Antosyaanien ultraääniuutto

Antosyaaneja käytetään laajalti elintarvikkeissa luonnollisina väriaineina ja ravitsemuksellisina lisäaineina. Ultraääniuutto on erittäin tehokas ja yksinkertainen menetelmä korkealaatuisten antosyaanien saamiseksi. Anturityyppisten ultraäänilaitteiden käyttö edistää korkealaatuisten antosyaanien vapautumista kasveista, mikä parantaa saantoja ja nopeuttaa prosessia. Samalla ultraäänikäsittely on hellävarainen, ympäristöystävällinen ja tehokas menetelmä elintarvike- ja lääkelaatuisien antosyaanien teolliseen tuotantoon.

Antosyaanit – korkealaatuisten antosyaanien uuttaminen ultraäänilaitteella

Antosyaaneja käytetään laajalti luonnollisina väriaineina elintarviketeollisuudessa. Niiden värisävyjen kirjo ulottuu oranssista punaisen kautta violettiin ja siniseen molekyylirakenteen ja pH-arvon mukaan. Kiinnostus antosyaaneihin perustuu niiden värjäävän vaikutuksen lisäksi niiden terveyttä edistäviin ominaisuuksiin. Synteettisiin väriaineisiin liittyvien ympäristö- ja terveyshuolien lisääntyessä luonnolliset väriaineet ovat erinomainen vaihtoehto ympäristöystävällisiksi väriaineiksi elintarvike- ja lääketeollisuuteen.

Ultraäänellä tehostettu antosyaanien uutto

Miten antosyaaneja uutetaan ultraäänellä? – Tapaustutkimuksia

Antosyaanien ultraääniuutto violetista Oryza Sativa L. -riisistä

Oryza Sativa -kannan violetti riisi (tunnetaan myös nimillä Violet Nori ja violetti riisi) sisältää poikkeuksellisen runsaasti fenolisia yhdisteitä, kuten flavonoideihin kuuluvia antosyaaneja. Turrini et al. (2018) käyttivät ultraääniuuttoa polyfenolisten yhdisteiden, kuten antosyaanien ja antioksidanttien, eristämiseen violetin riisin jyvistä (kokonaisina, ruskeina ja esikeitettyinä) ja lehdistä. Ultraääniuuttoon käytettiin Hielscher UP200St (200 W, 26 kHz, kuva vasemmalla) -ultraäänilaitetta ja liuottimena etanolia (60%).
Antosyaanien eheyden säilyttämiseksi ultraääniuutteet säilytettiin lämpötilassa −20°C, mikä mahdollisti niiden säilyttämisen vähintään jopa kolme kuukautta.
Syanidiini-3-glukosidi (tunnetaan myös nimellä krysantemiini) oli selvästi pääasiallinen havaittu antosyaani Turrini et al. -tutkimuksessa tarkastelluissa ‘Violet Nori’-, ‘Artemide’- ja ‘Nerone’-lajikkeissa, kun taas peonidiini-3-glukosidia ja syanidiini-3-rutinosidia (myös antirrhiniini) havaittiin pienempiä määriä.
Oryza Sativa -riisin violetit lehdet ovat erinomainen antosyaanien ja kokonaisfenolipitoisuuden (TPC) lähde. Koska määrä on noin 2–3-kertainen riisiin ja jauhoihin verrattuna, Oryza-riisin lehdet ovat edullinen raaka-aine antosyaanien uuttoon. Arvioitu saanto, noin 4 kg antosyaania/t tuoreita lehtiä, on merkittävästi suurempi kuin saanto, 1 kg antosyaania/t riisiä. Jälkimmäinen on laskettu ‘Violet Nori’ -riisistä havaittujen keskimääräisten antosyaanimäärien perusteella (1 300 µg/g riisiä syanidiini-3-glukosidina), kun 100 kg:sta kuorimatonta riisiä saadaan noin 68 kg riisiä.

Antosyaanien ultraääniuutto punakaalista

Ravanfar et al. (2015) ovat tutkineet antosyaanien ultraääniuuton tehokkuutta punakaalista. Ultraääniuuttokokeet suoritettiin käyttäen ultraäänijärjestelmää UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotrodi MS10 (kärjen halkaisija 10 mm) asetettiin lämpötilasäädellyn, vaipallisen lasisen dekantterilasin keskelle.

Tässä kokeessa käytettiin juuri leikattuja, kuutionmuotoisia punakaalipaloja, joiden sivun pituus oli 5 mm ja kosteuspitoisuus 92,11 ± 0,45 %. Vaipalliseen lasiseen dekantterilasiin (tilavuus: 200 ml) lisättiin 100 ml tislattua vettä ja 2 g punakaalipaloja. Dekantterilasi peitettiin alumiinifoliolla liuottimen (veden) haihtumishäviöiden estämiseksi prosessin aikana. Kaikissa kokeissa dekantterilasin lämpötila pidettiin vakiona termostaattisäätimellä. Lopuksi näytteet kerättiin, suodatettiin ja sentrifugoitiin nopeudella 4 000 rpm, ja supernatantteja käytettiin antosyaanisaannon määrittämiseen. Vertailukokeena suoritettiin uutto vesihauteessa.
Punakaalin optimaalinen antosyaanisaanto saavutettiin 100 W:n teholla, 30 min:n käsittelyajalla ja 15 °C:n lämpötilassa, jolloin antosyaanisaanto oli noin 21 mg/L.
Koska punakaaliväriaineen väri muuttuu pH-arvon mukaan ja sen värjäävä vaikutus on voimakas, sitä on käytetty pH-indikaattorina lääkevalmisteissa sekä antioksidanttina ja väriaineena elintarvikejärjestelmissä.

Ultraääni tehostaa antosyaanien uuttoa kasvimateriaalista merkittävästi.
lähde: Ravanfar et al. 2015

 
Muut tutkimukset osoittavat, että antosyaanien ultraääniuutto onnistuu muun muassa pensasmustikoista, karhunvatukoista, viinirypäleistä, kirsikoista, mansikoista ja violetista bataatista.

Tehokkaat ultraääniuuttolaitteet

Hielscher Ultrasonics on erikoistunut tehokkaiden ultraääniprosessorien valmistukseen korkealaatuisten uutteiden tuottamiseksi kasviperäisistä raaka-aineista.
Hielscherin laaja ultraäänilaitevalikoima ulottuu pienistä, tehokkaista laboratorion ultraäänilaitteista kestäviin pöytämallisiin ja täysin teollisiin järjestelmiin, jotka tuottavat voimakasta ultraääntä bioaktiivisten aineiden tehokkaaseen uuttoon ja eristämiseen (esim. antosyaanit, gingeroli, piperiini, kurkumiini jne.).
Kaikissa teholtaan 200 W – 16 000 W ultraäänilaitteissa on värillinen kosketusnäyttö digitaalista ohjausta varten, sisäänrakennettu SD-kortti automaattista tietojen tallennusta varten, etäohjaus selaimella sekä monia muita käyttäjäystävällisiä ominaisuuksia. Sonotrodit ja virtauskennot (väliaineeseen kosketuksissa olevat osat) voidaan autoklavoida, ja ne on helppo puhdistaa.
Hielscherin ultraäänilaitteet ovat erittäin kestäviä ja suunniteltuja ympärivuorokautiseen käyttöön (24/7) täydellä kuormituksella. Niiden huoltotarve on vähäinen, ja niitä on helppo ja turvallinen käyttää. Digitaalinen värinäyttö mahdollistaa ultraäänilaitteen käyttäjäystävällisen ohjauksen.
Järjestelmämme pystyvät tuottamaan amplitudeja pienistä aina erittäin suuriin. Kannabinoidien ja terpeenien uuttoon tarjoamme erityisiä ultraäänisonotrodeja (tunnetaan myös ultraääniantureina tai -torvina), jotka on optimoitu korkealaatuisten vaikuttavien aineiden hellävaraiseen eristämiseen. Kaikkia järjestelmiämme voidaan käyttää kannabinoidien uuttoon ja sitä seuraavaan emulgointiin. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa jatkuvan käytön (24/7) raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.

Ultraääniprosessin parametrien tarkka hallinta varmistaa toistettavuuden ja prosessin standardoinnin.
 

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Kirjallisuus / Viitteet

• 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.

Hyödyllistä tietoa

Miten ultraääniavusteinen uutto toimii?

Voimakkaiden ultraääniaaltojen kohdistaminen nestemäiseen väliaineeseen aiheuttaa kavitaatiota. Ilmiönä kavitaatio aiheuttaa väliaineessa paikallisesti äärimmäisiä lämpötiloja, paineita, kuumenemis- ja jäähtymisnopeuksia, paine-eroja sekä suuria leikkausvoimia. Kun kavitaatiokuplat luhistuvat kiinteiden aineiden (kuten hiukkasten, kasvisolujen, kudosten jne.) pinnalla, mikrosuihkut ja hiukkasten väliset törmäykset aiheuttavat muun muassa pinnan kuoriutumista, eroosiota ja hiukkasten hajoamista. Lisäksi kavitaatiokuplien luhistuminen nestemäisessä väliaineessa synnyttää makroturbulenssia ja mikrosekoittumista.
Kasvimateriaalin ultraäänisäteilytys pilkkoo kasvisolujen matriisia ja tehostaa sen hydratoitumista. Chemat et al (2015) päättelevät, että bioaktiivisten yhdisteiden ultraääniuutto kasviperäisistä raaka-aineista on seurausta erilaisista itsenäisistä tai yhdessä vaikuttavista mekanismeista, kuten fragmentoitumisesta, eroosiosta, kapillaarisuudesta, rakenteen purkautumisesta ja sonoporaatiosta. Nämä vaikutukset hajottavat soluseinän, parantavat aineensiirtoa työntämällä liuotinta soluun ja imemällä kasviyhdisteitä sisältävää liuotinta ulos sekä varmistavat nesteen liikkeen mikrosekoittumisen avulla.

Ultraääniuutto perustuu akustiseen kavitaatioon ja sen hydrodynaamisiin leikkausvoimiin

Kasvimateriaalin ultraäänisäteilytys pilkkoo kasvisolujen matriisia ja tehostaa sen hydratoitumista. Chemat et al. (2015) päättelevät, että bioaktiivisten yhdisteiden ultraääniuutto kasviperäisistä raaka-aineista on seurausta erilaisista itsenäisistä tai yhdessä vaikuttavista mekanismeista, kuten fragmentoitumisesta, eroosiosta, kapillaarisuudesta, rakenteen purkautumisesta ja sonoporaatiosta. Nämä vaikutukset hajottavat soluseinän, parantavat aineensiirtoa työntämällä liuotinta soluun ja imemällä kasviyhdisteitä sisältävää liuotinta ulos sekä varmistavat nesteen liikkeen mikrosekoittumisen avulla.
Ultraääniuutto mahdollistaa yhdisteiden erittäin nopean eristämisen – se ylittää perinteisten uuttomenetelmien suorituskyvyn lyhyemmän prosessiajan, suuremman saannon ja alhaisempien lämpötilojen ansiosta. Hellävaraisena mekaanisena käsittelynä ultraääniavusteinen uutto välttää bioaktiivisten komponenttien lämpöhajoamisen ja on parempi kuin muut menetelmät, kuten perinteinen liuotinuutto, vesitislaus tai Soxhlet-uutto, joiden tiedetään tuhoavan lämpöherkkiä molekyylejä. Näiden etujen ansiosta ultraääniuutto on ensisijainen menetelmä lämpötilaherkkien bioaktiivisten yhdisteiden vapauttamiseen kasviperäisistä raaka-aineista.

Ultraääniuutto kasvisoluista: mikroskooppinen poikkileikkaus (TS) osoittaa vaikutusmekanismin solujen ultraääniuuton aikana (suurennus 2000x) [lähde: Vilkhu et al. 2011]

Antosyaani – arvokas kasvipigmentti

Antosyaanit ovat kasvien vakuoleissa esiintyviä pigmenttejä, jotka voivat olla punaisia, violetteja, sinisiä tai mustia. Vesiliukoisten antosyaanipigmenttien värin ilmeneminen riippuu niiden pH-arvosta. Antosyaaneja esiintyy solujen vakuoleissa pääasiassa kukissa ja hedelmissä, mutta myös lehdissä, varsissa ja juurissa, joissa niitä esiintyy enimmäkseen uloimmissa solukerroksissa, kuten epidermissä ja mesofyllin reunaosien soluissa.
Luonnossa yleisimmin esiintyvät syanidiinin, delfinidiinin, malvidiinin, pelargonidiinin, peonidiinin ja petunidiinin glykosidit.
Merkittäviä esimerkkejä runsaasti antosyaaneja sisältävistä kasveista ovat Vaccinium-suvun lajit, kuten pensasmustikka, karpalo ja mustikka; Rubus-suvun marjat, kuten mustavadelma, punainen vadelma ja karhunvatukka; mustaherukka, kirsikka, munakoiso, musta riisi, ube, okinawalainen bataatti, Concord-viinirypäle, muscadine-viinirypäle, punakaali ja orvokin terälehdet. Punamaltoiset persikat ja omenat sisältävät antosyaaneja. Antosyaaneja on vähemmän banaanissa, parsassa, herneessä, fenkolissa, päärynässä ja perunassa, ja ne voivat puuttua kokonaan tietyistä vihreistä karviaislajikkeista.

Tärkeimpien antosyaanien rakenne

Antosyaanit ovat erinomainen vaihtoehto synteettisten väriaineiden korvaamiseen elintarvikkeissa. Antosyaanit on hyväksytty elintarvikeväriaineiksi Euroopan unionissa, Australiassa ja Uudessa-Seelannissa väriainekoodilla E163. Antosyaaneja esiintyy hedelmissä ja vihanneksissa, ja niitä voidaan kuvata eräänlaisiksi vesiliukoisiksi kasvipigmenteiksi. Kemiallisesti antosyaanit ovat antosyanidiinien glykosideja, jotka perustuvat 2-phenylbenzophyrylium (flavylium) -rakenteeseen. Antosyaanien luokkaan kuuluu yli 200 erilaista fytokemikaalia. Koska antosyaanit ovat luonnonvaraisten hedelmien ja marjojen pääasiallisia väripigmenttejä, niiden uuttamiseen on monia lähteitä. Merkittävä antosyaanien lähde on viinirypäleiden kuori. Viinirypäleiden kuoren antosyaanipigmentit koostuvat pääasiassa peonidiinin, malvidiinin, syanidiinin, petunidiinin ja delfinidiinin diglukosideista, monoglukosidista, asyloiduista monoglukosideista sekä asyloiduista diglukosideista. Viinirypäleiden antosyaanipitoisuus vaihtelee välillä 30–750 mg/100 g.
Merkittävimmät antosyaanit ovat syanidiini, delfinidiini, pelargonidiini, peonidiini, malvidiini ja petunidiini.
Esimerkiksi antosyaaneja peonidiini-3-kofeoyyli-p-hydroksibentsoyyli-soforosidi-5-glukosidi, peonidiini-3-(6″-kofeoyyli-6‴-feruloyyli-soforosidi)-5-glukosidi ja syanidiini-3-kofeoyyli-p-hydroksibentsoyyli-soforosidi-5-glukosidi esiintyy violeteissa bataateissa.

Antosyaanit – terveyshyödyt

Antosyaaneja arvostetaan suuresti niiden antioksidatiivisten vaikutusten vuoksi sen lisäksi, että ne soveltuvat erinomaisesti luonnollisiksi elintarvikeväriaineiksi. Antosyaaneilla onkin monia myönteisiä terveysvaikutuksia. Tutkimukset ovat osoittaneet, että antosyaanit voivat estää DNA-vaurioita syöpäsoluissa, estää ruoansulatusentsyymien toimintaa, käynnistää insuliinin tuotannon eristetyissä haimasoluissa, vähentää tulehdusreaktioita, suojata ikään liittyvältä aivotoiminnan heikkenemiseltä, parantaa hiussuonten tiiviyttä ja estää verihiutaleiden aggregaatiota.