Antotsüaniinide ultraheliekstraktsioon

Antotsüaniine kasutatakse laialdaselt looduslike värvainete ja toidulisandina toidutoodetes. Ultraheliekstraktsioon on väga tõhus ja lihtne meetod kvaliteetsete antotsüaniinide saamiseks. Sondtüüpi sonikaatorite kasutamine soodustab kvaliteetsete antotsüaniinide vabanemist taimedest, mille tulemuseks on suurem saagis ja kiire protsess. Samal ajal on ultraheli töötlus (sonikeerimine) õrn, keskkonnasõbralik ja tõhus meetod toidu- ja farmaatsiakvaliteediga antotsüaniinide tööstuslikuks tootmiseks.

Antotsüaniinid – kuidas ekstraheerida kvaliteetseid antotsüaniine sonikaatori abil

Antotsüaniine kasutatakse toidutööstuses laialdaselt looduslike värvainetena. Neil on lai värvitoonide spekter, mis ulatub oranžist punase kaudu lillani ja siniseni, olenevalt molekulaarstruktuurist ja pH väärtusest. Huvi antotsüaniinide vastu ei põhine mitte ainult nende värvivale toimele, vaid ka nende tervist soodustavatele omadustele. Kasvavate keskkonna- ja terviseprobleemide tõttu seoses sünteetiliste värvainetega on looduslikud värvained suurepärane alternatiiv keskkonnasõbraliku värvainena toidu- ja ravimitööstusele.

Ultrahelil põhinevalt parandatud antotsüaniinide ekstraheerimine

Kuidas ekstraheerida antotsüaniine ultrahelilt? – Juhtumiuuringud

Antotsüaniinide ultraheliekstraktsioon lillast riisist Oryza Sativa L.

Lilla riis tüvest Oryza Sativa (tuntud ka kui Violet Nori või violetne riis) on erakordselt rikas fenoolsete ühendite, näiteks flavonoidide rühma kuuluvate antotsüaniinide poolest. Turrini et al. (2018) kasutasid ultraheliekstraktsiooni polüfenoolide, näiteks antotsüaniinide ja antioksüdantide eraldamiseks lilla riisi terast (tervel, pruunil ja aurutatud kujul) ning lehtedest. Ultraheliekstraktsioon tehti Hielscheri seadmega UP200St (200W, 26kHz, vt pilti vasakul) ja 60% etanooliga lahustina.
Antotsüaniinide terviklikkuse säilitamiseks hoiti ultrahelil saadud ekstrakte temperatuuril −20°C, mis võimaldas neid säilitada vähemalt kuni kolm kuud.
Tsüanidiin-3-glükosiid (tuntud ka kui krüsantemiin) oli Turrini et al. uuringus vaadeldud sortides ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ ja ‘Nerone’ ülekaalukalt peamine tuvastatud antotsüaniin, samas kui peonidiin-3-glükosiidi ja tsüanidiin-3-rutinosiidi (ka antirrhiniin) leiti väiksemates kogustes.
Oryza Sativa violetsed lehed on suurepärane antotsüaniinide ja üldfenoolide sisalduse (TPC) allikas. Umbes 2–3 korda suurema sisaldusega kui riisis ja jahus pakuvad Oryza lehed odavat tooret antotsüaniinide ekstraheerimiseks. Hinnanguline saagis ligikaudu 4 kg antotsüaniini/t värskeid lehti on märgatavalt suurem kui 1 kg antotsüaniini/t riisi, mis on arvutatud ‘Violet Nori’ riisis tuvastatud keskmiste antotsüaniinisisalduste (1300 µg/g riisi, tsüanidiin-3-glükosiidina) põhjal, kui 100 kg riisiterast saadakse ligikaudu 68 kg riisi.

Antotsüaniinide ultraheliekstraktsioon punasest kapsast

Ravanfar et al. (2015) uurisid antotsüaniinide ultraheliekstraktsiooni tõhusust punasest kapsast. Ultraheliekstraktsiooni katsed tehti ultraheli süsteemiga UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotrood MS10 (otsa läbimõõt 10mm) asetati temperatuurikontrolliga mantliga klaasist keeduklaasi keskele.

Värskelt lõigatud punakapsa tükke mõõtmetega 5 mm (kuubikujulised) ja niiskusesisaldusega 92,11 ± 0,45 % kasutati selles katses. Mantliga klaasnõu (maht: 200 ml) täideti 100 ml destilleeritud vee ja 2 g punakapsa tükkidega. Keeduklaas kaeti alumiiniumfooliumiga, et vältida lahusti (vee) kadu aurustumise tõttu protsessi käigus. Kõigis katsetes hoiti keeduklaasi temperatuuri termostaatilise regulaatori abil. Proovid koguti lõpuks kokku, filtreeriti ja tsentrifuugiti kiirusel 4000 p/min ning antotsüaniinide saagise määramiseks kasutati supernatante. Ekstraheerimine veevannis viidi läbi kontrollkatsena.
Antotsüaniinide optimaalne saagis punakapsast määrati võimsusel 100 W, ajal 30 min ja temperatuuril 15°C, mille tulemusena oli antotsüaniinide saagis ligikaudu 21 mg/L.
Tänu pH-väärtusest sõltuvatele värvimuutustele ja intensiivsele värvusele on punakapsa värvainet kasutatud vastavalt pH-indikaatorina farmaatsiapreparaatides ning antioksüdantide ja värvainetena toidusüsteemides.

Ultraheli intensiivistab antotsüaniinide ekstraheerimist taimsest materjalist oluliselt.
allikas: Ravanfar et al. 2015

Teised uuringud näitavad antotsüaniinide eduka ultraheliekstraheerimise võimalust muu hulgas mustikatest, murakatest, viinamarjadest, kirssidest, maasikatest ja lillast bataadist.

Suure jõudlusega ultraheliekstraktorid

Hielscher Ultrasonics on spetsialiseerunud suure jõudlusega ultraheliprotsessorite tootmisele kvaliteetsete ekstraktide valmistamiseks taimsest toorainest.
Hielscheri sonikaatorite lai valik hõlmab väikeseid võimsaid laboriultrahelirakendusi kuni tugevate lauaseadmete ja täielikult tööstuslike süsteemideni, mis annavad suure intensiivsusega ultraheli bioaktiivsete ainete tõhusaks ekstraheerimiseks ja isoleerimiseks (nt antotsüaniinid, gingerool, piperiin, kurkumiin jne).
Kõik ultraheliseadmed vahemikus 200W kuni 16 000W on varustatud värvilise puutekraaniga digitaalseks juhtimiseks, integreeritud SD-kaardiga automaatseks andmete salvestamiseks, brauseri kaugjuhtimisega ja paljude muude kasutajasõbralike funktsioonidega. Sonotroode ja läbivoolukambreid (osi, mis on kontaktis söötmega) saab autoklaavida ning neid on lihtne puhastada.
Hielscheri sonikaatorid on väga töökindlad ja ehitatud 24/7 tööks täiskoormusel, vajades samal ajal vähe hooldust ning olles lihtsad ja ohutud kasutada. Digitaalne värviekraan võimaldab ultraheliseadet kasutajasõbralikult juhtida.
Meie süsteemid suudavad anda amplituudi madalast kuni väga kõrgeni. Kannabinoidide ja terpeenide ekstraheerimiseks pakume spetsiaalseid ultraheli sonotroode (tuntud ka kui ultraheli sondid või sarved), mis on optimeeritud kvaliteetsete toimeainete õrnaks isoleerimiseks. Kõiki meie süsteeme saab kasutada kannabinoidide ekstraheerimiseks ja sellele järgnevaks emulgeerimiseks. Hielscheri sonikaatorite töökindlus võimaldab pidevat tööd (24/7) suure koormuse all ja nõudlikes keskkondades.

Ultraheliprotsessi parameetrite täpne juhtimine tagab reprodutseeritavuse ja protsessi standardimise.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlemismahust:

Kirjandus / viited

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Teada väärt fakte

Kuidas ultraheliga toetatud ekstraheerimine töötab?

Intensiivsete ultraheilainete rakendamine vedelale söötmele põhjustab kavitatsiooni. Nähtus, mida nimetatakse kavitatsiooniks, põhjustab kohapeal äärmuslikke temperatuure, rõhke, kuumutamis- ja jahutuskiirusi, rõhuvahesid ning suuri nihkejõude keskkonnas. Kui kavitatsioonimullid implodeeruvad tahkete osakeste (nagu osakesed, taimerakud, koed jne) pinnal, tekitavad mikrojoad ja osakestevahelised kokkupõrked sellised mõjud nagu pinna koorumine, erosioon ja osakeste lagunemine. Lisaks tekitab kavitatsioonimullide implosioon vedelates keskkondades makroturbulentsi ja mikrosegunemist.
Taimse materjali ultraheli kiiritamine killustab taimerakkude maatriksi ja suurendab selle hüdratatsiooni. Chemat et al (2015) jõuavad järeldusele, et bioaktiivsete ühendite ultraheliekstraktsioon taimsest materjalist on tulemus erinevatest iseseisvatest või kombineeritud mehhanismidest, sealhulgas killustumisest, erosioonist, kapillaarsusest, detekstureerimisest ja sonoporatsioonist. Need mõjud lõhuvad rakuseina, parandavad massiülekannet, surudes lahusti rakku ja imedes fütoühenditega koormatud lahusti välja, ning tagavad vedeliku liikumise mikrosegunemise kaudu.

Ultraheliekstraktsioon põhineb akustilisel kavitatsioonil ja selle hüdrodünaamilistel nihkejõududel

Taimse materjali ultraheli kiiritamine killustab taimerakkude maatriksi ja suurendab selle hüdratatsiooni. Chemat et al. (2015) jõuavad järeldusele, et bioaktiivsete ühendite ultraheliekstraktsioon taimsest materjalist on tulemus erinevatest iseseisvatest või kombineeritud mehhanismidest, sealhulgas killustumisest, erosioonist, kapillaarsusest, detekstureerimisest ja sonoporatsioonist. Need mõjud lõhuvad rakuseina, parandavad massiülekannet, surudes lahusti rakku ja imedes fütoühenditega koormatud lahusti välja, ning tagavad vedeliku liikumise mikrosegunemise kaudu.
Ultraheliekstraktsioon saavutab ühendite väga kiire isoleerimise – edestades tavapäraseid ekstraktsioonimeetodeid lühema protsessiaja, suurema saagise ja madalamate temperatuuride poolest. Kerge mehaanilise töötlusena väldib ultraheliga toetatud ekstraktsioon bioaktiivsete komponentide termilist lagunemist ja on parem kui teised tehnikad, näiteks tavapärane lahustiga ekstraktsioon, hüdrodestillatsioon või Soxhleti ekstraktsioon, mis teadaolevalt hävitavad kuumustundlikke molekule. Nende eeliste tõttu on ultraheliekstraktsioon eelistatud tehnika temperatuuritundlike bioaktiivsete ühendite vabastamiseks taimsest materjalist.

Ultraheliekstraktsioon taimerakkudest: mikroskoopiline ristlõige (TS) näitab toimemehhanismi ultraheliekstraktsiooni ajal rakkudest (suurendus 2000x) [allikas: Vilkhu et al. 2011]

Antotsüaniin – väärtuslik taimne pigment

Antotsüaniinid on vakuolaarsed taimsed pigmendid, mis võivad esineda punase, lilla, sinise või mustana. Vees lahustuvate antotsüaniinpigmentide värvus sõltub nende pH väärtusest. Antotsüaniine leidub rakuvakuoolis, enamasti õitel ja viljades, kuid ka lehtedes, vartes ja juurtes, kus neid leidub enamasti välimistes rakukihtides, nagu epidermis ja perifeersed mesofüllirakud.
Looduses esinevad kõige sagedamini tsüanidiini, delfinidiini, malvidiini, pelargonidiini, peonidiini ja petunidiini glükosiidid.
Antotsüaniinirikaste taimede silmapaistvate näidete hulka kuuluvad mustikaliste (Vaccinium) liigid, nagu mustikas, jõhvikas ja pohl; Rubus’e marjad, sealhulgas must vaarikas, punane vaarikas ja põldmari; mustsõstar, kirss, baklažaan, must riis, ube, Okinawa bataat, Concordi viinamari, muskadiin-viinamari, punane kapsas ja kannikeseõielehed. Punase viljalihaga virsikud ja õunad sisaldavad antotsüaniine. Antotsüaniine on vähem banaanis, spargel, herne, apteegitilli, pirni ja kartuli puhul ning need võivad rohelise karusmarja teatud sortides täielikult puududa.

Peamiste antotsüaniinide struktuur

Antotsüaniinid on suurepärane alternatiiv sünteetiliste värvainete asendamiseks toiduainetes. Antotsüaniinid on Euroopa Liidus, Austraalias ja Uus-Meremaal heaks kiidetud toiduvärvainetena ning nende värvainekood on E163. Antotsüaniine leidub puu- ja köögiviljades ning neid võib kirjeldada kui veeslahustuvate taimsete pigmentide liiki. Keemiliselt on antotsüaniinid antotsüanidiinide glükosiidid, mis põhinevad 2-phenylbenzophyrylium (flavylium) struktuuril. Antotsüaniinide kategooriasse kuulub üle 200 erineva fütokemikaali. Kuna antotsüaniinid on metsviljade ja marjade peamine värvipigment, on palju allikaid, millest antotsüaniine saab ekstraheerida. Silmapaistev antotsüaniinide allikas on viinamarjade koor. Viinamarjakoore antotsüaniinpigmendid koosnevad peamiselt peonidiini, malvidiini, tsüanidiini, petunidiini ja delfinidiini diglükosiididest, monoglükosiidist, atsüleeritud monoglükosiididest ning atsüleeritud diglükosiididest. Antotsüaniinide sisaldus viinamarjades varieerub vahemikus 30-750mg/100g.
Kõige tuntumad antotsüaniinid on tsüanidiin, delfinidiin, pelargonidiin, peonidiin, malvidiin ja petunidiin.
Näiteks leidub lillades bataatides antotsüaniine peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside ja cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside.

Antotsüaniinid – tervisega seotud kasu

Lisaks suurepärasele võimele toimida looduliku toiduvärvainena hinnatakse antotsüaniine kõrgelt nende antioksüdatiivse toime tõttu. Seetõttu avaldavad antotsüaniinid mitmeid positiivseid tervisemõjusid. Uuringud on näidanud, et antotsüaniinid võivad pärssida DNA kahjustusi vähirakkudes, pärssida seedeensüüme, indutseerida insuliini tootmist isoleeritud kõhunäärmerakkudes, vähendada põletikureaktsioone, kaitsta ajutalitluse east tingitud languse eest, parandada kapillaarsete veresoonte tihedust ja ennetada trombotsüütide agregatsiooni.