Ultralydsekstraktion af alger til kosttilskud

Ultralydsekstraktion er den overlegne metode til effektivt og hurtigt at nedbryde algeceller. Sonikering kan frigive hele mængden af de bioaktive forbindelser, hvilket gør ultralydsteknikken yderst effektiv.

Sådan ekstraheres proteiner, lipider og fenolforbindelser fra alger med ultralyd

Alge- og mikroalgearter er rige på biologisk aktive forbindelser såsom proteiner, lipider, carotenoider, pigmenter (f.eks. fykocyaniner, astaxanthin osv.), fenolforbindelser og polysakkarider (f.eks. carrageenaner). Det gør dem til et meget anvendt naturligt materiale til fremstilling af ekstrakter til fødevarer og kosttilskud. Algearter, der ofte anvendes til kosttilskud, er Arthrospira maxima og (også kendt som spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis og Ulva spp. Alger er kendt som en god kilde til proteiner af høj kvalitet, lipider, langkædede flerumættede fedtsyrer (PUFA’er, dvs. omega-3), polysakkarider (f.eks. alginat, carrageenan, β-glucaner), vitaminer og antioxidanter.
Spirulina er en almindeligt anvendt algetype, som er rig på værdifulde bioaktive forbindelser såsom proteiner (med 50–70% af tørvægten). Da Spirulina er godkendt af FDA (USA’s fødevare- og lægemiddelmyndighed) som GRAS (generelt anerkendt som sikker), kan spirulina og spirulinaekstrakter anvendes i fødevarer, der markedsføres kommercielt, eller som kosttilskud.

Fordele ved ultralydsekstraktion af alger

Ultralydsekstraktion overgår alternative ekstraktionsmetoder på mange punkter, såsom højt udbytte, pålidelighed, sikkerhed, enkelhed og miljøvenlighed.

Fuldt ekstraktionsudbytte

Højtydende ultralydsapparater bryder algecellerne op og nedbryder dem, så det intracellulære materiale frigives. Ultralydsekstraktion frigiver dermed hele spektret af bioaktive forbindelser, såsom fykobiliproteiner, carotenoider og lipider samt fenolforbindelser.
Fykobiliproteiner kan opdeles i tre hovedgrupper, nemlig kloro-fykocyaniner, allofykocyaniner og fykoerytriner. C-fykocyanin er et naturligt blåt pigment, som anvendes i vid udstrækning i fødevarer og farmaceutiske produkter. Ultralydsekstraktion frigiver hele spektret af proteiner.

Høj ekstraktionseffektivitet

Duangsee et al. (2009) testede to forskellige metoder til ekstraktion (ultralydsassisteret opløsningsmiddelekstraktion og ekstraktion ved gentagen frysning og optøning) af bioaktive forbindelser fra Arthospira-biomasse og fandt, at ultralydsbaseret opløsningsmiddelekstraktion gav en højere ekstraktionseffektivitet (22,1%) end frysning og optøning (15,6%). En sammenligning af cellebrud ved sonikering og gentagen frysning og optøning viser, at sonikering er mere effektiv. Ultralydskavitation nedbryder algeceller hurtigt og effektivt, hvilket resulterer i en større grad af cellenedbrydning sammenlignet med spirulinaceller behandlet med gentagen frysning og optøning.
Sonikering var mere effektiv til at nedbryde cellehylsteret end gentagen frysning og optøning. Ekstraktionsudbyttet af fykocyanin viste, at behandlingstemperaturen påvirkede ekstraktionseffektiviteten.

Hurtig ekstraktionsproces

Højtydende ultralydssystemer kan tilføre algesuspensionen høj ultralydseffekt via høje amplituder. Det gør ultralydsekstraktion til en meget hurtig behandlingsmetode.

Temperaturstyring

Sonikering er en ikke-termisk, rent mekanisk ekstraktionsteknik. Ekstraktionstemperaturen kan styres præcist ved hjælp af en temperaturføler med stiktilslutning, som forbindes med ledning til det digitale ultralydsapparat fra Hielscher. Softwaren i de digitale ultralydsapparater fra Hielscher gør det muligt at indstille temperaturgrænser, så ultralydshomogenisatoren holder pause, når temperaturgrænsen nås. Den præcise temperaturstyring gør det muligt at forhindre termisk nedbrydning af varmefølsomme materialer såsom fykobiliproteiner, vitaminer, polyfenoler, polysakkarider, lipider og andre bioaktive forbindelser.

Kompatibel med forskellige opløsningsmidler

Sonikering er kompatibel med næsten ethvert opløsningsmiddel. Ultralydsekstraktion i kombination med grønne opløsningsmidler såsom vand eller ethanol giver rene ekstrakter. Disse ultralydsekstrakter kan sikkert tilsættes fødevarer, da ekstraktionsopløsningsmidlerne ethanol og vand har GRAS-status (generelt anerkendt som sikre).

Reproducerbarhed og processtandardisering

Hielschers digitale ultralydsapparater leveres med intelligent software og et omfattende udvalg af indstillinger til de ideelle ekstraktionsparametre. Softwaren registrerer alle ultralydsprocesparametre (f.eks. amplitude, nettoeffekt, samlet effekt, temperatur, tryk, tid og dato) og skriver sonikeringsdataene til en CSV-fil på det indbyggede SD-kort. Det giver dig mulighed for at standardisere din ekstraktionsproces og nøje overvåge sonikeringen og kvaliteten af det fremstillede produkt. Disse funktioner hjælper dig med at opfylde kravene til processtandardisering samt god fremstillingspraksis (GMP), som begge er yderst vigtige, når ekstrakterne fremstilles til kosttilskud, fødevarer eller farmaceutiske produkter.

Protokol for ultralydsekstraktion af fykocyanin

Mazumder et al. (2017) undersøgte de optimale behandlingsparametre for ultralydsekstraktion af fykocyanin og fenolforbindelser fra Arthospira platensis. Det maksimale udbytte af fykocyanin (29,9 mg/g) og samlede fenolforbindelser (2,4 mg/g) blev opnået ved en ethanolkoncentration på 40% og en ekstraktionstemperatur på 34,9°C med ultralydsapparatet UP50H (50 watt, 30kHz) ved en amplitude på 95% og en ekstraktionstid på 104,7 sek.

Vernès et al. (2019) anvendte et ultralydsapparat af typen UIP1000hdT (1000W, 20kHz) til at ekstrahere proteiner fra spirulina. Ultralydsapparatet var udstyret med en sonotrode af typen BS2d34 og en ultralydsflowreaktor (se billedet nedenfor for den præcise opstilling til ultralydsekstraktion med flowcelle og pumpe fra Seepex).

UIP1000hdT – opstilling til manotermosonikering (MTS) og vores proteinekstraktion fra spirulina i laboratorieskala
kilde: Vernes et al. 2019

Forskningsresultaterne viser, at betingelser for ultralydsekstraktion, der er optimeret med henblik på proteinudbyttet, indebærer let forhøjet temperatur og tryk (såkaldt manotermosonikering, MTS). MTS fremmer masseoverførsel og gør det muligt at opnå 229% mere protein (28,42 ± 1,15 g/100 g tørvægt) end ved den konventionelle proces uden ultralyd (8,63 ± 1,15 g/100 g tørvægt).
Med 28,42 g protein i ekstraktet pr. 100 g tør spirulinabiomasse blev der opnået en proteingenvindingsgrad på 50% på kun 6 minutter i en kontinuerlig sonikeringsproces. Mikroskopiske billeder viser, at akustisk kavitation påvirker spirulinafilamenterne gennem forskellige mekanismer såsom fragmentering, sonoporation og destrukturering. Disse forskellige virkninger gør ekstraktion, frigivelse og solubilisering af spirulinas bioaktive forbindelser lettere og mere effektiv, hvilket resulterer i et højt udbytte af protein af høj kvalitet.
Med hensyn til kvaliteten af de proteiner, der blev ekstraheret med ultralyd, blev aminosyrerne ikke nedbrudt af ultralydsbehandlingen, men de forekommer i større mængder ved sonikering sammenlignet med konventionel ekstraktion.
Når manotermosonikering og ultralydsekstraktion uden forhøjet tryk og temperatur sammenlignes, er forskellen i ekstraktionsudbytte og effektivitet kun minimal. Derfor anses ultralyd alene for at være den mest økonomiske og letteste teknik til at fremstille et ekstrakt af høj kvalitet, som er rigt på spirulinaproteiner. Ultralydsekstraktion er en grøn, miljøvenlig ekstraktionsteknik, der er egnet til proteinekstraktion fra spirulina i laboratorieskala, og som nemt kan opskaleres til pilot- og industriel skala. (jf. Vernès et al. 2019)

Højtydende ultralydsekstraktorer

Alle ekstraktionsresultater opnået i lille skala kan opskaleres lineært til større produktionskapaciteter. Hielscher Ultrasonics’ store produktportefølje, fra ekstraktionssystemer til laboratoriet til industrielle ekstraktionssystemer, omfatter det bedst egnede ultralydsapparat til din planlagte proceskapacitet. Vores medarbejdere med mange års erfaring hjælper dig fra gennemførlighedstest og procesoptimering til installation af dit ultralydssystem på det endelige produktionsniveau.

Hielscher Ultrasonics – avanceret ekstraktionsudstyr

Hielscher Ultrasonics’ produktportefølje dækker hele udvalget af højtydende ultralydsekstraktorer fra lille til stor skala. Yderligere tilbehør gør det nemt at sammensætte den bedst egnede konfiguration af ultralydsudstyret til din proces. Den optimale ultralydsopstilling afhænger af den planlagte kapacitet, volumen, råmaterialet, batch- eller inlineprocessen og tidsplanen. Hielschers robuste ultralydsudstyr muliggør drift 24/7 under høj belastning og i krævende miljøer. Ultralydsekstraktionsprocessernes lineære skalerbarhed gør det muligt at øge produktionen enkelt og pålideligt. Læs mere om lineær opskalering af ultralydsekstraktionsprocesser!

Vælg mellem forskelligt tilbehør såsom:

• sonotroder med forskellige størrelser, diametre og former
• sonotroder til høje amplituder på 200µm og derover
• flowcellereaktorer med forskellige volumener og geometrier
• talrige boosterhorn til at øge eller mindske amplitudeforstærkningen
• komplette sonikeringsopstillinger såsom SonoStation, som omfatter ultralydsekstraktor, tank, omrører og pumpe
• temperaturfølere med stiktilslutning
• trykfølere med stiktilslutning

Vores veluddannede medarbejdere med mange års erfaring rådgiver dig og anbefaler det bedst egnede ultralydssystem til kravene i din ekstraktionsproces!

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: