Ultraschallextraktion aus Algen für Nahrungsergänzungsmittel

Die Ultraschallextraktion ist die überlegene Methode, um Algenzellen effektiv und schnell aufzuschließen. Durch Beschallung lassen sich die bioaktiven Verbindungen vollständig freisetzen, was die Ultraschalltechnik hocheffizient macht.

So extrahieren Sie Proteine, Lipide und phenolische Verbindungen mit Ultraschall aus Algen

Algen- und Mikroalgenarten sind reich an biologisch aktiven Verbindungen wie Proteinen, Lipiden, Carotinoiden, Pigmenten (e.g., Phycocyaninen, Astaxanthin usw.), phenolischen Verbindungen und Polysacchariden (e.g., Carrageenen). Dadurch sind sie ein häufig eingesetzter natürlicher Rohstoff zur Herstellung von Extrakten für Lebensmittel und Nahrungsergänzungsmittel. Häufig für Nahrungsergänzungsmittel verwendete Algenarten sind Arthrospira maxima (auch bekannt als Spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis und Ulva spp. Algen sind als gute Quelle für hochwertige Proteine, Lipide, langkettige mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFAs, d. h. Omega-3), Polysaccharide (e.g. Alginat, Carrageen, β-Glucane), Vitamine und Antioxidantien bekannt.
Spirulina ist eine häufig verwendete Algenart, die reich an wertvollen bioaktiven Verbindungen wie Proteinen ist (mit einem Anteil von 50–70% der Trockenmasse). Da Spirulina von der FDA (Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde der Vereinigten Staaten) als GRAS (Generally Recognized As Safe, allgemein als sicher anerkannt) zugelassen ist, können Spirulina und Spirulinaextrakte in kommerziell vertriebenen Lebensmitteln oder als Nahrungsergänzungsmittel verwendet werden.

Vorteile der Ultraschallextraktion aus Algen

Die Ultraschallextraktion übertrifft alternative Extraktionsmethoden in vielerlei Hinsicht, etwa durch hohe Ausbeute, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Einfachheit und Umweltfreundlichkeit.

Vollständige Extraktionsausbeute

Hochleistungsultraschallgeräte brechen Algenzellen auf und schließen sie auf, sodass das intrazelluläre Material freigesetzt wird. Die Ultraschallextraktion setzt dabei das gesamte Spektrum bioaktiver Verbindungen frei, darunter Phycobiliproteine, Carotinoide, Lipide und phenolische Verbindungen.
Phycobiliproteine lassen sich in drei Hauptgruppen unterteilen: Chlorophycocyanine, Allophycocyanine und Phycoerythrine. C-Phycocyanin ist ein natürliches blaues Pigment, das häufig in Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten verwendet wird. Die Ultraschallextraktion setzt das gesamte Spektrum der Proteine frei.

Hohe Extraktionseffizienz

Duangsee et al. (2009) untersuchten zwei unterschiedliche Methoden zur Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Arthospira-Biomasse (ultraschallunterstützte Lösungsmittelextraktion und Extraktion durch wiederholtes Einfrieren und Auftauen). Sie stellten fest, dass die ultraschallunterstützte Lösungsmittelextraktion eine höhere Extraktionseffizienz (22,1%) als das Einfrieren und Auftauen (15,6%) erzielte. Der Vergleich des Zellaufschlusses durch Beschallung und durch wiederholtes Einfrieren und Auftauen zeigt, dass die Beschallung effektiver ist. Ultraschallkavitation schließt Algenzellen schnell und effektiv auf und führt zu einem höheren Zellaufschlussgrad als bei Spirulinazellen, die durch wiederholtes Einfrieren und Auftauen behandelt wurden.
Die Beschallung war beim Aufbrechen der Zellhülle effektiver als wiederholtes Einfrieren und Auftauen. Die Extraktionsausbeute an Phycocyanin zeigte, dass die Prozesstemperatur die Extraktionseffizienz beeinflusste.

Schneller Extraktionsprozess

Hochleistungsultraschallsysteme können über hohe Amplituden eine hohe Ultraschallleistung in die Algensuspension eintragen. Dadurch ist die Ultraschallextraktion ein sehr schnelles Verarbeitungsverfahren.

Temperaturregelung

Die Ultraschallbehandlung ist eine nichtthermische, rein mechanische Extraktionstechnik. Die Extraktionstemperatur lässt sich mithilfe eines steckbaren Temperatursensors, der über ein Kabel mit dem digitalen Ultraschallgerät von Hielscher verbunden ist, präzise regeln. Die Software der digitalen Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht die Einstellung von Temperaturgrenzwerten, sodass der Ultraschallhomogenisator pausiert, sobald der Temperaturgrenzwert erreicht ist. Die präzise Temperaturregelung verhindert den thermischen Abbau wärmeempfindlicher Stoffe wie Phycobiliproteine, Vitamine, Polyphenole, Polysaccharide, Lipide und anderer bioaktiver Verbindungen.

Mit verschiedenen Lösungsmitteln kompatibel

Die Ultraschallbehandlung ist mit nahezu jedem Lösungsmittel kompatibel. Die Ultraschallextraktion in Kombination mit umweltfreundlichen Lösungsmitteln wie Wasser oder Ethanol liefert saubere Extrakte. Diese Ultraschallextrakte können sicher in Lebensmittel eingearbeitet werden, da die Extraktionslösungsmittel Ethanol und Wasser den GRAS-Status (Generally Recognized As Safe, allgemein als sicher anerkannt) besitzen.

Reproduzierbarkeit und Prozessstandardisierung

Die digitalen Ultraschallgeräte von Hielscher verfügen über eine intelligente Software und vielfältige, durchdachte Einstellmöglichkeiten für ideale Extraktionsparameter. Die Software protokolliert alle Ultraschallprozessparameter (e.g., Amplitude, Nettoleistung, Gesamtleistung, Temperatur, Druck, Uhrzeit, Datum) und speichert die Beschallungsdaten in einer CSV-Datei auf der integrierten SD-Karte. Dadurch können Sie Ihren Extraktionsprozess standardisieren und die Beschallung sowie die Qualität der Ergebnisse genau überwachen. Diese Funktionen helfen Ihnen, die Anforderungen an die Prozessstandardisierung sowie die Gute Herstellungspraxis (Good Manufacturing Practices, GMP) einzuhalten. Beides ist von großer Bedeutung, wenn Extrakte für Nahrungsergänzungsmittel, Lebensmittel oder pharmazeutische Produkte hergestellt werden.

Protokoll zur Ultraschallextraktion von Phycocyanin

Mazumder et al. (2017) untersuchten die optimalen Prozessparameter für die Ultraschallextraktion von Phycocyanin und phenolischen Verbindungen aus Arthospira platensis. Die maximale Ausbeute an Phycocyanin (29,9 mg/g) und phenolischen Verbindungen insgesamt (2,4 mg/g) wurde bei einer Ethanolkonzentration von 40% und einer Extraktionstemperatur von 34,9°C mit dem Ultraschallgerät UP50H (50 Watt, 30kHz) bei einer Amplitude von 95% und einer Extraktionsdauer von 104,7 sec erzielt.

Vernès et al. (2019) verwendeten ein Ultraschallgerät UIP1000hdT (1000W, 20kHz), um Proteine aus Spirulina zu extrahieren. Das Ultraschallgerät war mit einer Sonotrode BS2d34 und einem Ultraschalldurchflussreaktor ausgestattet (die genaue Anordnung zur Ultraschallextraktion mit Durchflusszelle und Seepex-Pumpe ist im folgenden Bild dargestellt).

UIP1000hdT – Anlage zur Manothermosonikation (MTS) und unsere Proteinextraktion aus Spirulina im Labormaßstab
Quelle: Vernes et al. 2019

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die auf die Proteinausbeute optimierten Bedingungen der Ultraschallextraktion eine leicht erhöhte Temperatur und einen leicht erhöhten Druck umfassen (sogenannte Manothermosonikation, MTS). MTS fördert den Stofftransport und ermöglicht die Gewinnung von 229% mehr Proteinen (28,42 ± 1,15 g/100 g Trockenmasse) als das konventionelle Verfahren ohne Ultraschall (8,63 ± 1,15 g/100 g Trockenmasse).
Mit 28,42 g Proteinen im Extrakt pro 100 g trockener Spirulina-Biomasse wurde in einem kontinuierlichen Beschallungsprozess innerhalb von nur 6 Minuten eine Proteinrückgewinnungsrate von 50% erreicht. Mikroskopische Aufnahmen zeigen, dass akustische Kavitation durch verschiedene Mechanismen wie Fragmentierung, Sonoporation und Strukturauflösung auf die Spirulina-Filamente einwirkt. Diese unterschiedlichen Effekte erleichtern und verbessern die Extraktion, Freisetzung und Solubilisierung bioaktiver Verbindungen aus Spirulina, was zu einer hohen Ausbeute an hochwertigen Proteinen führt.
Hinsichtlich der Qualität der ultraschallextrahierten Proteine zeigte sich, dass die Aminosäuren durch die Ultraschallbehandlung nicht abgebaut wurden. Bei der Beschallung liegen sie jedoch in größerer Menge vor als bei der konventionellen Extraktion.
Beim Vergleich von Manothermosonikation und Ultraschallextraktion ohne erhöhten Druck und erhöhte Temperatur ist der Unterschied in Extraktionsausbeute und -effizienz nur minimal. Daher gilt Ultraschall allein als die wirtschaftlichste und einfachste Technik zur Herstellung eines hochwertigen, an Spirulinaproteinen reichen Extrakts. Die Ultraschallextraktion ist eine umweltfreundliche Extraktionstechnik, die sich für die Proteinextraktion aus Spirulina im Labormaßstab eignet und sich problemlos auf den Pilot- und Industriemaßstab übertragen lässt. (Vgl. Vernès et al. 2019)

Hochleistungsultraschallextraktoren

Alle im kleinen Maßstab erzielten Extraktionsergebnisse lassen sich linear auf größere Produktionskapazitäten übertragen. Das umfangreiche Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics, das von Labor- bis zu industriellen Extraktionssystemen reicht, bietet das passende Ultraschallgerät für Ihre geplante Prozesskapazität. Unsere Mitarbeiter mit langjähriger Erfahrung begleiten Sie von Machbarkeitstests und Prozessoptimierung bis zur Installation Ihres Ultraschallsystems im endgültigen Produktionsmaßstab.

Hielscher Ultrasonics – Ausgereifte Extraktionsanlagen

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum an Hochleistungsultraschallextraktoren vom kleinen bis zum großen Maßstab ab. Ergänzendes Zubehör ermöglicht die einfache Zusammenstellung der für Ihren Prozess am besten geeigneten Ultraschallgerätekonfiguration. Der optimale Ultraschallaufbau hängt von der geplanten Kapazität, dem Volumen, dem Rohmaterial, dem Chargen- oder Inline-Verfahren und dem Zeitplan ab. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen. Die lineare Skalierbarkeit von Ultraschallextraktionsprozessen ermöglicht eine einfache und zuverlässige Produktionssteigerung. Erfahren Sie mehr über die lineare Maßstabsvergrößerung von Ultraschallextraktionsprozessen!

Wählen Sie aus vielfältigem Zubehör wie:

• Sonotroden in verschiedenen Größen, Durchmessern und Formen
• Sonotroden für hohe Amplituden von 200µm und mehr
• Durchflusszellenreaktoren mit verschiedenen Volumina und Geometrien
• zahlreichen Boostern zur Erhöhung oder Verringerung der Amplitudenverstärkung
• vollständigen Beschallungsanlagen wie der SonoStation, die Ultraschallextraktor, Behälter, Rührwerk und Pumpe umfassen
• steckbaren Temperatursensoren
• steckbaren Drucksensoren

Unsere gut ausgebildeten Mitarbeiter mit langjähriger Erfahrung beraten Sie und empfehlen Ihnen das Ultraschallsystem, das den Anforderungen Ihres Extraktionsprozesses am besten entspricht!

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: