Ultraschallextraktion von Astaxanthin für höhere Ausbeuten
- Astaxanthin ist ein hochwirksames Antioxidans, das in Arzneimitteln und Nahrungsergänzungsmitteln eingesetzt wird.
- Um hochwertiges Astaxanthin aus natürlichen Quellen wie Algen zu gewinnen, ist ein leistungsfähiges Extraktionsverfahren erforderlich.
- Die Ultraschallextraktion ist eine mechanische Behandlung, die in sehr kurzer Extraktionszeit hohe Astaxanthinausbeuten erzielt.
Leistungsstarke Ultraschallgeräte für hochwertige Astaxanthinextrakte
Die Ultraschallextraktion ist ein leistungsfähiges Extraktionsverfahren, bei dem intensive Ultraschallwellen eingesetzt werden, um Astaxanthin aus natürlichen Quellen wie Mikroalgen, Krill oder Krebstieren zu extrahieren. Astaxanthin ist ein natürlich vorkommendes Carotinoidpigment, das für seine starken antioxidativen Eigenschaften und vielfältigen gesundheitlichen Vorteile bekannt ist. Es wird häufig als Nahrungsergänzungsmittel und Lebensmittelfarbstoff verwendet. Erfahren Sie, wie die Ultraschallbehandlung Ihren Prozess zur Astaxanthinextraktion verbessert!
MultiSonoReactor für eine verbesserte Astaxanthinextraktion mit Hochleistungsultraschall
Ultraschallextraktion von Astaxanthin aus Mikroalgen
Astaxanthin für Nahrungsergänzungsmittel, die Menschen und Tiere aufgrund ihrer gesundheitlichen Vorteile zu sich nehmen, wird aus Meeresfrüchten gewonnen oder aus der Alge H. pluvialis extrahiert. Haematococcus pluvialis ist eine grüne Mikroalge, die unter Stressbedingungen, z. B. hohem Salzgehalt, Stickstoffmangel, hoher Temperatur und Licht, hohe Astaxanthingehalte entwickelt. Mit bis zu 9,2mg/g Astaxanthin pro Algenzelle (= bis zu 3,8% bezogen auf das Trockengewicht von H. pluvialis) reichert Haematococcus pluvialis sehr hohe Mengen an natürlichem Astaxanthin an und ist daher der bevorzugte Organismus für die Astaxanthinproduktion.
Um Astaxanthin aus grünen Mikroalgen freizusetzen, müssen die Algenzellen aufgeschlossen werden. Die Ultraschallbehandlung ist für den Zellaufschluss, die Lyse und die Isolierung bioaktiver Verbindungen wie Lipide, Antioxidantien, Polyphenole und natürliche Pigmente gut etabliert. Hochleistungsultraschall erzeugt rein mechanische Kräfte, die Zellwände durch Scherkräfte aufbrechen und die Freisetzung bioaktiver Substanzen wie Astaxanthin bewirken.
Ultraschallextraktion von Astaxanthin aus Hefe
Phaffia rhodozyma ist eine astaxanthinreiche Hefe. Die dicke Zellwand von P. rhodozyma, die hauptsächlich aus Glucan besteht und für die Zellsteifigkeit verantwortlich ist, macht den Zellaufschluss und die Isolierung von Astaxanthin jedoch zu einer anspruchsvollen Aufgabe. Forschende (Gogate et al. 2015) stellten fest, dass die Ultraschallextraktion in Kombination mit Milchsäure den Zellaufschluss intensiviert und die Extraktion von Astaxanthin aus P. rhodozyma zu einem umweltfreundlicheren Verfahren macht. Sie verwendeten Milchsäure als Aufschlussmedium und Ethanol als Extraktionslösungsmittel. Die maximale Astaxanthinausbeute (90%) wurde mit dem ultraschallunterstützten Extraktionsansatz unter Verwendung von 3 M Milchsäure bei einer Aufschlusszeit von 15 min erzielt. Leistungsstarke Ultraschallextraktoren wie der UIP4000hd (4kW, siehe Abbildung links) ermöglichen in Kombination mit einem druckbeaufschlagbaren Durchflussreaktor die Erzeugung sehr intensiver Kavitation. Kavitationsbedingte Scherkräfte brechen die Hefezellwände auf und fördern den Stofftransport zwischen dem Zellinneren und dem Lösungsmittel.
- Höhere Ausbeute
- Schnelle Extraktion – innerhalb weniger Minuten
- Hochwertige Extrakte – schonend, nichtthermisch
- Umweltfreundliche Lösungsmittel (z. B. Wasser/Ethanol)
- Kosteneffizient
- Einfache und sichere Bedienung
- Geringe Investitions- und Betriebskosten
- 24/7-Betrieb unter hoher Belastung
- Umweltschonendes, umweltfreundliches Verfahren
Ultraschallextraktion von Astaxanthin – im Chargenbetrieb oder im kontinuierlichen Durchfluss
Astaxanthin ist eine lipophile Verbindung und kann in Lösungsmitteln (z. B. 48,0% Ethanol in Ethylacetat) und Ölen (z. B. Sojaöl) gelöst werden.
Chargenbetrieb: Ultraschallextraktionsprozesse können als einfache Chargenprozesse oder als Inline-Behandlung durchgeführt werden, bei der das Medium kontinuierlich durch einen Ultraschall-Durchflussreaktor geleitet wird.
Die Chargenverarbeitung ist ein einfaches Verfahren, bei dem die Extraktion chargenweise erfolgt. Hielscher Ultrasonics bietet Ultraschallprozessoren für kleine bis große Chargen, d. h. von 1L bis 120L.
Für die Verarbeitung von Chargen mit 5 bis 10L empfehlen wir den UP400ST mit der Sonotrode S24d22L2D (siehe Abbildung links).
Für die Verarbeitung von Chargen mit ca. 120L empfehlen wir das Ultraschallgerät UIP2000hdT mit der Sonotrode RS4d40L4.
Durchflussbetrieb: Für größere Volumina und die kommerzielle Extraktion im industriellen Maßstab wird ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom durch einen Ultraschallreaktor geleitet, in dem die Suspension aus Lösungsmittel und Pflanzenmaterial intensiv beschallt wird.
Für ein Volumen von ca. 8L/min. empfehlen wir den UIP4000hdT mit der Sonotrode RS4d40L3 und der druckbeaufschlagbaren Durchflusszelle FC130L4-3G0.
UIP2000hdT (2kW) für die Chargenextraktion im großen Maßstab
Leistungsstarke Ultraschallgeräte für die Extraktion
Hielscher Ultrasonics ist auf die Herstellung leistungsstarker Ultraschallgeräte zur Gewinnung hochwertiger Extrakte aus Pflanzen, Hefen und Zellen spezialisiert. Das breite Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics reicht von kleinen, leistungsstarken Laborultraschallgeräten bis hin zu robusten Tischgeräten und Anlagen für den industriellen Einsatz, die hochintensiven Ultraschall für die effiziente Extraktion und Isolierung bioaktiver Komponenten wie Astaxanthin, Quercetin, Koffein, Curcumin, Terpene usw. liefern. Alle digitalen Ultraschallgeräte von 200W bis 16.000W verfügen über ein intuitives Menü mit programmierbaren Einstellungen, ein farbiges Touchdisplay für eine komfortable Bedienung, eine integrierte SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, Fernsteuerung per Browser und viele weitere benutzerfreundliche Funktionen. Die Sonotroden und Durchflusszellen (die Teile, die mit dem Medium in Kontakt kommen) sind autoklavierbar und leicht zu reinigen. Alle unsere Ultraschallgeräte sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt, wartungsarm sowie einfach und sicher zu bedienen.
Ein digitales Farbdisplay ermöglicht die benutzerfreundliche Steuerung der Ultraschallgeräte. Unsere Systeme können mit niedrigen bis sehr hohen Amplituden arbeiten. Für die Extraktion chemischer Verbindungen wie Astaxanthin bieten wir spezielle Ultraschallsonotroden (auch als Ultraschallsonden oder Hörner bezeichnet) an, die für die behutsame Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Hielscher bietet spezielle Sonotroden für hohe Amplituden in Kombination mit druckbeaufschlagbaren Durchflusszellen an, die extreme kavitationsbedingte Scherkräfte erzeugen können und damit selbst sehr robuste Hefezellen aufschließen. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die präzise Steuerung der Ultraschallprozessparameter gewährleistet Reproduzierbarkeit und Prozessstandardisierung. Die automatisierten Ultraschallextraktionssysteme von Hielscher im industriellen Maßstab sind auf hohe Produktionskapazitäten für Extrakte von herausragender Qualität ausgelegt und reduzieren gleichzeitig Arbeitsaufwand, Kosten und Energieverbrauch.
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Literatur/Quellen
- B. Brands and M. Kleinke (2022): Astaxanthin production in Xanthophyllomyces dendrorhous grown in medium containing watery extracts from vegetable residue streams. IOP Conference Series: Earth Environ. Sci. 1034, 2022.
- Chougle, J.A.; Singha, R.S.; Baik, O.-D.(2014): Recovery of Astaxanthin from Paracoccus NBRC 101723 using Ultrasound-Assisted Three Phase Partitioning (UA-TPP). Separation Science and Technology, 49, 2014.
- Gogate et al. (2015): Ultrasound-assisted Intensification of Extraction of Astaxanthin from Phaffia rhodozyma. Indian Chemical Engineer 2015, 57:3-4, 240-255.
- Zou et al. (2013): Response Surface Methodology for Ultrasound-Assisted Extraction of Astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Marine Drugs 2013, 11, 1644-1655.
- Farid Chemat, Natacha Rombaut, Anne-Gaëlle Sicaire, Alice Meullemiestre, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier, Maryline Abert-Vian (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 34, 2017. 540-560.
Wissenswertes
Sonoextraktion
Die Ultraschallextraktion oder Sonoextraktion beruht auf dem Prinzip der akustischen Kavitation.
Werden intensive Ultraschallwellen in flüssige Systeme eingeleitet, tritt akustische Kavitation auf. Darunter versteht man die Entstehung, das Wachstum und den anschließenden Kollaps von Vakuumblasen (siehe Abbildung unten). Während der Ausbreitung der Ultraschallwellen schwingen und wachsen die Vakuumblasen, bis sie keine weitere Energie mehr aufnehmen können. Auf dem Höhepunkt ihres Wachstums kollabieren sie heftig, was lokal thermische, mechanische und chemische Effekte verursacht. Zu den mechanischen Effekten zählen hohe Drücke von bis zu 1000atm, Turbulenzen und intensive Scherkräfte. Diese Kräfte brechen Zellwände auf und fördern den Stofftransport zwischen dem Zellinneren und dem Lösungsmittel, wodurch bioaktive Verbindungen in die umgebende Flüssigkeit (d. h. das Lösungsmittel) freigesetzt werden.
Akustische Kavitation, die durch hochintensiven, niederfrequenten Ultraschall erzeugt wird, verursacht intensive Scherkräfte sowie lokal auftretende hohe Druck- und Temperaturunterschiede, die die notwendige Wirkung für den Zellaufschluss, intensives Mischen und den Stofftransport entfalten. Diese ultraschallbedingten Scherkräfte werden erfolgreich zur Cannabisextraktion eingesetzt.
Die Ultraschallextraktion von Verbindungen aus Pflanzenmaterial und Zellgewebe ist gut erforscht. Die Anwendung hochintensiver Ultraschallwellen fördert Extraktionsprozesse erheblich. Neben der Prozessintensivierung – die zu höheren Ausbeuten und kürzeren Extraktionszeiten führt – werden der thermische Abbau und der Verlust temperaturempfindlicher Inhaltsstoffe verhindert, da die Beschallung eine nichtthermische Behandlung ist. Darüber hinaus zeichnet sich die Ultraschallextraktion durch geringe Investitions- und Betriebskosten aus, reduziert den Einsatz von Lösungsmitteln und/oder ermöglicht die Verwendung umweltfreundlicherer Lösungsmittel. Dadurch ist sie ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Extraktionsverfahren. Die gegenüber konventionellen Extraktionsverfahren leistungsfähigere ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) wurde aus der Lebensmittelindustrie übernommen, um bioaktive Verbindungen mit wirtschaftlichen Vorteilen herzustellen.
Leistungsstarke Ultraschallwellen brechen die Zellmatrix biologischer Strukturen auf und setzen die bioaktiven Verbindungen frei. Der Stofftransport zwischen dem Pflanzenmaterial und dem Lösungsmittel wird intensiviert. Aufgrund dieser Mechanismen ist die Ultraschallextraktion für die Cannabisextraktion hocheffizient.
Astaxanthin
Astaxanthin zeichnet sich durch eine tiefrote Farbe aus. Es ist ein fettlösliches Pigment, das in Algen (z. B. Haematococcus pluvialis, Chlorella zofingiensis, Chlorococcum), Hefe (z. B. Phaffia rhodozyma), Lachs, Forelle, Krill, Garnelen und Flusskrebsen vorkommt. Astaxanthin gilt als Superantioxidans, da seine antioxidative Wirkung zehn- bis zwanzigmal stärker ist als die vieler anderer Carotinoide wie Beta-Carotin, Lutein und Zeaxanthin und hundertmal stärker als die von Alpha-Tocopherol (Vitamin E).
Astaxanthin (3,3′-Dihydroxy-β, β′-carotin-4,4′-dion) ist ein Ketocarotinoid und gehört als Tetraterpenoid zur größeren Klasse chemischer Verbindungen, die als Terpene bezeichnet werden. Diese sind aus Vorläuferverbindungen mit fünf Kohlenstoffatomen, Isopentenyldiphosphat und Dimethylallyldiphosphat, aufgebaut. Astaxanthin wird als eine Carotinoidverbindung mit sauerstoffhaltigen Gruppen, nämlich Hydroxyl- (-OH) oder Ketongruppen (C=O), eingestuft, ebenso wie Zeaxanthin und Canthaxanthin. Astaxanthin ist ein Metabolit von Zeaxanthin und/oder Canthaxanthin und enthält sowohl Hydroxyl- als auch Ketonfunktionsgruppen. Wie viele Carotinoide ist Astaxanthin ein fettlösliches Pigment und zeichnet sich durch seine rote Farbe aus. Carotinoide einschließlich Astaxanthin sind für ihre antioxidative Kapazität bekannt.
Astaxanthin ist ein rotes Pigment und entsteht natürlicherweise in der Regenwasser-Mikroalge Haematococcus pluvialis und der Hefe Xanthophyllomyces dendrorhous (auch als Phaffia rhodozyma bekannt). Unter Stressbedingungen wie Nährstoffmangel, erhöhtem Salzgehalt oder übermäßiger Sonneneinstrahlung, die einzeln oder in Kombination auftreten können, bildet die Alge Astaxanthin. Die Arten, die diese gestressten Süßwassermikroalgen verzehren, wie Lachs, rote Forelle, Rote Meerbrasse, Flamingo und Krebstiere (z. B. Garnelen, Krill, Krabben, Hummer, Flusskrebse), zeigen die Pigmentierung in rot-orangen Farbtönen in ihrem Erscheinungsbild.
Als Nahrungsergänzungsmittel wird Astaxanthin zur Förderung der Gesundheit und zur Behandlung von Erkrankungen verabreicht. Astaxanthin ist ein etabliertes Nutrazeutikum, das zur Verbesserung der Hautgesundheit eingesetzt wird (z. B. zur Verringerung von Falten, Schäden durch Sonnenbrand usw.).
Darüber hinaus erhält Astaxanthin zunehmend Aufmerksamkeit hinsichtlich seines Einsatzes zur Behandlung der Alzheimer-Krankheit, der Parkinson-Krankheit, von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, hohen Cholesterinwerten, Lebererkrankungen und altersbedingter Makuladegeneration sowie zur Krebsprävention.
Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren vom Labor- bis zum Industriemaßstab her.