Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Extracción Ultrasónica de Algas para Suplementos Nutricionales

La extracción por ultrasonido es el método superior para desbaratar las células de las algas de forma efectiva y rápida. La sonicación puede liberar la cantidad completa de los compuestos bioactivos, lo que hace que la técnica ultrasónica sea altamente eficiente.

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

Las especies de algas y microalgas son ricas en compuestos biológicamente activos como proteínas, lípidos, carotenoides, pigmentos (p. ej., Ficocianinas, Astaxantina etc.), fenólicos y polisacáridos. Esto los convierte en un material natural muy utilizado para producir extractos para alimentos y suplementos dietéticos. Las especies de algas comúnmente utilizadas para los suplementos nutricionales son Arthrospira maxima y (también conocida como espirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialisy Ulva spp. Se sabe que las algas son una buena fuente de proteínas de alta calidad, lípidos, PUFAs de cadena larga (es decir, omega-3), polisacáridos (por ejemplo, alginato, carragenina, β-glucanos), vitaminas y antioxidantes.
La espirulina es un tipo de alga ampliamente disponible y de uso común, que es rica en compuestos bioactivos de alto valor como las proteínas (con un 50-70% de peso seco). Dado que la espirulina está aprobada por la FDA (Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos) como GRAS (Generally Recognized As Safe), la espirulina y los extractos de espirulina pueden ser utilizados en alimentos comercializados o como suplementos alimenticios.

Ventajas de la extracción ultrasónica de algas

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

Rendimiento de extracción total

Los ultrasonidos de alto rendimiento rompen las células de las algas y las interrumpen para que el material intracelular sea liberado. La extracción ultrasónica libera así todo el espectro de compuestos bioactivos, como las ficobiliproteínas, los carotenoides y los lípidos y fenólicos.
Las ficobiliproteínas pueden diferenciarse en tres grupos principales, a saber, las cloroficianinas, las aloficocianinas y las ficoeritrinas. La C-ficocianina es un pigmento azul natural, que se utiliza ampliamente en productos alimenticios y farmacéuticos. La extracción ultrasónica libera todo el espectro de proteínas.

Hielscher Ultrasonics' SonoStation es una configuración ultrasónica y fácil de usar para la producción a gran escala. (¡Click para agrandar!)

SonoStation – un sistema de ultrasonidos con 2x 2kW ultrasonidos, depósito de agitación y bomba – es un sistema de extracción fácil de usar.

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Alta eficiencia de extracción

Duangsee y otros (2009) ensayaron dos métodos diferentes de extracción (extracción con disolvente asistida por ultrasonido y extracción por congelación y descongelación repetidas) de compuestos bioactivos de la biomasa Arthospira y descubrieron que la extracción con disolvente por ultrasonido daba lugar a una mayor eficiencia de extracción (22,1%) que la congelación y descongelación (15,6%). La comparación de la ruptura de células entre la sonicación y la congelación y descongelación repetidas muestra que la sonicación es más eficaz. La cavitación ultrasónica interrumpe las células de las algas de forma rápida y eficaz, lo que da lugar a una mayor interrupción celular en comparación con las células de espirulina tratadas por congelación y descongelación repetidas.
La sonicación fue más efectiva para romper la envoltura celular en comparación con la congelación y descongelación repetida. El rendimiento de la extracción de ficocianina mostró que la temperatura de procesamiento influyó en la eficiencia de la extracción.

Proceso de extracción rápida

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

control de temperatura

La ecografía es una técnica de extracción no térmica, puramente mecánica. La temperatura de extracción puede ser controlada con precisión usando un sensor de temperatura enchufable, que está conectado al ultrasonido digital de Hielscher. El software de los ultrasonidos 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 las ficobiliproteínas, las vitaminas, los polifenoles, los polisacáridos, los lípidos y otros compuestos bioactivos.

Compatible con varios disolventes

La ecografía es compatible con casi cualquier disolvente. La extracción ultrasónica en combinación con disolventes verdes como el agua o el etanol producen extractos limpios. Estos extractos ultrasónicos pueden ser incorporados con seguridad en los alimentos ya que los disolventes de extracción, el etanol y el agua tienen el estatus GRAS (Generally Recognized As Safe).

Reproducibilidad y estandarización de procesos

Los ultrasonidos digitales de Hielscher vienen con un software inteligente y una elaborada variedad de ajustes para los parámetros de extracción ideales. El software protocoliza todos los parámetros del proceso ultrasónico (por ejemplo, amplitud, potencia neta, potencia total, temperatura, presión, tiempo, fecha) y escribe los datos de sonicación en un archivo CSV en la tarjeta SD incorporada. Esto le permite estandarizar el proceso de extracción y supervisar de cerca la sonicación y la calidad de la salida. Estas características le ayudan a cumplir con los requisitos de estandarización del proceso, así como con las Buenas Prácticas de Fabricación (GMP), que son muy importantes cuando los extractos se producen para suplementos, alimentos o productos farmacéuticos.

Protocolo de extracción de ficocianina por ultrasonido

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

Vernès y otros (2019) utilizaron un UIP1000hdT (1000 W, 20 kHz) ultrasonido para extraer proteínas de la espirulina. El ultrasonador estaba equipado con un sonotrodo BS2d34 y un reactor de flujo ultrasónico (véase la imagen de abajo para ver la configuración exacta de la extracción ultrasónica con la celda de flujo y la bomba Seepex).

Configuración de extracción ultrasónica con UIP1000hdT para la extracción de algas

UIP1000hdT – La manotermosonización (MTS) y la 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 ultrasónica optimizadas para el rendimiento de las proteínas implican una temperatura y una presión ligeramente elevadas (la llamada manotermosonicación MTS). La MTS promueve 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 ultrasonido (8,63 ± 1,15 g/100 g de peso seco).
Con 28,42 g de proteínas obtenidas por cada 100 g de biomasa de espirulina seca en el extracto, se logró 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 por diferentes mecanismos como la fragmentación, la sonorización y la destexturización. Estos diversos efectos hacen que la extracción, liberación y solubilización de los compuestos bioactivos de la espirulina sea más fácil y efectiva, lo que resulta en un alto rendimiento de proteínas de alta calidad.
En cuanto a la calidad de las proteínas extraídas por ultrasonido, los aminoácidos no se degradaron por el tratamiento de ultrasonido, pero están presentes en mayor cantidad en el caso de la sonicación en comparación con la extracción convencional.
Cuando se comparan la manotermosonicación y la extracción por ultrasonidos sin presión ni temperatura elevadas, la diferencia en el rendimiento y la eficiencia de la extracción es mínima. Por lo tanto, los ultrasonidos por sí solos se consideran la técnica más económica y fácil para producir un extracto de alta calidad rico en proteínas de espirulina. La extracción por ultrasonido 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)

Extracción ultrasónica de UP400St en un lote de 8L

UP400St para la extracción ultrasónica de algas en un lote de 8L

Extractores ultrasónicos de alto rendimiento

Todos los resultados de la extracción logrados en pequeña escala, pueden ser escalados linealmente a capacidades de producción más grandes. La gran cartera de productos de Hielscher Ultrasonics, desde el laboratorio hasta los sistemas de extracción industrial, tiene el ultrasonido más adecuado para su capacidad de proceso prevista. Nuestro personal, con una larga experiencia, le asistirá desde las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación de su sistema de ultrasonidos en el nivel de producción final.

Hielscher Ultrasonics – Equipo de extracción sofisticado

La cartera de productos de Hielscher Ultrasonics cubre la gama completa de extractores ultrasónicos de alto rendimiento, desde la pequeña a la gran escala. Los accesorios adicionales permiten el fácil montaje de la configuración del dispositivo ultrasónico más adecuado para su proceso. La configuración ultrasónica óptima depende de la capacidad, el volumen, la materia prima, el lote o el proceso en línea y el tiempo previstos. La robustez del equipo de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento 24/7 en entornos de trabajo pesado y exigentes.

Elija entre varios accesorios como:

  • sonotrodos con varios tamaños, diámetros y formas
  • sonotrodos para alta amplitud de 200µm y más
  • reactores de células de flujo con varios volúmenes y geometrías
  • numerosos cuernos de refuerzo para aumentar o disminuir las ganancias
  • ...configuraciones completas de sonicación como la SonoStation, que incluye extractor ultrasónico, tanque, agitador y bomba...
  • sensores de temperatura enchufables
  • sensores de presión enchufables

Nuestro bien entrenado y experimentado personal le consultará y le recomendará el sistema de ultrasonidos más adecuado para sus necesidades de proceso de extracción!

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

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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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 los carotenoides, la clorofila y la ficocianina. Los carotenoides (por ejemplo, β-Caroteno, un pigmento amarillo anaranjado), la clorofila y la ficocianina se encuentran en el 0,4, 1,0 y 14% de peso seco, respectivamente. La ficocianina es una proteína verde-azulada, la llamada biliproteína, que se encuentra 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.