Ultraheli, et parandada vetikarakkude katkemist ja ekstraheerimist

Vetikad, makro- ja mikrovetikad sisaldavad palju väärtuslikke ühendeid, mida kasutatakse toitaineliste toitude, toidulisandite või kütuse või kütuse lähteainena. Sihtainete vetikarakust vabastamiseks on vaja tugevat ja tõhusat rakkude katkestamise tehnikat. Ultraheli ekstraktorid on väga tõhusad ja usaldusväärsed, kui tegemist on bioaktiivsete ühendite ekstraheerimisega botaanilistest ainetest, vetikatest ja seentest. Saadaval laboris, pink-top ja tööstuslikus mastaabis, Hielscheri ultraheli ekstraktorid on loodud rakkudest saadud ekstraktide tootmiseks toidu, farmaatsia ja biokütuste tootmisel.

Vetikad kui väärtuslik ressurss toitumise ja kütuse jaoks

Vetikarakud on mitmekülgne bioaktiivsete ja energiarikaste ühendite, näiteks valkude, süsivesikute, lipiidide ja muude bioaktiivsete ainete ning alkaanide allikas. See muudab vetikad nii toidu- ja toitaineühendite kui ka kütuste allikaks.
Mikrovetikad on hinnatud lipiidide allikas, mida kasutatakse toitumiseks ja biokütuste lähteainena (nt biodiisel). Mere fütoplanktoni Dicrateria tüved, nagu Dicrateria rotunda, on tuntud kui bensiini tootvad vetikad, mis võivad sünteesida C-st rea küllastunud süsivesinikke (n-alkaanid)₁₀H₂₂ kuni C₃₈H₇₈, mis on liigitatud bensiiniks (C10–C15), diislikütuseks (C16–C20) ja kütteõlideks (C21–C38).
Toiteväärtuse tõttu kasutatakse vetikaid "funktsionaalsete toitudena" või "toitainetena". Vetikatest ekstraheeritud oluliste mikroelementide hulka kuuluvad karotenoidid astaksantiin, fukoksantiin ja zeaksantiin, fukoidaan, laminari ja muud glükaanid, lisaks paljudele teistele bioaktiivsetele ainetele, mida kasutatakse toidulisandite ja farmuteutilistena. Toidulisanditena kasutatakse karrageeni, alginaati ja muid hüdrokolloide. Vetikate lipiide kasutatakse vegan oomega-3 allikana ja kasutatakse ka kütusena või lähteainena biodiisli tootmisel.

Vetikarakkude häirimine ja ekstraheerimine Power Ultrasoundi abil

Ultraheli ekstraktoreid või lihtsalt ultrasonikaatoreid kasutatakse väärtuslike ühendite ekstraheerimiseks väikestest proovidest laboris, samuti tootmiseks suurtes kaubanduslikes mastaapides.
Vetikarakke kaitsevad komplekssed rakuseina maatriksid, mis koosnevad lipiididest, tselluloosist, valkudest, glükoproteiinidest ja polüsahhariididest. Enamiku vetikate rakuseinte alus on ehitatud mikrofibrillaarsest võrgust geelitaolise valgumaatriksi sees; Kuid mõned mikrovetikad on varustatud anorgaanilise jäiga seinaga, mis koosneb opaline ränidioksiidi frustulitest või kaltsiumkarbonaadist. Bioaktiivsete ühendite saamiseks vetikate biomassist on vaja tõhusat rakkude katkestamise tehnikat. Lisaks tehnoloogilistele ekstraheerimisteguritele (st ekstraheerimismeetod ja seadmed) mõjutavad vetikarakkude katkemise ja ekstraheerimise tõhusust tugevalt ka mitmesugused vetikatest sõltuvad tegurid, nagu rakuseina koostis, soovitud biomolekuli asukoht mikrovetikarakkudes ja mikrovetikate kasvufaas kogumise ajal.

Kuidas ultraheli vetikarakkude häirimine ja ekstraheerimine toimib?

Kui suure intensiivsusega ultraheli lained ühendatakse ultraheli sondi (tuntud ka kui ultraheli sarv või sonotrode) kaudu vedelikku või läga, liiguvad helilained läbi vedeliku ja loovad seeläbi vahelduvaid kõrgsurve / madala rõhu tsükleid. Nende kõrgsurve / madala rõhu tsüklite ajal tekivad minutilised vaakummullid või õõnsused. Kavitatsioonimullid tekivad siis, kui kohalik rõhk langeb madalrõhutsüklite ajal piisavalt palju allapoole küllastunud auru rõhku, mis on vedeliku tõmbetugevuse väärtus teatud temperatuuril. Mis kasvavad mitme tsükli jooksul. Kui need vaakummullid saavutavad suuruse, kus nad ei suuda rohkem energiat absorbeerida, implodeerub mull kõrgsurvetsükli ajal ägedalt. Kavitatsioonimullide implosioon on vägivaldne, energiatihe protsess, mis tekitab vedelikus intensiivseid lööklaineid, turbulentsi ja mikrojugasid. Lisaks tekivad lokaliseeritud väga kõrged rõhud ja väga kõrged temperatuurid. Need äärmuslikud tingimused on kergesti võimelised häirima rakuseinu ja membraane ning vabastama rakusiseseid ühendeid tõhusal, tõhusal ja kiirel viisil. Intratsellulaarsed ühendid, nagu valgud, polüsahhariidid, lipiidid, vitamiinid, mineraalid ja antioksüdandid, võivad seeläbi tõhusalt ekstraheerida võimsuse ultraheli abil.

Ultraheli kavitatsioon rakkude katkestamiseks ja ekstraheerimiseks

Intensiivse ultraheli energiaga kokkupuutel häiritakse mis tahes raku (sealhulgas botaanilise, imetaja, vetika-, seen-, bakteriaalse jne) seina või membraani ja rakk rebitakse väiksemateks fragmentideks energiatiheda ultraheli kavitatsiooni mehaaniliste jõudude poolt. Kui rakusein on katki, vabanevad raku metaboliidid nagu valk, lipiid, nukleiinhape ja klorofüll nii rakuseina maatriksist kui ka raku sisemusest ja viiakse ümbritsevasse söötmesse või lahustisse.
Ülalkirjeldatud ultraheli / akustilise kavitatsiooni mehhanism häirib tõsiselt terveid vetikarakke või gaasi ja vedelaid vakuoole. Ultraheli kavitatsioon, vibratsioon, turbulentsid ja mikrovoogesitus soodustavad massiülekannet raku sisemuse ja ümbritseva lahusti vahel, nii et biomolekulid (st metaboliidid) on tõhusad ja kiiresti vabanevad. Kuna ultrahelitöötlus on puhtalt mehaaniline ravi, mis ei vaja karmid, mürgised ja / või kallid kemikaalid.
Kõrge intensiivsusega, madala sagedusega ultraheli loob äärmuslikud energiatihedad tingimused, millel on kõrge rõhk, temperatuur ja kõrge nihkejõud. Need füüsilised jõud soodustavad rakustruktuuride katkemist, et vabastada rakusisesed ühendid söötmesse. Seetõttu kasutatakse vetikatest bioaktiivsete ainete ja kütuste ekstraheerimiseks suures osas madala sagedusega ultraheli. Võrreldes tavapäraste ekstraheerimismeetoditega, nagu lahusti ekstraheerimine, helmeste jahvatamine või kõrgsurve homogeniseerimine, paistab ultraheli ekstraheerimine silma, vabastades enamiku bioaktiivsetest ühenditest (nagu lipiidid, valgud, polüsahhariidid ja mikro-toitained) sonoporeeritud ja häiritud rakust. Õigete protsessitingimuste rakendamisel annab ultraheli ekstraheerimine suurepärase ekstraheerimissaagise väga lühikese protsessi kestuse jooksul. Näiteks näitavad suure jõudlusega ultraheli ekstraktorid vetikatest suurepäraseid ekstraheerimistulemusi, kui neid kasutatakse koos sobiva lahustiga. Happelises või leeliselises keskkonnas muutub vetikate rakusein poorseks ja kortsus, mis suurendab saagikust madalal temperatuuril (alla 60 ° C) lühikese ultrahelitöötluse aja jooksul (vähem kui 3 tundi). Lühike ekstraheerimise kestus kergetel temperatuuridel takistab fukoidaani lagunemist, nii et saadakse väga bioaktiivne polüsahhariid.
Ultraheli on ka meetod suure molekulmassiga fukoidaani muutmiseks madala molekulmassiga fukoidaaniks, mis on oma piiritletud struktuuri tõttu oluliselt bioaktiivsem. Oma kõrge bioaktiivsuse ja biosaadavuse tõttu on madala molekulmassiga fukoidaan huvitav ühend ravimite ja ravimite manustamissüsteemide jaoks.

Juhtumiuuringud: vetikaühendite ultraheli ekstraheerimine

Ultraheli ekstraheerimise efektiivsust ja ultraheli ekstraheerimise parameetrite optimeerimist on laialdaselt uuritud. Allpool leiate erinevate vetikaliikide ultraheliuuringute abil ekstraheerimise tulemuste eeskujulikke tulemusi.

Valgu ekstraheerimine spirulinast mano-termo-ultrahelitöötluse abil

Prof Chemati (Avignoni ülikool) uurimisrühm uuris manothermosonicationi (MTS) mõju valkude (näiteks fükotsüaniini) ekstraheerimisele kuivadest Arthrospira platensis tsüanobakteritest (tuntud ka kui spirulina). Mano-termo-ultrahelitöötlus (MTS) on ultraheli kasutamine koos kõrgendatud rõhu ja temperatuuriga, et intensiivistada ultraheli ekstraheerimisprotsessi.
"Eksperimentaalsete tulemuste kohaselt soodustas MTS massiülekannet (kõrge efektiivne difusioon, De) ja võimaldas saada 229% rohkem valke (28,42 ± 1,15 g / 100 g DW) kui tavaline protsess ilma ultrahelita (8,63 ± 1,15 g / 100 g DW). Kui ekstraktis oli 28,42 g valke 100 g kuiva spirulina biomassi kohta, saavutati pideva MTS-protsessiga 6 efektiivse minutiga valgu taaskasutamise määr 50%. Mikroskoopilised vaatlused näitasid, et akustiline kavitatsioon mõjutas spirulina filamente erinevate mehhanismide abil, nagu killustumine, sonoporatsioon, detexturation. Need erinevad nähtused muudavad spirulina bioaktiivsete ühendite ekstraheerimise, vabanemise ja lahustumise lihtsamaks." [Vernès et al., 2019]

Optilised mikroskoopiapildid tervetest spiurulina filamentidest, mida aja jooksul töödeldakse MTS-iga. Skaalariba (pilt A) = 50 μm kõigi piltide puhul.
pilt ja uuring: ©Vernès et al. 2019

Ultraheli fukoidaan ja glükaani ekstraheerimine alates Laminaria digitata

Dr Tiwari TEAGASC-i uurimisrühm uuris polüsahhariidide, st fukoidaani, laminariini ja üldglükaanide ekstraheerimist makrovetikatest Laminaria digitata, kasutades Ultrasonikaator UIP500hdT. Uuritud ultraheli abil ekstraheerimise (AÜE) parameetrid näitasid olulist mõju fukoosi, FRAP ja DPPH tasemele. Fukoosi, üldglükaanide, FRAP ja DPPH puhul saadi vastavalt tasemed 1060,75 mg / 100 g ds, 968,57 mg / 100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde ja 11,02% vastavalt optimeeritud temperatuuritingimustel (76 ◦C), aeg (10 min) ja ultraheli amplituud (100%), kasutades lahustina 0,1 M HCl. Seejärel rakendati kirjeldatud AÜE tingimusi edukalt teistele majanduslikult olulistele pruunidele makrovetikatele (L. hyperborea ja A. nodosum), et saada polüsahhariidirikkaid ekstrakte. See uuring näitab AÜE rakendatavust bioaktiivsete polüsahhariidide ekstraheerimise tõhustamiseks erinevatest makrovetikate liikidest.

Ultraheli fütokeemiline ekstraheerimine F. vesiculosus ja P. canaliculata

García-Vaquero uurimisrühm võrdles erinevaid uudseid ekstraheerimismeetodeid, sealhulgas suure jõudlusega ultraheli ekstraheerimist, ultraheli-mikrolaine ekstraheerimist, mikrolaine ekstraheerimist, hüdrotermilist abiga ekstraheerimist ja kõrgsurve abil ekstraheerimist, et hinnata pruunide mikrovetikate liikide Fucus vesiculosus ja Pelvetia canaliculata ekstraheerimise efektiivsust. Ultraheli jaoks kasutasid nad Hielscher UIP500hdT ultraheli ekstraktor. Ekstraheerimissaagiste anylsis näitas, et ultraheli ekstraheerimine saavutas enamiku fütokemikaalide kõrgeima saagise mõlemast F. vesiculosusest. See tähendab, et F. vesiculosus'est ekstraheeritud ühendite saagis on kõrgeim, kasutades ultraheli ekstraktor UIP500hdT olid: fenoolide üldsisaldus (445,0 ± 4,6 mg gallushappe ekvivalenti/g), florotanniini üldsisaldus (362,9 ± 3,7 mg floroglütsinooli ekvivalenti/g), flavonoidide üldsisaldus (286,3 ± 7,8 mg kvertsetiini ekvivalenti/g) ja tanniini kogusisaldus (189,1 ± 4,4 mg katehhiini ekvivalenti/g).
Oma uurimuses jõudis meeskond järeldusele, et ultraheli abil ekstraheerimise kasutamine "koos 50% etanoolilahusega ekstraktsioonilahusena võib olla paljutõotav strateegia, mis on suunatud TPC, TPhC, TFC ja TTC ekstraheerimisele, vähendades samal ajal soovimatute süsivesikute kaasekstraheerimist nii F. vesiculosusest kui ka P. canaliculata'st, millel on paljutõotavad rakendused nende ühendite kasutamisel ravimitena, nutraceuticals ja cosmeceuticals." [García-Vaquero et al., 2021]

Mano-termo-ultrahelitöötluse suurendamine Avignoni ülikoolis, kasutades Hielscheri ultrasonikaatoreid: laboriseadmetest UIP1000hdT A) katseseadmete suhtes UIP4000hdT (B, C & D). Pildil D on skemaatiliselt ultraheli vooluraku põikiosa FC100K.
pilt ja uuring: ©Vernès et al. 2019

Suure jõudlusega ultraheli ekstraktorid vetikate katkestamiseks

Hielscheri tipptasemel ultraheli seadmed võimaldavad täielikku kontrolli protsessi parameetrite üle, nagu amplituud, temperatuur, rõhk ja energiasisend.
Ultraheli ekstraheerimiseks saab parimate tulemuste saavutamiseks muuta ja optimeerida selliseid parameetreid nagu tooraine osakeste suurus, lahusti tüüp, tahke aine ja lahusti suhe ning ekstraheerimisaeg.
Kuna ultraheli ekstraheerimine on mittetermiline ekstraheerimismeetod, välditakse tooraines sisalduvate bioaktiivsete koostisosade, näiteks vetikate termilist lagunemist.
Üldiselt muudavad sellised eelised nagu kõrge saagis, lühike ekstraheerimisaeg, madal ekstraheerimistemperatuur ja väikesed lahustikogused ultrahelitöötluse suurepäraseks ekstraheerimismeetodiks.

Ultraheli ekstraheerimine: asutatud laboris ja tööstuses

Ultraheli ekstraheerimist kasutatakse laialdaselt mis tahes bioaktiivse ühendi ekstraheerimiseks botaanilistest preparaatidest, vetikatest, bakteritest ja imetajate rakkudest. Ultraheli ekstraheerimine on loodud lihtsaks, kulutõhusaks ja väga tõhusaks, mis ületab teisi traditsioonilisi ekstraheerimistehnikaid suurema ekstraheerimissaagise ja lühema töötlemiskestusega.
Labori-, pink-top ja täielikult tööstuslike ultraheli süsteemidega, mis on kergesti kättesaadavad, on ultraheli ekstraheerimine tänapäeval väljakujunenud ja usaldusväärne tehnoloogia. Hielscheri ultraheli ekstraktorid on paigaldatud kogu maailmas tööstuslikes töötlemisrajatistes, mis toodavad toidu- ja farmaatsiakvaliteediga bioaktiivseid ühendeid.

Protsessi standardimine Hielscheri ultraheliga

Vetikatest saadud ekstraktid, mida kasutatakse toiduainetes, farmaatsiatoodetes või kosmeetikatoodetes, peavad olema toodetud vastavalt heale tootmistavale ja standarditud töötlemisspetsifikatsioonidele. Hielscher Ultrasonics'i digitaalsed ekstraheerimissüsteemid on varustatud intelligentse tarkvaraga, mis muudab ultrahelitöötluse protsessi täpse seadistamise ja juhtimise lihtsaks. Automaatne andmete salvestamine kirjutab kõik ultraheli protsessi parameetrid, nagu ultraheli energia (kogu- ja netoenergia), amplituud, temperatuur, rõhk (kui temp ja rõhuandurid on paigaldatud) sisseehitatud SD-kaardile kuupäeva ja kellaajatempliga. See võimaldab teil iga ultraheli töödeldud partii läbi vaadata. Samal ajal on tagatud reprodutseeritavus ja pidevalt kõrge toote kvaliteet.

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: