Ultraheli töötlus vetikarakkude lõhkumise ja ekstraheerimise parandamiseks

Vetikad, makro- ja mikrovetikad, sisaldavad paljusid väärtuslikke ühendeid, mida kasutatakse toitumisalaste toiduainetena, toidulisanditena või kütusena või kütuse toorainena. Sihtainete vabastamiseks vetikarakust on vaja tugevat ja tõhusat rakkude lõhkumise meetodit. Ultraheli ekstraktorid on väga tõhusad ja töökindlad bioaktiivsete ühendite ekstraheerimisel taimsest materjalist, vetikatest ja seentest. Hielscheri ultraheli ekstraktorid on saadaval labori-, lauaseadme- ja tööstusliku mastaabiga ning need on end kehtestanud rakuohtuste ekstraktide tootmisel toidu-, farmaatsia- ja biokütuse tootmises.

Vetikad kui väärtuslik ressurss toitumise ja kütuse jaoks

Vetikarakud on mitmekülgne bioaktiivsete ja energiarikaste ühendite allikas, näiteks valkude, süsivesikute, lipiidide ja muude bioaktiivsete ainete ning alkaanide poolest. See teeb vetikatest nii toidu- ja toitumisalaste ühendite kui ka kütuste allika.
Mikrovetikad on lipiidide väärtuslik allikas, mida kasutatakse toitumiseks ja biokütuste (nt biodiisli) toorainena. Mereliku fütoplanktoni perekonna Dicrateria tüved, näiteks Dicrateria rotunda, on tuntud bensiini tootvate vetikatena, mis suudavad sünteesida rea küllastunud süsivesinikke (n‐alkaane) alates C₁₀H₂₂ kuni C₃₈H₇₈, mis liigitatakse bensiiniks (C10–C15), diislikütuseks (C16–C20) ja kütteõlideks (C21–C38).
Oma toiteväärtuse tõttu kasutatakse vetikaid „funktsionaalse toiduna“ või „nutraseutikumidena“. Vetikatest ekstraheeritavate oluliste mikrotoitainete hulka kuuluvad karotenoidid astaksantiin, fukoksantiin ja zeaksantiin, fukoidaan, laminari ja muud glükaanid, mida koos arvukate teiste bioaktiivsete ainetega kasutatakse toidulisandite ja ravimitena. Karrageen, alginaat ja muud hüdrokolloidid on toidu lisaained. Vetikalipiide kasutatakse taimse oomega-3 allikana ning samuti kütusena või biodiisli tootmise toorainena.

Vetikarakkude lõhkumine ja ekstraheerimine võimsa ultraheli abil

Ultraheli ekstraktoreid ehk lihtsalt sonikaatoreid kasutatakse väärtuslike ühendite ekstraheerimiseks nii laboris väikestest proovidest kui ka suuremahuliseks kommertstootmiseks.
Vetikarakke kaitsevad keerukad rakuseina maatriksid, mis koosnevad lipiididest, tselluloosist, valkudest, glükoproteiinidest ja polüsahhariididest. Enamiku vetikate rakuseina alus on ehitatud mikrofibrillaarsest võrgustikust geelitaolises valgumaatriksis; mõnel mikrovetikal on aga anorgaaniline jäik sein, mis koosneb opaalsetest ränivetikate kestadest (frustuulidest) või kaltsiumkarbonaadist. Bioaktiivsete ühendite saamiseks vetikabiomassist on vajalik tõhus rakkude lõhkumise meetod. Lisaks tehnoloogilistele ekstraheerimisteguritele (st ekstraheerimismeetod ja seadmed) mõjutavad vetikarakkude lõhkumise ja ekstraheerimise tõhusust tugevalt ka mitmed vetikatest sõltuvad tegurid, näiteks rakuseina koostis, soovitud biomolekuli asukoht mikrovetikarakkudes ning mikrovetikate kasvufaas koristamise ajal.

Kuidas ultraheli abil toimub vetikarakkude lõhkumine ja ekstraheerimine?

Kui suure intensiivsusega ultrahelilained juhitakse ultrahelisondi (tuntud ka kui ultraheli sarv või sonotrood) kaudu vedelikku või suspensiooni, liiguvad helilained läbi vedeliku ja tekitavad seeläbi vahelduvaid kõrgrõhu- ja madalrõhutsükleid. Nende kõrgrõhu- ja madalrõhutsüklite ajal tekivad pisikesed vaakumimullid ehk õõnsused. Kavitatsioonimullid tekivad siis, kui kohalik rõhk langeb madalrõhutsüklite ajal küllalt kaugele alla küllastunud aururõhu, mille väärtuse määrab vedeliku tõmbetugevus kindlal temperatuuril. Need kasvavad mitme tsükli jooksul. Kui need vaakumimullid saavutavad suuruse, kus nad ei suuda rohkem energiat neelata, variseb mull kõrgrõhutsükli ajal vägivaldselt kokku. Kavitatsioonimullide kokkuvarisemine on vägivaldne, suure energiatihedusega protsess, mis tekitab vedelikus intensiivseid lööklaineid, turbulentsi ja mikrojugasid. Lisaks tekivad lokaalselt väga kõrged rõhud ja väga kõrged temperatuurid. Need äärmuslikud tingimused suudavad rakuseinu ja membraane hõlpsasti lõhkuda ning vabastada rakusisesed ühendid tõhusalt, tulemuslikult ja kiiresti. Rakusiseseid ühendeid, nagu valgud, polüsahhariidid, lipiidid, vitamiinid, mineraalained ja antioksüdandid, saab seeläbi võimsa ultraheli abil tõhusalt ekstraheerida.

Ultraheli kavitatsioon rakkude lõhkumiseks ja ekstraheerimiseks

Intensiivsele ultrahelienergiale allutatuna rakendub mis tahes tüüpi raku (sh taimse, imetaja-, vetika-, seen- ja bakterraku jne) seina või membraani lõhkumine ning rakk rebitakse väiksemateks fragmentideks energiatihedate kavitatsiooniprotsesside mehaaniliste jõudude toimel. Kui rakusein on purunenud, vabanevad rakulised metaboliidid, näiteks valk, lipiid, nukleiinhape ja klorofüll, rakuseina maatriksist ning ka raku sisemusest ning kanduvad ümbritsevasse kultuurikeskkonda või lahustisse.
Ultraheli- ehk akustilise kavitatsiooni ülalkirjeldatud mehhanism lõhub tõsiselt tervete vetikarakkude või rakkudes olevate gaasi- ja vedelikuvakuoolide struktuuri. Ultraheli kavitatsioon, vibratsioon, turbulents ja mikrovoolud soodustavad massiülekannet raku sisemuse ja ümbritseva lahusti vahel, nii et biomolekulid (st metaboliidid) vabanevad tõhusalt ja kiiresti. Kuna ultraheli töötlus (sonikeerimine) on puhtalt mehaaniline töötlus, mis ei nõua karme, toksilisi ja/või kalleid kemikaale.
Kõrge intensiivsusega madalsageduslik ultraheli tekitab äärmiselt energiatihedad tingimused, mida iseloomustavad kõrged rõhud, temperatuurid ja suured nihkejõud. Need füüsikalised jõud soodustavad rakustruktuuride lõhkumist, et vabastada rakusisesed ühendid keskkonda. Seetõttu kasutatakse madalsageduslikku ultraheli laialdaselt bioaktiivsete ainete ja kütuste ekstraheerimiseks vetikatest. Võrreldes tavapäraste ekstraheerimismeetoditega, nagu lahustiekstraktsioon, kuulveskis jahvatamine või kõrgsurvehomogeniseerimine, on ultraheliekstraktsioon parem, vabastades sonoporeeritud ja lõhutud rakust suurema osa bioaktiivsetest ühenditest (nagu lipiidid, valgud, polüsahhariidid ja mikrotoitained). Õigete protsessitingimuste rakendamisel annab ultraheliekstraktsioon väga lühikese protsessi kestuse jooksul suurepärase ekstraktisaagise. Näiteks näitavad suure jõudlusega ultraheliekstraktorid vetikatest ekstraheerimisel suurepärast tulemust, kui neid kasutatakse sobiva lahustiga. Happelises või aluselises keskkonnas muutub vetikaraku sein poorseks ja kortsuliseks, mis toob kaasa suurema saagise madalal temperatuuril (alla 60°C) lühikese ultraheli töötluse (sonikeerimise) aja jooksul (alla 3 tunni). Lühike ekstraheerimiskestus mõõdukatel temperatuuridel hoiab ära fukoidaani lagunemise, nii et saadakse väga bioaktiivne polüsahhariid.
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on ka meetod, millega muuta suure molekulmassiga fukoidaan väikese molekulmassiga fukoidaaniks, mis on oma hargnemata struktuuri tõttu märkimisväärselt bioaktiivsem. Oma kõrge bioaktiivsuse ja biosaadavuse tõttu on väikese molekulmassiga fukoidaan huvitav ühend farmaatsiatoodete ja ravimite kohaletoimetamise süsteemide jaoks.

Juhtumiuuringud: vetikaühendite ultraheliekstraktsioon

Ultraheliekstraktsiooni efektiivsust ja ultraheliekstraktsiooni parameetrite optimeerimist on laialdaselt uuritud. Allpool leiate näidistulemusi erinevatest vetikaliikidest ultraheli töötluse (sonikeerimise) abil ekstraheerimise kohta.

Valgu ekstraheerimine spirulinast mano-termo-ultraheli töötluse (sonikeerimise) abil

Prof. Chemat’ (Avignoni ülikool) uurimisrühm uuris manotermosonikeerimise (MTS) mõju valkude (nagu fükotsüaniin) ekstraheerimisele kuivatatud Arthrospira platensis’e tsüanobakteritest (tuntud ka kui spirulina). Mano-termo-sonikeerimine (MTS) on ultraheli rakendamine koos kõrgendatud rõhu ja temperatuuriga, et intensiivistada ultraheli ekstraheerimisprotsessi.
„Katsetulemuste kohaselt soodustas MTS massiülekannet (kõrge efektiivne difusioonikoefitsient, De) ja võimaldas saada 229% rohkem valke (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) kui tavaline protsess ilma ultraheli kasutamata (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Kui ekstrakt sisaldas 28,42 g valke 100 g kuiva spirulina biomassi kohta, saavutati pideva MTS-protsessiga 6 efektiivse minutiga 50% valgu saagis. Mikroskoopilised vaatlused näitasid, et akustiline kavitatsioon mõjutas spirulina filamente erinevate mehhanismide kaudu, nagu fragmenteerumine, sonoporatsioon ja detekstureerimine. Need mitmesugused nähtused muudavad spirulina bioaktiivsete ühendite ekstraheerimise, vabastamise ja lahustamise lihtsamaks.“ [Vernès et al., 2019]

Kogu spirulina filamentide optilise mikroskoopia pildid MTS-töötluse käigus ajas. Mõõtkavariba (pilt A) = 50 μm kõigil piltidel.
pilt ja uuring: ©Vernès et al. 2019

Fukoidaani ja glükaanide ultraheliekstraheerimine liigist Laminaria digitata

Dr. Tiwari TEAGASC-i uurimisrühm uuris polüsahhariidide, st fukoidaani, laminariini ja üldglükaanide ekstraheerimist makrovetikast Laminaria digitata, kasutades ultraheli töötlusseadet UIP500hdT. Uuritud ultraheliga toetatud ekstraheerimise (UAE) parameetritel oli oluline mõju fukoosi, FRAP-i ja DPPH tasemetele. Fukoosi, üldglükaanide, FRAP-i ja DPPH väärtusteks saadi vastavalt 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde ja 11,02% optimeeritud tingimustel: temperatuur (76◦C), aeg (10 min) ja ultraheli amplituud (100%), lahustina 0,1 M HCl. Kirjeldatud UAE tingimusi rakendati seejärel edukalt ka teistele majanduslikult olulistele pruunmakrovetikatele (L. hyperborea ja A. nodosum), et saada polüsahhariidirikkaid ekstrakte. See uuring näitab UAE rakendatavust bioaktiivsete polüsahhariidide ekstraheerimise parandamiseks erinevatest makrovetikaliikidest.

Fütokemikaalide ultraheliekstraheerimine liikidest F. vesiculosus ja P. canaliculata

García-Vaquero uurimisrühm võrdles mitmesuguseid uudseid ekstraheerimismeetodeid, sealhulgas suure jõudlusega ultraheliekstraheerimist, ultraheli-mikrolaineekstraheerimist, mikrolaineekstraheerimist, hüdrotermiliselt toetatud ekstraheerimist ja kõrgrõhuga toetatud ekstraheerimist, et hinnata ekstraheerimise efektiivsust pruunide mikrovetikaliikide Fucus vesiculosus ja Pelvetia canaliculata puhul. Ultraheli töötluseks kasutasid nad Hielscher UIP500hdT ultraheliekstraktorit. Ekstraheerimissaagiste analüüs näitas, et ultraheliekstraheerimisega saavutati enamiku fütokemikaalide suurim saagis mõlemast F. vesiculosus’est. See tähendab, et F. vesiculosus’est ultraheliekstraktoriga UIP500hdT ekstraheeritud ühendite suurimad saagised olid: fenoolide üldsisaldus (445,0 ± 4,6 mg gallushappe ekvivalenti/g), florotanniinide üldsisaldus (362,9 ± 3,7 mg floroglutsinooli ekvivalenti/g), flavonoidide üldsisaldus (286,3 ± 7,8 mg kversetiini ekvivalenti/g) ja tanniinide üldsisaldus (189,1 ± 4,4 mg katehhiini ekvivalenti/g).
Uuringus jõudis rühm järeldusele, et ultraheliga toetatud ekstraheerimise kasutamine „koos 50% etanoolilahusega ekstraheerimislahustina võiks olla paljulubav strateegia TPC, TPhC, TFC ja TTC ekstraheerimiseks, vähendades samal ajal soovimatute süsivesikute kaasekstraheerimist nii F. vesiculosus’est kui ka P. canaliculata’st, ning neil ühenditel on paljulubavad rakendused ravimite, nutraseutikumide ja kosmeseutikumidena.“ [García-Vaquero et al., 2021]

Mano-termo-sonikeerimise ülesskaleerimine Avignoni ülikoolis Hielscheri ultraheli töötlusseadmetega: laboriseadmest UIP1000hdT (A) pilootmastaabi seadmeni UIP4000hdT (B, C ja D). Pildil D on skemaatiliselt kujutatud põikilõige ultraheli läbivoolukambrist FC100K.
pilt ja uuring: ©Vernès et al. 2019

Suure jõudlusega ultraheli ekstraktorid vetikate lõhkumiseks

Hielscheri uusim ultraheliseadmestik võimaldab täielikult kontrollida protsessi parameetreid, nagu amplituud, temperatuur, rõhk ja energiasisend.
Ultraheli ekstraktsiooniks saab selliseid parameetreid nagu tooraine osakeste suurus, lahusti tüüp, tahke aine ja lahusti suhe ning ekstraktsiooniaeg muuta ja parimate tulemuste saavutamiseks optimeerida.
Kuna ultraheli ekstraktsioon on mittetermiline ekstraktsioonimeetod, väldib see toorainesse, näiteks vetikatesse, kuuluvate bioaktiivsete koostisosade termilist lagunemist.
Kokkuvõttes muudavad sellised eelised nagu kõrge saagis, lühike ekstraktsiooniaeg, madal ekstraktsioonitemperatuur ja väike lahustikogus ultraheli töötluse (sonikeerimise) parimaks ekstraktsioonimeetodiks.

Ultraheli ekstraktsioon: väljakujunenud laboris ja tööstuses

Ultraheli ekstraktsiooni kasutatakse laialdaselt igat liiki bioaktiivsete ühendite ekstraheerimiseks taimsest materjalist, vetikatest, bakteritest ja imetajarakkudest. Ultraheli ekstraktsioon on kujunenud lihtsaks, kuluefektiivseks ja väga tõhusaks meetodiks, mis ületab teisi traditsioonilisi ekstraktsioonitehnikaid suurema ekstraktsioonisaagise ja lühema töötlusajaga.
Kuna laboriseadmed, lauaseadmed ja täismahus tööstuslikud ultrahelisüsteemid on kergesti kättesaadavad, on ultraheli ekstraktsioon tänapäeval väljakujunenud ja usaldusväärne tehnoloogia. Hielscheri ultraheli ekstraktorid on paigaldatud kogu maailmas tööstuslikesse tootmisrajatistesse, mis toodavad toidu- ja farmaatsiakvaliteediga bioaktiivseid ühendeid.

Protsessi standardimine Hielscher Ultrasonicsi abil

Vetikatest saadud ekstraktid, mida kasutatakse toiduainetes, ravimites või kosmeetikas, tuleb toota heade tootmistavade (GMP) kohaselt ja standarditud töötlusnõuete alusel. Hielscher Ultrasonicsi digitaalsed ekstraktsioonisüsteemid on varustatud intelligentse tarkvaraga, mis muudab ultraheli töötluse (sonikeerimise) täpse seadistamise ja juhtimise lihtsaks. Automaatne andmete salvestamine kirjutab kõik ultraheliprotsessi parameetrid, nagu ultrahelienergia (kogu- ja netoenergia), amplituud, temperatuur ja rõhk (kui temperatuuri- ja rõhuandurid on paigaldatud), koos kuupäeva ja kellaajaga sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil iga ultrahelitöödeldud partiid üle vaadata. Samal ajal on tagatud korratavus ja järjepidevalt kõrge tootekvaliteet.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheli sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest: