Ultraschallextraktion von Spirulina-Pigmenten
Die Ultraschallextraktion hat sich als äußerst effizient für die Isolierung von Mikroalgenextrakten höchster Qualität erwiesen. Spirulina-Pigmente wie Phycocyanin sind als Superfood bekannt, das aufgrund seines hohen Gehalts an Antioxidantien, Vitaminen und Proteinen zur Gesundheit beiträgt. Um hochkonzentrierte Nahrungsergänzungsmittel wie Pulver und Tabletten herstellen zu können, müssen die blauen Pigmente aus den Spirulina-Algen extrahiert werden.
Spirulina
Arthrospira platensis (A. platensis) und Arthrospira maxima (A. maxima) sind unter dem Begriff Spirulina bekannt. Spirulina sind blaugrüne Algen, die reich an Aminosäuren und Antioxidantien sind. Mit ihrem hohen Gehalt an Nährstoffen wie Proteinen, Enzymen, Mineralien und den Vitaminen A, K, B12, Eisen und Mangan werden sie als Superfood eingestuft. Die Algengattung Arthrospira hat einen besonders hohen Gehalt an Proteinen. Ihr Proteingehalt reicht von 53 bis 68 % des Trockengewichts und bietet das gesamte Spektrum aller essenziellen Aminosäuren. Außerdem hat Arthrospira einen hohen Anteil an mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFAs), der ca. 1,5 bis 2 % des Gesamtlipidgehalts von 5 bis 6 % beträgt. Diese PUFAs enthalten die γ-Linolensäure (GLA), eine essentielle Omega-6-Fettsäure. Zu den weiteren bioaktiven Verbindungen von Arthrospira gehören Vitamine, Mineralien sowie photosynthetische Pigmente.
Hinweis: Wissenschaftlich gesehen werden Spirulina platensis (S. platensis) und Spirulina maxima (S. maxima) korrekt als Arthrospira platensis (A. platensis) und Arthrospira maxima (A. maxima) bezeichnet. Beide Arten wurden einst in die Gattung Spirulina eingeordnet und sind bis heute umgangssprachlich unter dem Namen Spirulina bekannt. Obwohl die Einführung zweier getrennter Gattungen von Arthrospira und Spirulina inzwischen allgemein anerkannt ist, wird der Begriff Spirulina häufig als Oberbegriff verwendet.
Extraktion von Spirulina mit Ultraschall
Ultraschall-Zellauflöser (auch Ultraschallextraktoren genannt) sind für ihre Fähigkeit bekannt, Zellen zu öffnen, um intrazelluläres Material freizusetzen. Wenn intensive Ultraschallwellen in Flüssigkeiten eingekoppelt werden, tritt das Phänomen der akustischen Kavitation auf. Die Kavitationskräfte brechen die Zellwände auf und verstärken den Stofftransport, so dass die bioaktiven Zielverbindungen aus der Zelle in die Flüssigkeit transportiert werden.
Vorteile der Ultraschallextraktion
- hohe Ausbeute
- Überragende Extraktqualität
- schnelle Extraktion
- Mildes, nicht-thermisches Verfahren
- Verschiedene Lösungsmittel
- sicher
- einfach zu bedienen
- lineares Scale-up
- Geringer Wartungsaufwand
- schneller ROI
Extraktionsprotokoll
Prabuthas et al. (2011) haben das folgende Extraktionsprotokoll entwickelt, um einen hochwertigen Phycocyanin-Extrakt zu erhalten: Die Phycocyanin-Extraktion wurde im Hinblick auf die Phycocyanin-Konzentration unter Verwendung von destilliertem Wasser und einer 1%igen CaCl2-Lösung bewertet. Die Meeresalge Spirulina wird in getrockneter Form verwendet, da die feuchte Biomasse aufgrund ihrer ernährungsphysiologischen Zusammensetzung sofort von Bakterien verwertet wird und sich zersetzt. Um diese Probleme zu vermeiden, wird daher die Verwendung von getrockneter Algenbiomasse empfohlen. Die Extraktion erfolgte durch Mischen von 0,1 g getrockneter Biomasse mit der Menge des Lösungsmittels, wobei Zeit und Amplitude der Beschallung dem Versuchsplan entsprachen. Die Probensuspensionen wurden mit einem UP50H-Ultraschall-Zellauflöser von Hielscher beschallt und anschließend 15 Minuten lang bei 13500 U/min in einer gekühlten Zentrifuge zentrifugiert. Der Phycocyanin- und Proteingehalt während der Extraktion mit verschiedenen Lösungsmitteln wurde mit Calciumchlorid und destilliertem Wasser untersucht.
Die maximale Menge an Phycocyanin, 0,3116 mg/ml, wurde in Calciumchloridlösung erhalten, gefolgt von 0,299 mg/ml in destilliertem Wasser. Die maximale Menge an Protein, 63,63%, wurde in destilliertem Wasser und 54,69% in Calciumchloridlösung erhalten. Somit erwies sich die CaCl2-Lösung als das beste Lösungsmittel für die Extraktion von Phycocyanin mit Hilfe von Ultraschall.
Hochleistungs-Ultraschallextraktoren für die Extraktion von Spirulina
Hielscher ist Ihr langjährig erfahrener Partner, wenn es um die leistungsstarke und zuverlässige Ultraschallextraktion von Bioaktivstoffen aus Pflanzen und Phyto-Biomasse geht. Alle Ultraschallextraktoren können rund um die Uhr betrieben werden und sind für die kommerzielle Herstellung von Nahrungsextrakten geeignet. Unsere Produktpalette deckt das gesamte Spektrum von kleineren handgeführten Biodisruptoren über Pilot-Ultraschallgeräte bis hin zu industriellen Ultraschallsystemen ab. Vielfältiges Zubehör wie verschiedene Sonotroden und Durchflusszellenreaktoren ermöglichen die optimale Anpassung an Ihre Prozessanforderungen. Alle Hielscher-Ultraschallprozessoren sind robust, einfach zu bedienen und auf Benutzerfreundlichkeit ausgelegt. Unsere digital gesteuerten Ultraschallgeräte verfügen über eine eingebaute SD-Karte zur automatischen Protokollierung der Beschallungsdaten.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
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 | UIP4000 |
n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
- Langjährige Erfahrung in der Beschallung
- hohe Qualität
- Robustheit
- 24/7 Betrieb
- Trockenlauf geschützt
- lineare Skalierbarkeit
- Ausgezeichneter Kundenservice
- Geringer Wartungsaufwand
- Training vor Ort & Montageservice
- technisches Zentrum
- Prozessentwicklung
- Maßgeschneiderte Ultraschallgeräte
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Literatur
- Merlyn Sujatha Rajakumar and Karuppan Muthukumar (2018): Influence of pre-soaking conditions on ultrasonic extraction of Spirulina platensis proteins and its recovery using aqueous biphasic system. Separation Science and Technology 2018.
- Smriti Kana Pyne, Paramita Bhattacharjee, Prem Prakash Srivastav (2020): Process optimization of ultrasonication-assisted extraction to obtain antioxidant-rich extract from Spirulina platensis. Sustainability, Agri, Food and Environmental Research 8(4), 2020.
- Zhou, Jianjun; Min Wang, Francisco J. Barba, Zhenzhou Zhu, Nabil Grimi (2023):
A combined ultrasound + membrane ultrafiltration (USN-UF) process for enhancing saccharides separation from Spirulina (Arthrospira platensis). Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 85, 2023. - Bachchhav M.B., Kulkarni M.V., Ingale A.G. (2017): An efficient extraction of phycocyanin by ultrasonication and separation using ‘sugaring out’. Phykos 47 (2): 19-24 (2017).
- Prabuthas P., Majumdar S., Srivastav P.P., Mishra H.N. (2011): Standardization of rapid and economical method for neutraceuticals extraction from algae. Journal of Stored Products and Postharvest Research Vol. 2(5) pp. 93 – 96, May 2011.
Wissenswertes
Spirulina
Spirulina ist eine Art von Cyanobakterien (auch bekannt als Cyanophyta), einem Stamm von Bakterien, die ihre Energie durch Photosynthese gewinnen. Sie sind die einzigen photosynthetischen Prokaryoten, die Sauerstoff produzieren können. Der Name Cyanobakterien leitet sich von der Farbe der Bakterien ab (griechisch: κυανός, übersetzt kyanós, wörtlich: blau). Aufgrund ihrer Farbe werden sie auch als Blaualgen bezeichnet, obwohl der Begriff Alge im modernen Sprachgebrauch auf Eukaryoten beschränkt ist. Spirulina platensis (S. platensis) ist ein multifilamentöses prokaryotisches Cyanobakterium, das leicht als Monokultur in offenen Teichen oder geschlossenen Bioreaktoren gezüchtet werden kann. C-Phycocyanin (C-PC) ist das wichtigste Phycobiliprotein in Spirulina.
Spirulina-Extrakte
Spirulina ist ein beliebtes Nahrungsergänzungsmittel, das aus der Biomasse von Meerescyanobakterien (Blaualgen) gewonnen wird. Die beiden Spirulina-Arten, die für die Herstellung von veganen Protein- und Pigmentpräparaten verwendet werden, sind Arthrospira platensis und Arthrospira maxima. Der aus diesen Mikroalgen gewonnene Extrakt ist reich an Antioxidantien, Aminosäuren und Vitaminen. Daher wird das blaue Extraktpulver Säften, Smoothies, Shakes und Getränken zugesetzt und verleiht ihnen eine schöne intensive blaue Farbe. Alternativ kann der Spirulina-Extrakt auch in Tablettenform eingenommen werden.
Phycocyanin, Allophycocyanin und Phycoerythrin sind Pigment-Protein-Komplexe aus der Familie der lichtsammelnden Phycobiliproteine, die für ihre intensive hellblaue Farbe bekannt sind. Phycocyanin ist ein akzessorisches Pigment zum Chlorophyll. Da alle Phycobiliproteine wasserlöslich sind, befinden sie sich nicht innerhalb der Membran, sondern sind als Aggregate (so genannte Phycobilisome) an die Zellmembran gebunden.
Ultraschallextraktion und Zellaufschluss
Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) wird zur Freisetzung und Isolierung bioaktiver Verbindungen aus Pflanzenmaterial und Gewebe eingesetzt.
Bei der Ultraschallextraktion werden intensive Ultraschallwellen in ein Medium eingekoppelt, in dem die Wellen eine abwechselnde Kompression und Expansion erzeugen. Während der Kompressions-/Expansionszyklen entstehen Vakuumblasen, die über mehrere Zyklen wachsen, bis sie keine Energie mehr aufnehmen können und gewaltsam implodieren. Die Blasenimplosion erzeugt einen hochenergetischen Zustand mit lokal auftretenden Temperaturen von bis zu 5000 K, Druckunterschieden von 1000 atm, Heiz- und Kühlraten von über 1010 K/s sowie Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von 280 m/s. Dieses Phänomen wird als akustische Kavitation bezeichnet.