Extracción ultrasónica de algas para suplementos nutricionales

La extracción ultrasónica es el método superior para romper las células de las algas de forma eficaz y rápida. La sonicación puede liberar la totalidad de los compuestos bioactivos, lo que hace que la técnica ultrasónica sea altamente eficiente.

Cómo extraer proteínas, lípidos y compuestos fenólicos de las algas mediante ultrasonidos

Las especies de algas y microalgas son ricas en compuestos biológicamente activos, como proteínas, lípidos, carotenoides, pigmentos (p. ej., ficocianinas, astaxantina, etc.), compuestos fenólicos y polisacáridos (p. ej., carragenanos). Esto las convierte en una materia prima natural ampliamente utilizada para producir extractos destinados a alimentos y suplementos dietéticos. Las especies de algas utilizadas habitualmente para suplementos nutricionales son Arthrospira maxima y (también conocida como espirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis y Ulva spp. Las algas son conocidas por ser una buena fuente de proteínas de alta calidad, lípidos, ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga (PUFAs, es decir, omega-3), polisacáridos (p. ej., alginato, carragenano, β-glucanos), vitaminas y antioxidantes.
La espirulina es un tipo de alga de uso habitual, rico en compuestos bioactivos de alto valor, como las proteínas (con un 50–70% del peso seco). Dado que la FDA (Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos) ha aprobado la espirulina como GRAS (generalmente reconocida como segura), la espirulina y sus extractos pueden utilizarse en alimentos comercializados o como suplementos alimenticios.

Ventajas de la extracción ultrasónica de algas

La extracción ultrasónica supera a otros métodos de extracción en numerosos aspectos, como el alto rendimiento, la fiabilidad, la seguridad, la sencillez y el respeto por el medio ambiente.

Rendimiento de extracción completo

Los sonicadores de alto rendimiento abren y rompen las células de las algas, de modo que se libera el material intracelular. Así, la extracción ultrasónica libera todo el espectro de compuestos bioactivos, como ficobiliproteínas, carotenoides, lípidos y compuestos fenólicos.
Las ficobiliproteínas pueden diferenciarse en tres grupos principales: cloroficocianinas, aloficocianinas y ficoeritrinas. La C-ficocianina es un pigmento azul natural ampliamente utilizado en alimentos y productos farmacéuticos. La extracción ultrasónica libera todo el espectro de proteínas.

Alta eficiencia de extracción

Duangsee et al. (2009) probaron dos métodos distintos de extracción de compuestos bioactivos de la biomasa de Arthospira (extracción con disolventes asistida por ultrasonidos y extracción mediante ciclos repetidos de congelación y descongelación) y observaron que la extracción ultrasónica con disolventes daba lugar a una mayor eficiencia de extracción (22,1%) que la congelación y descongelación (15,6%). La comparación de la ruptura celular entre la sonicación y los ciclos repetidos de congelación y descongelación muestra que la sonicación es más eficaz. La cavitación ultrasónica rompe las células de las algas de forma rápida y eficaz, lo que da lugar a una mayor ruptura celular en comparación con las células de espirulina tratadas mediante ciclos repetidos de congelación y descongelación.
La sonicación fue más eficaz para romper la envoltura celular que los ciclos repetidos de congelación y descongelación. El rendimiento de extracción de ficocianina mostró que la temperatura de procesamiento influía en la eficiencia de extracción.

Proceso de extracción rápido

Los sistemas ultrasónicos de alto rendimiento pueden aplicar una elevada potencia ultrasónica a la suspensión de algas mediante amplitudes altas. Esto convierte la extracción ultrasónica en un método de procesamiento muy rápido.

Control de temperatura

La sonicación es una técnica de extracción no térmica y puramente mecánica. La temperatura de extracción puede controlarse con precisión mediante un sensor de temperatura enchufable conectado por cable al sonicador digital de Hielscher. El software de los sonicadores digitales de Hielscher permite establecer límites de temperatura, de modo que el homogeneizador ultrasónico se detiene cuando se alcanza el límite de temperatura. El control preciso de la temperatura permite evitar la degradación térmica de materiales sensibles al calor, como ficobiliproteínas, vitaminas, polifenoles, polisacáridos, lípidos y otros compuestos bioactivos.

Compatible con diversos disolventes

La sonicación es compatible con prácticamente cualquier disolvente. La extracción ultrasónica combinada con disolventes ecológicos, como el agua o el etanol, produce extractos limpios. Estos extractos ultrasónicos pueden incorporarse de forma segura a los alimentos, ya que los disolventes de extracción, etanol y agua, tienen la condición de GRAS (generalmente reconocidos como seguros).

Reproducibilidad y estandarización del proceso

Los sonicadores digitales de Hielscher incorporan un software inteligente y una amplia variedad de ajustes para establecer los parámetros de extracción ideales. El software registra todos los parámetros del proceso ultrasónico (p. ej., amplitud, potencia neta, potencia total, temperatura, presión, hora y fecha) y guarda los datos de sonicación en un archivo CSV en la tarjeta SD integrada. Esto le permite estandarizar su proceso de extracción y supervisar de cerca la sonicación y la calidad del producto obtenido. Estas funciones le ayudan a cumplir los requisitos de estandarización del proceso y las buenas prácticas de fabricación (GMP), ambos de gran importancia cuando los extractos se producen para suplementos, alimentos o productos farmacéuticos.

Protocolo de extracción ultrasónica de ficocianina

Mazumder et al. (2017) investigaron los parámetros óptimos de procesamiento para la extracción ultrasónica de ficocianina y compuestos fenólicos de Arthospira platensis. El rendimiento máximo de ficocianina (29,9 mg/g) y compuestos fenólicos totales (2,4 mg/g) se obtuvo con una concentración de etanol del 40% y una temperatura de extracción de 34,9 °C, utilizando el sonicador UP50H (50 vatios, 30 kHz) a una amplitud del 95% durante un tiempo de extracción de 104,7 sec.

Vernès et al. (2019) utilizaron un sonicador UIP1000hdT (1000 W, 20 kHz) para extraer proteínas de la espirulina. El sonicador estaba equipado con un sonotrodo BS2d34 y un reactor ultrasónico de flujo (véase la imagen siguiente para conocer la configuración exacta del sistema de extracción ultrasónica con celda de flujo y bomba Seepex).

UIP1000hdT – Sistema de manotermosonicación (MTS) y nuestra extracción de proteínas de espirulina a escala de laboratorio
fuente: Vernes et al. 2019

Los resultados de la investigación muestran que las condiciones de extracción ultrasónica optimizadas para el rendimiento de proteínas implican una temperatura y una presión ligeramente elevadas (la denominada manotermosonicación, MTS). La MTS favorece la transferencia de masa y permite obtener un 229% más de proteínas (28,42 ± 1,15 g/100 g de peso seco) que el proceso convencional sin ultrasonidos (8,63 ± 1,15 g/100 g de peso seco).
Con 28,42 g de proteínas obtenidas en el extracto por cada 100 g de biomasa seca de espirulina, se alcanzó una tasa de recuperación de proteínas del 50% en solo 6 minutos mediante un proceso de sonicación continua. Las imágenes microscópicas revelan que la cavitación acústica afecta a los filamentos de espirulina mediante distintos mecanismos, como la fragmentación, la sonoporación y la desestructuración. Estos diversos efectos facilitan y hacen más eficaces la extracción, la liberación y la solubilización de los compuestos bioactivos de la espirulina, lo que da lugar a un alto rendimiento de proteínas de alta calidad.
En cuanto a la calidad de las proteínas extraídas por ultrasonidos, los aminoácidos no se degradaron con el tratamiento ultrasónico, sino que están presentes en mayor cantidad con la sonicación que con la extracción convencional.
Al comparar la manotermosonicación con la extracción ultrasónica sin presión ni temperatura elevadas, la diferencia en el rendimiento y la eficiencia de extracción es mínima. Por ello, los ultrasonidos por sí solos se consideran la técnica más económica y sencilla para producir un extracto de alta calidad rico en proteínas de espirulina. La extracción ultrasónica es una técnica de extracción ecológica y respetuosa con el medio ambiente, adecuada para extraer proteínas de espirulina a escala de laboratorio, que puede ampliarse fácilmente a escala piloto e industrial. (cf. Vernès et al. 2019)

Extractores ultrasónicos de alto rendimiento

Todos los resultados de extracción obtenidos a pequeña escala pueden escalarse linealmente a mayores capacidades de producción. La amplia gama de productos de Hielscher Ultrasonics, desde sistemas de extracción de laboratorio hasta sistemas industriales, ofrece el sonicador más adecuado para la capacidad de procesamiento prevista. Nuestro personal, con muchos años de experiencia, le ayudará desde las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación de su sistema ultrasónico a la escala de producción definitiva.

Hielscher Ultrasonics – Equipos de extracción avanzados

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics abarca todo el espectro de extractores ultrasónicos de alto rendimiento, desde pequeña hasta gran escala. Los accesorios adicionales permiten montar fácilmente la configuración del equipo ultrasónico más adecuada para su proceso. La configuración ultrasónica óptima depende de la capacidad prevista, el volumen, la materia prima, el procesamiento por lotes o en línea y los plazos. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en servicio intensivo y en entornos exigentes. La escalabilidad lineal de los procesos de extracción ultrasónica permite aumentar la producción de forma sencilla y fiable. ¡Más información sobre el escalado lineal de los procesos de extracción ultrasónica!

Elija entre diversos accesorios, como:

• sonotrodos de distintos tamaños, diámetros y formas
• sonotrodos para amplitudes altas de 200 µm y superiores
• reactores de celda de flujo con distintos volúmenes y geometrías
• numerosos amplificadores mecánicos de amplitud para aumentar o reducir los factores de ganancia
• sistemas completos de sonicación, como SonoStation, que incluyen extractor ultrasónico, tanque, agitador y bomba
• sensores de temperatura enchufables
• sensores de presión enchufables

¡Nuestro personal, bien formado y con muchos años de experiencia, le asesorará y le recomendará el sistema ultrasónico más adecuado para los requisitos de su proceso de extracción!

La tabla siguiente le ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores: