Υπερήχους για τη βελτίωση της διαταραχής των κυττάρων φυκών και εκχύλιση

Τα φύκια, μακρο- και μικροφύκη, περιέχουν πολλές πολύτιμες ενώσεις, οι οποίες χρησιμοποιούνται ως θρεπτικά τρόφιμα, πρόσθετα τροφίμων ή ως καύσιμα ή πρώτες ύλες καυσίμων. Προκειμένου να απελευθερωθούν οι ουσίες-στόχοι από το κύτταρο φυκών, απαιτείται μια ισχυρή και αποτελεσματική τεχνική κυτταρικής διαταραχής. Υπερήχων εκχυλιστές είναι εξαιρετικά αποτελεσματική και αξιόπιστη όταν πρόκειται για την εκχύλιση των βιοδραστικών ενώσεων από βότανα, φύκια και μύκητες. Διατίθεται στο εργαστήριο, πάγκος-top και βιομηχανική κλίμακα, Hielscher υπερήχων εκχυλιστές είναι εγκατεστημένοι στην παραγωγή των κυττάρων που προέρχονται από εκχυλίσματα σε τρόφιμα, pharma και βιο-καύσιμα παραγωγής.

Τα φύκια ως πολύτιμος πόρος για τη διατροφή και τα καύσιμα

Τα κύτταρα των φυκών είναι μια ευέλικτη πηγή βιοδραστικών και πλούσιων σε ενέργεια ενώσεων, όπως πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, λιπίδια και άλλες βιοδραστικές ουσίες καθώς και αλκάνια. Αυτό καθιστά τα φύκια πηγή τροφίμων και θρεπτικών ενώσεων καθώς και καυσίμων.
Τα μικροφύκη είναι μια πολύτιμη πηγή λιπιδίων, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη διατροφή και ως πρώτη ύλη για βιοκαύσιμα (π.χ. βιοντίζελ). Στελέχη του θαλάσσιου φυτοπλαγκτού Dicrateria, όπως το Dicrateria rotunda, είναι γνωστά ως φύκια που παράγουν βενζίνη, τα οποία μπορούν να συνθέσουν μια σειρά κορεσμένων υδρογονανθράκων (n-αλκάνια) από C₁₀H₂₂ έως C₃₈H₇₈, τα οποία κατηγοριοποιούνται ως βενζίνη (C10–C15), πετρέλαιο ντίζελ (C16–C20) και μαζούτ (C21–C38).
Λόγω της θρεπτικής τους αξίας, τα φύκια χρησιμοποιούνται ως "λειτουργικά τρόφιμα" ή "nutraceuticals". Σημαντικά μικροθρεπτικά συστατικά που εξάγονται από φύκια περιλαμβάνουν τα καροτενοειδή ασταξανθίνη, φουκοξανθίνη και ζεαξαντίνη, φουκοϊδάνη, λαμινάρι και άλλες γλυκάνες μεταξύ πολλών άλλων βιοδραστικών ουσιών που χρησιμοποιούνται ως συμπληρώματα διατροφής και pharmceuticals. Η καραγενάνη, το αλγινικό άλας και άλλα υδροκολλοειδή χρησιμοποιούνται ως πρόσθετα τροφίμων. Τα λιπίδια των φυκιών χρησιμοποιούνται ως vegan πηγή ωμέγα-3 και χρησιμοποιούνται επίσης ως καύσιμο ή ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοντίζελ.

Διαταραχή κυττάρων φυκών και εκχύλιση με υπερήχους ισχύος

Υπερήχων εκχυλιστές ή απλά υπερήχων χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή πολύτιμων ενώσεων από μικρά δείγματα στο εργαστήριο, καθώς και για την παραγωγή σε μεγάλη εμπορική κλίμακα.
Τα κύτταρα των φυκών προστατεύονται από σύνθετες μήτρες κυτταρικού τοιχώματος, οι οποίες αποτελούνται από λιπίδια, κυτταρίνη, πρωτεΐνες, γλυκοπρωτεΐνες και πολυσακχαρίτες. Η βάση των περισσότερων κυτταρικών τοιχωμάτων φυκών είναι χτισμένη από ένα μικροϊνιδιακό δίκτυο μέσα σε μια πρωτεϊνική μήτρα που μοιάζει με πηκτή. Ωστόσο, ορισμένα μικροφύκη είναι εξοπλισμένα με ανόργανο άκαμπτο τοίχωμα που αποτελείται από οπαλίνες φλοιώδεις πυριτίου ή ανθρακικό ασβέστιο. Προκειμένου να ληφθούν βιοδραστικές ενώσεις από βιομάζα φυκών, απαιτείται μια αποτελεσματική τεχνική κυτταρικής διαταραχής. Εκτός από τους τεχνολογικούς παράγοντες εκχύλισης (δηλ. μέθοδος εκχύλισης και εξοπλισμός), η αποτελεσματικότητα της διάσπασης και της εκχύλισης των κυττάρων των φυκών επηρεάζεται επίσης έντονα από διάφορους παράγοντες που εξαρτώνται από τα φύκια, όπως η σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος, η θέση του επιθυμητού βιομορίου στα κύτταρα μικροφυκών και το στάδιο ανάπτυξης των μικροφυκών κατά τη συγκομιδή.

Πώς υπερήχων φυκών κυττάρων διαταραχή και εκχύλιση εργασίας?

Όταν τα κύματα υπερήχων υψηλής έντασης συνδέονται μέσω ενός υπερηχητικού καθετήρα (επίσης γνωστού ως υπερηχητικό κέρατο ή sonotrode) σε υγρό ή πολτό, τα ηχητικά κύματα ταξιδεύουν μέσω του υγρού και δημιουργούν έτσι εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης / χαμηλής πίεσης. Κατά τη διάρκεια αυτών των κύκλων υψηλής πίεσης / χαμηλής πίεσης, εμφανίζονται μικρές φυσαλίδες κενού ή κοιλότητες. Φυσαλίδες σπηλαίωσης εμφανίζονται όταν η τοπική πίεση πέφτει κατά τη διάρκεια των κύκλων χαμηλής πίεσης αρκετά κάτω από την τάση κορεσμένων ατμών, μια τιμή που δίνεται από την αντοχή εφελκυσμού του υγρού σε μια ορισμένη θερμοκρασία. Τα οποία αναπτύσσονται σε διάφορους κύκλους. Όταν αυτές οι φυσαλίδες κενού φτάσουν σε ένα μέγεθος, όπου δεν μπορούν να απορροφήσουν περισσότερη ενέργεια, η φυσαλίδα εκρήγνυται βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Η κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης είναι μια βίαιη, ενεργειακά πυκνή διαδικασία που δημιουργεί έντονα κρουστικά κύματα, αναταράξεις και μικροπίδακες στο υγρό. Επιπλέον, δημιουργούνται τοπικές πολύ υψηλές πιέσεις και πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Αυτές οι ακραίες συνθήκες είναι εύκολα ικανές να διαταράξουν τα κυτταρικά τοιχώματα και τις μεμβράνες και να απελευθερώσουν ενδοκυτταρικές ενώσεις με αποτελεσματικό, αποτελεσματικό και γρήγορο τρόπο. Ενδοκυτταρικές ενώσεις όπως πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες, λιπίδια, βιταμίνες, μέταλλα, και αντιοξειδωτικά μπορούν έτσι να εξαχθούν αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας υπερήχους δύναμης.

Υπερήχων σπηλαίωση για κυτταρική διαταραχή και εκχύλιση

Όταν εκτίθεται σε έντονη υπερηχητική ενέργεια, το τοίχωμα ή η μεμβράνη οποιουδήποτε είδους κυττάρου (συμπεριλαμβανομένων βοτανικών, θηλαστικών, φύκια, μυκητιασικά, βακτηριακά κ.λπ.) διαταράσσεται και το κύτταρο σχίζεται σε μικρότερα θραύσματα από τις μηχανικές δυνάμεις της ενεργειακά πυκνής υπερηχητικής σπηλαίωσης. Όταν το κυτταρικό τοίχωμα σπάσει, οι κυτταρικοί μεταβολίτες όπως η πρωτεΐνη, το λιπίδιο, το νουκλεϊκό οξύ και η χλωροφύλλη απελευθερώνονται από τη μήτρα του κυτταρικού τοιχώματος καθώς και από το εσωτερικό του κυττάρου και μεταφέρονται στο περιβάλλον μέσο καλλιέργειας ή διαλύτη.
Ο παραπάνω περιγραφόμενος μηχανισμός υπερηχητικής / ακουστικής σπηλαίωσης διαταράσσει σοβαρά ολόκληρα κύτταρα φυκών ή αέρια και υγρά κενοτόπια μέσα στα κύτταρα. Η υπερηχητική σπηλαίωση, οι κραδασμοί, οι αναταράξεις και η μικρο-ροή προάγουν τη μεταφορά μάζας μεταξύ του εσωτερικού του κυττάρου και του περιβάλλοντος διαλύτη, έτσι ώστε τα βιομόρια (δηλαδή οι μεταβολίτες) να είναι αποτελεσματικά και να απελευθερώνονται γρήγορα. Δεδομένου ότι κατεργασία με υπερήχους είναι μια καθαρά μηχανική επεξεργασία που δεν απαιτεί σκληρές, τοξικές ή / και ακριβές χημικές ουσίες.
Ο υπέρηχος υψηλής έντασης, χαμηλής συχνότητας δημιουργεί ακραίες ενεργειακά πυκνές συνθήκες, με υψηλές πιέσεις, θερμοκρασίες και υψηλές δυνάμεις διάτμησης. Αυτές οι φυσικές δυνάμεις προάγουν τη διάσπαση των κυτταρικών δομών προκειμένου να απελευθερωθούν ενδοκυτταρικές ενώσεις στο μέσο. Ως εκ τούτου, ο υπερηχογράφος χαμηλής συχνότητας χρησιμοποιείται σε μεγάλο βαθμό για την εκχύλιση βιοδραστικών ουσιών και καυσίμων από φύκια. Σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους εκχύλισης όπως η εκχύλιση με διαλύτη, η άλεση σφαιριδίων ή η ομογενοποίηση υψηλής πίεσης, η εκχύλιση με υπερήχους υπερέχει απελευθερώνοντας τις περισσότερες από τις βιοδραστικές ενώσεις (όπως λιπίδια, πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες και μικροθρεπτικά συστατικά) από το ηχηρό και διαταραγμένο κύτταρο. Εφαρμόζοντας τις σωστές συνθήκες διαδικασίας, η εκχύλιση με υπερήχους δίνει ανώτερες αποδόσεις εκχύλισης μέσα σε πολύ σύντομη διάρκεια διαδικασίας. Για παράδειγμα, υψηλής απόδοσης υπερήχων απαγωγείς δείχνει εξαιρετική απόδοση εκχύλισης από φύκια, όταν χρησιμοποιείται με κατάλληλο διαλύτη. Σε ένα όξινο ή αλκαλικό μέσο, το κυτταρικό τοίχωμα των φυκών γίνεται πορώδες και ζαρωμένο, οδηγώντας σε αυξημένες αποδόσεις σε χαμηλή θερμοκρασία (κάτω από 60 ° C) σε σύντομο χρόνο υπερήχων (λιγότερο από 3 ώρες). Η σύντομη διάρκεια εκχύλισης σε ήπιες θερμοκρασίες αποτρέπει την αποικοδόμηση της φουκοϊδάνης, έτσι ώστε να λαμβάνεται ένας εξαιρετικά βιοενεργός πολυσακχαρίτης.
Υπερήχους είναι επίσης μια μέθοδος για τη μετατροπή φουκοϊδάνης υψηλού μοριακού βάρους σε φουκοϊδάνη χαμηλού μοριακού βάρους, η οποία είναι σημαντικά πιο βιοδραστική λόγω της αποκλαδισμένης δομής της. Με την υψηλή βιοδραστικότητα και βιοπροσβασιμότητα, το φουκοϊδάνη χαμηλού μοριακού βάρους είναι μια ενδιαφέρουσα ένωση για φαρμακευτικά προϊόντα και συστήματα χορήγησης φαρμάκων.

Μελέτες περιπτώσεων: Υπερήχων εκχύλιση των ενώσεων φυκών

Υπερήχων αποτελεσματικότητα εκχύλισης και η βελτιστοποίηση των παραμέτρων εκχύλισης υπερήχων έχουν μελετηθεί ευρέως. Παρακάτω, μπορείτε να βρείτε υποδειγματικά αποτελέσματα για τα αποτελέσματα εκχύλισης μέσω υπερήχων από διάφορα είδη φυκών.

Εκχύλιση πρωτεΐνης από σπιρουλίνα χρησιμοποιώντας Mano-Thermo-Sonication

Η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Chemat (Πανεπιστήμιο της Αβινιόν) διερεύνησε τις επιδράσεις της manothermosonication (MTS) στην εκχύλιση πρωτεϊνών (όπως η φυκοκυανίνη) από ξηρά κυανοβακτήρια Arthrospira platensis (επίσης γνωστή ως σπιρουλίνα). Mano-Thermo-Sonication (MTS) είναι η εφαρμογή των υπερήχων σε συνδυασμό με αυξημένες πιέσεις και θερμοκρασίες, προκειμένου να ενταθεί η διαδικασία εκχύλισης υπερήχων.
"Σύμφωνα με πειραματικά αποτελέσματα, το MTS προώθησε τη μεταφορά μάζας (υψηλή αποτελεσματική διάχυση, De) και επέτρεψε να πάρει 229% περισσότερες πρωτεΐνες (28,42 ± 1,15 g / 100 g DW) από τη συμβατική διαδικασία χωρίς υπερήχους (8,63 ± 1,15 g / 100 g DW). Με 28,42 g πρωτεϊνών ανά 100 g ξηρής βιομάζας σπιρουλίνας στο εκχύλισμα, επιτεύχθηκε ρυθμός ανάκτησης πρωτεϊνών 50% σε 6 αποτελεσματικά λεπτά με συνεχή διαδικασία MTS. Μικροσκοπικές παρατηρήσεις έδειξαν ότι η ακουστική σπηλαίωση επηρέασε τα νημάτια σπιρουλίνας με διαφορετικούς μηχανισμούς όπως κατακερματισμό, sonoporation, detexturation. Αυτά τα διάφορα φαινόμενα διευκολύνουν την εκχύλιση, την απελευθέρωση και τη διαλυτοποίηση των βιοδραστικών ενώσεων σπιρουλίνας». [Vernès κ.ά., 2019]

Εικόνες οπτικής μικροσκοπίας ολόκληρων νημάτων σπιρουλίνας που υποβάλλονται σε επεξεργασία MTS με την πάροδο του χρόνου. Γραμμή κλίμακας (εικόνα A) = 50 μm για όλες τις εικόνες.
εικόνα και μελέτη: ©Vernès et al. 2019

Υπερήχων Fucoidan και γλυκάνη εκχύλιση από Λαμινάρια ψηφιτάτα

Η ερευνητική ομάδα TEAGASC του Dr. Tiwari διερεύνησε την εκχύλιση πολυσακχαριτών, δηλαδή φουκοϊδάνης, λαμιναρίνης και ολικών γλυκανών, από τα μακροφύκη Laminaria digitata χρησιμοποιώντας το Υπερήχων UIP500hdT. Οι παράμετροι εκχύλισης με υπερήχους (ΗΑΕ) που μελετήθηκαν έδειξαν σημαντική επίδραση στα επίπεδα φουκόζης, FRAP και DPPH. Επίπεδα 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde και 11,02% ελήφθησαν για φουκόζη, ολικές γλυκάνες, FRAP και DPPH αντίστοιχα σε βελτιστοποιημένες συνθήκες θερμοκρασίας (76◦C), χρόνου (10 λεπτά) και πλάτους υπερήχων (100%) χρησιμοποιώντας 0,1 M HCl ως διαλύτη. Οι συνθήκες των ΗΑΕ που περιγράφηκαν εφαρμόστηκαν στη συνέχεια με επιτυχία σε άλλα οικονομικά σημαντικά καφέ μακροφύκη (L. hyperborea και A. nodosum) για τη λήψη εκχυλισμάτων πλούσιων σε πολυσακχαρίτες. Αυτή η μελέτη καταδεικνύει την εφαρμοσιμότητα των ΗΑΕ για την ενίσχυση της εκχύλισης βιοδραστικών πολυσακχαριτών από διάφορα είδη μακροφυκών.

Υπερήχων φυτοχημική εκχύλιση από Φ. vesiculosus και Π. canaliculata

Η ερευνητική ομάδα του García-Vaquero συνέκρινε διάφορες νέες τεχνικές εκχύλισης, συμπεριλαμβανομένης της εκχύλισης υπερήχων υψηλής απόδοσης, της εκχύλισης υπερήχων-μικροκυμάτων, της εκχύλισης μικροκυμάτων, της εκχύλισης με υδροθερμική υποβοήθηση και της εκχύλισης με τη βοήθεια υψηλής πίεσης, προκειμένου να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα εκχύλισης από τα είδη καφέ μικροφυκών Fucus vesiculosus και Pelvetia canaliculata. Για υπερήχους, χρησιμοποίησαν το Hielscher UIP500hdT υπερήχων απαγωγέα. Η anylsis των αποδόσεων εκχύλισης αποκάλυψε ότι η εκχύλιση με υπερήχους πέτυχε τις υψηλότερες αποδόσεις των περισσότερων φυτοχημικών και από τα δύο F. vesiculosus. Αυτό σημαίνει ότι οι υψηλότερες αποδόσεις των ενώσεων που εξάγονται από το F. vesiculosus χρησιμοποιώντας το υπερήχων απορροφητήρα UIP500hdT ήταν: ολική περιεκτικότητα σε φαινόλες (445,0 ± 4,6 mg ισοδύναμων γαλλικού οξέος/g), συνολική περιεκτικότητα σε φλοροταννίνη (362,9 ± 3,7 mg ισοδυνάμων φλορογλυκινόλης/g), συνολική περιεκτικότητα σε φλαβονοειδή (286,3 ± 7,8 mg ισοδύναμων κερσετίνης/g) και περιεκτικότητα σε ολικές τανίνες (189,1 ± 4,4 mg ισοδύναμων κατεχίνης/g).
Στην ερευνητική τους μελέτη, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η χρήση υπερήχων υποβοηθούμενης εκχύλισης "σε συνδυασμό με 50% αιθανολικό διάλυμα ως διαλύτη εκχύλισης θα μπορούσε να είναι μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική που στοχεύει στην εκχύλιση TPC, TPhC, TFC και TTC, μειώνοντας παράλληλα τη συν-εκχύλιση ανεπιθύμητων υδατανθράκων τόσο από το F. vesiculosus όσο και από το P. canaliculata, με πολλά υποσχόμενες εφαρμογές κατά τη χρήση αυτών των ενώσεων ως φαρμακευτικών προϊόντων, nutraceuticals και καλλυντικά." [García-Vaquero κ.ά., 2021]

Κλιμάκωση της mano-thermo-sonication στο Πανεπιστήμιο της Αβινιόν χρησιμοποιώντας Hielscher υπερήχων: από εργαστηριακό εξοπλισμό UIP1000hdT Α) στον πιλοτικό εξοπλισμό UIP4000hdT (Β, Γ & Δ). Στην εικόνα D σχηματοποιείται ένα εγκάρσιο τμήμα του κυττάρου ροής υπερήχων FC100K.
εικόνα και μελέτη: ©Vernès et al. 2019

Υψηλής απόδοσης υπερήχων εκχυλιστές για διαταραχή φυκών

Ο υπερσύγχρονος υπερηχητικός εξοπλισμός της Hielscher επιτρέπει τον πλήρη έλεγχο των παραμέτρων της διαδικασίας όπως το πλάτος, η θερμοκρασία, η πίεση και η εισροή ενέργειας.
Για την εκχύλιση με υπερήχους, παράμετροι όπως το μέγεθος των σωματιδίων πρώτων υλών, ο τύπος διαλύτη, η αναλογία στερεού προς διαλύτη και ο χρόνος εκχύλισης μπορούν να ποικίλουν και να βελτιστοποιηθούν για καλύτερα αποτελέσματα.
Δεδομένου ότι η εκχύλιση με υπερήχους είναι μια μέθοδος μη θερμικής εκχύλισης, αποφεύγεται η θερμική υποβάθμιση των βιοδραστικών συστατικών που υπάρχουν στην πρώτη ύλη όπως τα φύκια.
Συνολικά, πλεονεκτήματα όπως η υψηλή απόδοση, ο σύντομος χρόνος εκχύλισης, η χαμηλή θερμοκρασία εκχύλισης και οι μικρές ποσότητες διαλύτη καθιστούν την υπερήχηση την ανώτερη μέθοδο εκχύλισης.

Υπερήχων εκχύλιση: Καθιερωμένος στο εργαστήριο και τη βιομηχανία

Υπερήχων εκχύλιση εφαρμόζεται ευρέως για την εκχύλιση οποιουδήποτε είδους βιοδραστικής ένωσης από βότανα, φύκια, βακτήρια και κύτταρα θηλαστικών. Υπερήχων εκχύλιση έχει καθιερωθεί ως ένα απλό, οικονομικά αποδοτικό και εξαιρετικά αποτελεσματικό που υπερέχει άλλες παραδοσιακές τεχνικές εκχύλισης με υψηλότερες αποδόσεις εκχύλισης και μικρότερη διάρκεια επεξεργασίας.
Με εργαστήριο, πάγκο-top και πλήρως βιομηχανικά συστήματα υπερήχων άμεσα διαθέσιμα, υπερήχων εκχύλιση είναι σήμερα μια καθιερωμένη και αξιόπιστη τεχνολογία. Hielscher υπερήχων απαγωγείς εγκαθίστανται σε όλο τον κόσμο σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας που παράγουν τρόφιμα- και pharma-βαθμού βιοδραστικές ενώσεις.

Τυποποίηση διαδικασίας με υπερήχους Hielscher

Τα εκχυλίσματα που προέρχονται από φύκια, τα οποία χρησιμοποιούνται σε τρόφιμα, φαρμακευτικά προϊόντα ή καλλυντικά, πρέπει να παράγονται σύμφωνα με τις ορθές παρασκευαστικές πρακτικές (GMP) και σύμφωνα με τυποποιημένες προδιαγραφές επεξεργασίας. Hielscher Υπέρηχοι' ψηφιακά συστήματα εκχύλισης έρχονται με έξυπνο λογισμικό, το οποίο καθιστά εύκολο να ρυθμίσετε και να ελέγξετε τη διαδικασία υπερήχων με ακρίβεια. Η αυτόματη καταγραφή δεδομένων γράφει όλες τις παραμέτρους διαδικασίας υπερήχων, όπως ενέργεια υπερήχων (συνολική και καθαρή ενέργεια), πλάτος, θερμοκρασία, πίεση (όταν τοποθετούνται αισθητήρες θερμοκρασίας και πίεσης) με σφραγίδα ημερομηνίας και ώρας στην ενσωματωμένη κάρτα SD. Αυτό σας επιτρέπει να αναθεωρήσετε κάθε υπερηχητικά επεξεργασμένη παρτίδα. Ταυτόχρονα, εξασφαλίζεται η αναπαραγωγιμότητα και η συνεχώς υψηλή ποιότητα των προϊόντων.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: