Extracción ultrasónica de algas para suplementos nutricionales

La extracción por ultrasonidos es el método superior para desintegrar las células de algas de forma eficaz y rápida. La sonicación puede liberar la cantidad completa de los compuestos bioactivos, lo que hace que la técnica ultrasónica sea muy eficaz.

Cómo extraer proteínas, lípidos y fenoles de las algas con ultrasonidos

Las especies de algas y microalgas son ricas en compuestos biológicamente activos como proteínas, lípidos, carotenoides, pigmentos (por ejemplo, ficocianinas, astaxantina, etc.), fenoles y polisacáridos (por ejemplo, carragenanos). Esto las convierte en un material natural muy utilizado para producir extractos para alimentos y suplementos dietéticos. Las especies de algas más utilizadas como suplementos nutricionales son Arthrospira maxima y (también conocida como espirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis y Ulva spp. Se sabe que las algas son una buena fuente de proteínas de alta calidad, lípidos, PUFA de cadena larga (es decir, omega-3), polisacáridos (por ejemplo, alginato, carragenano, β-glucanos), vitaminas y antioxidantes.
La espirulina es un tipo de alga de uso común, rica en compuestos bioactivos de gran valor, como las proteínas (con un 50-70% de peso seco). Dado que la FDA (Food Drug Administration de Estados Unidos) ha aprobado la espirulina como GRAS (Generally Recognized As Safe), la espirulina y los extractos de espirulina pueden utilizarse en alimentos comercializados o como complementos alimenticios.

Ventajas de la extracción ultrasónica de algas

La extracción por ultrasonidos supera a los métodos de extracción alternativos en múltiples aspectos, como el alto rendimiento, la fiabilidad, la seguridad, la sencillez y el respeto al medio ambiente.

Rendimiento de extracción total

Los ultrasonidos de alto rendimiento rompen las células de las algas y las alteran para que se libere el material intracelular. La extracción ultrasónica libera así todo el espectro de compuestos bioactivos, como ficobiliproteínas, carotenoides y lípidos y fenoles.
Las ficobiliproteínas pueden clasificarse en tres grandes grupos: cloroficocianinas, aloficocianinas y ficoeritrinas. La cloroficocianina es un pigmento azul natural muy utilizado en productos alimentarios y farmacéuticos. La extracción ultrasónica libera todo el espectro de proteínas.

Hielscher Ultrasonics' La SonoStation es una configuración ultrasónica fácil de usar para la escala de producción. La SonoStation se utiliza para extraer compuestos biactivos, por ejemplo, de algas. (¡Haga clic para ampliar!)

SonoStation – un sistema de ultrasonidos con 2 ultrasonidos de 2 kW, un tanque agitado y una bomba – es un sistema de extracción fácil de usar.

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Alta eficacia de extracción

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

Proceso de extracción rápida

Los sistemas de ultrasonidos de alto rendimiento pueden aplicar una gran potencia de ultrasonidos mediante amplitudes elevadas en la suspensión de algas. Esto hace que la extracción por ultrasonidos sea un método de procesamiento muy rápido.

control de temperatura

La ultrasonicación es una técnica de extracción no térmica y puramente mecánica. La temperatura de extracción puede controlarse con precisión mediante un sensor de temperatura enchufable, que se conecta por cable al ultrasonicador digital de Hielscher. El software de los ultrasonicadores 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 varios disolventes

La ultrasonicación es compatible con casi cualquier disolvente. La extracción ultrasónica en combinación 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 el estatus GRAS (Generally Recognized As Safe).

Reproducibilidad y normalización de procesos

Los ultrasonidos digitales de Hielscher vienen con un software inteligente y una elaborada variedad de ajustes para obtener los parámetros de extracción ideales. El software registra todos los parámetros del proceso ultrasónico (p. ej., amplitud, potencia neta, potencia total, temperatura, presión, hora, fecha) y escribe 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 de los resultados. Estas funciones le ayudan a cumplir los requisitos de estandarización del proceso, así como las Buenas Prácticas de Fabricación (BPF), ambas muy importantes cuando los extractos se producen para suplementos, alimentos o productos farmacéuticos.

Protocolo ultrasónico de extracción de ficocianinas

Mazumder et al. (2017) investigaron los parámetros de procesamiento óptimos para la extracción ultrasónica de ficocianina y fenoles de Arthospira platensis. El rendimiento máximo de ficocianina (29,9 mg/g) y fenoles 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 ultrasonicador UP50H (50 vatios, 30 kHz) a una amplitud del 95 % durante un tiempo de extracción de 104,7 s.

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

Instalación de extracción por ultrasonidos con UIP1000hdT para la extracción de algas

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

Los resultados de la investigación muestran que las condiciones de extracción por ultrasonidos optimizadas para el rendimiento proteico implican una temperatura y una presión ligeramente elevadas (la denominada manothermosonication 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 por 100 g de biomasa seca de espirulina en el extracto, se alcanzó una tasa de recuperación de proteínas del 50% en sólo 6 minutos en un proceso de sonicación continua. Las imágenes microscópicas revelan que la cavitación acústica afecta a los filamentos de espirulina mediante diferentes mecanismos como la fragmentación, la sonoporación y la detexturación. Estos diversos efectos facilitan y hacen más eficaz la extracción, liberación y solubilización de los compuestos bioactivos de la espirulina, lo que se traduce en un alto rendimiento proteínico de gran calidad.
En cuanto a la calidad de las proteínas extraídas por ultrasonidos, los aminoácidos no se degradaron por el tratamiento con ultrasonidos, pero están presentes en mayor cantidad en el caso de la sonicación en comparación con la extracción convencional.
Cuando se comparan la manothermosonication y la extracción por ultrasonidos sin presión ni temperatura elevadas, la diferencia en el rendimiento y la eficacia de la extracción es mínima. Por lo tanto, se considera que el ultrasonido por sí solo es la técnica más económica y sencilla para producir un extracto de alta calidad rico en proteínas de espirulina. La extracción por ultrasonidos es una técnica de extracción ecológica y respetuosa con el medio ambiente adecuada para la extracción de proteínas de la espirulina a escala de laboratorio, que puede escalarse fácilmente a escala piloto e industrial. (cf. Vernès et al. 2019)

UP400St extracción por ultrasonidos en lote de 8L

UP400St para la extracción por ultrasonidos de algas en lotes de 8 litros

Extractores ultrasónicos de alto rendimiento

Todos los resultados de extracción conseguidos a pequeña escala se pueden escalar linealmente a capacidades de producción mayores. La amplia cartera de productos de Hielscher Ultrasonics, desde sistemas de extracción de laboratorio hasta industriales, cuenta con el ultrasonicador más adecuado para la capacidad de proceso prevista. Nuestro experimentado personal le ayudará desde las pruebas de viabilidad y optimización de procesos hasta la instalación de su sistema de ultrasonidos en el nivel de producción final.

Homogeneizador ultrasónico UP400St para la extracción por lotes agitados de productos botánicos

Extracción ultrasónica de productos botánicos - Lote de 8 litros - UP400St

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Hielscher Ultrasonics – Sofisticados equipos de extracción

La cartera de productos de Hielscher Ultrasonics cubre toda la gama de extractores por ultrasonidos de alto rendimiento, desde pequeña a gran escala. Los accesorios adicionales permiten montar fácilmente la configuración de dispositivo ultrasónico más adecuada para su proceso. La configuración de ultrasonidos óptima depende de la capacidad, el volumen, la materia prima, el proceso por lotes o en línea y el plazo previstos. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes y con cargas pesadas. La escalabilidad lineal de los procesos de extracción por ultrasonidos permite aumentar la producción de forma sencilla y fiable. Más información sobre la ampliación lineal de los procesos de extracción por ultrasonidos.

Elige entre varios accesorios como:

  • sonotrodos de distintos tamaños, diámetros y formas
  • sonotrodos para grandes amplitudes de 200µm y superiores
  • reactores de celda de flujo con diversos volúmenes y geometrías
  • numerosos cuernos de refuerzo para aumentar o disminuir las ganancias
  • equipos completos de sonicación, como la SonoStation, que incluyen un extractor ultrasónico, un tanque, un agitador y una bomba
  • sensores de temperatura enchufables
  • sensores de presión enchufables

Nuestro personal, bien formado y con una larga experiencia, le asesorará y le recomendará el sistema de ultrasonidos más adecuado para sus requisitos de proceso de extracción.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del loteTasa de flujoDispositivos recomendados
1 a 500 mL10 a 200 mL/min.UP100H
10 a 2000 mL20 a 400 mL/min.UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L0,2 a 4 L/minUIP2000hdT
10 a 100 L2 a 10 L/minUIP4000hdT
n.a.10 a 100 L/minUIP16000
n.a.mayorGrupo de UIP16000

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La extracción botánica ultrasónica proporciona mayores rendimientos. El Hielscher UIP2000hdT, 2000 vatios homogeneizador es lo suficientemente potente como para extraer lotes de 10 litros a 120 litros fácilmente.

Extracción ultrasónica de productos botánicos - Lote de 30 litros / 8 galones

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Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para dispersión, emulsificación y extracción celular.

Homogeneizadores ultrasónicos de alta potencia de laboratorio a piloto y Uso industrial escala.



Literatura / Referencias

Información interesante

espirulina

La espirulina, que es una bacteria procariota, es rica en pigmentos como carotenoides, clorofila y ficocianina. Los carotenoides (por ejemplo, el β-caroteno, un pigmento amarillo anaranjado), la clorofila y la ficocianina pueden encontrarse en 0,4, 1,0 y 14% de peso seco, respectivamente. La ficocianina es una proteína verde azulada, una denominada biliproteína, que se localiza en las láminas fotosintéticas de la membrana citoplasmática de las cianobacterias.
Se utiliza como aditivo y colorante alimentario, suplemento nutricional y para aplicaciones de inmunodiagnóstico.

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