Ultralydbehandling for at forbedre forstyrrelser og udvinding af algerceller

Alger, makro- og mikroalger, indeholder mange værdifulde forbindelser, der bruges som ernæringsmæssige fødevarer, fødevaretilsætningsstoffer eller som brændstof eller brændstoffoder. For at frigive målstofferne fra algecellen kræves en potent og effektiv celleforstyrrelsesteknik. Ultralydekstraktorer er meget effektive og pålidelige, når det kommer til udvinding af bioaktive forbindelser fra botaniske, alger og svampe. Hielscher ultralydsekstraktorer fås i laboratorie-, bænk- og industriel skala og er etableret i produktionen af cellebaserede ekstrakter i fødevare-, pharma- og biobrændselsproduktion.

Alger som en værdifuld ressource for ernæring og brændstof

Algeceller er en alsidig kilde til bioaktive og energirige forbindelser, såsom proteiner, kulhydrater, lipider og andre bioaktive stoffer samt alkaner. Dette gør alger til en kilde til fødevarer og ernæringsmæssige forbindelser samt til brændstoffer.
Mikroalger er en værdsat kilde til lipider, som anvendes til ernæring og som råmateriale til biobrændstoffer (f.eks. biodiesel). Stammer af den marine fytoplankton Dicrateria, såsom Dicrateria rotunda, er kendt som benzinproducerende alger, der kan syntetisere en række mættede kulbrinter (n-alkaner) fra C₁₀H₂₂ til C₃₈H₇₈, der er kategoriseret som benzin (C10-C15), dieselolier (C16-C20) og brændselsolier (C21-C38).
På grund af deres næringsværdi bruges alger som "funktionelle fødevarer" eller "nutraceuticals". Vigtige mikronæringsstoffer udvundet af alger omfatter carotenoider astaxanthin, fucoxanthin og zeaxantin, fucoidan, laminari og andre glucaner blandt mange andre bioaktive stoffer anvendes som kosttilskud og pharmceuticals. Carrageenan, alginat og andre hydrokolloider anvendes som tilsætningsstoffer til levnedsmidler. Alger lipider bruges som vegansk omega-3 kilde og også bruges som brændstof eller som råvare til produktion af biodiesel.

Alger Celle Forstyrrelser og Udvinding af Power Ultralyd

Ultralydsekstraktorer eller simpelthen ultralydsapparater bruges til at udtrække værdifulde forbindelser fra små prøver i laboratoriet såvel som til produktion i stor kommerciel skala.
Algecelle er beskyttet af komplekse cellevægsmatrixer, som består af lipider, cellulose, proteiner, glycoproteiner og polysaccharider. Bunden af de fleste alger cellevægge er bygget af en mikrofibrillar netværk inden for en gel-lignende protein matrix; nogle mikroalger er dog udstyret med en uorganisk stiv væg bestående af opaline silica frustules eller calciumcarbonat. For at opnå bioaktive forbindelser fra algebiomasse er en effektiv celleforstyrrelsesteknik nødvendig. Ud over de teknologiske ekstraktionsfaktorer (dvs. ekstraktionsmetode og -udstyr) påvirkes effektiviteten af algecelleforstyrrelser og ekstraktion også stærkt af forskellige algeafhængige faktorer såsom cellevæggens sammensætning, placeringen af det ønskede biomolekyle i mikroalgerceller og vækststadiet for mikroalger under høsten.

Hvordan fungerer ultralydalgercelleforstyrrelser og ekstraktion?

Når ultralydbølger med høj intensitet kobles via en ultralydsonde (også kendt som ultralydhorn eller sonotrode) til en væske eller gylle, bevæger lydbølgerne sig gennem væsken og skaber derved skiftevis højtryks- / lavtrykscyklusser. Under disse højtryks-/lavtrykscyklusser opstår der små vakuumbobler eller hulrum. Kavitationsbobler opstår, når det lokale tryk falder under lavtrykscyklusserne langt nok under det mættede damptryk, en værdi, der gives af væskens trækstyrke ved en bestemt temperatur. Den, der vokser over flere cyklusser. Når disse vakuumbobler når en størrelse, hvor de ikke kan absorbere mere energi, imploderer boblen voldsomt under en højtrykscyklus. Implosionen af kavitationsbobler er en voldelig, energitæt proces, der genererer intense chokbølger, turbulenser og mikrostråler i væsken. Derudover skabes lokaliseret meget højt tryk og meget høje temperaturer. Disse ekstreme forhold er let i stand til at forstyrre cellevægge og membraner og frigive intracellulære forbindelser på en effektiv, effektiv og hurtig måde. Intracellulære forbindelser såsom proteiner, polysaccharider, lipider, vitaminer, mineraler og antioxidanter kan derved effektivt udvindes ved hjælp af effekt ultralyd.

Ultralydscavitation til celleforstyrrelser og ekstraktion

Når den udsættes for intens ultralydsenergi, forstyrres væggen eller membranen i enhver form for celle (herunder botanisk, pattedyr, alge, svampe, bakteriel osv.), og cellen rives i mindre fragmenter af de mekaniske kræfter af energitæt ultralydkavitation. Når cellevæggen er brudt, frigives de cellulære metabolitter som protein, lipid, nukleinsyre og klorofyl fra cellevægmatrixen såvel som fra celleinteriøret og overføres til det omgivende kulturmedie eller opløsningsmiddel.
Den ovenfor beskrevne mekanisme af ultralyd / akustisk kavitation forstyrrer hele algeceller eller gas og flydende vacuoler i celler alvorligt. Ultralydkavitationen, vibrationerne, turbulenserne og mikrostreamingen fremmer masseoverførslen mellem celleinteriøret og det omgivende opløsningsmiddel, så biomolekylerne (dvs. metabolitterne) er effektive og hurtigt frigives. Da sonikering er en rent mekanisk behandling, der ikke kræver barske, giftige og / eller dyre kemikalier.
Ultralyd med høj intensitet og lav frekvens skaber ekstreme energitæt forhold med højt tryk, temperaturer og høje forskydningskræfter. Disse fysiske kræfter fremmer forstyrrelsen af cellestrukturer for at frigive intracellulære forbindelser i mediet. Derfor anvendes lavfrekvent ultralyd i vid udstrækning til udvinding af bioaktive stoffer og brændstoffer fra alger. Sammenlignet med konventionelle ekstraktionsmetoder såsom solventekstraktion, perlefræsning eller højtryks homogenisering udmærker ultralydsekstraktion sig ved at frigive de fleste bioaktive forbindelser (såsom lipider, proteiner, polysaccharider og mikronæringsstoffer) fra den sonoporated og forstyrrede celle. Ved at anvende de rigtige procesbetingelser giver ultralydsudvinding overlegne ekstraktioner inden for en meget kort procesvarighed. For eksempel viser højtydende ultralydsekstraktorer fremragende ekstraktionsresultater fra alger, når de bruges med et passende opløsningsmiddel. I et surt eller alkalisk medium bliver algecellevæggen porøs og rynket, hvilket fører til øgede udbytter ved lav temperatur (under 60 °C) på kort sonikeringstid (mindre end 3 timer). Den korte ekstraktionsvarighed ved milde temperaturer forhindrer forringelse af fucoidan, således at der opnås et meget bioaktivt polysaccharid.
Ultralydbehandling er også en metode til at omdanne højmolekylærvægt fucoidan til lavmolekylærvægt fucoidan, hvilket er betydeligt mere bioaktivt på grund af dets debranched struktur. Med sin høje bioaktivitet og bio utilgængelighed er lavmolekylærvægt fucoidan en interessant forbindelse til lægemidler og lægemiddelleveringssystemer.

Casestudier: Ultralydsudvinding af algeforbindelser

Ultralydudvindingseffektivitet og optimering af ultralydsudvindingsparametre er blevet undersøgt bredt. Nedenfor kan du finde eksemplariske resultater for udvindingsresultaterne via ultralydbehandling fra forskellige alger.

Proteinudvinding fra Spirulina ved hjælp af Mano-Thermo-Sonication

Forskningsgruppen af prof. Chemat (University of Avignon) undersøgte virkningerne af manothermosonication (MTS) på udvindingen af proteiner (såsom phycocyanin) fra tør Arthrospira platensis cyanobakterier (også kendt som spirulina). Mano-Thermo-Sonication (MTS) er anvendelsen af ultralyd kombineret med forhøjede tryk og temperaturer for at intensivere ultralydsudvindingsprocessen.
"Ifølge eksperimentelle resultater, fremmes MTS masseoverførsel (høj effektiv diffusitet, De) og aktiveret for at få 229% flere proteiner (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) end konventionelle proces uden ultralyd (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Med 28,42 g proteiner pr. 100 g tør spirulinabiomasse i ekstraktet blev der opnået en proteingenvindingsrate på 50% på 6 effektive minutter med en kontinuerlig MTS-proces. Mikroskopiske observationer viste, at akustisk kavitation påvirkede spirulina filamenter af forskellige mekanismer såsom fragmentering, sonoporation, detexturation. Disse forskellige fænomener gør udvinding, frigivelse og opløselighed af spirulina bioaktive forbindelser lettere. [Vernès et al., 2019]

Optisk mikroskopi billeder af hele spiurulina filamenter udsat for MTS behandling over tid. Skalalinje (billede A) = 50 μm for alle billeder.
billede og undersøgelse: ©Vernès et al. 2019

Ultralyd Fucoidan og Glucan Udvinding fra Laminaria digitata

TEAGASC-forskningsgruppen under Dr. Tiwari undersøgte udvindingen af polysaccharider, dvs. ultrasonicator UIP500hdT. De ultrasonically assisterede ekstraktionsparametre (UAE) viste betydelig indflydelse på niveauet af fucose, FRAP og DPPH. Niveauer på 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, Der blev opnået 8,70 μM trolox/mg fde og 11,02% for fucose, totale glucaner, FRAP og DPPH ved optimerede temperaturforhold (76◦C), tid (10 min) og ultralydsamplitude (100%) ved hjælp af 0,1 M HCl som opløsningsmiddel. De beskrevne betingelser for De Forenede Arabiske Emirater blev derefter anvendt med succes på andre økonomisk relevante brune makroalger (L. hyperborea og A. nodosum) for at opnå polysaccharidrige ekstrakter. Denne undersøgelse viser, at UAE kan anvendes til at øge udvindingen af bioaktive polysaccharider fra forskellige makroale arter.

Ultralydsfytokemisk udvinding fra F. Vesiculosus og P. canaliculata

García-Vaqueros forskerhold sammenlignede forskellige nye ekstraktionsteknikker, herunder højtydende ultralydsudvinding, ultralyd-mikrobølgeekstraktion, mikrobølgeudvinding, hydrotermisk assisteret ekstraktion og højtryksassisteret ekstraktion for at evaluere ekstraktionseffektiviteten fra den brune mikroalgerart Fucus vesiculosus og Pelvetia canaliculata. Til ultralydbehandling brugte de Hielscher UIP500hdT ultralyd emhætte. Anylsis af ekstraktionsudbyttet afslørede, at ultralydsudvinding opnåede de højeste udbytter af de fleste fytokemikalier fra både F. vesiculosus. Det betyder, at det højeste udbytte af forbindelser, der er udvundet af F. vesiculosus ved hjælp af ultralydsekstraktor UIP500hdT var: det samlede phenolindhold (445,0 ± 4,6 mg galdesyreækvivalenter/g), det samlede phlorotanninindhold (362,9 ± 3,7 mg phloroglucinol-ækvivalenter/g ), det samlede flavonoidindhold (286,3 ± 7,8 mg quercetinækvivalenter/g) og det samlede indhold af tannin (189,1 ± 4,4 mg catechinækvivalenter/g).
I deres forskningsundersøgelse konkluderede teamet, at brugen af ultralydassisteret ekstraktion "kombineret med 50% ethanolisk opløsning som ekstraktionsmiddel kunne være en lovende strategi rettet mod udvinding af TPC, TPhC, TFC og TTC, samtidig med at co-ekstraktion af uønskede kulhydrater fra både F. vesiculosus og P. canaliculata, med lovende anvendelser, når disse forbindelser anvendes som lægemidler, nutraceuticals og cosmeceuticals." [García-Vaquero et al., 2021]

Opskaler af mano-termo-sonikering ved Universitetet i Avignon ved hjælp af Hielscher ultralydsapparater: fra laboratorieudstyr UIP1000hdT A) at afprøve udstyr i skala UIP4000hdT C & D). På billede D er skemalagt en tværgående del af ultralyd flow celle FC100K.
billede og undersøgelse: ©Vernès et al. 2019

Højtydende ultralydsudsugningsmaskiner til algeforstyrrelser

Hielscher state-of-the-art ultralydsudstyr giver mulighed for fuld kontrol over de procesparametre, såsom amplitude, temperatur, tryk og energitilførsel.
Til ultralydsudvinding kan parametre som råvarepartikelstørrelse, opløsningsmiddeltype, forholdet mellem fast og opløsningsmiddel og ekstraktionstid varieres og optimeres for at opnå de bedste resultater.
Da ultralydsudvinding er en ikke-termisk ekstraktionsmetode, undgås den termiske nedbrydning af de bioaktive ingredienser, der er til stede i råmaterialet, såsom alger.
Samlet set gør fordele som højt udbytte, kort ekstraktionstid, lav ekstraktionstemperatur og de små mængder opløsningsmiddel sonikering til den overlegne ekstraktionsmetode.

Ultralydsudvinding: Etableret i lab og industri

Ultralydsudvinding anvendes i vid udstrækning til udvinding af enhver form for bioaktiv forbindelse fra botaniske, alger, bakterier og pattedyrceller. Ultralydudvinding er blevet etableret som en enkel, omkostningseffektiv og yderst effektiv, der udmærker sig ved andre traditionelle ekstraktionsteknikker ved højere ekstraktionsudbytter og kortere forarbejdningstid.
Med lab, bench-top og fuldt industrielle ultralydssystemer let tilgængelige, ultralyd udvinding er i dag en veletableret og betroet teknologi. Hielscher ultralydsekstraktorer er installeret over hele verden i industrielle forarbejdningsanlæg, der producerer bioaktive forbindelser af fødevare- og pharma-kvalitet.

Processtandardisering med Hielscher Ultrasonics

Algebaserede ekstrakter, der anvendes i fødevarer, lægemidler eller kosmetik, skal fremstilles i overensstemmelse med god fremstillingspraksis (GMP) og i henhold til standardiserede forarbejdningsspecifikationer. Hielscher Ultrasonics digitale ekstraktionssystemer leveres med intelligent software, hvilket gør det nemt at indstille og styre sonikeringsprocessen præcist. Automatisk dataregistrering skriver alle ultralydsprocesparametre såsom ultralydsenergi (total og nettoenergi), amplitude, temperatur, tryk (når temp- og tryksensorer er monteret) med dato- og tidsstempel på det indbyggede SD-kort. Dette giver dig mulighed for at revidere hvert ultralydforarbejdet parti. Samtidig sikres reproducerbarhed og kontinuerlig høj produktkvalitet.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: