Εκχύλιση φυκών με υπερήχους για συμπληρώματα διατροφής
Η εκχύλιση με υπερήχους είναι η ανώτερη μέθοδος για την αποτελεσματική και ταχεία διάρρηξη των κυττάρων των φυκών. Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να απελευθερώσει ολόκληρη την ποσότητα των βιοδραστικών ενώσεων, γεγονός που καθιστά την τεχνική των υπερήχων ιδιαίτερα αποδοτική.
Πώς να εκχυλίσετε πρωτεΐνες, λιπίδια και φαινολικές ενώσεις από φύκη με υπερήχους
Τα είδη φυκών και μικροφυκών είναι πλούσια σε βιολογικά δραστικές ενώσεις, όπως πρωτεΐνες, λιπίδια, καροτενοειδή, χρωστικές (π.χ. φυκοκυανίνες, ασταξανθίνη κ.λπ.), φαινολικές ενώσεις και πολυσακχαρίτες (π.χ. καραγενάνες). Αυτό τα καθιστά ευρέως χρησιμοποιούμενη φυσική πρώτη ύλη για την παραγωγή εκχυλισμάτων για τρόφιμα και συμπληρώματα διατροφής. Είδη φυκών που χρησιμοποιούνται συνήθως για συμπληρώματα διατροφής είναι τα Arthrospira maxima και (γνωστή επίσης ως σπιρουλίνα), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis και Ulva spp. Τα φύκη είναι γνωστό ότι αποτελούν καλή πηγή πρωτεϊνών υψηλής ποιότητας, λιπιδίων, πολυακόρεστων λιπαρών οξέων μακράς αλυσίδας (PUFAs, δηλ. ωμέγα-3), πολυσακχαριτών (π.χ. αλγινικών αλάτων, καραγενάνης, β-γλυκανών), βιταμινών και αντιοξειδωτικών.
Η σπιρουλίνα είναι ένας ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος φυκών, πλούσιος σε βιοδραστικές ενώσεις υψηλής αξίας, όπως πρωτεΐνες (με περιεκτικότητα 50–70% επί ξηρού βάρους). Καθώς η σπιρουλίνα έχει εγκριθεί από τον FDA (Οργανισμό Τροφίμων και Φαρμάκων των Ηνωμένων Πολιτειών) ως GRAS (Γενικά Αναγνωρισμένη ως Ασφαλής), η σπιρουλίνα και τα εκχυλίσματά της μπορούν να χρησιμοποιούνται σε τρόφιμα που διατίθενται στο εμπόριο ή ως συμπληρώματα διατροφής.
Πλεονεκτήματα της εκχύλισης φυκών με υπερήχους
Η εκχύλιση με υπερήχους υπερέχει των εναλλακτικών μεθόδων εκχύλισης σε πολλά σημεία, όπως η υψηλή απόδοση, η αξιοπιστία, η ασφάλεια, η απλότητα και η φιλικότητα προς το περιβάλλον.
Πλήρης απόδοση εκχύλισης
Οι συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων διανοίγουν και διαρρηγνύουν τα κύτταρα των φυκών, ώστε να απελευθερωθεί το ενδοκυτταρικό υλικό. Η εκχύλιση με υπερήχους απελευθερώνει έτσι ολόκληρο το φάσμα των βιοδραστικών ενώσεων, όπως φυκοχολιπρωτεΐνες, καροτενοειδή, λιπίδια και φαινολικές ενώσεις.
Οι φυκοχολιπρωτεΐνες μπορούν να διακριθούν σε τρεις κύριες ομάδες, συγκεκριμένα τις χλωροφυκοκυανίνες, τις αλλοφυκοκυανίνες και τις φυκοερυθρίνες. Η C-φυκοκυανίνη είναι μια φυσική μπλε χρωστική, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως σε τρόφιμα και φαρμακευτικά προϊόντα. Η εκχύλιση με υπερήχους απελευθερώνει ολόκληρο το φάσμα των πρωτεϊνών.
SonoStation – ένα σύστημα υπερήχων με 2x συσκευές υπερήχων 2kW, δεξαμενή με ανάδευση και αντλία – είναι ένα εύχρηστο σύστημα εκχύλισης.
Υψηλή αποδοτικότητα εκχύλισης
Οι Duangsee et al. (2009) δοκίμασαν δύο διαφορετικές μεθόδους εκχύλισης βιοδραστικών ενώσεων από βιομάζα Arthospira (εκχύλιση με διαλύτη υποβοηθούμενη από υπερήχους και εκχύλιση με επαναλαμβανόμενη κατάψυξη και απόψυξη) και διαπίστωσαν ότι η εκχύλιση με διαλύτη και υπερήχους είχε υψηλότερη αποδοτικότητα εκχύλισης (22,1%) από την κατάψυξη και απόψυξη (15,6%). Η σύγκριση της κυτταρικής ρήξης μεταξύ της κατεργασίας με υπερήχους και της επαναλαμβανόμενης κατάψυξης και απόψυξης δείχνει ότι η κατεργασία με υπερήχους είναι πιο αποτελεσματική. Η σπηλαίωση λόγω υπερήχων διαρρηγνύει τα κύτταρα των φυκών γρήγορα και αποτελεσματικά, με αποτέλεσμα μεγαλύτερο βαθμό κυτταρικής διάρρηξης σε σύγκριση με τα κύτταρα σπιρουλίνας που υποβάλλονται σε επαναλαμβανόμενη κατάψυξη και απόψυξη.
Η κατεργασία με υπερήχους ήταν πιο αποτελεσματική στη διάρρηξη του κυτταρικού περιβλήματος σε σύγκριση με την επαναλαμβανόμενη κατάψυξη και απόψυξη. Η απόδοση εκχύλισης της φυκοκυανίνης έδειξε ότι η θερμοκρασία επεξεργασίας επηρέαζε την αποδοτικότητα εκχύλισης.
Ταχεία διαδικασία εκχύλισης
Τα συστήματα υπερήχων υψηλών επιδόσεων μπορούν να μεταφέρουν υψηλή ισχύ υπερήχων στο εναιώρημα των φυκών μέσω υψηλών πλατών ταλάντωσης. Αυτό καθιστά την εκχύλιση με υπερήχους μια πολύ γρήγορη μέθοδο επεξεργασίας.
Έλεγχος θερμοκρασίας
Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια μη θερμική, αμιγώς μηχανική τεχνική εκχύλισης. Η θερμοκρασία εκχύλισης μπορεί να ελέγχεται με ακρίβεια μέσω ενός βυσματούμενου αισθητήρα θερμοκρασίας, ο οποίος συνδέεται ενσύρματα με την ψηφιακή συσκευή υπερήχων Hielscher. Το λογισμικό των ψηφιακών συσκευών υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τον καθορισμό ορίων θερμοκρασίας, ώστε ο ομογενοποιητής υπερήχων να διακόπτει προσωρινά τη λειτουργία του όταν επιτευχθεί το όριο θερμοκρασίας. Ο ακριβής έλεγχος της θερμοκρασίας επιτρέπει την αποτροπή της θερμικής αποδόμησης θερμοευαίσθητων υλικών, όπως φυκοχολιπρωτεΐνες, βιταμίνες, πολυφαινόλες, πολυσακχαρίτες, λιπίδια και άλλες βιοδραστικές ενώσεις.
Συμβατότητα με διάφορους διαλύτες
Η κατεργασία με υπερήχους είναι συμβατή με σχεδόν κάθε διαλύτη. Η εκχύλιση με υπερήχους σε συνδυασμό με πράσινους διαλύτες, όπως το νερό ή η αιθανόλη, παράγει καθαρά εκχυλίσματα. Αυτά τα εκχυλίσματα υπερήχων μπορούν να ενσωματωθούν με ασφάλεια σε τρόφιμα, καθώς οι διαλύτες εκχύλισης αιθανόλη και νερό έχουν καθεστώς GRAS (γενικώς αναγνωρισμένα ως ασφαλή).
Αναπαραγωγιμότητα και τυποποίηση της διεργασίας
Οι ψηφιακές συσκευές υπερήχων της Hielscher διαθέτουν έξυπνο λογισμικό και μια προσεκτικά σχεδιασμένη ποικιλία ρυθμίσεων για τις ιδανικές παραμέτρους εκχύλισης. Το λογισμικό καταγράφει όλες τις παραμέτρους της διεργασίας υπερήχων (π.χ. πλάτος ταλάντωσης, καθαρή ισχύ, συνολική ισχύ, θερμοκρασία, πίεση, χρόνο, ημερομηνία) και αποθηκεύει τα δεδομένα της κατεργασίας με υπερήχους σε αρχείο CSV στην ενσωματωμένη κάρτα SD. Αυτό σας επιτρέπει να τυποποιείτε τη διεργασία εκχύλισης και να παρακολουθείτε στενά την κατεργασία με υπερήχους και την ποιότητα του παραγόμενου προϊόντος. Αυτές οι λειτουργίες σάς βοηθούν να ανταποκρίνεστε στις απαιτήσεις τυποποίησης της διεργασίας, καθώς και στις Ορθές Πρακτικές Παραγωγής (GMP), που είναι και οι δύο ιδιαίτερα σημαντικές όταν τα εκχυλίσματα παράγονται για συμπληρώματα, τρόφιμα ή φαρμακευτικά προϊόντα.
Πρωτόκολλο εκχύλισης φυκοκυανίνης με υπερήχους
Οι Mazumder et al. (2017) διερεύνησαν τις βέλτιστες παραμέτρους επεξεργασίας για την εκχύλιση φυκοκυανίνης και φαινολικών ενώσεων από το Arthospira platensis με υπερήχους. Η μέγιστη απόδοση φυκοκυανίνης (29,9 mg/g) και συνολικών φαινολικών ενώσεων (2,4 mg/g) επιτεύχθηκε σε συγκέντρωση αιθανόλης 40% και θερμοκρασία εκχύλισης 34,9°C, με χρήση της συσκευής υπερήχων UP50H (50 watts, 30kHz), σε πλάτος ταλάντωσης 95% και για χρόνο εκχύλισης 104,7 sec.
Οι Vernès et al. (2019) χρησιμοποίησαν μια συσκευή υπερήχων UIP1000hdT (1000W, 20kHz) για την εκχύλιση πρωτεϊνών από σπιρουλίνα. Η συσκευή υπερήχων ήταν εξοπλισμένη με ένα ηχοτρόδιο BS2d34 και έναν αντιδραστήρα ροής υπερήχων (δείτε την παρακάτω εικόνα για την ακριβή διάταξη εκχύλισης με υπερήχους με κυψελίδα ροής και αντλία Seepex).
UIP1000hdT – Διάταξη θερμικής κατεργασίας με υπερήχους υπό πίεση (MTS) και η δική μας εκχύλιση πρωτεϊνών από σπιρουλίνα σε εργαστηριακή κλίμακα
πηγή: Vernes et al. 2019
Τα ερευνητικά αποτελέσματα δείχνουν ότι οι συνθήκες εκχύλισης με υπερήχους που έχουν βελτιστοποιηθεί ως προς την απόδοση πρωτεϊνών περιλαμβάνουν ελαφρώς αυξημένη θερμοκρασία και πίεση (η λεγόμενη θερμική κατεργασία με υπερήχους υπό πίεση, MTS). Η MTS προάγει τη μεταφορά μάζας και επιτρέπει τη λήψη 229% περισσότερων πρωτεϊνών (28,42 ± 1,15 g/100 g ξηρού βάρους) σε σύγκριση με τη συμβατική διεργασία χωρίς υπερήχους (8,63 ± 1,15 g/100 g ξηρού βάρους).
Με 28,42 g πρωτεϊνών στο εκχύλισμα ανά 100 g ξηρής βιομάζας σπιρουλίνας, επιτεύχθηκε ποσοστό ανάκτησης πρωτεϊνών 50% σε μόλις 6 λεπτά με συνεχή κατεργασία με υπερήχους. Η μικροσκοπική απεικόνιση αποκαλύπτει ότι η ακουστική σπηλαίωση επηρεάζει τα νημάτια της σπιρουλίνας μέσω διαφορετικών μηχανισμών, όπως ο κατακερματισμός, η δημιουργία πόρων μέσω υπερήχων και η αποδόμηση της υφής. Αυτές οι διάφορες επιδράσεις καθιστούν την εκχύλιση, την απελευθέρωση και τη διαλυτοποίηση των βιοδραστικών ενώσεων της σπιρουλίνας ευκολότερες και αποτελεσματικότερες, με αποτέλεσμα υψηλή απόδοση πρωτεϊνών υψηλής ποιότητας.
Όσον αφορά την ποιότητα των πρωτεϊνών που εκχυλίζονται με υπερήχους, τα αμινοξέα δεν αποικοδομήθηκαν από την κατεργασία με υπερήχους, αλλά είναι παρόντα σε μεγαλύτερη ποσότητα στην περίπτωση της κατεργασίας με υπερήχους σε σύγκριση με τη συμβατική εκχύλιση.
Όταν συγκρίνονται η θερμική κατεργασία με υπερήχους υπό πίεση και η εκχύλιση με υπερήχους χωρίς αυξημένη πίεση και θερμοκρασία, η διαφορά στην απόδοση και την αποτελεσματικότητα της εκχύλισης είναι ελάχιστη. Επομένως, η χρήση μόνο υπερήχων θεωρείται η πιο οικονομική και ευκολότερη τεχνική για την παραγωγή εκχυλίσματος υψηλής ποιότητας, πλούσιου σε πρωτεΐνες σπιρουλίνας. Η εκχύλιση με υπερήχους είναι μια πράσινη, φιλική προς το περιβάλλον τεχνική εκχύλισης, κατάλληλη για την εκχύλιση πρωτεϊνών από σπιρουλίνα σε εργαστηριακή κλίμακα, η οποία μπορεί εύκολα να αναχθεί σε πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα. (βλ. Vernès et al. 2019)
UP400St για εκχύλιση φυκών με υπερήχους σε παρτίδα 8L
Εκχυλιστές υπερήχων υψηλών επιδόσεων
Όλα τα αποτελέσματα εκχύλισης που επιτυγχάνονται σε μικρή κλίμακα μπορούν να αναχθούν γραμμικά σε μεγαλύτερες παραγωγικές δυναμικότητες. Το ευρύ χαρτοφυλάκιο προϊόντων της Hielscher Ultrasonics, από εργαστηριακά έως βιομηχανικά συστήματα εκχύλισης, διαθέτει την καταλληλότερη συσκευή υπερήχων για την προβλεπόμενη δυναμικότητα της διεργασίας σας. Το προσωπικό μας, με την πολυετή εμπειρία του, θα σας υποστηρίξει από τις δοκιμές σκοπιμότητας και τη βελτιστοποίηση της διεργασίας έως την εγκατάσταση του συστήματος υπερήχων σας στην τελική κλίμακα παραγωγής.
Hielscher Ultrasonics – Προηγμένος εξοπλισμός εκχύλισης
Το χαρτοφυλάκιο προϊόντων της Hielscher Ultrasonics καλύπτει ολόκληρο το φάσμα εκχυλιστών υπερήχων υψηλής απόδοσης, από μικρή έως μεγάλη κλίμακα. Τα πρόσθετα εξαρτήματα επιτρέπουν την εύκολη συναρμολόγηση της καταλληλότερης διάταξης συσκευής υπερήχων για τη διεργασία σας. Η βέλτιστη διάταξη υπερήχων εξαρτάται από την προβλεπόμενη δυναμικότητα, τον όγκο, την πρώτη ύλη, τη διεργασία κατά παρτίδες ή εντός γραμμής και το χρονοδιάγραμμα. Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό βαριά καταπόνηση και σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Η δυνατότητα γραμμικής κλιμάκωσης των διεργασιών εκχύλισης με υπερήχους επιτρέπει την απλή και αξιόπιστη αύξηση της παραγωγής. Διαβάστε περισσότερα για τη γραμμική κλιμάκωση των διεργασιών εκχύλισης με υπερήχους!
Επιλέξτε ανάμεσα σε διάφορα εξαρτήματα, όπως:
- ηχοτρόδια διαφόρων μεγεθών, διαμέτρων και σχημάτων
- ηχοτρόδια για υψηλό πλάτος ταλάντωσης 200µm και άνω
- αντιδραστήρες κυψελίδας ροής διαφόρων όγκων και γεωμετριών
- πολυάριθμα κέρατα ενίσχυσης για αύξηση ή μείωση των συντελεστών ενίσχυσης
- πλήρεις διατάξεις κατεργασίας με υπερήχους, όπως το SonoStation, που περιλαμβάνουν εκχυλιστή υπερήχων, δεξαμενή, αναδευτήρα και αντλία
- βυσματούμενοι αισθητήρες θερμοκρασίας
- βυσματούμενοι αισθητήρες πίεσης
Το άρτια εκπαιδευμένο προσωπικό μας, με την πολυετή εμπειρία του, θα σας συμβουλεύσει και θα σας προτείνει το καταλληλότερο σύστημα υπερήχων για τις απαιτήσεις της διεργασίας εκχύλισής σας!
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Προτεινόμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής ισχύος από εργαστηριακή έως πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- Anupriya Mazumder; P. Prabuthas; Hari Niwas Mishra (2017): Optimization of ultrasound-assisted solvent extraction of phycocyanin and phenolics from Arthospira platensis var. ‘lonor’ biomass. Nutrafoods (2017) 16:231-239.
- Vernès L., Abert-Vian M., El Maâtaoui M., Tao Y., Bornard I., Chemat F. (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019. 48-60.
- 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. - Rachen Duangsee, Natapas Phoopat, Suwayd Ningsanond (2009): Phycocyanin extraction from Spirulina platensis and extract stability under various pH and temperature. Asian Journal of Food and Agro-Industry 2009, 2(04), 819-826.
Πληροφορίες που αξίζει να γνωρίζετε
Τι είναι η σπιρουλίνα;
Η σπιρουλίνα, η οποία είναι προκαρυωτικό βακτήριο, είναι πλούσια σε χρωστικές όπως καροτενοειδή, χλωροφύλλη και φυκοκυανίνη. Τα καροτενοειδή (π.χ. το β-καροτένιο, μια πορτοκαλοκίτρινη χρωστική), η χλωροφύλλη και η φυκοκυανίνη απαντούν σε περιεκτικότητες 0,4, 1,0 και 14% επί ξηρού βάρους, αντίστοιχα. Η φυκοκυανίνη είναι μια κυανοπράσινη πρωτεΐνη, μια λεγόμενη χολοπρωτεΐνη, η οποία βρίσκεται σε φωτοσυνθετικά ελάσματα στην κυτταροπλασματική μεμβράνη των κυανοβακτηρίων.
Χρησιμοποιείται ως πρόσθετο και χρωστική τροφίμων, ως συμπλήρωμα διατροφής και για ανοσοδιαγνωστικές εφαρμογές.
Πώς χρησιμοποιείται η κατεργασία με υπερήχους στην επεξεργασία φυκών;
Η κατεργασία με υπερήχους διευκολύνει τη συγκομιδή των φυκών προάγοντας την καθίζηση. Με την κατεργασία της βιομάζας φυκών με υπερήχους, τα αεροφόρα κενοτόπια στο εσωτερικό του κυττάρου των φυκών, τα οποία προάγουν την επίπλευση των φυκών, διαρρηγνύονται και αδειάζουν. Με τα κενοτόπια απαλλαγμένα από αέρια, τα κύτταρα των φυκών καθιζάνουν στον πυθμένα, διευκολύνοντας τη συγκέντρωση και τον διαχωρισμό της βιομάζας των φυκών. Διαβάστε περισσότερα για τη συγκομιδή φυκών με υπερήχους!
Στο επόμενο στάδιο της διεργασίας, η κατεργασία με υπερήχους αποτελεί μια καθιερωμένη και εξαιρετικά αποδοτική τεχνική για την εκχύλιση θρεπτικών συστατικών και βιοδραστικών ενώσεων από φύκη. Διαβάστε περισσότερα για την εκχύλιση φυκών με υπερήχους!