Εκχύλιση ανθοκυανινών με υπερήχους

Οι ανθοκυανίνες χρησιμοποιούνται ευρέως ως φυσικές χρωστικές και διατροφικά πρόσθετα σε προϊόντα διατροφής. Η εκχύλιση με υπερήχους είναι μια εξαιρετικά αποδοτική και απλή τεχνική για τη λήψη ανθοκυανινών υψηλής ποιότητας. Η χρήση συσκευών υπερήχων τύπου καθετήρα προάγει την απελευθέρωση ανθοκυανινών υψηλής ποιότητας από τα φυτά, επιτυγχάνοντας υψηλότερες αποδόσεις και ταχεία επεξεργασία. Παράλληλα, η κατεργασία με υπερήχους είναι μια ήπια, πράσινη και αποδοτική τεχνική για τη βιομηχανική παραγωγή ανθοκυανινών ποιότητας κατάλληλης για τρόφιμα και φαρμακευτικά προϊόντα.

Ανθοκυανίνες – Πώς να εκχυλίσετε ανθοκυανίνες υψηλής ποιότητας χρησιμοποιώντας μια συσκευή υπερήχων

Οι ανθοκυανίνες χρησιμοποιούνται ευρέως ως φυσικές χρωστικές στη βιομηχανία τροφίμων. Παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα χρωματικών τόνων, από το πορτοκαλί και το κόκκινο έως το μοβ και το μπλε, ανάλογα με τη μοριακή δομή και την τιμή του pH. Το ενδιαφέρον για τις ανθοκυανίνες δεν βασίζεται μόνο στη χρωστική τους δράση, αλλά και στις ευεργετικές τους ιδιότητες για την υγεία. Λόγω των αυξανόμενων ανησυχιών για τις επιπτώσεις των συνθετικών χρωστικών στο περιβάλλον και την υγεία, οι φυσικές χρωστικές αποτελούν μια εξαιρετική εναλλακτική λύση ως φιλικά προς το περιβάλλον χρωστικά μέσα για τη βιομηχανία τροφίμων και τη φαρμακοβιομηχανία.

Εκχύλιση ανθοκυανινών ενισχυμένη με υπερήχους

Πώς να εκχυλίσετε ανθοκυανίνες με υπερήχους; – Μελέτες περιπτώσεων

Εκχύλιση ανθοκυανινών με υπερήχους από μοβ ρύζι Oryza Sativa L.

Το μοβ ρύζι του στελέχους Oryza Sativa (γνωστό και ως Violet Nori ή ιώδες ρύζι) είναι εξαιρετικά πλούσιο σε φαινολικές ενώσεις, όπως η ομάδα των ανθοκυανινών που ανήκει στα φλαβονοειδή. Οι Turrini et al. (2018) χρησιμοποίησαν εκχύλιση με υπερήχους για να απομονώσουν πολυφαινολικές ενώσεις, όπως ανθοκυανίνες και αντιοξειδωτικά, από την καρύοψη (σε ολόκληρη, καστανή και προβρασμένη μορφή) και τα φύλλα του μοβ ρυζιού. Η εκχύλιση με υπερήχους πραγματοποιήθηκε με μια συσκευή Hielscher UP200St (200W, 26kHz, εικ. αριστερά) και αιθανόλη 60% ως διαλύτη.
Για να διατηρηθεί η ακεραιότητα των ανθοκυανινών, τα εκχυλίσματα που προέκυψαν με υπερήχους αποθηκεύτηκαν στους −20°C, γεγονός που επέτρεψε την αποθήκευσή τους για τουλάχιστον έως και τρεις μήνες.
Ο 3-γλυκοζίτης της κυανιδίνης (γνωστός και ως χρυσανθεμίνη) ήταν με διαφορά η κυριότερη ανθοκυανίνη που ανιχνεύθηκε στις ποικιλίες ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ και ‘Nerone’ που εξετάστηκαν στη μελέτη των Turrini et al., ενώ ο 3-γλυκοζίτης της πεονιδίνης και ο 3-ρουτινοζίτης της κυανιδίνης (γνωστός και ως αντιρρινίνη) βρέθηκαν σε μικρότερες ποσότητες.
Τα ιώδη φύλλα του Oryza Sativa αποτελούν εξαιρετική πηγή ανθοκυανινών και ολικών φαινολικών ενώσεων (TPC). Με ποσότητα περίπου 2–3 φορές υψηλότερη από εκείνη στο ρύζι και το αλεύρι, τα φύλλα του Oryza αποτελούν μια φθηνή πρώτη ύλη για την εκχύλιση ανθοκυανινών. Η εκτιμώμενη απόδοση περίπου 4 kg ανθοκυανίνης/t νωπών φύλλων είναι σημαντικά υψηλότερη από την απόδοση του 1 kg ανθοκυανίνης/t ρυζιού, η οποία υπολογίστηκε με βάση τις μέσες ποσότητες ανθοκυανινών που ανιχνεύθηκαν στο ρύζι ‘Violet Nori’ (1300 µg/g ρυζιού, ως 3-γλυκοζίτης της κυανιδίνης), για απόδοση περίπου 68 kg ρυζιού από 100 kg αναποφλοίωτου ρυζιού.

Εκχύλιση ανθοκυανινών με υπερήχους από κόκκινο λάχανο

Οι Ravanfar et al. (2015) διερεύνησαν την αποδοτικότητα της εκχύλισης ανθοκυανινών με υπερήχους από κόκκινο λάχανο. Τα πειράματα εκχύλισης με υπερήχους πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το σύστημα υπερήχων UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Το ηχοτρόδιο MS10 (διάμετρος άκρου 10mm) εισήχθη στο κέντρο ενός γυάλινου ποτηριού ζέσεως με μανδύα και ελεγχόμενη θερμοκρασία.

Για το πείραμα αυτό χρησιμοποιήθηκαν φρεσκοκομμένα κομμάτια κόκκινου λάχανου με διάσταση 5mm (κυβικού σχήματος) και περιεκτικότητα σε υγρασία 92,11 ± 0,45 %. Ένα γυάλινο ποτήρι ζέσεως με μανδύα (όγκος: 200ml) πληρώθηκε με 100ml απεσταγμένου νερού και 2g κομματιών κόκκινου λάχανου. Το ποτήρι καλύφθηκε με αλουμινόχαρτο για να αποτραπεί η απώλεια διαλύτη (νερού) λόγω εξάτμισης κατά τη διάρκεια της διεργασίας. Σε όλα τα πειράματα, η θερμοκρασία στο ποτήρι διατηρούνταν με τη χρήση θερμοστατικού ελεγκτή. Τέλος, συλλέχθηκαν δείγματα, διηθήθηκαν και φυγοκεντρήθηκαν στις 4000rpm και τα υπερκείμενα υγρά χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό της απόδοσης σε ανθοκυανίνες. Ως πείραμα ελέγχου πραγματοποιήθηκε εκχύλιση σε υδατόλουτρο.
Η βέλτιστη απόδοση σε ανθοκυανίνες από κόκκινο λάχανο προσδιορίστηκε σε ισχύ 100 W, χρόνο 30 min και θερμοκρασία 15°C, συνθήκες που έδωσαν απόδοση σε ανθοκυανίνες περίπου 21 mg/L.
Λόγω των χρωματικών μεταβολών της ανάλογα με την τιμή του pH και της έντονης χρωστικής της ικανότητας, η χρωστική του κόκκινου λάχανου έχει χρησιμοποιηθεί ως δείκτης pH σε φαρμακευτικά σκευάσματα ή ως αντιοξειδωτικό και χρωστική σε συστήματα τροφίμων, αντίστοιχα.

Οι υπέρηχοι ενισχύουν σημαντικά την εκχύλιση ανθοκυανινών από φυτικό υλικό.
πηγή: Ravanfar et al. 2015

 
Άλλες μελέτες καταδεικνύουν την επιτυχή εκχύλιση ανθοκυανινών με υπερήχους από μύρτιλα, βατόμουρα, σταφύλια, κεράσια, φράουλες και μωβ γλυκοπατάτα, μεταξύ άλλων.

Εκχυλιστές υπερήχων υψηλών επιδόσεων

Η Hielscher Ultrasonics ειδικεύεται στην κατασκευή επεξεργαστών υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την παραγωγή εκχυλισμάτων υψηλής ποιότητας από φυτικές πρώτες ύλες.
Η ευρεία γκάμα συσκευών υπερήχων της Hielscher εκτείνεται από μικρές, ισχυρές εργαστηριακές συσκευές υπερήχων έως ανθεκτικά επιτραπέζια και πλήρως βιομηχανικά συστήματα, τα οποία παρέχουν υπερήχους υψηλής έντασης για την αποδοτική εκχύλιση και απομόνωση βιοδραστικών ουσιών (π.χ. ανθοκυανίνες, τζιντζερόλη, πιπερίνη, κουρκουμίνη κ.λπ.).
Όλες οι συσκευές υπερήχων από 200W έως 16.000W διαθέτουν έγχρωμη οθόνη αφής για ψηφιακό έλεγχο, ενσωματωμένη κάρτα SD για αυτόματη καταγραφή δεδομένων, τηλεχειρισμό μέσω προγράμματος περιήγησης και πολλές ακόμη εύχρηστες λειτουργίες. Τα ηχοτρόδια και οι κυψελίδες ροής (τα μέρη που έρχονται σε επαφή με το μέσο) μπορούν να αποστειρωθούν σε αυτόκαυστο και καθαρίζονται εύκολα.
Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι ιδιαίτερα ανθεκτικές και κατασκευασμένες για λειτουργία 24/7 υπό πλήρες φορτίο, ενώ απαιτούν ελάχιστη συντήρηση και είναι εύκολες και ασφαλείς στη χρήση. Μια ψηφιακή έγχρωμη οθόνη επιτρέπει τον εύχρηστο έλεγχο της συσκευής υπερήχων.
Τα συστήματά μας μπορούν να παρέχουν από χαμηλά έως πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Για την εκχύλιση κανναβινοειδών και τερπενίων, προσφέρουμε ειδικά ηχοτρόδια υπερήχων (γνωστά και ως καθετήρες ή χοάνες υπερήχων), τα οποία έχουν βελτιστοποιηθεί για την ήπια απομόνωση δραστικών ουσιών υψηλής ποιότητας. Όλα τα συστήματά μας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκχύλιση και τη μετέπειτα γαλακτωματοποίηση κανναβινοειδών. Η ανθεκτικότητα των συσκευών υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη συνεχή λειτουργία (24/7) υπό συνθήκες βαριάς χρήσης και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.

Ο ακριβής έλεγχος των παραμέτρων της διεργασίας υπερήχων διασφαλίζει την αναπαραγωγιμότητα και την τυποποίηση της διεργασίας.
 

Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Χρήσιμες πληροφορίες

Πώς λειτουργεί η εκχύλιση με τη βοήθεια υπερήχων;

Η εφαρμογή έντονων κυμάτων υπερήχων σε ένα υγρό μέσο προκαλεί σπηλαίωση. Το φαινόμενο της σπηλαίωσης οδηγεί τοπικά σε ακραίες θερμοκρασίες, πιέσεις, ρυθμούς θέρμανσης/ψύξης, διαφορές πίεσης και υψηλές δυνάμεις διάτμησης στο μέσο. Όταν οι φυσαλίδες σπηλαίωσης καταρρέουν στην επιφάνεια στερεών (όπως σωματίδια, φυτικά κύτταρα, ιστοί κ.λπ.), οι μικροπίδακες και οι συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων προκαλούν φαινόμενα όπως επιφανειακή αποφλοίωση, διάβρωση και διάσπαση σωματιδίων. Επιπλέον, η κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης σε υγρά μέσα δημιουργεί μακροσκοπικούς στροβιλισμούς και μικροανάμειξη.
Η ακτινοβόληση του φυτικού υλικού με υπερήχους κατακερματίζει τη μήτρα των φυτικών κυττάρων και ενισχύει την ενυδάτωσή τους. Οι Chemat et al (2015) καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η εκχύλιση βιοδραστικών ενώσεων από φυτικές πρώτες ύλες με υπερήχους είναι αποτέλεσμα διαφόρων ανεξάρτητων ή συνδυασμένων μηχανισμών, συμπεριλαμβανομένων του κατακερματισμού, της διάβρωσης, της τριχοειδούς δράσης, της αποδόμησης της υφής και της δημιουργίας πόρων μέσω υπερήχων. Τα φαινόμενα αυτά διαρρηγνύουν το κυτταρικό τοίχωμα, βελτιώνουν τη μεταφορά μάζας ωθώντας τον διαλύτη στο εσωτερικό του κυττάρου και αναρροφώντας προς τα έξω τον διαλύτη που περιέχει φυτικές ενώσεις, και εξασφαλίζουν την κίνηση του υγρού μέσω μικροανάμειξης.

Η εκχύλιση με υπερήχους βασίζεται στην ακουστική σπηλαίωση και στις υδροδυναμικές δυνάμεις διάτμησης που αυτή δημιουργεί

Η ακτινοβόληση του φυτικού υλικού με υπερήχους κατακερματίζει τη μήτρα των φυτικών κυττάρων και ενισχύει την ενυδάτωσή τους. Οι Chemat et al. (2015) καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η εκχύλιση βιοδραστικών ενώσεων από φυτικές πρώτες ύλες με υπερήχους είναι αποτέλεσμα διαφόρων ανεξάρτητων ή συνδυασμένων μηχανισμών, συμπεριλαμβανομένων του κατακερματισμού, της διάβρωσης, της τριχοειδούς δράσης, της αποδόμησης της υφής και της δημιουργίας πόρων μέσω υπερήχων. Τα φαινόμενα αυτά διαρρηγνύουν το κυτταρικό τοίχωμα, βελτιώνουν τη μεταφορά μάζας ωθώντας τον διαλύτη στο εσωτερικό του κυττάρου και αναρροφώντας προς τα έξω τον διαλύτη που περιέχει φυτικές ενώσεις, και εξασφαλίζουν την κίνηση του υγρού μέσω μικροανάμειξης.
Η εκχύλιση με υπερήχους επιτυγχάνει πολύ ταχεία απομόνωση ενώσεων – υπερτερώντας των συμβατικών μεθόδων εκχύλισης ως προς τον συντομότερο χρόνο διεργασίας, την υψηλότερη απόδοση και τις χαμηλότερες θερμοκρασίες. Ως ήπια μηχανική κατεργασία, η εκχύλιση με υποβοήθηση υπερήχων αποφεύγει τη θερμική αποδόμηση των βιοδραστικών συστατικών και υπερέχει σε σύγκριση με άλλες τεχνικές, όπως η συμβατική εκχύλιση με διαλύτη, η υδροαπόσταξη ή η εκχύλιση Soxhlet, οι οποίες είναι γνωστό ότι καταστρέφουν τα θερμοευαίσθητα μόρια. Χάρη σε αυτά τα πλεονεκτήματα, η εκχύλιση με υπερήχους αποτελεί την προτιμώμενη τεχνική για την απελευθέρωση θερμοευαίσθητων βιοδραστικών ενώσεων από φυτικές πρώτες ύλες.

Εκχύλιση από φυτικά κύτταρα με υπερήχους: η μικροσκοπική εγκάρσια τομή (TS) δείχνει τον μηχανισμό δράσης κατά την εκχύλιση από κύτταρα με υπερήχους (μεγέθυνση 2000x) [πηγή: Vilkhu et al. 2011]

Ανθοκυανίνη – Μια πολύτιμη φυτική χρωστική

Οι ανθοκυανίνες είναι φυτικές χρωστικές των χυμοτοπίων, οι οποίες μπορούν να εμφανίζονται κόκκινες, μοβ, μπλε ή μαύρες. Το χρώμα που εμφανίζουν οι υδατοδιαλυτές χρωστικές ανθοκυανίνης εξαρτάται από την τιμή του pH τους. Οι ανθοκυανίνες βρίσκονται στο κυτταρικό χυμοτόπιο, κυρίως στα άνθη και στους καρπούς, αλλά και στα φύλλα, στους βλαστούς και στις ρίζες, όπου εντοπίζονται κυρίως στις εξωτερικές κυτταρικές στιβάδες, όπως η επιδερμίδα και τα περιφερειακά κύτταρα του μεσοφύλλου.
Στη φύση απαντώνται συχνότερα οι γλυκοζίτες της κυανιδίνης, της δελφινιδίνης, της μαλβιδίνης, της πελαργονιδίνης, της παιονιδίνης και της πετουνιδίνης.
Χαρακτηριστικά παραδείγματα φυτών πλούσιων σε ανθοκυανίνες περιλαμβάνουν είδη του γένους Vaccinium, όπως το μύρτιλο, το κράνμπερι και το ευρωπαϊκό μύρτιλο· φυτά του γένους Rubus με καρπούς όπως το μαύρο σμέουρο, το κόκκινο σμέουρο και το βατόμουρο· τη μαύρη σταφίδα (φραγκοστάφυλο), την κερασιά, τη μελιτζάνα, το μαύρο ρύζι, το ούμπε, τη γλυκοπατάτα της Οκινάουα, το σταφύλι Concord, το μοσχοστάφυλο, το κόκκινο λάχανο και τα πέταλα της βιολέτας. Τα ροδάκινα και τα μήλα με κόκκινη σάρκα περιέχουν ανθοκυανίνες. Οι ανθοκυανίνες απαντώνται σε μικρότερες ποσότητες στην μπανάνα, στο σπαράγγι, στο μπιζέλι, στον μάραθο, στο αχλάδι και στην πατάτα, και μπορεί να απουσιάζουν εντελώς από ορισμένες ποικιλίες πράσινων φραγκοστάφυλων.

Δομή των κύριων ανθοκυανινών

Οι ανθοκυανίνες αποτελούν εξαιρετική εναλλακτική λύση για την αντικατάσταση των συνθετικών χρωστικών ουσιών στα τρόφιμα. Οι ανθοκυανίνες έχουν εγκριθεί για χρήση ως χρωστικές τροφίμων στην Ευρωπαϊκή Ένωση, την Αυστραλία και τη Νέα Ζηλανδία, με κωδικό χρωστικής E163. Οι ανθοκυανίνες απαντώνται σε φρούτα και λαχανικά και μπορούν να περιγραφούν ως ένας τύπος υδατοδιαλυτών φυτικών χρωστικών. Από χημική άποψη, οι ανθοκυανίνες είναι γλυκοσίδες των ανθοκυανιδινών που βασίζονται στη δομή 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Υπάρχουν περισσότερες από 200 διακριτές φυτοχημικές ενώσεις που ανήκουν στην κατηγορία των ανθοκυανινών. Καθώς οι ανθοκυανίνες αποτελούν κύριες χρωστικές σε άγρια φρούτα και καρπούς τύπου μούρου, υπάρχουν πολλές πηγές από τις οποίες μπορούν να εκχυλιστούν. Μια σημαντική πηγή ανθοκυανινών είναι ο φλοιός των σταφυλιών. Οι ανθοκυανικές χρωστικές στον φλοιό των σταφυλιών αποτελούνται κυρίως από διγλυκοσίδες, μονογλυκοσίδες, ακυλιωμένες μονογλυκοσίδες, καθώς και ακυλιωμένες διγλυκοσίδες της πεονιδίνης, της μαλβιδίνης, της κυανιδίνης, της πετουνιδίνης και της δελφινιδίνης. Η περιεκτικότητα των σταφυλιών σε ανθοκυανίνες κυμαίνεται από 30–750mg/100g.
Οι κυριότερες ανθοκυανίνες είναι η κυανιδίνη, η δελφινιδίνη, η πελαργονιδίνη, η πεονιδίνη, η μαλβιδίνη και η πετουνιδίνη.
Για παράδειγμα, οι ανθοκυανίνες πεονιδίνη-3-καφεοϋλο-p-υδροξυβενζοϋλο σοφοροσίδη-5-γλυκοσίδη, πεονιδίνη-3-(6″-καφεοϋλο-6‴-φερουλοϋλο σοφοροσίδη)-5-γλυκοσίδη και κυανιδίνη-3-καφεοϋλο-p-υδροξυβενζοϋλο σοφοροσίδη-5-γλυκοσίδη απαντώνται στις μωβ γλυκοπατάτες.

Ανθοκυανίνες – Οφέλη για την υγεία

Εκτός από την εξαιρετική ικανότητά τους να λειτουργούν ως φυσικές χρωστικές τροφίμων, οι ανθοκυανίνες εκτιμώνται ιδιαίτερα για την αντιοξειδωτική τους δράση. Ως εκ τούτου, οι ανθοκυανίνες παρουσιάζουν πολλές θετικές επιδράσεις στην υγεία. Έρευνες έχουν δείξει ότι οι ανθοκυανίνες μπορούν να αναστείλουν τις βλάβες του DNA σε καρκινικά κύτταρα, να αναστείλουν τη δράση πεπτικών ενζύμων, να επάγουν την παραγωγή ινσουλίνης σε απομονωμένα παγκρεατικά κύτταρα, να μειώσουν τις φλεγμονώδεις αποκρίσεις, να προστατεύσουν από την έκπτωση της εγκεφαλικής λειτουργίας που σχετίζεται με την ηλικία, να βελτιώσουν τη στεγανότητα των τριχοειδών αιμοφόρων αγγείων και να αποτρέψουν τη συσσώρευση των αιμοπεταλίων.