Ultraschallbehandlung zur Verbesserung des Zellaufschlusses und der Extraktion von Algen

Algen, sowohl Makro- als auch Mikroalgen, enthalten viele wertvolle Verbindungen, die als nährstoffreiche Lebensmittel, Lebensmittelzusatzstoffe, Kraftstoffe oder Ausgangsstoffe für Kraftstoffe verwendet werden. Um die Zielsubstanzen aus der Algenzelle freizusetzen, ist ein leistungsfähiges und effizientes Zellaufschlussverfahren erforderlich. Ultraschallextraktoren arbeiten bei der Extraktion bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Materialien, Algen und Pilzen äußerst effizient und zuverlässig. Die im Labor-, Technikums- und Industriemaßstab verfügbaren Ultraschallextraktoren von Hielscher sind bei der Herstellung zellbasierter Extrakte in der Lebensmittel-, Pharma- und Biokraftstoffproduktion etabliert.

Algen als wertvolle Ressource für Ernährung und Kraftstoffe

Algenzellen sind eine vielseitige Quelle bioaktiver und energiereicher Verbindungen wie Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und andere bioaktive Substanzen sowie Alkane. Damit dienen Algen als Quelle für Lebensmittel und Nährstoffe sowie für Kraftstoffe.
Mikroalgen sind eine geschätzte Quelle für Lipide, die zur Ernährung und als Ausgangsstoffe für Biokraftstoffe (z. B. Biodiesel) verwendet werden. Stämme des marinen Phytoplanktons Dicrateria, beispielsweise Dicrateria rotunda, sind als benzinproduzierende Algen bekannt. Sie können eine Reihe gesättigter Kohlenwasserstoffe (n-Alkane) von C₁₀H₂₂ bis C₃₈H₇₈synthetisieren, die als Benzin (C10–C15), Dieselöle (C16–C20) und Heizöle (C21–C38) eingeordnet werden.
Aufgrund ihres Nährwerts werden Algen als „funktionelle Lebensmittel“ oder „Nutraceutika“ verwendet. Zu den wichtigen aus Algen extrahierten Mikronährstoffen gehören die Carotinoide Astaxanthin, Fucoxanthin und Zeaxanthin. Fucoidan, Laminari und andere Glucane werden neben zahlreichen weiteren bioaktiven Substanzen als Nahrungsergänzungsmittel und Arzneimittel eingesetzt. Carrageen, Alginat und andere Hydrokolloide werden als Lebensmittelzusatzstoffe verwendet. Algenlipide dienen als vegane Omega-3-Quelle und werden auch als Kraftstoff oder als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biodiesel eingesetzt.

Zellaufschluss und Extraktion von Algen mit Leistungsultraschall

Ultraschallextraktoren oder einfach Ultraschallgeräte werden zur Extraktion wertvoller Verbindungen aus kleinen Proben im Labor ebenso eingesetzt wie zur Produktion im großen kommerziellen Maßstab.
Algenzellen sind durch komplexe Zellwandmatrizes geschützt, die aus Lipiden, Cellulose, Proteinen, Glykoproteinen und Polysacchariden bestehen. Die Grundlage der meisten Algenzellwände bildet ein mikrofibrilläres Netzwerk innerhalb einer gelartigen Proteinmatrix. Einige Mikroalgen besitzen jedoch eine anorganische, starre Wand aus Schalen aus opaliner Kieselsäure oder aus Calciumcarbonat. Um bioaktive Verbindungen aus Algenbiomasse zu gewinnen, ist ein effizientes Zellaufschlussverfahren erforderlich. Neben den technologischen Extraktionsfaktoren, also Extraktionsverfahren und Ausrüstung, beeinflussen auch verschiedene algenabhängige Faktoren die Effizienz des Zellaufschlusses und der Extraktion stark. Dazu gehören die Zusammensetzung der Zellwand, die Lage des gewünschten Biomoleküls in den Mikroalgenzellen und das Wachstumsstadium der Mikroalgen bei der Ernte.

Wie funktionieren Zellaufschluss und Extraktion von Algen mit Ultraschall?

Wenn Ultraschallwellen hoher Intensität über eine Ultraschallsonde, auch als Ultraschallhorn oder Sonotrode bezeichnet, in eine Flüssigkeit oder Suspension eingekoppelt werden, breiten sich die Schallwellen in der Flüssigkeit aus und erzeugen dabei abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Während dieser Hochdruck- und Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen oder Hohlräume. Kavitationsblasen entstehen, wenn der lokale Druck während der Niederdruckzyklen ausreichend weit unter den Sättigungsdampfdruck fällt, einen Wert, der durch die Zugfestigkeit der Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur bestimmt wird. Diese Blasen wachsen über mehrere Zyklen hinweg. Sobald diese Vakuumblasen eine Größe erreichen, bei der sie keine weitere Energie aufnehmen können, implodieren sie heftig während eines Hochdruckzyklus. Die Implosion von Kavitationsblasen ist ein heftiger Vorgang mit hoher Energiedichte, der intensive Stoßwellen, Turbulenzen und Mikrostrahlen in der Flüssigkeit erzeugt. Zusätzlich entstehen lokal sehr hohe Drücke und sehr hohe Temperaturen. Diese extremen Bedingungen können Zellwände und Membranen mühelos aufbrechen und intrazelluläre Verbindungen wirksam, effizient und schnell freisetzen. Intrazelluläre Verbindungen wie Proteine, Polysaccharide, Lipide, Vitamine, Mineralstoffe und Antioxidantien lassen sich dadurch mit Leistungsultraschall effektiv extrahieren.

Ultraschallkavitation für Zellaufschluss und Extraktion

Bei Einwirkung intensiver Ultraschallenergie wird die Wand oder Membran jeder Art von Zelle, darunter Pflanzen-, Säugetier-, Algen-, Pilz- und Bakterienzellen, aufgebrochen. Die mechanischen Kräfte der Ultraschallkavitation mit ihrer hohen Energiedichte zerreißen die Zelle in kleinere Fragmente. Wenn die Zellwand aufgebrochen wird, werden zelluläre Metaboliten wie Proteine, Lipide, Nukleinsäuren und Chlorophyll sowohl aus der Zellwandmatrix als auch aus dem Zellinneren freigesetzt und in das umgebende Kulturmedium oder Lösungsmittel überführt.
Der oben beschriebene Mechanismus der Ultraschallkavitation beziehungsweise akustischen Kavitation bricht ganze Algenzellen oder Gas- und Flüssigkeitsvakuolen innerhalb der Zellen stark auf. Ultraschallkavitation, Schwingungen, Turbulenzen und Mikroströmungen fördern den Stofftransport zwischen dem Zellinneren und dem umgebenden Lösungsmittel, sodass die Biomoleküle, also die Metaboliten, effizient und schnell freigesetzt werden. Denn die Beschallung ist eine rein mechanische Behandlung, die keine aggressiven, giftigen und/oder teuren Chemikalien erfordert.
Niederfrequenter Ultraschall hoher Intensität erzeugt extreme Bedingungen mit hoher Energiedichte, die durch hohe Drücke, Temperaturen und starke Scherkräfte gekennzeichnet sind. Diese physikalischen Kräfte fördern das Aufbrechen von Zellstrukturen, um intrazelluläre Verbindungen in das Medium freizusetzen. Daher wird niederfrequenter Ultraschall häufig zur Extraktion bioaktiver Substanzen und Kraftstoffe aus Algen eingesetzt. Im Vergleich zu konventionellen Extraktionsverfahren wie Lösungsmittelextraktion, Vermahlung in der Perlmühle oder Hochdruckhomogenisierung zeichnet sich die Ultraschallextraktion dadurch aus, dass sie den Großteil der bioaktiven Verbindungen wie Lipide, Proteine, Polysaccharide und Mikronährstoffe aus der sonoporierten und aufgeschlossenen Zelle freisetzt. Unter geeigneten Prozessbedingungen liefert die Ultraschallextraktion überlegene Extraktionsausbeuten innerhalb sehr kurzer Prozesszeiten. Beispielsweise zeigen Hochleistungs-Ultraschallextraktoren bei Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels eine hervorragende Extraktionsleistung bei Algen. In einem sauren oder alkalischen Medium wird die Algenzellwand porös und faltig. Dies führt bei niedriger Temperatur (unter 60°C) und kurzer Beschallungszeit (weniger als 3 Stunden) zu höheren Ausbeuten. Die kurze Extraktionsdauer bei milden Temperaturen verhindert den Abbau von Fucoidan, sodass ein hochgradig bioaktives Polysaccharid gewonnen wird.
Die Ultraschallbehandlung ist außerdem ein Verfahren, um hochmolekulares Fucoidan in niedermolekulares Fucoidan umzuwandeln, das aufgrund seiner entzweigten Struktur eine deutlich höhere Bioaktivität aufweist. Mit seiner hohen Bioaktivität und Biozugänglichkeit ist niedermolekulares Fucoidan eine interessante Verbindung für Arzneimittel und Wirkstofffreisetzungssysteme.

Fallstudien: Ultraschallextraktion von Algeninhaltsstoffen

Die Effizienz der Ultraschallextraktion und die Optimierung ihrer Parameter wurden umfassend untersucht. Nachfolgend finden Sie beispielhafte Ergebnisse zur Extraktion aus verschiedenen Algenarten mittels Ultraschall.

Proteinextraktion aus Spirulina mittels Mano-Thermo-Sonikation

Die Forschungsgruppe von Prof. Chemat an der Universität Avignon untersuchte die Auswirkungen der Manothermosonikation (MTS) auf die Extraktion von Proteinen wie Phycocyanin aus getrockneten Cyanobakterien der Art Arthrospira platensis, auch als Spirulina bekannt. Mano-Thermo-Sonikation (MTS) bezeichnet die Anwendung von Ultraschall in Kombination mit erhöhten Drücken und Temperaturen, um den Ultraschallextraktionsprozess zu intensivieren.
„Den Versuchsergebnissen zufolge förderte MTS den Stofftransport (hoher effektiver Diffusionskoeffizient, De) und ermöglichte die Gewinnung von 229% mehr Proteinen (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) als das konventionelle Verfahren ohne Ultraschall (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Mit 28,42 g Protein pro 100 g trockener Spirulina-Biomasse im Extrakt wurde in einem kontinuierlichen MTS-Prozess innerhalb von 6 effektiven Minuten eine Proteinrückgewinnungsrate von 50% erreicht. Mikroskopische Beobachtungen zeigten, dass die akustische Kavitation durch verschiedene Mechanismen wie Fragmentierung, Sonoporation und Destrukturierung auf die Spirulina-Filamente einwirkte. Diese unterschiedlichen Phänomene erleichtern die Extraktion, Freisetzung und Solubilisierung bioaktiver Verbindungen aus Spirulina.“ [Vernès et al., 2019]

Lichtmikroskopische Aufnahmen ganzer Spirulina-Filamente im zeitlichen Verlauf einer MTS-Behandlung. Maßstabsbalken (scale bar, Abbildung A) = 50 μm für alle Abbildungen.
Abbildung und Studie: ©Vernès et al. 2019

Ultraschallextraktion von Fucoidan und Glucanen aus Laminaria digitata

Die TEAGASC-Forschungsgruppe von Dr. Tiwari untersuchte die Extraktion von Polysacchariden, nämlich Fucoidan, Laminarin und Gesamtglucanen, aus der Makroalge Laminaria digitata mithilfe des Ultraschallgeräts UIP500hdT. Die untersuchten Parameter der ultraschallunterstützten Extraktion (UAE) hatten einen signifikanten Einfluss auf den Fucosegehalt sowie die FRAP- und DPPH-Werte. Unter optimierten Bedingungen hinsichtlich Temperatur (76◦C), Zeit (10 min) und Ultraschallamplitude (100%) wurden mit 0,1 M HCl als Lösungsmittel Werte von 1060,75 mg/100 g ds für Fucose, 968,57 mg/100 g ds für Gesamtglucane, 8,70 μM Trolox/mg fde für FRAP und 11,02% für DPPH erzielt. Die beschriebenen UAE-Bedingungen wurden anschließend erfolgreich auf andere wirtschaftlich relevante braune Makroalgen (L. hyperborea und A. nodosum) angewendet, um polysaccharidreiche Extrakte zu gewinnen. Diese Studie zeigt, dass sich UAE zur Verbesserung der Extraktion bioaktiver Polysaccharide aus verschiedenen Makroalgenarten eignet.

Ultraschallextraktion sekundärer Pflanzenstoffe aus F. vesiculosus und P. canaliculata

Das Forschungsteam von García-Vaquero verglich verschiedene neuartige Extraktionsverfahren, darunter Hochleistungs-Ultraschallextraktion, Ultraschall-Mikrowellen-Extraktion, Mikrowellenextraktion, hydrothermal unterstützte Extraktion und hochdruckunterstützte Extraktion, um die Extraktionseffizienz bei den braunen Mikroalgenarten Fucus vesiculosus und Pelvetia canaliculata zu bewerten. Für die Ultraschallbehandlung verwendeten sie den Ultraschallextraktor UIP500hdT von Hielscher. Die Analyse der Extraktionsausbeuten ergab, dass die Ultraschallextraktion bei den meisten sekundären Pflanzenstoffen aus beiden F. vesiculosus die höchsten Ausbeuten erzielte. Die höchsten Ausbeuten der aus F. vesiculosus mithilfe des Ultraschallextraktors UIP500hdT extrahierten Verbindungen betrugen somit: Gesamtphenolgehalt (445,0 ± 4,6 mg Gallussäureäquivalente/g), Gesamtphlorotanningehalt (362,9 ± 3,7 mg Phloroglucinäquivalente/g), Gesamtflavonoidgehalt (286,3 ± 7,8 mg Quercetinäquivalente/g) und Gesamttanningehalt (189,1 ± 4,4 mg Catechinäquivalente/g).
In seiner Forschungsstudie kam das Team zu dem Schluss, dass die Anwendung der ultraschallunterstützten Extraktion „in Kombination mit einer 50%igen ethanolischen Lösung als Extraktionsmittel eine vielversprechende Strategie zur gezielten Extraktion von TPC, TPhC, TFC und TTC sein könnte, wobei gleichzeitig die Mitextraktion unerwünschter Kohlenhydrate sowohl aus F. vesiculosus als auch aus P. canaliculata reduziert wird. Dies eröffnet vielversprechende Anwendungen dieser Verbindungen als Arzneimittel, Nutraceutika und Kosmezeutika.“ [García-Vaquero et al., 2021]

Maßstabsvergrößerung der Mano-Thermo-Sonikation an der Universität Avignon mit Ultraschallgeräten von Hielscher: vom Laborgerät UIP1000hdT (A) zum Gerät im Pilotmaßstab UIP4000hdT (B, C und D). Abbildung D zeigt schematisch einen Querschnitt der Ultraschall-Durchflusszelle FC100K.
Abbildung und Studie: ©Vernès et al. 2019

Hochleistungs-Ultraschallextraktoren für den Algenaufschluss

Die hochmodernen Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen die vollständige Kontrolle über Prozessparameter wie Amplitude, Temperatur, Druck und Energieeintrag.
Bei der Ultraschallextraktion lassen sich Parameter wie die Partikelgröße des Ausgangsmaterials, die Art des Lösungsmittels, das Verhältnis von Feststoff zu Lösungsmittel und die Extraktionszeit variieren und für optimale Ergebnisse anpassen.
Da die Ultraschallextraktion ein nichtthermisches Extraktionsverfahren ist, wird der thermische Abbau der im Ausgangsmaterial, etwa in Algen, enthaltenen bioaktiven Inhaltsstoffe vermieden.
Insgesamt machen Vorteile wie eine hohe Ausbeute, kurze Extraktionszeiten, niedrige Extraktionstemperaturen und geringe Lösungsmittelmengen die Beschallung zum überlegenen Extraktionsverfahren.

Ultraschallextraktion: in Labor und Industrie etabliert

Die Ultraschallextraktion wird vielfach zur Gewinnung verschiedenster bioaktiver Verbindungen aus pflanzlichen Materialien, Algen, Bakterien und Säugetierzellen eingesetzt. Sie hat sich als einfaches, kostengünstiges und hocheffizientes Verfahren etabliert, das andere traditionelle Extraktionsverfahren durch höhere Extraktionsausbeuten und kürzere Verarbeitungszeiten übertrifft.
Da Ultraschallsysteme für Labor und Technikum sowie vollindustrielle Anlagen ohne Weiteres verfügbar sind, ist die Ultraschallextraktion heute eine etablierte und bewährte Technologie. Ultraschallextraktoren von Hielscher sind weltweit in industriellen Verarbeitungsanlagen installiert, die bioaktive Verbindungen in Lebensmittel- und Pharmaqualität herstellen.

Prozessstandardisierung mit Hielscher Ultrasonics

Algenextrakte, die in Lebensmitteln, Arzneimitteln oder Kosmetika eingesetzt werden, müssen nach den Regeln der Guten Herstellungspraxis (GMP) und unter standardisierten Prozessvorgaben hergestellt werden. Die digitalen Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind mit intelligenter Software ausgestattet, die eine einfache und präzise Einstellung und Steuerung des Beschallungsprozesses ermöglicht. Die automatische Datenaufzeichnung speichert alle Ultraschallprozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur und Druck (bei montierten Temperatur- und Drucksensoren) mit Datums- und Zeitstempel auf der integrierten SD-Karte. So können Sie jede mit Ultraschall verarbeitete Charge überprüfen. Gleichzeitig werden Reproduzierbarkeit und eine gleichbleibend hohe Produktqualität gewährleistet.

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