استخراج فراصوتی آنتوسیانین

آنتوسیانین‌ها به‌طور گسترده به‌عنوان رنگ‌زای طبیعی و افزودنی تغذیه‌ای در محصولات غذایی استفاده می‌شوند. استخراج فراصوتی روشی بسیار کارآمد و ساده برای دستیابی به آنتوسیانین‌های باکیفیت است. استفاده از سونیکاتورهای پروبی، آزادسازی آنتوسیانین‌های باکیفیت از گیاهان را تسهیل می‌کند و به بازده بالاتر و فرایندی سریع منجر می‌شود. در عین حال، فراصوت‌دهی روشی ملایم، سبز و کارآمد برای تولید صنعتی آنتوسیانین‌های با گرید غذایی و دارویی است.

آنتوسیانین‌ها – چگونه با استفاده از سونیکاتور، آنتوسیانین‌های باکیفیت استخراج کنیم

آنتوسیانین‌ها به‌طور گسترده به‌عنوان رنگ‌زاهای طبیعی در صنایع غذایی استفاده می‌شوند. این ترکیبات، بسته به ساختار مولکولی و مقدار pH، طیف گسترده‌ای از رنگ‌ها، از نارنجی و قرمز تا بنفش و آبی، دارند. توجه به آنتوسیانین‌ها تنها به اثر رنگ‌دهی آن‌ها محدود نمی‌شود، بلکه به خواص مفیدشان برای سلامت نیز مربوط است. با افزایش نگرانی‌های زیست‌محیطی و سلامت در مورد رنگ‌های مصنوعی، رنگ‌های طبیعی جایگزینی بسیار مناسب به‌عنوان رنگ‌زاهای سازگار با محیط‌زیست برای صنایع غذایی و دارویی هستند.

بهبود استخراج آنتوسیانین با فراصوت

چگونه آنتوسیانین‌ها را با فراصوت استخراج کنیم؟ – مطالعات موردی

استخراج فراصوتی آنتوسیانین از برنج بنفش Oryza Sativa L.

برنج بنفش از سویهٔ Oryza Sativa (که با نام Violet Nori یا برنج بنفش نیز شناخته می‌شود) از نظر ترکیبات فنولی، مانند گروه فلاونوئیدی آنتوسیانین‌ها، فوق‌العاده غنی است. Turrini et al. (2018) از استخراج فراصوتی برای جداسازی ترکیبات پلی‌فنولی، مانند آنتوسیانین‌ها و آنتی‌اکسیدان‌ها، از گندمه (به‌شکل کامل، قهوه‌ای و پاربویل‌شده) و برگ‌های برنج بنفش استفاده کردند. استخراج فراصوتی با استفاده از دستگاه Hielscher UP200St (200W, 26kHz, تصویر سمت چپ) و اتانول 60% به‌عنوان حلال انجام شد.
برای حفظ یکپارچگی آنتوسیانین‌ها، عصاره‌های حاصل از استخراج فراصوتی در دمای −20°C نگهداری شدند؛ این کار امکان نگهداری آن‌ها را برای دست‌کم تا سه ماه فراهم کرد.
سیانیدین-3 گلوکوزید (که با نام کریزانتمین نیز شناخته می‌شود) با اختلاف زیاد، آنتوسیانین اصلی شناسایی‌شده در ارقام ‘Violet Nori’، ‘Artemide’ و ‘Nerone’ مورد بررسی در مطالعهٔ Turrini et al. بود، درحالی‌که پئونیدین-3-گلوکوزید و سیانیدین-3-روتینوزید (همچنین موسوم به آنتی‌رینین) در مقادیر کمتری یافت شدند.
برگ‌های بنفش Oryza Sativa منبعی عالی از آنتوسیانین‌ها و محتوای فنولی کل (TPC) هستند. برگ‌های Oryza با مقداری حدود 2–3 برابر بیشتر از برنج و آرد، مادهٔ اولیه‌ای ارزان برای استخراج آنتوسیانین‌ها فراهم می‌کنند. بازده برآوردشدهٔ حدود 4 kg آنتوسیانین/t برگ تازه، به‌طور چشمگیری بیشتر از 1 kg آنتوسیانین/t برنج است؛ مقدار مربوط به برنج بر اساس میانگین مقادیر آنتوسیانین شناسایی‌شده در برنج ‘Violet Nori’ (1300 µg/g برنج، برحسب سیانیدین-3-گلوکوزید)، برای بازدهی حدود 68 kg برنج از 100 kg شلتوک محاسبه شده است.

استخراج فراصوتی آنتوسیانین از کلم قرمز

Ravanfar et al. (2015) کارایی استخراج فراصوتی آنتوسیانین‌ها از کلم قرمز را بررسی کرده‌اند. آزمایش‌های استخراج فراصوتی با استفاده از سامانهٔ فراصوت UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W) انجام شدند. سونوتْرود MS10 (با قطر نوک 10mm) در مرکز یک بشر شیشه‌ای دوجداره با دمای کنترل‌شده قرار داده شد.

در این آزمایش از قطعات تازه‌بریده‌شدهٔ کلم قرمز با ابعاد 5mm (به‌شکل مکعب) و میزان رطوبت 92٫11 ± 0٫45 % استفاده شد. یک بشر شیشه‌ای دوجداره (حجم: 200ml) با 100ml آب مقطر و 2g قطعات کلم قرمز پر شد. بشر با فویل آلومینیومی پوشانده شد تا از اتلاف حلال (آب) بر اثر تبخیر در طول فرایند جلوگیری شود. در تمام آزمایش‌ها، دمای داخل بشر با استفاده از کنترل‌کنندهٔ ترموستاتیک ثابت نگه داشته شد. در پایان، نمونه‌ها جمع‌آوری، صاف و در 4000rpm سانتریفیوژ شدند و مایعات رویی برای تعیین بازده آنتوسیانین به کار رفتند. استخراج در حمام آب به‌عنوان آزمایش شاهد انجام شد.
بازده بهینهٔ آنتوسیانین از کلم قرمز در توان 100 W، زمان 30 min و دمای 15°C تعیین شد که بازده آنتوسیانین حدود 21 mg/L را به همراه داشت.
رنگ‌زای کلم قرمز به‌دلیل تغییر رنگ با مقدار pH و قدرت رنگ‌دهی زیاد، به‌ترتیب به‌عنوان شناساگر pH در فرمولاسیون‌های دارویی یا به‌عنوان آنتی‌اکسیدان و رنگ‌زا در سامانه‌های غذایی استفاده شده است.

فراصوت، استخراج آنتوسیانین‌ها از مواد گیاهی را به‌طور چشمگیری تشدید می‌کند.
منبع: Ravanfar et al. 2015

 
مطالعات دیگر، استخراج موفق آنتوسیانین‌ها با فراصوت را از موادی از جمله بلوبری، تمشک سیاه، انگور، گیلاس، توت‌فرنگی و سیب‌زمینی شیرین بنفش نشان می‌دهند.

استخراج‌گرهای فراصوتی با عملکرد بالا

Hielscher Ultrasonics در ساخت پردازشگرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای تولید عصاره‌های باکیفیت از مواد گیاهی تخصص دارد.
طیف گستردهٔ سونیکاتورهای Hielscher از دستگاه‌های فراصوت آزمایشگاهی کوچک و قدرتمند تا سامانه‌های رومیزی مستحکم و کاملاً صنعتی را در بر می‌گیرد که فراصوت با شدت بالا را برای استخراج و جداسازی کارآمد مواد زیست‌فعال (مانند آنتوسیانین‌ها، جینجرول, پیپرین, کورکومین و غیره) فراهم می‌کنند.
تمام دستگاه‌های فراصوت از 200W تا 16٬000W به نمایشگر لمسی رنگی برای کنترل دیجیتال، کارت SD یکپارچه برای ثبت خودکار داده‌ها، کنترل از راه دور از طریق مرورگر و بسیاری امکانات کاربرپسند دیگر مجهز هستند. سونوتْرودها و سلول‌های جریان (قطعاتی که با محیط در تماس هستند) قابلیت اتوکلاو شدن دارند و به‌آسانی تمیز می‌شوند.
سونیکاتورهای Hielscher بسیار مستحکم‌اند و برای کارکرد 24/7 تحت بار کامل ساخته شده‌اند؛ در عین حال به نگهداری اندکی نیاز دارند و کاربری آن‌ها آسان و ایمن است. نمایشگر دیجیتال رنگی، کنترل کاربرپسند دستگاه فراصوت را امکان‌پذیر می‌کند.
سامانه‌های ما قادر به تأمین دامنه‌های پایین تا بسیار بالا هستند. برای استخراج کانابینوئیدها و ترپن‌ها، سونوتْرودهای فراصوتی ویژه‌ای (که با نام پروب یا هورن فراصوتی نیز شناخته می‌شوند) ارائه می‌کنیم که برای جداسازی ملایم مواد مؤثرهٔ باکیفیت بهینه شده‌اند. تمام سامانه‌های ما را می‌توان برای استخراج کانابینوئیدها و امولسیون‌سازی پس از آن به کار برد. استحکام سونیکاتورهای Hielscher، کارکرد پیوسته (24/7) را تحت شرایط کاری سنگین و در محیط‌های دشوار امکان‌پذیر می‌کند.

کنترل دقیق پارامترهای فرایند فراصوتی، تکرارپذیری و استانداردسازی فرایند را تضمین می‌کند.
 

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد:

منابع علمی / مراجع

• 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.

نکات دانستنی

استخراج به کمک فراصوت چگونه عمل می‌کند؟

اعمال امواج فراصوت شدید به یک محیط مایع، باعث ایجاد کاویتاسیون می‌شود. پدیدهٔ کاویتاسیون به‌صورت موضعی موجب ایجاد دماها، فشارها، نرخ‌های گرم‌شدن/سردشدن و اختلاف فشارهای بسیار زیاد و نیروهای برشی بالا در محیط می‌شود. هنگامی که حباب‌های کاویتاسیون بر سطح جامدات (مانند ذرات، سلول‌های گیاهی، بافت‌ها و غیره) به درون فرو می‌پاشند، ریزجت‌ها و برخوردهای بین‌ذره‌ای اثراتی مانند لایه‌برداری سطحی، فرسایش و خردشدن ذرات ایجاد می‌کنند. همچنین، فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون در محیط‌های مایع، آشفتگی‌های درشت‌مقیاس و ریزاختلاط ایجاد می‌کند.
تابش فراصوت به مواد گیاهی، ماتریس سلول‌های گیاهی را قطعه‌قطعه می‌کند و آب‌گیری آن‌ها را افزایش می‌دهد. Chemat et al (2015) نتیجه می‌گیرند که استخراج فراصوتی ترکیبات زیست‌فعال از مواد گیاهی، حاصل سازوکارهای گوناگون مستقل یا ترکیبی، از جمله قطعه‌قطعه‌شدن، فرسایش، مویینگی، ازهم‌گسیختگی بافت و منفذزایی با فراصوت است. این اثرات دیوارهٔ سلولی را تخریب می‌کنند، با راندن حلال به درون سلول و مکش حلال حاوی ترکیبات گیاهی به بیرون، انتقال جرم را بهبود می‌دهند و با ریزاختلاط، حرکت مایع را تضمین می‌کنند.

استخراج فراصوتی بر کاویتاسیون آکوستیکی و نیروهای برشی هیدرودینامیکی ناشی از آن استوار است

تابش فراصوت به مواد گیاهی، ماتریس سلول‌های گیاهی را قطعه‌قطعه می‌کند و آب‌گیری آن‌ها را افزایش می‌دهد. Chemat et al. (2015) نتیجه می‌گیرند که استخراج فراصوتی ترکیبات زیست‌فعال از مواد گیاهی، حاصل سازوکارهای گوناگون مستقل یا ترکیبی، از جمله قطعه‌قطعه‌شدن، فرسایش، مویینگی، ازهم‌گسیختگی بافت و منفذزایی با فراصوت است. این اثرات دیوارهٔ سلولی را تخریب می‌کنند، با راندن حلال به درون سلول و مکش حلال حاوی ترکیبات گیاهی به بیرون، انتقال جرم را بهبود می‌دهند و با ریزاختلاط، حرکت مایع را تضمین می‌کنند.
استخراج فراصوتی جداسازی بسیار سریع ترکیبات را امکان‌پذیر می‌کند – این روش با زمان فرایند کوتاه‌تر، بازده بالاتر و دماهای پایین‌تر، بر روش‌های متداول استخراج برتری دارد. استخراج به کمک فراصوت، به‌عنوان یک تیمار مکانیکی ملایم، از تخریب حرارتی اجزای زیست‌فعال جلوگیری می‌کند و در مقایسه با روش‌های دیگر، مانند استخراج متداول با حلال، تقطیر با آب یا استخراج سوکسله که به تخریب مولکول‌های حساس به گرما شناخته می‌شوند، برتر است. به‌دلیل این مزایا، استخراج فراصوتی روش ترجیحی برای آزادسازی ترکیبات زیست‌فعال حساس به دما از مواد گیاهی است.

استخراج فراصوتی از سلول‌های گیاهی: مقطع عرضی میکروسکوپی (TS) سازوکار عملکرد را هنگام استخراج فراصوتی از سلول‌ها نشان می‌دهد (بزرگ‌نمایی 2000x) [resource: Vilkhu et al. 2011]

آنتوسیانین – رنگ‌دانه‌ای گیاهی و ارزشمند

آنتوسیانین‌ها رنگ‌دانه‌های واکوئلی گیاهی هستند که می‌توانند قرمز، بنفش، آبی یا سیاه به نظر برسند. رنگ بروز‌یافته از رنگ‌دانه‌های آنتوسیانینی محلول در آب به مقدار pH آن‌ها بستگی دارد. آنتوسیانین‌ها در واکوئل سلول، بیشتر در گل‌ها و میوه‌ها، و همچنین در برگ‌ها، ساقه‌ها و ریشه‌ها یافت می‌شوند؛ در این اندام‌ها عمدتاً در لایه‌های بیرونی سلولی، مانند اپیدرم و سلول‌های مزوفیل پیرامونی، حضور دارند.
گلیکوزیدهای سیانیدین، دلفینیدین، مالویدین، پلارگونیدین، پئونیدین و پتونیدین بیشترین فراوانی را در طبیعت دارند.
از نمونه‌های شاخص گیاهان غنی از آنتوسیانین می‌توان به گونه‌های vaccinium، مانند بلوبری، کرنبری و بیلبری؛ میوه‌های Rubus، شامل رزبری سیاه، رزبری قرمز و تمشک سیاه؛ انگور فرنگی سیاه، گیلاس، بادمجان، برنج سیاه، اوبه، سیب‌زمینی شیرین اوکیناوایی، انگور Concord، انگور موسکادین، کلم قرمز و گلبرگ‌های بنفشه اشاره کرد. هلوها و سیب‌های گوشت‌قرمز حاوی آنتوسیانین هستند. آنتوسیانین‌ها در موز، مارچوبه، نخودفرنگی، رازیانه، گلابی و سیب‌زمینی فراوانی کمتری دارند و ممکن است در برخی ارقام انگور فرنگی سبز کاملاً غایب باشند.

ساختار آنتوسیانین‌های اصلی

آنتوسیانین‌ها جایگزینی بسیار مناسب برای عوامل رنگ‌دهندهٔ مصنوعی در محصولات غذایی هستند. استفاده از آنتوسیانین‌ها به‌عنوان رنگ‌زای غذایی در اتحادیهٔ اروپا، استرالیا و نیوزیلند با کد رنگ‌زای E163 تأیید شده است. آنتوسیانین‌ها در میوه‌ها و سبزیجات یافت می‌شوند و می‌توان آن‌ها را نوعی رنگ‌دانهٔ گیاهی محلول در آب توصیف کرد. از نظر شیمیایی، آنتوسیانین‌ها گلیکوزیدهای آنتوسیانیدین‌ها بر پایهٔ ساختار 2-phenylbenzophyrylium (flavylium) هستند. بیش از 200 ترکیب فیتوشیمیایی متمایز در دستهٔ آنتوسیانین‌ها قرار می‌گیرند. آنتوسیانین‌ها از رنگ‌دانه‌های اصلی میوه‌های وحشی و میوه‌های سته هستند و منابع بسیاری برای استخراج آن‌ها وجود دارد. پوست انگور یکی از منابع شاخص آنتوسیانین‌هاست. رنگ‌دانه‌های آنتوسیانینی پوست انگور عمدتاً شامل دی‌گلوکوزیدها، مونوگلوکوزید، مونوگلوکوزیدهای آسیله و نیز دی‌گلوکوزیدهای آسیلهٔ پئونیدین، مالویدین، سیانیدین، پتونیدین و دلفینیدین هستند. محتوای آنتوسیانین در انگور در محدودهٔ 30–750mg/100g متغیر است.
شاخص‌ترین آنتوسیانین‌ها عبارت‌اند از سیانیدین، دلفینیدین، پلارگونیدین، پئونیدین، مالویدین و پتونیدین.
برای مثال، آنتوسیانین‌های peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside، peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside و cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside در سیب‌زمینی‌های شیرین بنفش یافت می‌شوند.

آنتوسیانین‌ها – فواید برای سلامت

آنتوسیانین‌ها افزون بر توانایی چشمگیرشان در ایفای نقش رنگ‌زای طبیعی غذا، به‌دلیل اثرات آنتی‌اکسیدانی خود بسیار ارزشمندند. ازاین‌رو، آنتوسیانین‌ها اثرات مثبت متعددی بر سلامت دارند. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که آنتوسیانین‌ها می‌توانند از آسیب DNA در سلول‌های سرطانی جلوگیری کنند، آنزیم‌های گوارشی را مهار کنند، تولید انسولین را در سلول‌های جداشدهٔ لوزالمعده القا کنند، پاسخ‌های التهابی را کاهش دهند، در برابر افت عملکرد مغز مرتبط با افزایش سن محافظت کنند، نفوذناپذیری رگ‌های مویرگی را بهبود دهند و از تجمع پلاکت‌ها جلوگیری کنند.