Ultrasonidos para mejorar la disrupción celular y la extracción de algas

Las algas, macroalgas y microalgas, contienen muchos compuestos valiosos, que se utilizan como alimentos nutritivos, aditivos alimentarios o como materia prima para combustibles o carburantes. Para liberar las sustancias objetivo de la célula de alga se requiere una técnica de disrupción celular potente y eficaz. Los extractores ultrasónicos son muy eficaces y fiables cuando se trata de extraer compuestos bioactivos de productos botánicos, algas y hongos. Disponibles a escala de laboratorio, de sobremesa e industrial, los extractores ultrasónicos de Hielscher están consolidados en la producción de extractos derivados de células en los sectores alimentario, farmacéutico y de producción de biocombustibles.

Las algas como recurso valioso para la nutrición y el combustible

Las células de las algas son una fuente versátil de compuestos bioactivos y ricos en energía, como proteínas, carbohidratos, lípidos y otras sustancias bioactivas, así como alcanos. Esto convierte a las algas en una fuente de alimentos y compuestos nutricionales, así como de combustibles.
Las microalgas son una valiosa fuente de lípidos, que se utilizan para la nutrición y como materia prima para biocombustibles (por ejemplo, biodiésel). Las cepas del fitoplancton marino Dicrateria, como Dicrateria rotunda, son conocidas como algas productoras de petróleo, que pueden sintetizar una serie de hidrocarburos saturados (n-alcanos) a partir de C₁₀H₂₂ a C₃₈H₇₈que se clasifican en gasolina (C10-C15), gasóleos (C16-C20) y fuelóleos (C21-C38).
Por su valor nutritivo, las algas se utilizan como "alimentos funcionales" o "nutracéuticos". Entre los micronutrientes importantes extraídos de las algas se encuentran los carotenoides astaxantina, fucoxantina y zeaxantina, el fucoidan, el laminari y otros glucanos, entre otras numerosas sustancias bioactivas que se utilizan como suplementos nutricionales y productos farmacéuticos. La carragenina, el alginato y otros hidrocoloides se utilizan como aditivos alimentarios. Los lípidos de algas se utilizan como fuente vegana de omega-3 y también como combustible o materia prima para la producción de biodiésel.

Disrupción y extracción de células de algas mediante ultrasonidos de potencia

Los extractores por ultrasonidos o simplemente ultrasonicadores se utilizan para extraer compuestos valiosos de pequeñas muestras en el laboratorio, así como para la producción a gran escala comercial.
Las células de las algas están protegidas por complejas matrices de pared celular, compuestas por lípidos, celulosa, proteínas, glicoproteínas y polisacáridos. La base de la mayoría de las paredes celulares de las algas está constituida por una red microfibrilar dentro de una matriz proteica gelatinosa; sin embargo, algunas microalgas están dotadas de una pared rígida inorgánica compuesta por frústulas de sílice opalina o carbonato cálcico. Para obtener compuestos bioactivos a partir de la biomasa de algas, es necesaria una técnica eficaz de disrupción celular. Además de los factores tecnológicos de extracción (es decir, el método y el equipo de extracción), la eficacia de la disrupción celular y la extracción de las algas también está fuertemente influenciada por diversos factores dependientes de las algas, como la composición de la pared celular, la localización de la biomolécula deseada en las células de microalgas y la fase de crecimiento de las microalgas durante la recolección.

¿Cómo funciona la disrupción y extracción celular de algas por ultrasonidos?

Cuando se introducen ondas ultrasónicas de alta intensidad a través de una sonda ultrasónica (también conocida como sonotrodo o sonotrodo ultrasónico) en un líquido o lodo, las ondas sonoras viajan a través del líquido y crean ciclos alternos de alta y baja presión. Durante estos ciclos de alta presión / baja presión, se producen diminutas burbujas de vacío o cavidades. Las burbujas de cavitación se producen cuando la presión local cae durante los ciclos de baja presión lo suficientemente por debajo de la presión de vapor saturado, un valor dado por la resistencia a la tracción del líquido a una determinada temperatura. Las cuales crecen a lo largo de varios ciclos. Cuando estas burbujas de vacío alcanzan un tamaño en el que no pueden absorber más energía, la burbuja implosiona violentamente durante un ciclo de alta presión. La implosión de las burbujas de cavitación es un proceso violento y de gran densidad energética que genera intensas ondas de choque, turbulencias y microchorros en el fluido. Además, se crean presiones localizadas muy altas y temperaturas muy elevadas. Estas condiciones extremas pueden alterar fácilmente las paredes y membranas celulares y liberar compuestos intracelulares de forma efectiva, eficaz y rápida. Los compuestos intracelulares como las proteínas, los polisacáridos, los lípidos, las vitaminas, los minerales y los antioxidantes pueden así extraerse eficazmente utilizando ultrasonidos de potencia.

Cavitación ultrasónica para la disrupción y extracción celular

Cuando se expone a una energía ultrasónica intensa, la pared o membrana de cualquier tipo de célula (incluidas las botánicas, de mamíferos, algas, hongos, bacterias, etc.) se rompe y la célula se desgarra en fragmentos más pequeños por las fuerzas mecánicas de la cavitación ultrasónica de alta energía. Cuando se rompe la pared celular, los metabolitos celulares como proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y clorofila se liberan de la matriz de la pared celular así como del interior de la célula y se transfieren al medio de cultivo o disolvente circundante.
El mecanismo descrito anteriormente de cavitación ultrasónica / acústica perturba gravemente las células enteras de las algas o las vacuolas de gas y líquido dentro de las células. La cavitación ultrasónica, la vibración, las turbulencias y el microflujo favorecen la transferencia de masa entre el interior de la célula y el disolvente circundante, de modo que las biomoléculas (es decir, los metabolitos) se liberan eficaz y rápidamente. La sonicación es un tratamiento puramente mecánico que no requiere productos químicos agresivos, tóxicos o caros.
Los ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia crean condiciones extremas de densidad energética, con altas presiones, temperaturas y elevadas fuerzas de cizallamiento. Estas fuerzas físicas favorecen la ruptura de las estructuras celulares para liberar compuestos intracelulares al medio. Por ello, los ultrasonidos de baja frecuencia se utilizan en gran medida para la extracción de sustancias bioactivas y combustibles de las algas. En comparación con los métodos de extracción convencionales, como la extracción con disolventes, el molido de microesferas o la homogeneización a alta presión, la extracción por ultrasonidos destaca por la liberación de la mayoría de los compuestos bioactivos (como lípidos, proteínas, polisacáridos y micronutrientes) de la célula sonoporada y alterada. Aplicando las condiciones de proceso adecuadas, la extracción por ultrasonidos ofrece rendimientos de extracción superiores en un tiempo de proceso muy corto. Por ejemplo, los extractores ultrasónicos de alto rendimiento muestran un excelente rendimiento de extracción de algas, cuando se utilizan con un disolvente adecuado. En un medio ácido o alcalino, la pared celular de las algas se vuelve porosa y se arruga, lo que da lugar a mayores rendimientos a baja temperatura (por debajo de 60 °C) en un tiempo de sonicación corto (menos de 3 horas). La corta duración de la extracción a temperaturas suaves impide la degradación del fucoidan, de modo que se obtiene un polisacárido altamente bioactivo.
La ultrasonicación también es un método para transformar el fucoidan de alto peso molecular en fucoidan de bajo peso molecular, que es significativamente más bioactivo debido a su estructura desramificada. Gracias a su elevada bioactividad y bioaccesibilidad, el fucoidán de bajo peso molecular es un compuesto interesante para productos farmacéuticos y sistemas de administración de fármacos.

Casos prácticos: Extracción ultrasónica de compuestos de algas

La eficacia de la extracción por ultrasonidos y la optimización de los parámetros de extracción por ultrasonidos se han estudiado ampliamente. A continuación, puede encontrar resultados ejemplares de los resultados de extracción mediante ultrasonidos de varias especies de algas.

Extracción de proteínas de la espirulina mediante Mano-Thermo-Sonicación

El grupo de investigación del profesor Chemat (Universidad de Aviñón) investigó los efectos de la manotermosonicación (MTS) en la extracción de proteínas (como la ficocianina) de la cianobacteria seca Arthrospira platensis (también conocida como espirulina). La Mano-Termo-Sonicación (MTS) es la aplicación de ultrasonidos combinados con presiones y temperaturas elevadas con el fin de intensificar el proceso de extracción por ultrasonidos.
"Según los resultados experimentales, el MTS promovió la transferencia de masa (alta difusividad efectiva, De) y permitió obtener un 229% más de proteínas (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) que el proceso convencional sin ultrasonidos (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Con 28,42 g de proteínas por 100 g de biomasa seca de espirulina en el extracto, se alcanzó una tasa de recuperación de proteínas del 50% en 6 minutos efectivos con un proceso MTS continuo. Las observaciones microscópicas mostraron que la cavitación acústica afectaba a los filamentos de espirulina mediante diferentes mecanismos como la fragmentación, la sonoporación y la detexturación. Estos diversos fenómenos facilitan la extracción, liberación y solubilización de los compuestos bioactivos de la espirulina." [Vernès et al., 2019]

Imágenes de microscopía óptica de filamentos enteros de espiurulina sometidos a tratamiento con MTS a lo largo del tiempo. Barra de escala (imagen A) = 50 μm para todas las imágenes.
fotografía y estudio: ©Vernès et al. 2019

Extracción ultrasónica de fucoidán y glucano a partir de Laminaria digitata

El grupo de investigación TEAGASC del Dr. Tiwari investigó la extracción de polisacáridos, es decir, fucoidan, laminarina y glucanos totales, de la macroalga Laminaria digitata utilizando el Ultrasonicador UIP500hdT. Los parámetros de extracción asistida por ultrasonidos (EAU) estudiados mostraron una influencia significativa en los niveles de fucosa, FRAP y DPPH. Se obtuvieron niveles de 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde y 11,02% para fucosa, glucanos totales, FRAP y DPPH respectivamente en condiciones optimizadas de temperatura (76◦C), tiempo (10 min) y amplitud ultrasónica (100%) utilizando HCl 0,1 M como disolvente. Las condiciones de EAU descritas se aplicaron después con éxito a otras macroalgas pardas económicamente relevantes (L. hyperborea y A. nodosum) para obtener extractos ricos en polisacáridos. Este estudio demuestra la aplicabilidad de la EAU para mejorar la extracción de polisacáridos bioactivos de varias especies de macroalgas.

Extracción fitoquímica por ultrasonidos de F. vesiculosus y P. canaliculata

El equipo de investigación de García-Vaquero comparó varias técnicas de extracción novedosas, como la extracción ultrasónica de alto rendimiento, la extracción por ultrasonidos y microondas, la extracción por microondas, la extracción asistida por hidrotermia y la extracción asistida por alta presión, con el fin de evaluar la eficacia de la extracción de las especies de microalgas pardas Fucus vesiculosus y Pelvetia canaliculata. Para la ultrasonicación, utilizaron el Extractor ultrasónico Hielscher UIP500hdT. El análisis de los rendimientos de extracción reveló que la extracción ultrasónica logró los rendimientos más altos de la mayoría de los fitoquímicos de ambos F. vesiculosus. Esto significa que los rendimientos más elevados de los compuestos extraídos de F. vesiculosus mediante la extracción por ultrasonidos fueron los siguientes extractor ultrasónico UIP500hdT fueron: contenido fenólico total (445,0 ± 4,6 mg de equivalentes de ácido gálico/g), contenido total de clorotaninos (362,9 ± 3,7 mg de equivalentes de cloroglucinol/g), contenido total de flavonoides (286,3 ± 7,8 mg de equivalentes de quercetina/g) y contenido total de taninos (189,1 ± 4,4 mg de equivalentes de catequina/g).
En su estudio de investigación, el equipo concluyó que el uso de la extracción asistida por ultrasonidos "combinada con una solución etanólica al 50% como disolvente de extracción podría ser una estrategia prometedora dirigida a la extracción de TPC, TPhC, TFC y TTC, al tiempo que reduce la coextracción de carbohidratos indeseables tanto de F. vesiculosus como de P. canaliculata, con aplicaciones prometedoras cuando se utilizan estos compuestos como productos farmacéuticos, nutracéuticos y cosmecéuticos." [García-Vaquero et al., 2021].

Ampliación de la mano-termosonicación en la Universidad de Aviñón mediante ultrasonidos Hielscher: a partir de material de laboratorio UIP1000hdT (A) a equipos a escala piloto UIP4000hdT (B, C & D). En la imagen D se esquematiza una sección transversal de la célula de flujo ultrasónico FC100K.
fotografía y estudio: ©Vernès et al. 2019

Extractores ultrasónicos de alto rendimiento para la disrupción de algas

Los equipos de ultrasonidos de última generación de Hielscher permiten un control total de los parámetros del proceso, como la amplitud, la temperatura, la presión y el aporte de energía.
En la extracción por ultrasonidos, pueden variarse y optimizarse parámetros como el tamaño de las partículas de materia prima, el tipo de disolvente, la proporción sólido-disolvente y el tiempo de extracción para obtener los mejores resultados.
Dado que la extracción por ultrasonidos es un método de extracción no térmico, se evita la degradación térmica de los ingredientes bioactivos presentes en la materia prima, como las algas.
En general, ventajas como el alto rendimiento, el corto tiempo de extracción, la baja temperatura de extracción y las pequeñas cantidades de disolvente hacen de la sonicación el método de extracción superior.

Extracción por ultrasonidos: Establecida en el laboratorio y la industria

La extracción por ultrasonidos se aplica ampliamente a la extracción de cualquier tipo de compuesto bioactivo de plantas, algas, bacterias y células de mamíferos. La extracción por ultrasonidos se ha consolidado como una técnica sencilla, rentable y muy eficaz que supera a otras técnicas de extracción tradicionales por su mayor rendimiento y menor duración del proceso.
Gracias a la disponibilidad de sistemas de ultrasonidos de laboratorio, de sobremesa y totalmente industriales, la extracción por ultrasonidos es hoy en día una tecnología consolidada y fiable. Los extractores ultrasónicos de Hielscher están instalados en todo el mundo en instalaciones de procesamiento industrial que producen compuestos bioactivos de calidad alimentaria y farmacéutica.

Normalización de procesos con Hielscher Ultrasonics

Los extractos derivados de algas, que se utilizan en alimentos, productos farmacéuticos o cosméticos, deben producirse de acuerdo con las Buenas Prácticas de Fabricación (BPF) y bajo especificaciones de procesamiento estandarizadas. Los sistemas digitales de extracción de Hielscher Ultrasonics incorporan un software inteligente que facilita la configuración y el control precisos del proceso de sonicación. El registro automático de datos escribe todos los parámetros del proceso ultrasónico, como la energía ultrasónica (energía total y neta), la amplitud, la temperatura, la presión (cuando se montan sensores de temperatura y presión) con fecha y hora en la tarjeta SD integrada. Esto permite revisar cada lote procesado por ultrasonidos. Al mismo tiempo, se garantiza la reproducibilidad y la alta calidad continua del producto.

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