فراصوت‌دهی برای بهبود تخریب سلولی و استخراج از جلبک‌ها
جلبک‌ها، شامل ماکروجلبک‌ها و ریزجلبک‌ها، حاوی ترکیبات ارزشمند بسیاری هستند که به‌عنوان مواد غذایی مغذی، افزودنی‌های غذایی، سوخت یا مواد اولیهٔ سوخت استفاده می‌شوند. برای آزادسازی مواد هدف از سلول جلبک، به روشی قدرتمند و کارآمد برای تخریب سلولی نیاز است. استخراج‌کننده‌های فراصوتی برای استخراج ترکیبات زیست‌فعال از مواد گیاهی، جلبک‌ها و قارچ‌ها بسیار کارآمد و قابل‌اعتماد هستند. استخراج‌کننده‌های فراصوتی Hielscher در مقیاس‌های آزمایشگاهی، رومیزی و صنعتی عرضه می‌شوند و کاربرد آن‌ها در تولید عصاره‌های سلولی در صنایع غذایی، دارویی و تولید سوخت زیستی تثبیت شده است.
جلبک‌ها؛ منبعی ارزشمند برای تغذیه و سوخت
سلول‌های جلبک منبعی چندمنظوره از ترکیبات زیست‌فعال و سرشار از انرژی، مانند پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها، لیپیدها و سایر مواد زیست‌فعال و همچنین آلکان‌ها هستند. به همین دلیل، جلبک‌ها منبعی برای غذا و ترکیبات تغذیه‌ای و نیز سوخت‌ها محسوب می‌شوند.
ریزجلبک‌ها منبعی ارزشمند از لیپیدها هستند که در تغذیه و به‌عنوان مادهٔ اولیهٔ سوخت‌های زیستی، مانند بیودیزل، استفاده می‌شوند. سویه‌های فیتوپلانکتون دریایی Dicrateria، مانند Dicrateria rotunda، به‌عنوان جلبک‌های تولیدکنندهٔ بنزین شناخته می‌شوند و می‌توانند مجموعه‌ای از هیدروکربن‌های اشباع (n‐alkanes) را از C10H22 تا C38H78 سنتز کنند که در دسته‌های بنزین (C10–C15)، روغن‌های دیزل (C16–C20) و نفت‌های سوختی (C21–C38) قرار می‌گیرند.
جلبک‌ها به‌دلیل ارزش تغذیه‌ای خود به‌عنوان «غذاهای فراسودمند» یا «مواد مغذی دارویی» استفاده می‌شوند. ریزمغذی‌های مهم استخراج‌شده از جلبک‌ها شامل کاروتنوئیدهای آستاگزانتین، فوکوگزانتین و زآگزانتین، فوکوئیدان، لامیناری و سایر گلوکان‌ها هستند که در کنار بسیاری از مواد زیست‌فعال دیگر، به‌عنوان مکمل‌های تغذیه‌ای و مواد دارویی استفاده می‌شوند. کاراگینان، آلژینات و سایر هیدروکلوئیدها به‌عنوان افزودنی‌های غذایی کاربرد دارند. لیپیدهای جلبک به‌عنوان منبع وگان امگا-3 و همچنین به‌عنوان سوخت یا مادهٔ اولیه برای تولید بیودیزل استفاده می‌شوند.
استخراج‌کنندهٔ فراصوتی UIP2000hdT با راکتور فولاد زنگ‌نزن برای استخراج تجاری لیپیدها، پروتئین‌ها و آنتی‌اکسیدان‌ها از جلبک‌ها.
تخریب سلولی و استخراج از جلبک‌ها با فراصوت پرتوان
استخراج‌کننده‌های فراصوتی یا به‌اختصار سونیکاتورها برای استخراج ترکیبات ارزشمند از نمونه‌های کوچک در آزمایشگاه و همچنین برای تولید در مقیاس بزرگ تجاری استفاده می‌شوند.
سلول‌های جلبک با ماتریس‌های پیچیدهٔ دیوارهٔ سلولی محافظت می‌شوند که از لیپیدها، سلولز، پروتئین‌ها، گلیکوپروتئین‌ها و پلی‌ساکاریدها تشکیل شده‌اند. ساختار پایهٔ بیشتر دیواره‌های سلولی جلبک‌ها، شبکه‌ای میکروفیبریلی درون یک ماتریس پروتئینی ژل‌مانند است؛ بااین‌حال، برخی ریزجلبک‌ها دیواره‌ای سخت و معدنی دارند که از پوسته‌های سیلیس اوپالی یا کربنات کلسیم تشکیل شده است. برای به‌دست‌آوردن ترکیبات زیست‌فعال از زیست‌تودهٔ جلبکی، به روشی کارآمد برای تخریب سلولی نیاز است. علاوه بر عوامل فناورانهٔ استخراج، یعنی روش و تجهیزات استخراج، کارایی تخریب سلولی و استخراج از جلبک‌ها به‌شدت تحت تأثیر عوامل مختلف وابسته به جلبک نیز قرار دارد؛ از جمله ترکیب دیوارهٔ سلولی، محل زیست‌مولکول موردنظر در سلول‌های ریزجلبک و مرحلهٔ رشد ریزجلبک در زمان برداشت.
تخریب سلولی و استخراج فراصوتی از جلبک‌ها چگونه انجام می‌شود؟
هنگامی که امواج فراصوت با شدت بالا از طریق یک پروب فراصوتی، که با نام هورن فراصوتی یا سونوتْرود نیز شناخته می‌شود، به مایع یا دوغاب کوپل می‌شوند، امواج صوتی در مایع انتشار می‌یابند و چرخه‌های متناوب پرفشار / کم‌فشار ایجاد می‌کنند. طی این چرخه‌های پرفشار / کم‌فشار، حباب‌های خلأ یا حفره‌های بسیار ریزی پدید می‌آیند. حباب‌های کاویتاسیون هنگامی ایجاد می‌شوند که فشار موضعی در چرخه‌های کم‌فشار به‌اندازهٔ کافی به زیر فشار بخار اشباع افت کند؛ مقداری که با استحکام کششی مایع در دمایی مشخص تعیین می‌شود. این حباب‌ها طی چندین چرخه رشد می‌کنند. هنگامی که این حباب‌های خلأ به اندازه‌ای می‌رسند که دیگر نمی‌توانند انرژی بیشتری جذب کنند، حباب در یک چرخهٔ پرفشار به‌شدت به درون فرو می‌پاشد. فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون فرایندی شدید و با چگالی انرژی بالاست که امواج ضربه‌ای قوی، آشفتگی و ریزجت‌ها را در سیال ایجاد می‌کند. علاوه بر این، فشارها و دماهای موضعی بسیار بالایی ایجاد می‌شوند. این شرایط شدید به‌آسانی می‌توانند دیواره‌ها و غشاهای سلولی را تخریب کنند و ترکیبات درون‌سلولی را به‌صورتی مؤثر، کارآمد و سریع آزاد سازند. به این ترتیب، ترکیبات درون‌سلولی مانند پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها، لیپیدها، ویتامین‌ها، مواد معدنی و آنتی‌اکسیدان‌ها را می‌توان با استفاده از فراصوت پرتوان به‌طور مؤثر استخراج کرد.
سونیکاتور UP400St برای تخریب جلبک‌ها و استخراج ترکیبات زیست‌فعال آن‌ها در بچ‌های کوچک‌تر، تقریباً 8–10L، ایدئال است
کاویتاسیون فراصوتی برای تخریب سلولی و استخراج
در مواجهه با انرژی فراصوتی شدید، دیواره یا غشای هر نوع سلول، از جمله سلول‌های گیاهی، پستانداران، جلبکی، قارچی، باکتریایی و غیره، تخریب می‌شود و نیروهای مکانیکی کاویتاسیون فراصوتی با چگالی انرژی بالا، سلول را به قطعات کوچک‌تر می‌شکنند. با شکسته‌شدن دیوارهٔ سلولی، متابولیت‌های سلولی مانند پروتئین، لیپید، اسید نوکلئیک و کلروفیل از ماتریس دیوارهٔ سلولی و نیز از درون سلول آزاد می‌شوند و به محیط کشت یا حلال پیرامون انتقال می‌یابند.
سازوکار کاویتاسیون فراصوتی / آکوستیکی که در بالا توصیف شد، کل سلول‌های جلبکی یا واکوئل‌های گازی و مایع درون سلول‌ها را به‌شدت تخریب می‌کند. کاویتاسیون فراصوتی، ارتعاش، آشفتگی و ریزجریان‌ها انتقال جرم میان فضای درون سلول و حلال پیرامون را تقویت می‌کنند؛ در نتیجه، زیست‌مولکول‌ها، یعنی متابولیت‌ها، به‌طور کارآمد و سریع آزاد می‌شوند. زیرا فراصوت‌دهی فرایندی کاملاً مکانیکی است که به مواد شیمیایی خورنده یا تهاجمی، سمی و/یا گران‌قیمت نیاز ندارد.
فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین، شرایط شدیدی با چگالی انرژی بالا ایجاد می‌کند که با فشارها و دماهای بالا و نیروهای برشی زیاد همراه است. این نیروهای فیزیکی تخریب ساختارهای سلولی را تقویت می‌کنند تا ترکیبات درون‌سلولی در محیط آزاد شوند. به همین دلیل، فراصوت با فرکانس پایین به‌طور گسترده برای استخراج مواد زیست‌فعال و سوخت‌ها از جلبک‌ها استفاده می‌شود. در مقایسه با روش‌های متداول استخراج، مانند استخراج با حلال، آسیاب‌کردن با آسیاب مهره‌ای یا همگن‌سازی پرفشار، استخراج فراصوتی با آزادسازی بیشتر ترکیبات زیست‌فعال، مانند لیپیدها، پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها و ریزمغذی‌ها، از سلول‌های منفذدارشده با فراصوت و تخریب‌شده برتری دارد. با اعمال شرایط مناسب فرایند، استخراج فراصوتی در مدت‌زمانی بسیار کوتاه بازده استخراج بالاتری فراهم می‌کند. برای مثال، استخراج‌کننده‌های فراصوتی با عملکرد بالا، در صورت استفاده با حلال مناسب، عملکرد استخراجی عالی از جلبک‌ها نشان می‌دهند. در محیط اسیدی یا قلیایی، دیوارهٔ سلولی جلبک متخلخل و چروکیده می‌شود که به افزایش بازده در دمای پایین، زیر 60°C، و زمان کوتاه فراصوت‌دهی، کمتر از 3 ساعت، می‌انجامد. مدت کوتاه استخراج در دماهای ملایم از تخریب فوکوئیدان جلوگیری می‌کند؛ بنابراین پلی‌ساکاریدی با فعالیت زیستی بالا به دست می‌آید.
فراصوت‌دهی همچنین روشی برای تبدیل فوکوئیدان با وزن مولکولی بالا به فوکوئیدان با وزن مولکولی پایین است که به‌دلیل ساختار شاخه‌زدایی‌شدهٔ خود، فعالیت زیستی بسیار بیشتری دارد. فوکوئیدان با وزن مولکولی پایین، به‌واسطهٔ فعالیت زیستی و دسترس‌پذیری زیستی بالا، ترکیبی جذاب برای مواد دارویی و سامانه‌های دارورسانی است.
مطالعات موردی: استخراج فراصوتی ترکیبات جلبک‌ها
کارایی استخراج فراصوتی و بهینه‌سازی پارامترهای آن به‌طور گسترده مطالعه شده‌اند. در ادامه، نمونه‌هایی از نتایج استخراج با فراصوت‌دهی از گونه‌های مختلف جلبک ارائه شده است.
استخراج پروتئین از اسپیرولینا با استفاده از فراصوت‌دهی همراه با فشار و گرما
گروه پژوهشی پروفسور Chemat در دانشگاه آوینیون، اثرات فراصوت‌دهی همراه با فشار و گرما (MTS) را بر استخراج پروتئین‌ها، مانند فیکوسیانین، از سیانوباکتری خشک Arthrospira platensis، که با نام اسپیرولینا نیز شناخته می‌شود، بررسی کرد. فراصوت‌دهی همراه با فشار و گرما (MTS) به کاربرد فراصوت همراه با فشارها و دماهای بالاتر برای تشدید فرایند استخراج فراصوتی گفته می‌شود.
«طبق نتایج آزمایش‌ها، MTS انتقال جرم را تقویت کرد (ضریب نفوذ مؤثر بالا، De) و امکان دستیابی به 229% پروتئین بیشتر (28٫42 ± 1٫15 g/100 g DW) نسبت به فرایند متداول بدون فراصوت (8٫63 ± 1٫15 g/100 g DW) را فراهم ساخت. با وجود 28٫42 g پروتئین به‌ازای هر 100 g زیست‌تودهٔ خشک اسپیرولینا در عصاره، نرخ بازیابی پروتئین 50% طی 6 دقیقهٔ مؤثر با فرایند پیوستهٔ MTS حاصل شد. مشاهدات میکروسکوپی نشان دادند که کاویتاسیون آکوستیکی از طریق سازوکارهای مختلفی مانند قطعه‌قطعه‌شدن، منفذزایی با فراصوت و ازهم‌گسیختگی بافت، بر رشته‌های اسپیرولینا اثر می‌گذارد. این پدیده‌های مختلف استخراج، آزادسازی و انحلال ترکیبات زیست‌فعال اسپیرولینا را آسان‌تر می‌کنند.» [Vernès et al., 2019]
تصاویر میکروسکوپ نوری از رشته‌های کامل اسپیرولینا که در طول زمان تحت تیمار MTS قرار گرفته‌اند. خط مقیاس (تصویر A) = 50 μm برای همهٔ تصاویر.
تصویر و پژوهش: ©Vernès et al. 2019
استخراج فراصوتی فوکوئیدان و گلوکان از Laminaria digitata
گروه پژوهشی TEAGASC به سرپرستی دکتر Tiwari، استخراج پلی‌ساکاریدها، یعنی فوکوئیدان، لامینارین و گلوکان‌های کل، از ماکروجلبک Laminaria digitata را با استفاده از دستگاه زیر بررسی کرد: سونیکاتور UIP500hdT. پارامترهای بررسی‌شدهٔ استخراج به کمک فراصوت (UAE) تأثیر معناداری بر مقادیر فوکوز، FRAP و DPPH نشان دادند. در شرایط بهینهٔ دما (76◦C)، زمان (10 min) و دامنهٔ فراصوت (100%)، با استفاده از 0٫1 M HCl به‌عنوان حلال، مقادیر 1060٫75 mg/100 g ds، 968٫57 mg/100 g ds، 8٫70 μM trolox/mg fde و 11٫02% به‌ترتیب برای فوکوز، گلوکان‌های کل، FRAP و DPPH به دست آمدند. سپس شرایط UAE توصیف‌شده با موفقیت برای سایر ماکروجلبک‌های قهوه‌ای دارای اهمیت اقتصادی (L. hyperborea و A. nodosum) به کار گرفته شد تا عصاره‌های غنی از پلی‌ساکارید به دست آیند. این مطالعه قابلیت کاربرد UAE را برای بهبود استخراج پلی‌ساکاریدهای زیست‌فعال از گونه‌های مختلف ماکروجلبک نشان می‌دهد.
استخراج فراصوتی مواد فیتوشیمیایی از F. vesiculosus و P. canaliculata
تیم پژوهشی García-Vaquero روش‌های نوین مختلف استخراج، شامل استخراج فراصوتی با عملکرد بالا، استخراج فراصوت–مایکروویو، استخراج مایکروویوی، استخراج به کمک فرایند گرمابی و استخراج به کمک فشار بالا را مقایسه کرد تا کارایی استخراج از گونه‌های ریزجلبک قهوه‌ای Fucus vesiculosus و Pelvetia canaliculata را ارزیابی کند. برای فراصوت‌دهی، از دستگاه زیر استفاده کردند: استخراج‌کنندهٔ فراصوتی Hielscher UIP500hdT. تحلیل بازده‌های استخراج نشان داد که استخراج فراصوتی بالاترین بازده بیشتر مواد فیتوشیمیایی را از هر دو F. vesiculosus به دست آورده است. به این معنا که بالاترین بازده ترکیبات استخراج‌شده از F. vesiculosus با استفاده از استخراج‌کنندهٔ فراصوتی UIP500hdT عبارت بود از: محتوای فنولی کل (445٫0 ± 4٫6 mg معادل اسید گالیک/g)، محتوای فلوروتانن کل (362٫9 ± 3٫7 mg معادل فلوروگلوسینول/g)، محتوای فلاونوئید کل (286٫3 ± 7٫8 mg معادل کوئرستین/g) و محتوای تانن کل (189٫1 ± 4٫4 mg معادل کاتچین/g).
این تیم در مطالعهٔ پژوهشی خود نتیجه گرفت که استفاده از استخراج به کمک فراصوت «همراه با محلول اتانولی 50% به‌عنوان حلال استخراج، می‌تواند راهبردی امیدبخش برای استخراج TPC، TPhC، TFC و TTC باشد و هم‌زمان استخراج همراهِ کربوهیدرات‌های نامطلوب را از هر دو گونهٔ F. vesiculosus و P. canaliculata کاهش دهد؛ این ترکیبات برای استفاده در محصولات دارویی، مواد مغذی دارویی و محصولات آرایشی‌درمانی کاربردهای امیدبخشی دارند.» [García-Vaquero et al., 2021]
افزایش مقیاس فراصوت‌دهی همراه با فشار و گرما در دانشگاه آوینیون با استفاده از سونیکاتورهای Hielscher: از تجهیزات آزمایشگاهی UIP1000hdT (A) تا تجهیزات مقیاس پایلوت UIP4000hdT (B، C و D). در تصویر D، مقطع عرضی سلول جریان فراصوتی زیر به‌صورت شماتیک نشان داده شده است: FC100K.
تصویر و پژوهش: ©Vernès et al. 2019
چیدمان استخراج‌کنندهٔ فراصوتی درون‌خطی با سلول‌های جریان: 2x سونیکاتور UIP1000hdT مجهز به راکتورهای سلول جریان برای استخراج پیوسته از جلبک‌ها
UIP1000hdT (1kW, 20kHz) استخراج‌کنندهٔ فراصوتی همراه با همزن برای تخریب و استخراج از جلبک‌هایی مانند Chlorella، اسپیرولینا، Nannochloropsis، جلبک‌های قهوه‌ای و سایر ریزجلبک‌ها و ماکروجلبک‌ها.
- کارایی بالای استخراج
- بازده بالاتر استخراج
- فرایند سریع
- دماهای پایین
- مناسب برای استخراج ترکیبات حساس به گرما
- سازگار با هر حلال
- مصرف کم انرژی
- روش استخراج سبز
- کاربری آسان و ایمن
- هزینه‌های پایین سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری
- کارکرد 24/7 در شرایط کاری سنگین
استخراج‌کننده‌های فراصوتی با عملکرد بالا برای تخریب جلبک‌ها
تجهیزات پیشرفتهٔ فراصوتی Hielscher امکان کنترل کامل پارامترهای فرایند، مانند دامنه، دما، فشار و انرژی ورودی را فراهم می‌کنند.
برای استخراج فراصوتی، می‌توان پارامترهایی مانند اندازهٔ ذرات مادهٔ اولیه، نوع حلال، نسبت جامد به حلال و زمان استخراج را تغییر داد و برای دستیابی به بهترین نتایج بهینه‌سازی کرد.
ازآنجاکه استخراج فراصوتی روشی غیرحرارتی است، از تخریب حرارتی اجزای زیست‌فعال موجود در مادهٔ اولیه، مانند جلبک‌ها، جلوگیری می‌شود.
در مجموع، مزایایی مانند بازده بالا، زمان کوتاه استخراج، دمای پایین استخراج و مقادیر کم حلال، فراصوت‌دهی را به روش برتر استخراج تبدیل می‌کنند.
استخراج فراصوتی: روشی تثبیت‌شده در آزمایشگاه و صنعت
استخراج فراصوتی به‌طور گسترده برای استخراج هر نوع ترکیب زیست‌فعال از مواد گیاهی، جلبک‌ها، باکتری‌ها و سلول‌های پستانداران استفاده می‌شود. استخراج فراصوتی به‌عنوان روشی ساده، مقرون‌به‌صرفه و بسیار کارآمد تثبیت شده است که با بازده استخراج بالاتر و زمان پردازش کوتاه‌تر، از سایر روش‌های سنتی استخراج برتر است.
با دسترسی آسان به سامانه‌های فراصوتی آزمایشگاهی، رومیزی و کاملاً صنعتی، استخراج فراصوتی امروزه فناوری‌ای تثبیت‌شده و قابل‌اعتماد است. استخراج‌کننده‌های فراصوتی Hielscher در سراسر جهان در تأسیسات پردازش صنعتی تولیدکنندهٔ ترکیبات زیست‌فعال با گرید غذایی و دارویی نصب شده‌اند.
استانداردسازی فرایند با Hielscher Ultrasonics
عصاره‌های به‌دست‌آمده از جلبک‌ها که در مواد غذایی، داروها یا محصولات آرایشی استفاده می‌شوند، باید مطابق با اصول تولید خوب (GMP) و بر اساس مشخصات استانداردشدهٔ پردازش تولید شوند. سامانه‌های دیجیتال استخراج Hielscher Ultrasonics به نرم‌افزار هوشمند مجهز هستند که تنظیم و کنترل دقیق فرایند فراصوت‌دهی را آسان می‌کند. ثبت خودکار داده‌ها، تمام پارامترهای فرایند فراصوتی، مانند انرژی فراصوت (انرژی کل و خالص)، دامنه، دما و فشار (در صورت نصب حسگرهای دما و فشار) را همراه با تاریخ و زمان روی کارت SD تعبیه‌شده ذخیره می‌کند. این قابلیت به شما امکان می‌دهد هر بچ پردازش‌شده با فراصوت را بازبینی کنید. هم‌زمان، تکرارپذیری و کیفیت بالای مستمر محصول تضمین می‌شوند.
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!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- García-Vaquero, Marco; Rajauria, Gaurav; Brijesh Kumar, Tiwari; Sweeney, Torres; O’Doherty, John (2018): Extraction and Yield Optimisation of Fucose, Glucans and Associated Antioxidant Activities from Laminaria digitata by Applying Response Surface Methodology to High Intensity Ultrasound-Assisted Extraction. Marine Drugs 16(8), 2018.
- 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. - Harada, N., Hirose, Y., Chihong, S. et al. (2021): A novel characteristic of a phytoplankton as a potential source of straight‐chain alkanes. Scientific Reports Vol. 11, 2021.
- Halim, Ronald; Hill, David; Hanssen, Eric; Webley, Paul; Blackburn, Susan; Grossman, Arthur; Posten, Clemens; Martin, Gregory (2019): Towards sustainable microalgal biomass processing: Anaerobic induction of autolytic cell-wall self-ingestion in lipid-rich Nannochloropsis slurries. Green Chemistry 21, 2019.
- Garcia-Vaquero, Marco; Rajeev Ravindran; Orla Walsh; John O’Doherty; Amit K. Jaiswal; Brijesh K. Tiwari; Gaurav Rajauria (2021): Evaluation of Ultrasound, Microwave, Ultrasound–Microwave, Hydrothermal and High Pressure Assisted Extraction Technologies for the Recovery of Phytochemicals and Antioxidants from Brown Macroalgae. Marine Drugs 19 (6), 2021.
- Vernès, Léa; Vian, Maryline; Maâtaoui, Mohamed; Tao, Yang; Bornard, Isabelle; Chemat, Farid (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019.
دانستنی‌های مفید
جلبک‌ها: ماکروجلبک‌ها، ریزجلبک‌ها، فیتوپلانکتون‌ها، سیانوباکتری‌ها، جلبک‌های دریایی
اصطلاح جلبک، اصطلاحی غیررسمی است که برای گروه بزرگ و متنوعی از جانداران یوکاریوتی فتوسنتزکننده استفاده می‌شود. جلبک‌ها عمدتاً آغازیان در نظر گرفته می‌شوند، اما گاهی نیز به‌عنوان نوعی گیاه یا کرومیست طبقه‌بندی می‌شوند. بسته به ساختار سلولی آن‌ها، می‌توان آن‌ها را به ماکروجلبک‌ها و ریزجلبک‌ها، که با نام فیتوپلانکتون نیز شناخته می‌شوند، تفکیک کرد. ماکروجلبک‌ها جاندارانی چندسلولی هستند که اغلب با نام جلبک‌های دریایی شناخته می‌شوند. گروه ماکروجلبک‌ها شامل گونه‌های مختلف جلبک‌های دریایی ماکروسکوپی و چندسلولی است. اصطلاح فیتوپلانکتون عمدتاً برای جلبک‌های دریایی میکروسکوپی تک‌سلولی، یعنی ریزجلبک‌ها، استفاده می‌شود، اما می‌تواند سیانوباکتری‌ها را نیز در بر گیرد. فیتوپلانکتون گروه گسترده‌ای از جانداران مختلف است که باکتری‌های فتوسنتزکننده، ریزجلبک‌ها و کوکولیتوفورهای دارای صفحات زره‌مانند را شامل می‌شود.
ازآنجاکه جلبک‌ها می‌توانند تک‌سلولی یا چندسلولی باشند و ساختارهای رشته‌ای یا گیاه‌مانند داشته باشند، طبقه‌بندی آن‌ها اغلب دشوار است.
گونه‌های ماکروجلبک یا جلبک دریایی با بیشترین میزان کشت عبارت‌اند از Eucheuma spp.، Kappaphycus alvarezii، Gracilaria spp.، Saccharina japonica، Undaria pinnatifida، Pyropia spp. و Sargassum fusiforme. جلبک‌های Eucheuma و K. alvarezii برای تولید کاراگینان، یک عامل ژل‌ساز هیدروکلوئیدی، کشت می‌شوند؛ Gracilaria برای تولید آگار پرورش داده می‌شود؛ درحالی‌که سایر گونه‌ها برای مصارف غذایی و تغذیه‌ای از طبیعت جمع‌آوری می‌شوند.
نوع دیگری از جلبک دریایی، کلپ است. کلپ‌ها جلبک‌های دریایی قهوه‌ای بزرگی هستند که راستهٔ Laminariales را تشکیل می‌دهند. کلپ سرشار از آلژینات است؛ کربوهیدراتی که برای غلیظ‌کردن محصولاتی مانند بستنی، ژله، سس سالاد و خمیردندان و همچنین به‌عنوان یکی از اجزای برخی غذاهای سگ و کالاهای تولیدی استفاده می‌شود. پودر آلژینات در دندان‌پزشکی عمومی و ارتودنسی نیز کاربرد فراوانی دارد. پلی‌ساکاریدهای کلپ، مانند فوکوئیدان، به‌عنوان مواد ژل‌ساز در محصولات مراقبت از پوست استفاده می‌شوند.
فوکوئیدان یک هتروپلی‌ساکارید سولفاتهٔ محلول در آب است که در چندین گونه از جلبک‌های قهوه‌ای وجود دارد. فوکوئیدان تولیدشده در مقیاس تجاری عمدتاً از گونه‌های جلبک دریایی Fucus vesiculosus، Cladosiphon okamuranus، Laminaria japonica و Undaria pinnatifida استخراج می‌شود.
سرده‌ها و گونه‌های شاخص جلبک‌ها
- Chlorella سرده‌ای متشکل از حدود سیزده گونهٔ جلبک سبز تک‌سلولی (ریزجلبک) متعلق به شاخهٔ Chlorophyta است. سلول‌های Chlorella شکلی کروی دارند، قطر آن‌ها حدود 2 تا 10 μm است و فاقد تاژک هستند. کلروپلاست‌های آن‌ها حاوی رنگ‌دانه‌های سبز فتوسنتزی کلروفیل a و b هستند. یکی از پرکاربردترین گونه‌های Chlorella، گونهٔ Chlorella vulgaris است که به‌طور رایج در مکمل‌های غذایی یا به‌عنوان افزودنی غذایی سرشار از پروتئین استفاده می‌شود.
- Spirulina (سیانوباکتری Arthrospira platensis) جلبکی سبزآبی، رشته‌ای و چندسلولی است.
- Nannochloropsis oculata گونه‌ای از سردهٔ Nannochloropsis است. این جلبک سبز کوچک و تک‌سلولی، هم در آب‌های دریایی و هم در آب شیرین یافت می‌شود. جلبک Nannochloropsis با سلول‌های کروی یا اندکی تخم‌مرغی‌شکل با قطر 2–5 μm مشخص می‌شود.
- Dicrateria سرده‌ای از هاپتوفیت‌هاست که شامل سه گونهٔ Dicrateria gilva، Dicrateria inornata، Dicrateria rotunda و Dicrateria vlkianum است. Dicrateria rotunda (D. rotunda) می‌تواند هیدروکربن‌هایی معادل نفت خام، یعنی هیدروکربن‌های اشباع با تعداد اتم کربن در بازهٔ 10 تا 38، سنتز کند.
فراصوت‌دهی چگونه در پردازش جلبک‌ها استفاده می‌شود؟
فراصوت‌دهی در پردازش جلبک‌ها نقشی دوگانه دارد – ابتدا با افزایش کارایی برداشت و سپس با بهبود بازده استخراج.
در مرحلهٔ برداشت، فراصوت با شدت پایین با هدف‌قراردادن واکوئل‌های گازی درون سلول‌های جلبک، ته‌نشینی زیست‌توده را تسهیل می‌کند. این واکوئل‌ها که به‌طور طبیعی به شناوری و قرارگرفتن روی سطح کمک می‌کنند، طی فراصوت‌دهی تخریب و گاززدایی می‌شوند. پس از تخلیهٔ آن‌ها، سلول‌ها توانایی معلق‌ماندن خود را از دست می‌دهند، سریع‌تر ته‌نشین می‌شوند و می‌توان آن‌ها را به‌طور کارآمد تغلیظ و از محیط کشت جدا کرد.
دربارهٔ برداشت فراصوتی جلبک‌ها بیشتر بخوانید
در مرحلهٔ بعدی پردازش، فراصوت‌دهی با شدت بالا برای تخریب دیواره‌های سلولی به کار می‌رود و آزادسازی کارآمد محتویات درون‌سلولی مانند لیپیدها، پروتئین‌ها، رنگ‌دانه‌ها و ریزمغذی‌ها را ممکن می‌سازد. فراصوت‌دهی به‌طور گسترده به‌عنوان روشی قدرتمند و غیرحرارتی برای استخراج شناخته می‌شود که برای تولید مواد زیست‌فعال با خلوص بالا از ریزجلبک‌ها مناسب است.
دربارهٔ استخراج فراصوتی از جلبک‌ها بیشتر بخوانید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را از مقیاس آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.