Ultralydbehandling for at forbedre algecelleforstyrrelse og ekstraktion

Alger, makro- og mikroalger indeholder mange værdifulde forbindelser, der bruges som ernæringsmæssige fødevarer, fødevaretilsætningsstoffer eller som brændstof eller brændstof. For at frigive målstofferne fra algecellen kræves en potent og effektiv celleforstyrrelsesteknik. Ultralydsekstraktorer er yderst effektive og pålidelige, når det kommer til udvinding af bioaktive forbindelser fra botaniske stoffer, alger og svampe. Hielscher ultralydsekstraktorer er tilgængelige i laboratorie-, bænk- og industriel skala og er etableret i produktionen af celleafledte ekstrakter i fødevare-, farmaceutisk og biobrændstofproduktion.

Alger som en værdifuld ressource til ernæring og brændstof

Algeareller 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 såvel som til brændstoffer.
Mikroalger er en værdsat kilde til lipider, der bruges til ernæring og som råmateriale til biobrændstoffer (f.eks. biodiesel). Stammer af det marine fytoplankton Dicrateria, såsom Dicrateria rotunda, er kendt som benzinproducerende alger, der kan syntetisere en række mættede kulbrinter (n‐alkaner) fra C₁₀H₂₂ til C₃₈H₇₈, som 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 carotenoiderne astaxanthin, fucoxanthin og zeaxantin, fucoidan, laminari og andre glucaner blandt mange andre bioaktive stoffer, der bruges som kosttilskud og præferencemidler. Carrageenan, alginat og andre hydrokolloider anvendes som fødevaretilsætningsstoffer. Algelipider bruges som vegansk omega-3-kilde og bruges også som brændstof eller som råmateriale til produktion af biodiesel.

Algecelleforstyrrelse og ekstraktion ved hjælp af ultralyd

Ultralydsekstraktorer eller blot ultralydapparater bruges til at udvinde værdifulde forbindelser fra små prøver i laboratoriet såvel som til produktion i stor kommerciel skala.
Algeareller er beskyttet af komplekse cellevægsmatricer, som er sammensat af lipider, cellulose, proteiner, glykoproteiner og polysaccharider. Basen af de fleste algecellevægge er bygget af et mikrofibrillært netværk i en gel-lignende proteinmatrix; Nogle mikroalger er dog udstyret med en uorganisk stiv væg sammensat af opalin silica frustuler eller calciumcarbonat. For at opnå bioaktive forbindelser fra algebiomasse er det nødvendigt med en effektiv celleforstyrrelsesteknik. Udover de teknologiske ekstraktionsfaktorer (dvs. ekstraktionsmetode og udstyr) er effektiviteten af algecelleforstyrrelse og ekstraktion også stærkt påvirket af forskellige algeafhængige faktorer såsom sammensætning af cellevæg, placering af det ønskede biomolekyle i mikroalgeceller og vækststadiet af mikroalger under høst.

Hvordan fungerer ultralyd algecelleforstyrrelse og ekstraktion?

Når ultralydbølger med høj intensitet kobles via en ultralydssonde (også kendt som ultralydshorn eller sonotrode) til en væske eller opslæmning, bevæger lydbølgerne sig gennem væsken og skaber derved skiftende højtryks- / lavtrykscyklusser. Under disse højtryks-/lavtrykscyklusser opstår der små vakuumbobler eller hulrum. Kavitationsbobler opstår, når det lokale tryk under lavtrykscyklusserne falder langt nok under det mættede damptryk, en værdi givet af væskens trækstyrke ved en bestemt temperatur. De som 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 voldsom, energitæt proces, der genererer intense chokbølger, turbulenser og mikrostråler i væsken. Derudover skabes lokaliserede meget høje 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 ekstraheres ved hjælp af ultralyd.

Ultralydkavitation til celleafbrydelse og ekstraktion

Når den udsættes for intens ultralydsenergi, forstyrres væggen eller membranen i enhver form for celle (herunder botanisk, pattedyr, algal, svampe, bakteriel osv.), Og cellen rives i mindre fragmenter af de mekaniske kræfter af energitæt ultralydskavitation. Når cellevæggen brydes, frigives de cellulære metabolitter såsom protein, lipid, nukleinsyre og klorofyl fra cellevægsmatrixen såvel som fra cellens indre og overføres til det omgivende dyrkningsmedium eller opløsningsmiddel.
Den ovenfor beskrevne mekanisme for ultralyd / akustisk kavitation forstyrrer hele algeceller eller gas- og væskevakuoler i celler alvorligt. Ultralydskavitation, vibrationer, turbulenser og mikrostreaming fremmer masseoverførslen mellem cellens indre og det omgivende opløsningsmiddel, så biomolekylerne (dvs. metabolitter) er effektive og hurtigt frigives. Da sonikering er en rent mekanisk behandling, der ikke kræver hårde, giftige og / eller dyre kemikalier.
Højintensiv, lavfrekvent ultralyd skaber ekstreme energitætte forhold med høje tryk, temperaturer og høje forskydningskræfter. Disse fysiske kræfter fremmer forstyrrelsen af cellestrukturer for at frigive intracellulære forbindelser i mediet. Derfor bruges lavfrekvent ultralyd i vid udstrækning til udvinding af bioaktive stoffer og brændstoffer fra alger. Sammenlignet med konventionelle ekstraktionsmetoder såsom opløsningsmiddelekstraktion, perlefræsning eller højtrykshomogenisering, udmærker ultralydsekstraktion sig ved at frigive de fleste af de bioaktive forbindelser (såsom lipider, proteiner, polysaccharider og mikronæringsstoffer) fra den sonoporerede og forstyrrede celle. Ved anvendelse af de rigtige procesbetingelser giver ultralydsekstraktion overlegne ekstraktionsudbytter inden for en meget kort procesvarighed. For eksempel viser højtydende ultralydsekstraktorer fremragende ekstraktionsydelse 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 fucoidan-nedbrydning, så der opnås et meget bioaktivt polysaccharid.
Ultralydbehandling er også en metode til at omdanne fucoidan med høj molekylvægt til fucoidan med lav molekylvægt, som er betydeligt mere bioaktiv på grund af sin forgrenede struktur. Med sin høje bioaktivitet og biotilgængelighed er fucoidan med lav molekylvægt en interessant forbindelse til lægemidler og lægemiddelleveringssystemer.

Casestudier: Ultralydsekstraktion af algeforbindelser

Ultralydsekstraktionseffektivitet og optimering af ultralydsekstraktionsparametre er blevet undersøgt bredt. Nedenfor kan du finde eksempler på resultater for ekstraktionsresultaterne via ultralydbehandling fra forskellige algearter.

Proteinekstraktion fra Spirulina ved hjælp af Mano-Thermo-Sonication

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

Optiske mikroskopibilleder af hele spiurulinafilamenter, der er udsat for MTS-behandling over tid. Skalabjælke (billede A) = 50 μm for alle billeder.
billede og undersøgelse: ©Vernès et al. 2019

Ultralyd Fucoidan og Glucan ekstraktion fra Laminaria digitata

Dr. Tiwaris TEAGASC-forskningsgruppe undersøgte ekstraktionen af polysaccharider, dvs. fucoidan, laminarin og total glucan, fra makroalgen Laminaria digitata ved hjælp af Ultralydsapparat UIP500hdT. De undersøgte parametre for ultralydassisteret ekstraktion (UAE) viste signifikant indflydelse på niveauerne af fucose, FRAP og DPPH. Niveauer på 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde og 11,02 % blev opnået for henholdsvis fukose, total glucan, FRAP og DPPH ved optimerede temperaturforhold (76◦C), tid (10 min) og ultralydsamplitude (100 %) ved anvendelse af 0,1 M HCl som opløsningsmiddel. De beskrevne UAE-betingelser blev derefter anvendt med succes på andre økonomisk relevante brune makroalger (L. hyperborea og A. nodosum) for at opnå polysaccharidrige ekstrakter. Denne undersøgelse demonstrerer anvendeligheden af UAE til at forbedre ekstraktionen af bioaktive polysaccharider fra forskellige makroalgearter.

Ultralyd fytokemisk ekstraktion fra F. vesiculosus og P. canaliculata

Forskerholdet fra García-Vaquero sammenlignede forskellige nye ekstraktionsteknikker, herunder højtydende ultralydsekstraktion, ultralyd-mikrobølgeekstraktion, mikrobølgeekstraktion, hydrotermisk assisteret ekstraktion og højtryksassisteret ekstraktion for at evaluere ekstraktionseffektiviteten fra de brune mikroalgearter Fucus vesiculosus og Pelvetia canaliculata. Til ultralydbehandling brugte de Hielscher UIP500hdT ultralydsudsugning. Anylsis af ekstraktionsudbytterne afslørede, at ultralydsekstraktion opnåede de højeste udbytter af de fleste fytokemikalier fra både F. vesiculosus. Det betyder, at de højeste udbytter af forbindelser ekstraheret fra F. vesiculosus ved hjælp af ultralyd ekstraktor UIP500hdT var: totalt indhold af phenoler (445,0 ± 4,6 mg gallussyreækvivalenter/g), totalt indhold af phlorotannin (362,9 ± 3,7 mg phloroglucinolækvivalenter/g), totalt indhold af flavonoider (286,3 ± 7,8 mg quercetinækvivalenter/g) og totalt indhold af tannin (189,1 ± 4,4 mg catechinækvivalenter/g).
I deres forskningsundersøgelse konkluderede holdet, at brugen af ultralydassisteret ekstraktion "kombineret med 50% ethanolopløsning som ekstraktionsopløsningsmiddel kunne være en lovende strategi rettet mod ekstraktion af TPC, TPhC, TFC og TTC, samtidig med at co-ekstraktionen af uønskede kulhydrater fra både F. vesiculosus og P. canaliculata, med lovende anvendelser, når man bruger disse forbindelser som lægemidler, nutraceuticals og cosmeceuticals." [García-Vaquero et al., 2021]

Opskalering af mano-termo-sonikering ved University of Avignon ved hjælp af Hielscher ultralydsapparater: fra laboratorieudstyr UIP1000hdT A) til udstyr i pilotskala UIP4000hdT (B, C & D). På billede D er skematiseret et tværgående snit af ultralydsflowcellen FC100K.
billede og undersøgelse: ©Vernès et al. 2019

Højtydende ultralydsekstraktorer til algeafbrydelse

Hielschers avancerede ultralydsudstyr giver fuld kontrol over procesparametrene såsom amplitude, temperatur, tryk og energiinput.
Til ultralydsekstraktion kan parametre som råmaterialepartikelstørrelse, opløsningsmiddeltype, faststof-til-opløsningsmiddel-forhold og ekstraktionstid varieres og optimeres for de bedste resultater.
Da ultralydsekstraktion er en ikke-termisk ekstraktionsmetode, undgås den termiske nedbrydning af de bioaktive ingredienser, der findes 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.

Ultralydsekstraktion: Etableret i laboratorium og industri

Ultralydsekstraktion anvendes i vid udstrækning til ekstraktion af enhver form for bioaktiv forbindelse fra botaniske stoffer, alger, bakterier og pattedyrsceller. Ultralydsekstraktion er blevet etableret som en enkel, omkostningseffektiv og meget effektiv, der udmærker sig ved andre traditionelle ekstraktionsteknikker ved højere ekstraktionsudbytter og kortere behandlingsvarighed.
Med laboratorie-, bord- og fuldindustrielle ultralydssystemer let tilgængelige, er ultralydsekstraktion i dag en veletableret og pålidelig teknologi. Hielscher ultralydsekstraktorer er installeret over hele verden i industrielle forarbejdningsanlæg, der producerer bioaktive forbindelser af fødevare- og farmaceutisk kvalitet.

Processtandardisering med Hielscher Ultrasonics

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

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: