Ekstraktion af anthocyaniner med ultralyd

Anthocyaniner anvendes i vid udstrækning som naturlige farvestoffer og ernæringsmæssige tilsætningsstoffer i fødevarer. Ultralydsekstraktion er en yderst effektiv og enkel teknik til at opnå anthocyaniner af høj kvalitet. Brugen af sonikatorer med sonde fremmer frigivelsen af anthocyaniner af høj kvalitet fra planter, hvilket giver højere udbytter og en hurtig proces. Samtidig er sonikering en skånsom, grøn og effektiv teknik til industriel fremstilling af anthocyaniner af fødevare- og lægemiddelkvalitet.

Anthocyaniner – Sådan ekstraheres anthocyaniner af høj kvalitet med en sonikator

Anthocyaniner anvendes i vid udstrækning som naturlige farvestoffer i fødevareindustrien. De har et bredt spektrum af farvenuancer, der spænder fra orange over rød til lilla og blå, afhængigt af molekylstrukturen og pH-værdien. Interessen for anthocyaniner skyldes ikke kun deres farvende virkning, men også deres sundhedsfremmende egenskaber. På grund af voksende miljø- og sundhedsmæssige bekymringer vedrørende syntetiske farvestoffer er naturlige farvestoffer et fremragende alternativ som miljøvenlige farvestoffer til fødevare- og lægemiddelindustrien.

Forbedret ekstraktion af anthocyaniner med ultralyd

Hvordan ekstraheres anthocyaniner med ultralyd? – Casestudier

Ekstraktion af anthocyaniner fra lilla ris Oryza Sativa L. med ultralyd

Lilla ris af stammen Oryza Sativa (også kendt som Violet Nori eller violette ris) er usædvanligt rige på fenolforbindelser såsom flavonoidgruppen anthocyaniner. Turrini et al. (2018) anvendte ultralydsekstraktion til at isolere polyfenolforbindelser såsom anthocyaniner og antioxidanter fra kornfrugten (i hel, brun og parboiled form) og bladene af lilla ris. Ultralydsekstraktionen blev udført med en Hielscher UP200St (200W, 26kHz, billede til venstre) og ethanol 60% som opløsningsmiddel.
For at bevare anthocyaninernes integritet blev ultralydsekstrakterne opbevaret ved −20°C, hvilket gjorde det muligt at opbevare dem i mindst op til tre måneder.
Cyanidin-3 glucoside (også kendt som chrysanthemin) var langt det mest fremtrædende påviste anthocyanin i sorterne ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ og ‘Nerone’, som blev undersøgt i studiet af Turrini et al., mens peonidin-3-glucoside og cyanidin-3-rutinoside (også antirrhinin) blev fundet i mindre mængder.
De violette blade af Oryza Sativa er en fremragende kilde til anthocyaniner og samlet fenolindhold (TPC). Med en mængde, der er ca. 2–3 gange højere end i ris og mel, udgør Oryza-bladene en billig råvare til ekstraktion af anthocyaniner. Et anslået udbytte på ca. 4 kg anthocyanin/t friske blade er betydeligt højere end udbyttet på 1 kg anthocyanin/t ris, beregnet på grundlag af de gennemsnitlige anthocyaninmængder, der blev påvist i ‘Violet Nori’-ris (1300 µg/g ris, som cyanidin-3-glucoside), ved et udbytte på ca. 68 kg ris fra 100 kg uafskallet ris.

Ekstraktion af anthocyaniner fra rødkål med ultralyd

Ravanfar et al. (2015) har undersøgt effektiviteten af ultralydsekstraktion af anthocyaniner fra rødkål. Forsøg med ultralydsekstraktion blev udført med ultralydssystemet UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotroden MS10 (10mm spidsdiameter) blev indført i midten af et temperaturstyret bægerglas med kappe.

Til dette forsøg blev der anvendt friskskårne rødkålsstykker med en størrelse på 5mm (terningform) og et fugtindhold på 92,11 ± 0,45 %. Et bægerglas med kappe (volumen: 200ml) blev fyldt med 100ml destilleret vand og 2g rødkålsstykker. Bægerglasset blev dækket med aluminiumsfolie for at forhindre tab af opløsningsmiddel (vand) ved fordampning under processen. I alle forsøg blev temperaturen i bægerglasset opretholdt med en termostatregulator. Til sidst blev prøverne indsamlet, filtreret og centrifugeret ved 4000rpm, og supernatanterne blev anvendt til at bestemme anthocyaninudbyttet. Ekstraktion i vandbad blev udført som kontrolforsøg.
Det optimale udbytte af anthocyanin fra rødkål blev bestemt ved en effekt på 100 W, en tid på 30 min og en temperatur på 15°C, hvilket gav et anthocyaninudbytte på ca. 21 mg/L.
På grund af farveændringerne afhængigt af pH-værdien og den intense farvning er rødkålsfarvestof blevet anvendt henholdsvis som pH-indikator i farmaceutiske formuleringer eller som antioxidant og farvestof i fødevaresystemer.

Ultralyd intensiverer ekstraktionen af anthocyaniner fra plantemateriale betydeligt.
kilde: Ravanfar et al. 2015

 
Andre studier viser vellykket ultralydsekstraktion af anthocyaniner fra blandt andet blåbær, brombær, druer, kirsebær, jordbær og lilla søde kartofler.

Højtydende ultralydsekstraktorer

Hielscher Ultrasonics er specialiseret i fremstilling af højtydende ultralydsprocessorer til produktion af ekstrakter af høj kvalitet fra plantemateriale.
Hielschers brede udvalg af sonikatorer spænder fra små, kraftige ultralydsapparater til laboratorier til robuste bordmodeller og fuldt industrielle systemer, som leverer ultralyd med høj intensitet til effektiv ekstraktion og isolering af bioaktive stoffer (f.eks. anthocyaniner, gingerol, piperine, curcumin osv.).
Alle ultralydsapparater fra 200W til 16.000W har en farveberøringsskærm til digital styring, et integreret SD-kort til automatisk dataregistrering, fjernstyring via browser og mange flere brugervenlige funktioner. Sonotroderne og gennemstrømningscellerne (de dele, der er i kontakt med mediet) kan autoklaveres og er nemme at rengøre.
Hielschers sonikatorer er meget robuste og bygget til drift 24/7 under fuld belastning, samtidig med at de kræver begrænset vedligeholdelse og er nemme og sikre at betjene. Et digitalt farvedisplay muliggør brugervenlig styring af ultralydsapparatet.
Vores systemer kan levere fra lave op til meget høje amplituder. Til ekstraktion af cannabinoider og terpener tilbyder vi særlige ultralydssonotroder (også kendt som ultralydssonder eller horn), som er optimeret til skånsom isolering af aktive stoffer af høj kvalitet. Alle vores systemer kan anvendes til ekstraktion og efterfølgende emulgering af cannabinoider. Robustheden af Hielschers sonikatorer muliggør kontinuerlig drift (24/7) under høj belastning og i krævende miljøer.

Den præcise styring af ultralydsprocessens parametre sikrer reproducerbarhed og processtandardisering.
 

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

Litteratur / Referencer

• 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.

Værd at vide

Hvordan fungerer ultralydsassisteret ekstraktion?

Anvendelse af intense ultralydsbølger i et flydende medium medfører kavitation. Fænomenet kavitation fører lokalt til ekstreme temperaturer, tryk, opvarmnings-/afkølingshastigheder, trykforskelle og høje forskydningskræfter i mediet. Når kavitationsbobler imploderer på overfladen af faste stoffer (såsom partikler, planteceller, væv osv.), frembringer mikrostråler og kollisioner mellem partikler effekter såsom afskalning af overfladen, erosion og nedbrydning af partikler. Desuden skaber implosionen af kavitationsbobler i flydende medier makroturbulens og mikroblanding.
Ultralydsbestråling af plantemateriale fragmenterer plantecellernes matrix og forbedrer dens hydrering. Chemat et al (2015) konkluderer, at ultralydsekstraktion af bioaktive forbindelser fra plantemateriale er resultatet af forskellige uafhængige eller kombinerede mekanismer, herunder fragmentering, erosion, kapillaritet, strukturnedbrydning og sonoporation. Disse effekter bryder cellevæggen op, forbedrer stofoverførslen ved at presse opløsningsmiddel ind i cellen og suge opløsningsmiddel med planteforbindelser ud og sikrer væskebevægelse ved mikroblanding.

Ultralydsekstraktion er baseret på akustisk kavitation og dens hydrodynamiske forskydningskræfter

Ultralydsbestråling af plantemateriale fragmenterer plantecellernes matrix og forbedrer dens hydrering. Chemat et al. (2015) konkluderer, at ultralydsekstraktion af bioaktive forbindelser fra plantemateriale er resultatet af forskellige uafhængige eller kombinerede mekanismer, herunder fragmentering, erosion, kapillaritet, strukturnedbrydning og sonoporation. Disse effekter bryder cellevæggen op, forbedrer stofoverførslen ved at presse opløsningsmiddel ind i cellen og suge opløsningsmiddel med planteforbindelser ud og sikrer væskebevægelse ved mikroblanding.
Ultralydsekstraktion opnår en meget hurtig isolering af forbindelser – og overgår konventionelle ekstraktionsmetoder med kortere procestid, højere udbytte og lavere temperaturer. Som en skånsom mekanisk behandling undgår ultralydsassisteret ekstraktion termisk nedbrydning af bioaktive komponenter og udmærker sig i sammenligning med andre teknikker såsom konventionel opløsningsmiddelekstraktion, hydrodestillation eller Soxhlet-ekstraktion, som er kendt for at ødelægge varmefølsomme molekyler. På grund af disse fordele er ultralydsekstraktion den foretrukne teknik til frigivelse af temperaturfølsomme bioaktive forbindelser fra plantemateriale.

Ultralydsekstraktion fra planteceller: Det mikroskopiske tværsnit (TS) viser virkningsmekanismen under ultralydsekstraktion fra celler (forstørrelse 2000x) [kilde: Vilkhu et al. 2011]

Anthocyanin – Et værdifuldt plantepigment

Anthocyaniner er vakuolære plantepigmenter, som kan fremstå røde, lilla, blå eller sorte. De vandopløselige anthocyaninpigmenters farveudtryk afhænger af deres pH-værdi. Anthocyaniner findes i cellevakuolen, hovedsageligt i blomster og frugter, men også i blade, stængler og rødder, hvor de primært findes i de ydre cellelag såsom epidermis og perifere mesofylceller.
De hyppigst forekommende i naturen er glycosiderne af cyanidin, delphinidin, malvidin, pelargonidin, peonidin og petunidin.
Fremtrædende eksempler på planter, der er rige på anthocyaniner, omfatter vaccinium-arter såsom amerikanske blåbær, tranebær og almindelige blåbær; Rubus-bær, herunder sorte hindbær, røde hindbær og brombær; solbær, kirsebær, aubergine, sorte ris, ube, søde kartofler fra Okinawa, Concord-druer, muscadine-druer, rødkål og violkronblade. Ferskner og æbler med rødt frugtkød indeholder anthocyaniner. Anthocyaniner forekommer i mindre mængder i banan, asparges, ært, fennikel, pære og kartoffel og kan være helt fraværende i visse sorter af grønne stikkelsbær.

Struktur af de vigtigste anthocyaniner

Anthocyaniner er et fremragende alternativ til erstatning af syntetiske farvestoffer i fødevarer. Anthocyaniner er godkendt til brug som fødevarefarvestoffer i Den Europæiske Union, Australien og New Zealand med farvestofkoden E163. Anthocyaniner findes i frugt og grøntsager og kan beskrives som en type vandopløselige plantepigmenter. Kemisk er anthocyaniner glycosider af anthocyanidiner baseret på 2-phenylbenzophyrylium (flavylium)-strukturen. Der er mere end 200 forskellige fytokemikalier, som hører til kategorien anthocyaniner. Da anthocyaniner er et hovedfarvepigment i vilde frugter og bær, er der mange kilder, hvorfra de kan ekstraheres. En fremtrædende kilde til anthocyaniner er druernes skind. Anthocyaninpigmenterne i drueskind består hovedsageligt af di-glucosider, mono-glucosid, acylerede monoglucosider samt acylerede di-glucosider af peonidin, malvidin, cyanidin, petunidin og delphinidin. Anthocyaninindholdet i druer varierer fra 30–750mg/100g.
De mest fremtrædende anthocyaniner er cyanidin, delphinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin og petunidin.
For eksempel findes anthocyaninerne peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside og cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside i lilla søde kartofler.

Anthocyaniner – Sundhedsmæssige fordele

Ud over deres fremragende evne til at fungere som naturlige fødevarefarvestoffer værdsættes anthocyaniner højt for deres antioxidative virkninger. Derfor udviser anthocyaniner mange positive sundhedseffekter. Forskning har vist, at anthocyaniner kan hæmme DNA-skader i kræftceller, hæmme fordøjelsesenzymer, inducere insulinproduktion i isolerede bugspytkirtelceller, reducere inflammatoriske reaktioner, beskytte mod aldersrelateret svækkelse af hjernefunktionen, forbedre kapillærblodkarrenes tæthed og forhindre trombocytaggregation.