Ultraschallextraktion von Spirulina-Pigmenten
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 einer hohen Menge an Nährstoffen wie Proteinen, Enzymen, Mineralien und den Vitaminen A, K, B12, Eisen und Mangan werden sie als Supernahrung eingestuft. Die Algengattung Arthrospira hat einen besonders hohen Proteingehalt. Sein Proteingehalt liegt zwischen 53 und 68% des Trockengewichts und bietet das gesamte Spektrum aller essentiellen Aminosäuren. Darüber hinaus weist Arthrospira einen hohen Anteil an mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFAs) auf, was ca. 1,5 bis 2% des gesamten Lipidgehalts von 5 bis 6% entspricht. Diese PUFAs enthalten die γ-Linolensäure (GLA), eine essentielle Omega-6-Fettsäure. Weitere bioaktive Verbindungen von Arthrospira sind Vitamine, Mineralien sowie photosynthetische Pigmente.
Hinweis: Spirulina platensis (S. platensis) und Spirulina maxima (S. maxima) werden wissenschaftlich korrekt als Arthrospira platensis (A. platensis) und Arthrospira maxima (A. maxima) bezeichnet. Beide Arten wurden einst in der Gattung Spirulina klassifiziert und sind bis heute umgangssprachlich unter dem Namen Spirulina bekannt. Obwohl die Einführung von zwei getrennten Gattungen Arthrospira und Spirulina inzwischen allgemein akzeptiert ist, wird der Begriff Spirulina oft als Oberbegriff verwendet.
Ultraschall-Spirulina-Extraktion
Ultraschall-Zell-Disruptoren (auch als Ultraschall-Extraktoren bezeichnet) sind bekannt für ihre Fähigkeit, Zellen zu öffnen, um intrazelluläres Material freizusetzen. Wenn intensive Ultraschallwellen in Flüssigkeiten eingekoppelt werden, tritt das Phänomen der akustischen Kavitation auf. Die Kavitationskräfte stören die Zellwände und erhöhen den Stoffaustausch, so dass die bioaktiven Zielverbindungen aus der Zelle in die Flüssigkeit transportiert werden.
Ultraschallextraktion aus Zellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkungsmechanismus der Ultraschallextraktion aus Zellen (Vergrößerung 2000x)[Ressource: Vilkhu et al. 2011].
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 folgendes Extraktionsprotokoll entwickelt, um einen hochwertigen Phycocyaninextrakt zu erhalten: Die Phycocyaninextraktion wurde hinsichtlich der Phycocyaninkonzentration mit destilliertem Wasser und 1%iger CaCl2-Lösung bewertet. Die Meeresalge Spirulina wird in getrockneter Form verwendet, da die feuchte Biomasse sofort von Bakterien genutzt wird und aufgrund ihrer Nährstoffzusammensetzung den Abbau beginnt. 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, die Sondierung erfolgte zeitlich und amplitudenbezogen nach dem Versuchsplan. Die Probensuspensionen wurden mit einem Hielscher-Ultraschallzellen-Disruptor UP50H sondiert, gefolgt von einer Zentrifugation für 15 Minuten bei 13500 U/min mit einer gekühlten Zentrifuge. Der Phycocyanin- und Proteingehalt bei der Extraktion mit verschiedenen Lösungsmitteln wurde mit Calciumchlorid und destilliertem Wasser untersucht.
Die maximale Menge an Phycocyanin, 0,3116mg/ml, wurde in Calciumchloridlösung erhalten, gefolgt von 0,299mg/ml in destilliertem Wasser. Die maximale Menge an Protein, 63,63% wurden in destilliertem Wasserlösungsmittel und 54,69% in Calciumchloridlösung erhalten. So wurde die CaCl2-Lösung als bestes Lösungsmittel für die Extraktion von Phycocyanin mit Ultraschallunterstützung gefunden.
Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren für die Spirulina-Extraktion
Hielscher ist Ihr langjähriger und erfahrener Partner, wenn es um die leistungsstarke und zuverlässige Ultraschallextraktion von Bioaktivstoffen aus pflanzlicher und phytobiomasse geht. Alle Ultraschall-Extraktoren sind rund um die Uhr betriebsbereit und eignen sich für die kommerzielle Herstellung von Nahrungsextrakten. Unsere Produktpalette umfasst das gesamte Spektrum von kleineren tragbaren Biodisruptoren über Pilot-Ultraschallgeräte bis hin zu industriellen Ultraschallsystemen. Verschiedenes 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 integrierte SD-Karte zur automatischen Protokollierung von Schalldaten.
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 | UIP4000 |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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- Technisches Zentrum
- Prozessentwicklung
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Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren vom Labor- über den Pilot- bis zum industriellen Maßstab.
Literatur
- Bachchhav M.B., Kulkarni M.V., Ingale A.G. (2017): Eine effiziente Extraktion von Phycocyanin durch Ultraschall und Trennung mittels "sugaring out". Phykos 47 (2): 19-24 (2017).
- Prabuthas P., Majumdar S., Srivastav P.P., Mishra H.N. (2011): Standardisierung der schnellen und kostengünstigen Methode zur Extraktion von Neutrazeutika aus Algen. Journal of Stored Products and Postharvest Research Vol. 2(5) S. 93 – 96, Mai 2011.
Wissenswertes
Spirulina
Spirulina ist eine Art von Cyanobakterien (auch bekannt als Cyanophyta), die ein Stamm von Bakterien sind, die ihre Energie durch Photosynthese gewinnen. Sie sind die einzigen photosynthetischen Prokaryonten, die Sauerstoff produzieren können. Der Name Cyanobakterien kommt von der Farbe der Bakterien (griechisch: κυανός, translit. kyanós, lit. blau). Aufgrund ihrer Farbe werden sie auch als Blaualgen bezeichnet, obwohl der Begriff Algen im modernen Gebrauch auf Eukaryonten beschränkt ist. Spirulina platensis (S. platensis) ist ein multifilamentöses prokaryontisches Cyanobakterium, das als Monokultur in offenen Teichen oder geschlossenen Bioreaktoren leicht angebaut werden kann. C-Phycocyanin (C-PC) ist das wichtigste Phycobiliprotein in Spirulina.
Spirulina-Extrakte
Spirulina ist ein beliebtes Nahrungsergänzungsmittel, das aus Biomasse von marinen Cyanobakterien (Blaualgen) gewonnen wird. Die beiden Spirulina-Arten, die für die Herstellung von veganen Protein- und Pigmentzusätzen 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 ein Pigment-Protein-Komplex aus der Familie der lichterntenden Phycobiliproteine, die für ihre intensive hellblaue Farbe bekannt sind. Phycocyanin ist ein Zusatzpigment zum Chlorophyll. Da alle Phycobiliproteine wasserlöslich sind, sind sie nicht in der Membran vorhanden, sondern werden als Aggregate (sogenannte Phycobilisome) an die Zellmembran gebunden.
Ultraschallextraktion und Zellunterbrechung
Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) dient der Freisetzung und Isolierung bioaktiver Verbindungen aus Phyto-Material und Gewebe.
Für Ultraschallextraktionsprozesse werden intensive Ultraschallwellen in ein Medium gekoppelt, in dem die Wellen abwechselnd Kompression und Expansion erzeugen. Während der Kompressions-/Expansionszyklen entstehen Vakuumblasen, die über mehrere Zyklen wachsen, bis sie nicht mehr Energie aufnehmen können, so dass sie heftig implodieren. Die Blasenimplosion erzeugt einen hochenergetischen Zustand mit lokal auftretenden Temperaturen von bis zu 5000K, Druckdifferenzen von 1000atm, Heiz- und Kühlraten über 1010 K/s sowie Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von 280m/s. Dieses Phänomen wird als akustische Kavitation bezeichnet.
Die Ultraschallextraktion basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften.