v extraktu bylo dosaženo míry výtěžnosti bílkovin 50 % za 6 efektivních minut s kontinuálním procesem MTS. Mikroskopická pozorování ukázala, že akustická kavitace ovlivnila vlákna spiruliny různými mechanismy, jako je fragmentace, sonoporace, detexturace. Tyto různé jevy usnadňují extrakci, uvolňování a solubilizaci bioaktivních sloučenin spiruliny." [Vernès et al., 2019]

Snímky celých vláken spiuruliny z optické mikroskopie podrobených ošetření MTS v průběhu času. Měřítko (obrázek A) = 50 μm pro všechny obrázky.
obraz a studie: ©Vernès et al. 2019

Ultrazvuková extrakce fukoidanu a glukanu z Laminaria digitata

Výzkumná skupina TEAGASC Dr. Tiwariho zkoumala extrakci polysacharidů, tj. fukoidanu, laminarinu a celkových glukanů, z makrořasy Laminaria digitata pomocí Ultrasonicator UIP500hdT. Studované parametry ultrazvukem asistované extrakce (UAE) ukázaly významný vliv na hladiny fukózy, FRAP a DPPH. Hladiny 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde a 11,02 % byly získány pro fukózu, celkové glukany, FRAP a DPPH za optimalizovaných podmínek teploty (76 °C), času (10 minut) a ultrazvukové amplitudy (100 %) s použitím 0,1 M HCl jako rozpouštědla. Popsané podmínky SAE byly poté úspěšně aplikovány na další ekonomicky relevantní hnědé makrořasy (L. hyperborea a A. nodosum) za účelem získání extraktů bohatých na polysacharidy. Tato studie demonstruje použitelnost SAE pro zvýšení extrakce bioaktivních polysacharidů z různých druhů makrořas.

Ultrazvuková fytochemická extrakce z F. vesiculosus a P. canaliculata

Výzkumný tým García-Vaquero porovnával různé nové extrakční techniky včetně vysoce výkonné ultrazvukové extrakce, ultrazvukové mikrovlnné extrakce, mikrovlnné extrakce, hydrotermálně asistované extrakce a vysokotlaké extrakce, aby vyhodnotil účinnost extrakce z hnědých mikrořas druhů Fucus vesiculosus a Pelvetia canaliculata. Pro ultrazvuku použili Hielscher UIP500hdT ultrazvukový extraktor. Anylsis extrakčních výtěžků odhalil, že ultrazvuková extrakce dosáhla nejvyšších výnosů většiny fytochemikálií z obou F. vesiculosus. To znamená nejvyšší výtěžky sloučenin extrahovaných z F. vesiculosus za použití ultrazvukový extraktor UIP500hdT Obsah: celkový obsah fenolů (445,0 ± ekvivalentu kyseliny gallové/g), celkový obsah florotaninu (362,9 ± 3,7 mg ekvivalentu floroglucinolu/g), celkový obsah flavonoidů (286,3 ± 7,8 mg ekvivalentu kvercetinu/g) a celkový obsah tříslovin (189,1 ± ekvivalent katechinu 4,4 mg/g).
Ve své výzkumné studii tým dospěl k závěru, že použití ultrazvukem asistované extrakce "v kombinaci s 50% etanolovým roztokem jako extrakčním rozpouštědlem by mohlo být slibnou strategií zaměřenou na extrakci TPC, TPhC, TFC a TTC, přičemž snižuje koextrakci nežádoucích sacharidů z F. vesiculosus a P. canaliculata, se slibnými aplikacemi při použití těchto sloučenin jako léčiv, nutraceutika a kosmeceutika." [García-Vaquero et al., 2021]

Scale up mano-thermo-sonikace na univerzitě v Avignonu pomocí Hielscher ultrasonicators: z laboratorního vybavení UIP1000hdT (A) k pilotnímu měřítku zařízení UIP4000hdT (B, C & Na obrázku D je schematizován příčný řez ultrazvukovou průtočnou celou FC100K.
obraz a studie: ©Vernès et al. 2019

Vysoce výkonné ultrazvukové extraktory pro narušení řas

Hielscherovo nejmodernější ultrazvukové zařízení umožňuje plnou kontrolu nad parametry procesu, jako je amplituda, teplota, tlak a příkon energie.
U ultrazvukové extrakce lze parametry, jako je velikost částic suroviny, typ rozpouštědla, poměr pevné látky k rozpouštědlu a doba extrakce, měnit a optimalizovat pro dosažení nejlepších výsledků.
Vzhledem k tomu, že ultrazvuková extrakce je netepelná extrakční metoda, je zabráněno tepelné degradaci bioaktivních složek přítomných v surovině, jako jsou řasy.
Celkově lze říci, že výhody, jako je vysoký výtěžek, krátká doba extrakce, nízká teplota extrakce a malé množství rozpouštědla, činí ze sonikace vynikající metodu extrakce.

Ultrazvuková extrakce: Zavedeno v laboratoři a průmyslu

Ultrazvuková extrakce je široce používána pro extrakci jakéhokoli druhu bioaktivní sloučeniny z rostlin, řas, bakterií a savčích buněk. Ultrazvuková extrakce byla zavedena jako jednoduchá, nákladově efektivní a vysoce účinná, která vyniká nad ostatními tradičními extrakčními technikami vyššími výtěžky extrakce a kratší dobou zpracování.
S laboratorními, stolními a plně průmyslovými ultrazvukovými systémy, které jsou snadno dostupné, je ultrazvuková extrakce v dnešní době dobře zavedenou a důvěryhodnou technologií. Hielscher ultrazvukové extraktory jsou instalovány po celém světě v průmyslových zpracovatelských zařízeních, která vyrábějí potravinářské a farmaceutické bioaktivní sloučeniny.

Standardizace procesů s Hielscher Ultrasonics

Extrakty z řas, které se používají v potravinách, léčivech nebo kosmetice, musí být vyráběny v souladu se správnou výrobní praxí (GMP) a podle standardizovaných specifikací zpracování. Digitální extrakční systémy Hielscher Ultrasonics přicházejí s inteligentním softwarem, který usnadňuje přesné nastavení a ovládání procesu sonikace. Automatický záznam dat zapisuje všechny parametry ultrazvukového procesu, jako je ultrazvuková energie (celková a čistá energie), amplituda, teplota, tlak (pokud jsou namontovány snímače teploty a tlaku) s datem a časem stamp na vestavěnou SD kartu. To vám umožní revidovat každou ultrazvukem zpracovanou šarži. Současně je zajištěna reprodukovatelnost a trvale vysoká kvalita výrobků.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: