Ultrasonicación para mejorar la ruptura celular y la extracción de algas

Las algas, tanto macroalgas como microalgas, contienen numerosos compuestos valiosos que se utilizan como alimentos nutritivos, aditivos alimentarios, combustibles o materias primas para combustibles. Para liberar las sustancias de interés de las células de las algas, se requiere una técnica de ruptura celular potente y eficiente. Los extractores ultrasónicos son altamente eficientes y fiables para extraer compuestos bioactivos de materiales vegetales, algas y hongos. Disponibles a escala de laboratorio, de sobremesa e industrial, los extractores ultrasónicos de Hielscher están consolidados en la producción de extractos celulares para la industria alimentaria, farmacéutica y de biocombustibles.

Las algas como recurso valioso para la nutrición y los combustibles

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 fuente apreciada de lípidos, que se utilizan en nutrición y como materia prima para biocombustibles (p. ej., biodiésel). Las cepas del fitoplancton marino Dicrateria, como Dicrateria rotunda, se conocen como algas productoras de gasolina, capaces de sintetizar una serie de hidrocarburos saturados (n‐alcanos) desde C₁₀H₂₂ hasta C₃₈H₇₈, que se clasifican como gasolina (C10–C15), gasóleos (C16–C20) y fuelóleos (C21–C38).
Debido a su valor nutricional, 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 fucoidano, laminari y otros glucanos, que, junto con numerosas otras sustancias bioactivas, se utilizan como suplementos nutricionales y productos farmacéuticos. La carragenina, el alginato y otros hidrocoloides se utilizan como aditivos alimentarios. Los lípidos de las algas se utilizan como fuente vegana de omega-3 y también como combustible o como materia prima para producir biodiésel.

Ruptura celular y extracción de algas mediante ultrasonidos de potencia

Los extractores ultrasónicos, o simplemente ultrasonicadores, se utilizan para extraer compuestos valiosos de pequeñas muestras en el laboratorio, así como para la producción comercial a gran escala.
Las células de las algas están protegidas por matrices complejas de pared celular, compuestas por lípidos, celulosa, proteínas, glucoproteínas y polisacáridos. La base de la mayoría de las paredes celulares de las algas está formada por una red microfibrilar dentro de una matriz proteica de tipo gel; sin embargo, algunas microalgas poseen una pared inorgánica rígida compuesta por frústulas de sílice opalina o carbonato de calcio. Para obtener compuestos bioactivos de la biomasa de algas, es necesaria una técnica eficiente de ruptura celular. Además de los factores tecnológicos de la extracción (es decir, el método y el equipo de extracción), la eficiencia de la ruptura celular y la extracción de algas también depende en gran medida de diversos factores propios de las algas, como la composición de la pared celular, la ubicación de la biomolécula deseada en las células de las microalgas y la fase de crecimiento de las microalgas en el momento de la recolección.

¿Cómo funcionan la ruptura celular y la extracción de algas por ultrasonidos?

Cuando se acoplan ondas ultrasónicas de alta intensidad a un líquido o una suspensión mediante una sonda ultrasónica (también denominada bocina ultrasónica o sonotrodo), las ondas sonoras se propagan por el líquido y generan ciclos alternos de alta presión / baja presión. Durante estos ciclos de alta presión / baja presión, se forman diminutas burbujas de vacío o cavidades. Las burbujas de cavitación se forman cuando, durante los ciclos de baja presión, la presión local desciende lo suficiente por debajo de la presión de vapor saturado, un valor determinado por la resistencia a la tracción del líquido a una temperatura determinada. Estas burbujas crecen durante varios ciclos. Cuando estas burbujas de vacío alcanzan un tamaño en el que ya no pueden absorber más energía, implosionan violentamente durante un ciclo de alta presión. La implosión de las burbujas de cavitación es un proceso violento y de alta densidad energética que genera intensas ondas de choque, turbulencias y microchorros en el fluido. Además, se generan presiones y temperaturas locales muy elevadas. Estas condiciones extremas pueden romper fácilmente las paredes y membranas celulares y liberar los compuestos intracelulares de manera efectiva, eficaz y rápida. De este modo, los compuestos intracelulares, como proteínas, polisacáridos, lípidos, vitaminas, minerales y antioxidantes, pueden extraerse eficazmente mediante ultrasonidos de potencia.

Cavitación ultrasónica para la ruptura celular y la extracción

Cuando se expone a una intensa energía ultrasónica, la pared o membrana de cualquier tipo de célula (incluidas las vegetales, de mamíferos, de algas, de hongos, bacterianas, etc.) se rompe y la célula se divide en fragmentos más pequeños por las fuerzas mecánicas de la cavitación ultrasónica de alta densidad energética. Cuando se rompe la pared celular, los metabolitos celulares, como proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y clorofila, se liberan tanto de la matriz de la pared celular como del interior de la célula y se transfieren al medio de cultivo o al disolvente circundante.
El mecanismo de cavitación ultrasónica / acústica descrito anteriormente provoca una ruptura intensa de las células completas de las algas o de las vacuolas de gas y líquido del interior de las células. La cavitación ultrasónica, la vibración, las turbulencias y las microcorrientes favorecen la transferencia de masa entre el interior celular y el disolvente circundante, de modo que las biomoléculas (es decir, los metabolitos) se liberan de forma eficiente y rápida. Esto se debe a que la sonicación es un tratamiento puramente mecánico que no requiere sustancias químicas agresivas, tóxicas y/o costosas.
Los ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia generan condiciones extremas de alta densidad energética, caracterizadas por presiones y temperaturas elevadas y grandes fuerzas de cizallamiento. Estas fuerzas físicas favorecen la ruptura de las estructuras celulares para liberar los compuestos intracelulares al medio. Por ello, los ultrasonidos de baja frecuencia se utilizan ampliamente para extraer sustancias bioactivas y combustibles de las algas. En comparación con los métodos de extracción convencionales, como la extracción con disolventes, la molienda con molinos de perlas o la homogeneización a alta presión, la extracción ultrasónica destaca por liberar la mayoría de los compuestos bioactivos (como lípidos, proteínas, polisacáridos y micronutrientes) de la célula sonoporada y rota. Con las condiciones de proceso adecuadas, la extracción ultrasónica proporciona rendimientos de extracción superiores en un tiempo de proceso muy breve. Por ejemplo, los extractores ultrasónicos de alto rendimiento ofrecen excelentes resultados 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 arrugada, lo que aumenta los rendimientos a baja temperatura (por debajo de 60 °C) con un tiempo de sonicación breve (menos de 3 horas). La corta duración de la extracción a temperaturas suaves evita la degradación del fucoidano, por lo que se obtiene un polisacárido altamente bioactivo.
La ultrasonicación también permite transformar el fucoidano de alto peso molecular en fucoidano de bajo peso molecular, que es significativamente más bioactivo debido a su estructura desramificada. Gracias a su elevada bioactividad y bioaccesibilidad, el fucoidano de bajo peso molecular es un compuesto de interés para productos farmacéuticos y sistemas de administración de fármacos.

Estudios de caso: extracción ultrasónica de compuestos de algas

La eficiencia de la extracción ultrasónica y la optimización de sus parámetros se han estudiado ampliamente. A continuación se presentan ejemplos de resultados de extracción mediante ultrasonicación de diversas especies de algas.

Extracción de proteínas de espirulina mediante manotermosonicación

El grupo de investigación del Prof. Chemat (Universidad de Aviñón) investigó los efectos de la manotermosonicación (MTS) sobre la extracción de proteínas (como la ficocianina) de cianobacterias secas Arthrospira platensis (también conocidas como espirulina). La manotermosonicación (MTS) consiste en aplicar ultrasonidos combinados con presiones y temperaturas elevadas para intensificar el proceso de extracción ultrasónica.
«Según los resultados experimentales, la MTS favoreció 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 mediante un proceso continuo de MTS. Las observaciones microscópicas mostraron que la cavitación acústica afectó a los filamentos de espirulina mediante distintos mecanismos, como fragmentación, sonoporación y desestructuración. 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 completos de espirulina sometidos a tratamiento de MTS a lo largo del tiempo. Barra de escala (imagen A) = 50 μm para todas las imágenes.
imagen y estudio: ©Vernès et al. 2019

Extracción ultrasónica de fucoidano y glucanos de Laminaria digitata

El grupo de investigación de TEAGASC del Dr. Tiwari investigó la extracción de polisacáridos, concretamente fucoidano, laminarina y glucanos totales, de la macroalga Laminaria digitata utilizando el ultrasonicador UIP500hdT. Los parámetros estudiados de la extracción asistida por ultrasonidos (UAE) mostraron una influencia significativa sobre los niveles de fucosa, FRAP y DPPH. Se obtuvieron valores 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 0,1 M HCl como disolvente. Las condiciones de UAE descritas se aplicaron posteriormente con éxito a otras macroalgas pardas de importancia económica (L. hyperborea y A. nodosum) para obtener extractos ricos en polisacáridos. Este estudio demuestra la aplicabilidad de la UAE para mejorar la extracción de polisacáridos bioactivos de diversas especies de macroalgas.

Extracción ultrasónica de compuestos fitoquímicos de F. vesiculosus y P. canaliculata

El equipo de investigación de García-Vaquero comparó diversas técnicas novedosas de extracción, entre ellas la extracción ultrasónica de alto rendimiento, la extracción por ultrasonidos y microondas, la extracción por microondas, la extracción asistida por tratamiento hidrotérmico y la extracción asistida por alta presión, para evaluar la eficiencia de 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 alcanzó los mayores rendimientos de la mayoría de los compuestos fitoquímicos de ambas F. vesiculosus. Esto significa que los mayores rendimientos de los compuestos extraídos de F. vesiculosus mediante el extractor ultrasónico UIP500hdT fueron: contenido fenólico total (445,0 ± 4,6 mg de equivalentes de ácido gálico/g), contenido total de florotaninos (362,9 ± 3,7 mg de equivalentes de floroglucinol/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, 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 para extraer TPC, TPhC, TFC y TTC, reduciendo al mismo tiempo la coextracción de carbohidratos no deseados tanto de F. vesiculosus como de P. canaliculata, con aplicaciones prometedoras de estos compuestos como productos farmacéuticos, nutracéuticos y cosmecéuticos». [García-Vaquero et al., 2021]

Escalado de la manotermosonicación en la Universidad de Aviñón mediante ultrasonicadores de Hielscher: desde el equipo de laboratorio UIP1000hdT (A) hasta el equipo a escala piloto UIP4000hdT (B, C & D). La imagen D muestra un esquema de una sección transversal de la celda de flujo ultrasónica FC100K.
imagen y estudio: ©Vernès et al. 2019

Extractores ultrasónicos de alto rendimiento para la ruptura celular de algas

Los equipos ultrasónicos de última generación de Hielscher permiten controlar por completo parámetros del proceso como la amplitud, la temperatura, la presión y el aporte de energía.
En la extracción ultrasónica, parámetros como el tamaño de partícula de la materia prima, el tipo de disolvente, la proporción entre sólido y disolvente y el tiempo de extracción pueden modificarse y optimizarse para obtener los mejores resultados.
Dado que la extracción ultrasónica es un método de extracción no térmico, se evita la degradación térmica de los ingredientes bioactivos presentes en materias primas como las algas.
En conjunto, ventajas como el alto rendimiento, el breve tiempo de extracción, la baja temperatura de extracción y las pequeñas cantidades de disolvente hacen de la sonicación un método de extracción superior.

Extracción ultrasónica: consolidada en el laboratorio y la industria

La extracción ultrasónica se utiliza ampliamente para extraer cualquier tipo de compuesto bioactivo de materiales vegetales, algas, bacterias y células de mamíferos. La extracción ultrasónica se ha consolidado como una técnica sencilla, rentable y altamente eficiente que supera a otras técnicas de extracción tradicionales gracias a sus mayores rendimientos de extracción y a sus tiempos de procesamiento más breves.
Con sistemas ultrasónicos de laboratorio, de sobremesa y plenamente industriales fácilmente disponibles, la extracción ultrasónica es hoy una tecnología consolidada y fiable. Los extractores ultrasónicos de Hielscher están instalados en todo el mundo en plantas industriales de procesamiento que producen compuestos bioactivos de calidad alimentaria y farmacéutica.

Estandarización del proceso con Hielscher Ultrasonics

Los extractos derivados de algas que se utilizan en alimentos, productos farmacéuticos o cosméticos deben producirse conforme a las buenas prácticas de fabricación (GMP) y a especificaciones de procesamiento estandarizadas. Los sistemas digitales de extracción de Hielscher Ultrasonics incorporan un software inteligente que facilita la configuración y el control preciso del proceso de sonicación. El registro automático de datos guarda en la tarjeta SD integrada todos los parámetros del proceso ultrasónico, como la energía ultrasónica (energía total y neta), la amplitud, la temperatura y la presión (cuando se instalan sensores de temperatura y presión), con fecha y hora. Esto permite revisar cada lote procesado por ultrasonidos. Al mismo tiempo, se garantizan la reproducibilidad y una calidad del producto constantemente elevada.

La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores: