استخراج فراصوتی جلبک برای مکمل‌های تغذیه‌ای
استخراج فراصوتی روشی برتر برای تخریب مؤثر و سریع سلول‌های جلبک است. فراصوت‌دهی می‌تواند تمامی ترکیبات زیست‌فعال را آزاد کند و همین ویژگی، فناوری فراصوت را بسیار کارآمد می‌سازد.
چگونه پروتئین‌ها، لیپیدها و ترکیبات فنولی را با فراصوت از جلبک استخراج کنیم
گونه‌های جلبک و ریزجلبک سرشار از ترکیبات زیست‌فعال مانند پروتئین‌ها، لیپیدها، کاروتنوئیدها، رنگدانه‌ها (مانند فیکوسیانین‌ها، آستاگزانتین و غیره)، ترکیبات فنولی و پلی‌ساکاریدها (مانند کاراگینان‌ها) هستند. به همین دلیل، این گونه‌ها مواد طبیعی پرکاربردی برای تولید عصاره‌های مورد استفاده در مواد غذایی و مکمل‌های غذایی به شمار می‌روند. گونه‌های جلبکی رایج در مکمل‌های تغذیه‌ای عبارت‌اند از Arthrospira maxima و (که با نام اسپیرولینا نیز شناخته می‌شود)، Chlorella vulgaris، Haematococcus pluvialis و Ulva spp. جلبک‌ها به‌عنوان منبعی مناسب از پروتئین‌های باکیفیت، لیپیدها، اسیدهای چرب چندغیراشباع زنجیره‌بلند (PUFAs، یعنی امگا-3)، پلی‌ساکاریدها (مانند آلژینات، کاراگینان و β-گلوکان‌ها)، ویتامین‌ها و آنتی‌اکسیدان‌ها شناخته می‌شوند.
اسپیرولینا نوعی جلبک پرکاربرد است که مقادیر فراوانی از ترکیبات زیست‌فعال ارزشمند، مانند پروتئین‌ها (با سهم 50–70% از وزن خشک)، دارد. از آنجا که Spirulina از سوی FDA (سازمان غذا و داروی ایالات متحده) به‌عنوان GRAS (عموماً ایمن شناخته‌شده) تأیید شده است، اسپیرولینا و عصاره‌های آن را می‌توان در مواد غذایی عرضه‌شده در بازار یا به‌عنوان مکمل غذایی استفاده کرد.
مزایای استخراج فراصوتی جلبک
استخراج فراصوتی از جنبه‌های متعددی مانند بازده بالا، قابلیت اطمینان، ایمنی، سادگی و سازگاری با محیط‌زیست، بر روش‌های دیگر استخراج برتری دارد.
بازده کامل استخراج
سونیکاتورهای پربازده سلول‌های جلبک را باز و تخریب می‌کنند تا مواد درون‌سلولی آزاد شوند. به این ترتیب، استخراج فراصوتی طیف کامل ترکیبات زیست‌فعال، مانند فیکوبیلی‌پروتئین‌ها، کاروتنوئیدها، لیپیدها و ترکیبات فنولی را آزاد می‌کند.
فیکوبیلی‌پروتئین‌ها را می‌توان به سه گروه اصلی، یعنی کلرو-فیکوسیانین‌ها، آلوفیکوسیانین‌ها و فیکواریترین‌ها، تقسیم کرد. C-فیکوسیانین یک رنگدانه آبی طبیعی است که به‌طور گسترده در فرآورده‌های غذایی و دارویی استفاده می‌شود. استخراج فراصوتی طیف کامل پروتئین‌ها را آزاد می‌کند.
SonoStation – سامانه‌ای فراصوتی با سونیکاتورهای 2x 2kW، مخزن همزن‌دار و پمپ – سامانه‌ای کاربرپسند برای استخراج است.
کارایی بالای استخراج
Duangsee et al. (2009) دو روش متفاوت استخراج ترکیبات زیست‌فعال از زیست‌توده Arthospira را آزمایش کردند: استخراج با حلال به کمک فراصوت و استخراج با انجماد و ذوب مکرر. آن‌ها دریافتند که استخراج فراصوتی با حلال، کارایی استخراج بالاتری (22٫1%) نسبت به انجماد و ذوب (15٫6%) دارد. مقایسه پارگی سلول در فراصوت‌دهی و انجماد و ذوب مکرر نشان می‌دهد که فراصوت‌دهی مؤثرتر است. کاویتاسیون فراصوتی سلول‌های جلبک را به‌سرعت و به‌طور مؤثر تخریب می‌کند و در مقایسه با سلول‌های اسپیرولینای تیمارشده با انجماد و ذوب مکرر، تخریب سلولی بیشتری ایجاد می‌کند.
فراصوت‌دهی در گسیختن پوشش سلولی مؤثرتر از انجماد و ذوب مکرر بود. بازده استخراج فیکوسیانین نشان داد که دمای فرایند بر کارایی استخراج تأثیر می‌گذارد.
فرایند سریع استخراج
سامانه‌های فراصوتی پربازده می‌توانند از طریق دامنه‌های بالا، توان فراصوتی بالایی را به سوسپانسیون جلبک وارد کنند. این ویژگی، استخراج فراصوتی را به روشی بسیار سریع برای پردازش تبدیل می‌کند.
کنترل دما
فراصوت‌دهی یک فناوری استخراج غیرحرارتی و کاملاً مکانیکی است. دمای استخراج را می‌توان با استفاده از یک حسگر دمای قابل اتصال که با سیم به سونیکاتور دیجیتال Hielscher متصل می‌شود، به‌دقت کنترل کرد. نرم‌افزار سونیکاتورهای دیجیتال Hielscher امکان تعیین حدود دما را فراهم می‌کند تا هموژنایزر فراصوتی با رسیدن به حد دمای تعیین‌شده، موقتاً متوقف شود. کنترل دقیق دما امکان جلوگیری از تخریب حرارتی مواد حساس به گرما، مانند فیکوبیلی‌پروتئین‌ها، ویتامین‌ها، پلی‌فنول‌ها، پلی‌ساکاریدها، لیپیدها و سایر ترکیبات زیست‌فعال را فراهم می‌کند.
سازگار با حلال‌های گوناگون
فراصوت‌دهی تقریباً با هر حلالی سازگار است. استخراج فراصوتی در ترکیب با حلال‌های سبز، مانند آب یا اتانول، عصاره‌های پاک تولید می‌کند. این عصاره‌های فراصوتی را می‌توان با ایمنی به مواد غذایی افزود، زیرا حلال‌های استخراج اتانول و آب دارای وضعیت GRAS (عموماً ایمن شناخته‌شده) هستند.
تکرارپذیری و استانداردسازی فرایند
سونیکاتورهای دیجیتال Hielscher به نرم‌افزاری هوشمند و مجموعه‌ای متنوع و پیشرفته از تنظیمات برای دستیابی به پارامترهای ایدئال استخراج مجهز هستند. نرم‌افزار تمامی پارامترهای فرایند فراصوتی (مانند دامنه، توان خالص، توان کل، دما، فشار، زمان و تاریخ) را ثبت می‌کند و داده‌های فراصوت‌دهی را در یک فایل CSV روی کارت SD داخلی می‌نویسد. این قابلیت به شما امکان می‌دهد فرایند استخراج خود را استاندارد کنید و فراصوت‌دهی و کیفیت خروجی را به‌دقت زیر نظر بگیرید. این ویژگی‌ها به شما کمک می‌کنند الزامات استانداردسازی فرایند و همچنین اصول تولید خوب (GMP) را رعایت کنید؛ هر دوی این موارد هنگام تولید عصاره برای مکمل‌ها و فرآورده‌های غذایی یا دارویی اهمیت بسیار زیادی دارند.
پروتکل استخراج فراصوتی فیکوسیانین
Mazumder et al. (2017) پارامترهای بهینه فرایند را برای استخراج فراصوتی فیکوسیانین و ترکیبات فنولی از Arthospira platensis بررسی کردند. بیشترین بازده فیکوسیانین (29٫9 mg/g) و کل ترکیبات فنولی (2٫4 mg/g) در غلظت اتانول 40% و دمای استخراج 34٫9°C، با استفاده از سونیکاتور UP50H (50 وات، 30kHz) در دامنه 95% و مدت استخراج 104٫7 sec به دست آمد.
Vernès et al. (2019) برای استخراج پروتئین‌ها از اسپیرولینا از سونیکاتور UIP1000hdT (1000W، 20kHz) استفاده کردند. این سونیکاتور به سونوتْرود BS2d34 و راکتور جریان فراصوتی مجهز بود (برای مشاهده آرایش دقیق مجموعه استخراج فراصوتی با سلول جریان و پمپ Seepex، تصویر زیر را ببینید).
UIP1000hdT – مجموعه فراصوت‌دهی همراه با فشار و گرما (MTS) و استخراج پروتئین ما از اسپیرولینا در مقیاس آزمایشگاهی
منبع: Vernes et al. 2019
نتایج پژوهش نشان می‌دهد که شرایط استخراج فراصوتی بهینه‌شده برای بازده پروتئین، شامل دما و فشار اندکی بالاتر است (موسوم به فراصوت‌دهی همراه با فشار و گرما یا MTS). MTS انتقال جرم را تقویت می‌کند و امکان دستیابی به 229% پروتئین بیشتر (28٫42 ± 1٫15 g/100 g وزن خشک) نسبت به فرایند متداول بدون فراصوت (8٫63 ± 1٫15 g/100 g وزن خشک) را فراهم می‌سازد.
با دستیابی به 28٫42 g پروتئین در عصاره به‌ازای هر 100 g زیست‌توده خشک اسپیرولینا، نرخ بازیابی پروتئین 50% تنها طی 6 دقیقه در یک فرایند پیوسته فراصوت‌دهی حاصل شد. تصویربرداری میکروسکوپی نشان می‌دهد که کاویتاسیون آکوستیکی از طریق سازوکارهای متفاوتی مانند قطعه‌قطعه‌کردن، ایجاد منافذ با فراصوت و ازهم‌گسیختن ساختار بافتی، بر رشته‌های اسپیرولینا اثر می‌گذارد. این اثرات گوناگون، استخراج، آزادسازی و محلول‌سازی ترکیبات زیست‌فعال اسپیرولینا را آسان‌تر و مؤثرتر می‌کنند و به بازده بالای پروتئین با کیفیت بالا می‌انجامند.
از نظر کیفیت پروتئین‌های استخراج‌شده با فراصوت، اسیدهای آمینه در اثر تیمار فراصوتی تخریب نشدند؛ همچنین مقدار آن‌ها در روش فراصوت‌دهی بیشتر از استخراج متداول بود.
در مقایسه فراصوت‌دهی همراه با فشار و گرما با استخراج فراصوتی بدون افزایش فشار و دما، تفاوت بازده و کارایی استخراج بسیار اندک است. بنابراین، فراصوت به‌تنهایی اقتصادی‌ترین و ساده‌ترین فناوری برای تولید عصاره‌ای باکیفیت و سرشار از پروتئین‌های اسپیرولینا به شمار می‌رود. استخراج فراصوتی یک فناوری استخراج سبز و سازگار با محیط‌زیست است که برای استخراج پروتئین از اسپیرولینا در مقیاس آزمایشگاهی مناسب است و به‌آسانی می‌توان آن را به مقیاس پایلوت و صنعتی افزایش داد. (رجوع کنید به Vernès et al. 2019)
UP400St برای استخراج فراصوتی جلبک در بچ 8L
دستگاه‌های استخراج فراصوتی پربازده
تمامی نتایج استخراج به‌دست‌آمده در مقیاس کوچک را می‌توان به‌صورت خطی به ظرفیت‌های تولید بزرگ‌تر تعمیم داد. سبد گسترده محصولات Hielscher Ultrasonics، از سامانه‌های استخراج آزمایشگاهی تا صنعتی، مناسب‌ترین سونیکاتور را برای ظرفیت فرایندی مدنظر شما در بر دارد. کارکنان باسابقه ما از آزمون‌های امکان‌سنجی و بهینه‌سازی فرایند تا نصب سامانه فراصوتی شما در سطح نهایی تولید، همراهتان خواهند بود.
Hielscher Ultrasonics – تجهیزات پیشرفته استخراج
سبد محصولات Hielscher Ultrasonics طیف کامل دستگاه‌های استخراج فراصوتی پربازده را از مقیاس کوچک تا بزرگ پوشش می‌دهد. لوازم جانبی تکمیلی امکان مونتاژ آسان مناسب‌ترین پیکربندی دستگاه فراصوتی را برای فرایند شما فراهم می‌کنند. آرایش بهینه مجموعه فراصوتی به ظرفیت مدنظر، حجم، ماده اولیه، بچ یا درون‌خطی بودن فرایند و زمان‌بندی بستگی دارد. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 را زیر بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار فراهم می‌کند. مقیاس‌پذیری خطی فرایندهای استخراج فراصوتی، افزایش ساده و قابل‌اطمینان تولید را امکان‌پذیر می‌سازد. درباره افزایش مقیاس خطی فرایندهای استخراج فراصوتی بیشتر بخوانید!
از میان لوازم جانبی گوناگون، مانند موارد زیر، انتخاب کنید:
- سونوتْرودها با اندازه‌ها، قطرها و شکل‌های گوناگون
- سونوتْرودها برای دامنه بالای 200µm و بیشتر
- راکتورهای سلول جریان با حجم‌ها و هندسه‌های گوناگون
- انواع هورن‌های بوستر برای افزایش یا کاهش ضریب تقویت دامنه
- مجموعه‌های کامل فراصوت‌دهی مانند SonoStation که شامل دستگاه استخراج فراصوتی، مخزن، همزن و پمپ هستند
- حسگرهای دمای قابل اتصال
- حسگرهای فشار قابل اتصال
کارکنان آموزش‌دیده و باسابقه ما به شما مشاوره می‌دهند و مناسب‌ترین سامانه فراصوتی را متناسب با الزامات فرایند استخراج شما پیشنهاد می‌کنند!
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
هموژنایزرهای فراصوتی پرتوان از مقیاس آزمایشگاهی تا پایلوت و صنعتی .
منابع علمی / مراجع
- Anupriya Mazumder; P. Prabuthas; Hari Niwas Mishra (2017): Optimization of ultrasound-assisted solvent extraction of phycocyanin and phenolics from Arthospira platensis var. ‘lonor’ biomass. Nutrafoods (2017) 16:231-239.
- Vernès L., Abert-Vian M., El Maâtaoui M., Tao Y., Bornard I., Chemat F. (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019. 48-60.
- Merlyn Sujatha Rajakumar and Karuppan Muthukumar (2018): Influence of pre-soaking conditions on ultrasonic extraction of Spirulina platensis proteins and its recovery using aqueous biphasic system. Separation Science and Technology 2018.
- Smriti Kana Pyne, Paramita Bhattacharjee, Prem Prakash Srivastav (2020): Process optimization of ultrasonication-assisted extraction to obtain antioxidant-rich extract from Spirulina platensis. Sustainability, Agri, Food and Environmental Research 8(4), 2020.
- Zhou, Jianjun; Min Wang, Francisco J. Barba, Zhenzhou Zhu, Nabil Grimi (2023):
A combined ultrasound + membrane ultrafiltration (USN-UF) process for enhancing saccharides separation from Spirulina (Arthrospira platensis). Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 85, 2023. - Rachen Duangsee, Natapas Phoopat, Suwayd Ningsanond (2009): Phycocyanin extraction from Spirulina platensis and extract stability under various pH and temperature. Asian Journal of Food and Agro-Industry 2009, 2(04), 819-826.
نکات دانستنی
اسپیرولینا چیست؟
اسپیرولینا که یک باکتری پروکاریوتی است، سرشار از رنگدانه‌هایی مانند کاروتنوئیدها، کلروفیل و فیکوسیانین است. کاروتنوئیدها (مانند β-کاروتن، رنگدانه‌ای نارنجی‌زرد)، کلروفیل و فیکوسیانین به‌ترتیب به میزان 0٫4، 1٫0 و 14% وزن خشک یافت می‌شوند. فیکوسیانین پروتئینی آبی‌سبز، موسوم به بیلی‌پروتئین، است که در لاملاهای فتوسنتزی در غشای سیتوپلاسمی سیانوباکتری‌ها قرار دارد.
این ماده به‌عنوان افزودنی و رنگ‌دهنده غذایی، مکمل تغذیه‌ای و در کاربردهای تشخیص ایمنی‌شناختی استفاده می‌شود.
فراصوت‌دهی چگونه در پردازش جلبک استفاده می‌شود؟
فراصوت‌دهی با تقویت ته‌نشینی، برداشت جلبک را آسان می‌کند. با فراصوت‌دهی زیست‌توده جلبک، واکوئل‌های گازی درون سلول جلبک که به شناوری جلبک کمک می‌کنند، تخریب و تخلیه می‌شوند. با خروج گاز از واکوئل‌ها، سلول‌های جلبک در کف ته‌نشین می‌شوند و تغلیظ و جداسازی زیست‌توده جلبک را آسان می‌کنند. درباره برداشت فراصوتی جلبک بیشتر بخوانید!
در مرحله بعدی فرایند، فراصوت‌دهی یک فناوری تثبیت‌شده و بسیار کارآمد برای استخراج مواد مغذی و ترکیبات زیست‌فعال از جلبک است. درباره استخراج فراصوتی جلبک بیشتر بخوانید!