Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-gestützte Algenextraktion für Nahrungsergänzungsmittel

Die Ultraschallextraktion ist die überlegene Methode, um Algenzellen effektiv und schnell zu zerstören. Durch die Beschallung kann die gesamte Menge der bioaktiven Verbindungen freigesetzt werden, was die Ultraschalltechnik sehr effizient macht.

Wie man mit Ultraschall Proteine, Lipide und Phenole aus Algen extrahiert

Algen- und Mikroalgenarten sind reich an biologisch aktiven Verbindungen wie Proteinen, Lipiden, Carotinoiden, Pigmenten (z.B, Phycocyanine, Astaxanthin etc.), Phenole und Polysaccharide. Dies macht sie zu einem weit verbreiteten natürlichen Material zur Herstellung von Extrakten für Lebensmittel und Nahrungsergänzungsmittel. Häufig verwendete Algenarten für Nahrungsergänzungsmittel sind Arthrospira-Maxima und (auch als Spirulina bekannt), Chlorella vulgaris, Hämatococcus pluvialis und Ulva spp. Algen sind bekanntermaßen eine gute Quelle für hochwertige Proteine, Lipide, langkettige PUFAs (d.h. Omega-3), Polysaccharide (z.B. Alginat, Carrageen, β-Glukane), Vitamine und Antioxidantien.
Spirulina ist eine weit verbreitete und weit verbreitete Algenart, die reich an hochwertigen bioaktiven Verbindungen wie Proteinen (mit 50-70% Trockengewicht) ist. Da Spirulina von der FDA (Food Drug Administration der Vereinigten Staaten) als GRAS (Generally Recognized As Safe) zugelassen ist, können Spirulina und Spirulina-Extrakte in kommerzialisierten Lebensmitteln oder als Nahrungsergänzungsmittel verwendet werden.

Vorteile der Ultraschall-Algenextraktion

Die Ultraschallextraktion übertrifft alternative Extraktionsmethoden in vielen Punkten, wie z.B. hohe Ausbeute, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Einfachheit und Umweltfreundlichkeit.

Volle Extraktionsausbeute

Hochleistungs-Ultraschallgeräte brechen die Algenzellen auf und stören sie, so dass das intrazelluläre Material freigesetzt wird. Die Ultraschallextraktion setzt dabei das gesamte Spektrum bioaktiver Verbindungen frei, wie z.B. Phycobiliproteine, Carotinoide und Lipide und Phenole.
Phycobiliproteine können in drei Hauptgruppen unterschieden werden, nämlich Chlorphycocyanine, Allophycocyanine und Phycoerythrine. C-Phycocyanin ist ein natürliches blaues Pigment, das in Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten weit verbreitet ist. Durch Ultraschallextraktion wird das gesamte Spektrum der Proteine freigesetzt.

Hielscher Ultrasonics' SonoStation ist ein einfach zu bedienende Ultraschall-Setup für Produktionsmaßstab. (Klicken um zu vergrößern!)

SonoStation – ein Ultraschallsystem mit 2x 2kW Ultraschallgeräten, Rührtank und Pumpe – ist ein benutzerfreundliches System zur Extraktion.

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Hohe Extraktionseffizienz

Duangsee et al. (2009) testeten zwei verschiedene Methoden zur Extraktion (ultraschallunterstützte Lösungsmittelextraktion und Extraktion durch wiederholtes Einfrieren und Auftauen) bioaktiver Verbindungen aus Arthospira-Biomasse und fanden heraus, dass die Ultraschall-Lösungsmittelextraktion zu einer höheren Extraktionseffizienz (22,1%) führte als das Einfrieren und Auftauen (15,6%). Ein Vergleich der Zellrisse zwischen Beschallung und wiederholtem Einfrieren und Auftauen zeigt, dass die Beschallung wirksamer ist als das Einfrieren und Auftauen. Die Ultraschall-Kavitation löst die Algenzellen schnell und effektiv auf, was im Vergleich zu den Spirulina-Zellen, die durch wiederholtes Einfrieren und Auftauen behandelt werden, zu einem höheren Zellaufschluss führt.
Die Sonikation war beim Aufbrechen der Zellhülle wirksamer als wiederholtes Einfrieren und Auftauen. Die Extraktionsausbeute an Phycocyanin zeigte, dass die Verarbeitungstemperatur die Extraktionseffizienz beeinflusste.

Schneller Extraktionsprozess

Hochleistungs-Ultraschallsysteme können hohe Ultraschallleistungen über hohe Amplituden in die Algensuspension einbringen. Dies macht die Ultraschall-Extraktion zu einer sehr schnellen Verarbeitungsmethode.

Temperaturkontrolle

Ultraschall ist eine nicht-thermische, rein mechanische Extraktionstechnik. Die Extraktionstemperatur lässt sich mit einem steckbaren Temperatursensor, der mit dem digitalen Hielscher-Ultraschallgerät verkabelt ist, präzise steuern. Die Software der digitalen Hielscher-Ultraschallgeräte erlaubt die Einstellung von Temperaturgrenzen, so dass der Ultraschall-Homogenisator bei Erreichen der Temperaturgrenze pausiert. Die präzise Temperaturkontrolle erlaubt es, den thermischen Abbau von wärmeempfindlichen Materialien wie Phycobiliproteinen, Vitaminen, Polyphenolen, Polysacchariden, Lipiden und anderen bioaktiven Verbindungen zu verhindern.

Kompatibel mit verschiedenen Lösungsmitteln

Ultraschall ist mit fast jedem Lösungsmittel kompatibel. Die Ultraschallextraktion in Kombination mit grünen Lösungsmitteln wie Wasser oder Ethanol ergibt saubere Extrakte. Diese Ultraschallextrakte können sicher in Lebensmittel eingearbeitet werden, da die Extraktionslösungsmittel Ethanol und Wasser den GRAS-Status (Generally Recognized As Safe) haben.

Reproduzierbarkeit und Prozess-Standardisierung

Die digitalen Ultraschallgeräte von Hielscher verfügen über eine intelligente Software und eine durchdachte Vielfalt an Einstellungen für die idealen Extraktionsparameter. Die Software protokolliert alle Ultraschall-Prozessparameter (z.B. Amplitude, Nettoleistung, Gesamtleistung, Temperatur, Druck, Zeit, Datum) und schreibt die Beschallungsdaten in eine CSV-Datei auf die eingebaute SD-Karte. Dies ermöglicht es Ihnen, Ihren Extraktionsprozess zu standardisieren und die Beschallung und die Qualitätsausgabe genau zu überwachen. Diese Funktionen helfen Ihnen, die Anforderungen an die Prozessstandardisierung sowie die Good Manufacturing Practices (GMP) zu erfüllen, die beide sehr wichtig sind, wenn die Extrakte für Nahrungsergänzungsmittel, Lebensmittel oder pharmazeutische Produkte hergestellt werden.

Protokoll zur Phycocyanin-Extraktion mittels Ultraschall

Mazumder et al. (2017) untersuchten die optimalen Verarbeitungsparameter für die Ultraschallextraktion von Phycocyanin und Phenolen aus Arthospira platensis. Die maximale Ausbeute an Phycocyanin (29,9 mg/g) und Gesamtphenolen (2,4 mg/g) wurde bei einer 40%igen Ethanolkonzentration und einer Extraktionstemperatur von 34,9°C unter Verwendung des Ultraschallgerätes UP50H (50 Watt, 30kHz) bei einer Amplitude von 95% und einer Extraktionszeit von 104,7 s erhalten.

Vernès et al. (2019) verwendeten eine UIP1000hdT (1000W, 20kHz) Ultraschallgerät zur Extraktion von Proteinen aus Spirulina. Der Ultraschallgerät war mit einer BS2d34-Sonotrode und einem Ultraschall-Durchflussreaktor ausgestattet (siehe Bild unten für den genauen Ultraschall-Extraktionsaufbau mit Durchflusszelle und Seepex-Pumpe).

Ultraschall-Extraktionseinrichtung mit UIP1000hdT zur Algenextraktion

UIP1000hdT – Aufbau der 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 mit leicht erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck einhergehen (sog. Manothermosonisation MTS). MTS fördert den Massentransfer und ermöglicht die Gewinnung von 229% mehr Proteinen (28,42 ± 1,15 g/100 g Trockengewicht) als das konventionelle Verfahren ohne Ultraschall (8,63 ± 1,15 g/100 g Trockengewicht).
Mit 28,42 g Proteinen pro 100 g trockener Spirulina-Biomasse im Extrakt wurde bei kontinuierlicher Beschallung in nur 6 Minuten eine Protein-Rückgewinnungsrate von 50% erreicht. Die mikroskopische Bildgebung zeigt, dass die akustische Kavitation die Spirulina-Filamente durch verschiedene Mechanismen wie Fragmentierung, Sonoporation und Detexturation beeinflusst. Diese verschiedenen Effekte machen die Extraktion, Freisetzung und Solubilisierung der bioaktiven Spirulina-Verbindungen einfacher und effektiver, was zu einer hohen Proteinausbeute von hoher Qualität führt.
Was die Qualität der mit Ultraschall extrahierten Proteine betrifft, so wurden die Aminosäuren durch die Ultraschallbehandlung nicht abgebaut, aber sie sind bei der Ultraschallbehandlung im Vergleich zur konventionellen Extraktion in einer größeren Menge vorhanden.
Wenn Manothermosonierung und Ultraschallextraktion ohne erhöhten Druck und Temperatur verglichen werden, ist der Unterschied in Extraktionsausbeute und Effizienz nur minimal. Daher gilt Ultraschall allein als die wirtschaftlichste und einfachste Technik zur Herstellung eines qualitativ hochwertigen Extrakts, der reich an Spirulina-Proteinen ist. Die Ultraschall-Extraktion ist eine grüne, umweltfreundliche Extraktionstechnik, die für die Proteinextraktion aus Spirulina im Labormaßstab geeignet ist und sich leicht auf Pilot- und Industriemaßstab skalieren lässt. (vgl. Vernès et al. 2019)

UP400St Ultraschall-Extraktion im 8L-Batch

UP400St für die Ultraschall-Extraktion von Algen in 8L-Chargen

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren

Alle Extraktionsergebnisse, die in kleinem Maßstab erzielt werden, können linear auf größere Produktionskapazitäten skaliert werden. Das große Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics vom Labor bis hin zu industriellen Extraktionssystemen bietet den am besten geeigneten Ultraschall-Indikator für Ihre geplante Prozesskapazität. Unser langjährig erfahrenes Personal begleitet Sie von Machbarkeitstests und Prozessoptimierung bis hin zur Installation Ihrer Ultraschallanlage auf Endproduktionsniveau.

Hielscher Ultrasonics – Hochentwickelte Extraktionsausrüstung

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics umfasst die gesamte Palette von Hochleistungs-Ultraschall-Absaugern von klein bis groß. Zusätzliches Zubehör ermöglicht die einfache Montage der für Ihren Prozess am besten geeigneten Ultraschallgerätekonfiguration. Die optimale Ultraschallkonfiguration hängt von der geplanten Kapazität, dem Volumen, dem Rohmaterial, der Charge oder dem Inline-Prozess und der Zeitachse ab. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Wählen Sie aus verschiedenen Zubehörteilen wie z.B:

  • Sonotroden mit verschiedenen Größen, Durchmessern und Formen
  • Sonotroden für hohe Amplituden von 200µm und höher
  • Durchflusszellenreaktoren mit verschiedenen Volumina und Geometrien
  • zahlreiche Booster-Hörner zur Erhöhung oder Verringerung der Gewinne
  • komplette Beschallungseinrichtungen wie die SonoStation, die Ultraschallextraktor, Tank, Rührwerk und Pumpe umfassen
  • steckbare Temperatursensoren
  • steckbare Drucksensoren

Unser gut ausgebildetes, langjährig erfahrenes Personal wird Sie beraten und Ihnen das für Ihre Anforderungen an den Extraktionsprozess am besten geeignete Ultraschallsystem empfehlen!

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur / Literaturhinweise



Wissenswertes

Spirulina

Spirulina, ein prokaryotisches Bakterium, ist reich an Pigmenten wie Carotinoiden, Chlorophyll und Phycocyanin. Carotinoide (z.B. β-Carotin, ein orange-gelbes Pigment), Chlorophyll und Phycocyanin können in 0,4, 1,0 bzw. 14% Trockengewicht gefunden werden. Phycocyanin ist ein blaugrünes Protein, ein so genanntes Biliprotein, das in photosynthetischen Lamellen in der Zytoplasmamembran der Cyanobakterien lokalisiert ist.
Es wird als Lebensmittelzusatzstoff und Lebensmittelfarbstoff, Nahrungsergänzungsmittel und für immundiagnostische Anwendungen verwendet.