Ultrasonication parantaa leväsolujen häiriöitä ja uuttamista

Levät, makro- ja mikrolevät, sisältävät monia arvokkaita yhdisteitä, joita käytetään ravitsemuksellisina elintarvikkeina, elintarvikelisäaineina tai polttoaineen tai polttoaineen raaka-aineena. Kohdeaineiden vapauttamiseksi leväsolusta tarvitaan tehokas solujen hajottamistekniikka. Ultraääniuuttimet ovat erittäin tehokkaita ja luotettavia, kun on kyse bioaktiivisten yhdisteiden uuttamisesta kasvitieteellisistä, levistä ja sienistä. Saatavana laboratoriossa, penkki- ja teollisessa mittakaavassa, Hielscherin ultraääniuuttimet on perustettu soluperäisten uutteiden tuotantoon elintarvikkeiden, lääkkeiden ja biopolttoaineiden tuotannossa.

Levät arvokkaana ravinnon ja polttoaineen resurssina

Leväsolut ovat monipuolinen bioaktiivisten ja energiapitoisten yhdisteiden, kuten proteiinien, hiilihydraattien, lipidien ja muiden bioaktiivisten aineiden sekä alkaanien lähde. Tämä tekee levistä ravinnon ja ravitsemuksellisten yhdisteiden sekä polttoaineiden lähteen.
Mikrolevät ovat arvostettu lipidien lähde, jota käytetään ravinnoksi ja biopolttoaineiden raaka-aineeksi (esim. biodiesel). Meren kasviplanktonin Dicraterian kannat, kuten Dicrateria rotunda, tunnetaan bensiiniä tuottavina levinä, jotka voivat syntetisoida sarjan tyydyttyneitä hiilivetyjä (n-alkaaneja) C: stä₁₀H₂₂ pisteeseen C₃₈H₇₈, jotka luokitellaan bensiiniin (C10–C15), dieselöljyihin (C16–C20) ja polttoöljyihin (C21–C38).
Ravintoarvojensa vuoksi leviä käytetään “Funktionaaliset elintarvikkeet” tai “Ravitsemukselliset aineet”. Levistä uutettuja tärkeitä mikroravinteita ovat karotenoidit astaksantiini, fukoksantiini ja zeaksantiini, fucoidan, laminaari ja muut glukaanit sekä lukuisat muut bioaktiiviset aineet, joita käytetään ravintolisinä ja lääkkeinä. Karrageenia, alginaattia ja muita hydrokolloideja käytetään elintarvikkeiden lisäaineina. Levälipidit toimivat vegaanisina omega-3-lähteinä, ja niitä käytetään myös polttoaineena tai biodieselin valmistuksen raaka-aineena.

Levien solujen häiriöt ja uuttaminen tehon ultraäänellä

Ultraääniuuttimia tai yksinkertaisesti ultraäänilaitteita käytetään arvokkaiden yhdisteiden uuttamiseen pienistä näytteistä laboratoriossa sekä tuotantoon suuressa kaupallisessa mittakaavassa.
Leväsoluja suojaavat monimutkaiset soluseinämatriisit, jotka koostuvat lipideistä, selluloosasta, proteiineista, glykoproteiineista ja polysakkarideista. Useimpien levien soluseinien pohja on rakennettu mikrofibrillaarisesta verkosta geelimäisen proteiinimatriisin sisällä; Jotkut mikrolevät on kuitenkin varustettu epäorgaanisella jäykällä seinällä, joka koostuu opaliinipiidioksidifrustuloista tai kalsiumkarbonaatista. Bioaktiivisten yhdisteiden saamiseksi leväbiomassasta tarvitaan tehokas solujen hajottamistekniikka. Teknologisten uuttotekijöiden (eli uuttomenetelmän ja laitteiston) lisäksi leväsolujen hajoamisen ja uuttamisen tehokkuuteen vaikuttavat voimakkaasti myös erilaiset leväriippuvaiset tekijät, kuten soluseinän koostumus, halutun biomolekyylin sijainti mikroleväsoluissa ja mikrolevien kasvuvaihe sadonkorjuun aikana.

Miten ultraäänilevien solujen häiriöt ja uuttaminen toimivat?

Kun korkean intensiteetin ultraääniaallot kytketään ultraäänianturin (tunnetaan myös nimellä ultraäänisarvi tai sonotrode) kautta nesteeseen tai lietteeseen, ääniaallot kulkevat nesteen läpi ja luovat siten vuorotellen korkeapaineisia / matalapaineisia syklejä. Näiden korkeapaine- / matalapainesyklien aikana esiintyy pieniä tyhjiökuplia tai onteloita. Kavitaatiokuplat syntyvät, kun paikallinen paine laskee matalapainesyklien aikana riittävän paljon kyllästetyn höyrynpaineen alapuolelle, joka saadaan nesteen vetolujuudesta tietyssä lämpötilassa. Ne kasvavat useiden syklien aikana. Kun nämä tyhjiökuplat saavuttavat koon, jossa ne eivät pysty absorboimaan enemmän energiaa, kupla luhistuu voimakkaasti korkeapainesyklin aikana. Kavitaatiokuplien luhistuminen on väkivaltainen, energiatiheä prosessi, joka tuottaa voimakkaita iskuaaltoja, turbulensseja ja mikrosuihkuja nesteessä. Lisäksi syntyy paikallisia erittäin korkeita paineita ja erittäin korkeita lämpötiloja. Nämä äärimmäiset olosuhteet kykenevät helposti häiritsemään soluseinämiä ja kalvoja ja vapauttamaan solunsisäisiä yhdisteitä tehokkaalla, tehokkaalla ja nopealla tavalla. Solunsisäiset yhdisteet, kuten proteiinit, polysakkaridit, lipidit, vitamiinit, kivennäisaineet ja antioksidantit, voidaan siten tehokkaasti uuttaa tehon ultraäänellä.

Ultraäänikavitaatio solujen häiriöihin ja uuttamiseen

Kun altistetaan voimakkaalle ultraäänienergialle, minkä tahansa solun seinämä tai kalvo (mukaan lukien kasvitieteellinen, nisäkäs, levä, sieni, bakteeri jne.) häiriintyy ja solu repeytyy pienemmiksi palasiksi energiatiheän ultraäänikavitaation mekaanisilla voimilla. Kun soluseinä rikkoutuu, solujen metaboliitit, kuten proteiini, lipidi, nukleiinihappo ja klorofylli vapautuvat soluseinämatriisista sekä solun sisäpuolelta ja siirtyvät ympäröivään kasvatusväliaineeseen tai liuottimeen.
Edellä kuvattu ultraääni- / akustisen kavitaation mekanismi häiritsee vakavasti kokonaisia leväsoluja tai kaasu- ja nestemäisiä vakuoleja soluissa. Ultraäänikavitaatio, värähtely, turbulenssit ja mikrovirtaus edistävät massansiirtoa solun sisätilojen ja ympäröivän liuottimen välillä siten, että biomolekyylit (eli metaboliitit) ovat tehokkaita ja vapautuvat nopeasti. Koska sonikaatio on puhtaasti mekaaninen käsittely, joka ei vaadi kovia, myrkyllisiä ja / tai kalliita kemikaaleja.
Korkean intensiteetin, matalataajuinen ultraääni luo äärimmäiset energiatiheät olosuhteet, joissa on korkeat paineet, lämpötilat ja suuret leikkausvoimat. Nämä fyysiset voimat edistävät solurakenteiden hajoamista solunsisäisten yhdisteiden vapauttamiseksi väliaineeseen. Siksi matalataajuista ultraääntä käytetään suurelta osin bioaktiivisten aineiden ja polttoaineiden uuttamiseen levistä. Verrattuna tavanomaisiin uuttomenetelmiin, kuten liuotinuuttoon, helmijyrsintään tai korkeapainehomogenointiin, ultraääniuutto on erinomainen vapauttamalla suurin osa bioaktiivisista yhdisteistä (kuten lipideistä, proteiineista, polysakkarideista ja mikroravinteista) sonoporoidusta ja häiriintyneestä solusta. Oikeita prosessiolosuhteita sovellettaessa ultraääniuutto antaa erinomaiset uuttosaannot hyvin lyhyessä prosessin kestossa. Esimerkiksi korkean suorituskyvyn ultraääniuuttimet osoittavat erinomaista uuttokykyä levistä, kun niitä käytetään sopivan liuottimen kanssa. Happamassa tai emäksisessä väliaineessa leväsoluseinä muuttuu huokoiseksi ja ryppyiseksi, mikä johtaa lisääntyneisiin saantoihin matalassa lämpötilassa (alle 60 ° C) lyhyessä sonikaatioajassa (alle 3 tuntia). Lyhyt uuttoaika lievissä lämpötiloissa estää fukoidaanin hajoamisen, jolloin saadaan erittäin bioaktiivinen polysakkaridi.
Ultrasonication on myös menetelmä suurimolekyylipainoisen fukoidaanin muuttamiseksi pienimolekyylipainoiseksi fukoidaaniksi, joka on huomattavasti bioaktiivisempi haarautuneen rakenteensa vuoksi. Korkean bioaktiivisuutensa ja biologisen hyötysuhteensa ansiosta pienimolekyylipainoinen fukoidaani on mielenkiintoinen yhdiste lääkkeille ja lääkkeiden annostelujärjestelmille.

Tapaustutkimukset: Leväyhdisteiden ultraääniuutto

Ultraääniuuttotehokkuutta ja ultraääniuuttoparametrien optimointia on tutkittu laajalti. Alta löydät esimerkillisiä tuloksia uuttotuloksista ultraäänellä eri levälajeista.

Proteiinin uuttaminen Spirulinasta Mano-Thermo-Sonicationilla

Prof. Chemat (Avignonin yliopisto) tutki motomosonication (MTS) vaikutuksia proteiinien (kuten fykosyaniinin) uuttamiseen kuivista Arthrospira platensis syanobakteereista (tunnetaan myös nimellä spirulina). Mano-Thermo-Sonication (MTS) on ultrasonicsin käyttö yhdistettynä kohonneisiin paineisiin ja lämpötiloihin ultraääniuuttoprosessin tehostamiseksi.
“Kokeellisten tulosten mukaan MTS edisti aineensiirtoa (korkea efektiivinen diffuusiokyky, De) ja mahdollisti 229 % suuremman proteiinimäärän (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) kuin perinteinen prosessi ilman ultraääntä (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Kun uutteessa oli 28,42 g proteiineja 100 g:aa kuivaa spirulina-biomassaa kohti, proteiinien talteenottoaste oli 50 % 6 tehokkaassa minuutissa jatkuvalla MTS-prosessilla. Mikroskooppiset havainnot osoittivat, että akustinen kavitaatio vaikutti spirulina-säikeisiin eri mekanismeilla, kuten pirstoutumisella, sonoporaatiolla ja deteksturaatiolla. Nämä eri ilmiöt helpottavat spirulinan bioaktiivisten yhdisteiden uuttamista, vapautumista ja liukenemista.” [Vernès et al., 2019]

Optiset mikroskopiakuvat kokonaisista Spiurulina-filamenteista, joille on tehty MTS-käsittely ajan myötä. Asteikkopalkki (kuva A) = 50 μm kaikille kuville.
kuva ja tutkimus: ©Vernès et al. 2019

Ultraääni Fucoidan ja glukaaniuutto Laminaria digitata

Tohtori Tiwarin TEAGASC-tutkimusryhmä tutki polysakkaridien eli fukoidanin, laminariinin ja kokonaisglukaanien uuttamista makrolevästä Laminaria digitata käyttämällä ultraäänilaite UIP500hdT. Tutkitut ultraäänellä avustetut uuttoparametrit (UAE) osoittivat merkittävää vaikutusta fukoosin, FRAP: n ja DPPH: n tasoihin. Tasot 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde ja 11,02 % saatiin fukoosille, kokonaisglukaaneille, FRAP:lle ja DPPH:lle optimoiduissa lämpötilaolosuhteissa (76 ◦ C), ajassa (10 min) ja ultraääniamplitudissa (100 %) käyttäen 0,1 M HCl:ää liuottimena. Kuvattuja Yhdistyneiden arabiemiirikuntien olosuhteita sovellettiin sitten menestyksekkäästi muihin taloudellisesti merkityksellisiin ruskeisiin makroleviin (L. hyperborea ja A. nodosum) polysakkaridirikkaiden uutteiden saamiseksi. Tämä tutkimus osoittaa Yhdistyneiden arabiemiirikuntien sovellettavuuden bioaktiivisten polysakkaridien uuttamisen tehostamiseen eri makrolevälajeista.

Ultraäänifytokemiallinen uutto F. vesikulosus ja P. canaliculata

García-Vaqueron tutkimusryhmä vertasi erilaisia uusia uuttotekniikoita, mukaan lukien korkean suorituskyvyn ultraääniuutto, ultraääni-mikroaaltouutto, mikroaaltouutto, hydroterminen uutto ja korkeapaineavusteinen uutto arvioidakseen uuttotehokkuutta ruskeista mikrolevälajeista Fucus vesiculosus ja Pelvetia canaliculata. Ultrasonicationia varten he käyttivät Hielscher UIP500hdT ultraääniuutin. Uuttotuottojen anylsis paljasti, että ultraääniuutto saavutti useimpien fytokemikaalien korkeimmat saannot molemmista F. vesiculosus. Tämä tarkoittaa F. vesiculosuksesta uutettujen yhdisteiden korkeimpia saantoja ultraääniuutin UIP500hdT olivat: fenolipitoisuus (445,0 ± 4,6 mg gallushappihappoekvivalenttia/g), kokonaisfrototaniinipitoisuus (362,9 ± 3,7 mg floroglusinoliekvivalenttia/g), flavonoidien kokonaispitoisuus (286,3 ± 7,8 mg kversetiiniekvivalenttia/g) ja tanniinin kokonaispitoisuus (189,1 ± 4,4 mg katekiiniekvivalenttia/g).
Tutkimustutkimuksessaan työryhmä totesi, että ultraääniavusteisen uuttamisen käyttäminen “yhdistettynä 50-prosenttiseen etanoliliuokseen uuttoliuottimena voisi olla lupaava strategia TPC:n, TPhC:n, TFC:n ja TTC:n uuttamiseksi, samalla kun vähennetään ei-toivottujen hiilihydraattien samanaikaista uuttamista sekä F. vesiculosuksesta että P. canaliculatasta, mikä tarjoaa lupaavia sovelluksia näiden yhdisteiden käyttämiseksi farmaseuttisina aineina, ravitsemuslääkkeinä ja kosmetiikkatuotteina.” [García-Vaquero et al., 2021].

Mano-thermo-sonicationin laajentaminen Avignonin yliopistossa Hielscher-ultraäänilaitteilla: laboratoriolaitteista UIP1000hdT A) kokeilla mittakaavan laitteita UIP4000hdT (B, C & D). Kuvassa D on kaavioitu ultraäänivirtauskennon poikittainen osa FC100K.
kuva ja tutkimus: ©Vernès et al. 2019

Korkean suorituskyvyn ultraääniuuttimet levien häiriöihin

Hielscherin huipputekniset ultraäänilaitteet mahdollistavat prosessiparametrien, kuten amplitudin, lämpötilan, paineen ja energiansyötön, täydellisen hallinnan.
Ultraääniuuttoa varten parametreja, kuten raaka-aineen hiukkaskoko, liuotintyyppi, kiinteän aineen ja liuottimen suhde ja uuttoaika, voidaan muuttaa ja optimoida parhaiden tulosten saavuttamiseksi.
Koska ultraääniuutto on ei-terminen uuttomenetelmä, vältetään raaka-aineessa, kuten levissä, olevien bioaktiivisten ainesosien, lämpöhajoaminen.
Kaiken kaikkiaan edut, kuten korkea saanto, lyhyt uuttoaika, alhainen uuttolämpötila ja pienet määrät liuotinta, tekevät sonikaatiosta ylivoimaisen uuttomenetelmän.

Ultraääniuutto: perustettu laboratoriossa ja teollisuudessa

Ultraääniuuttoa käytetään laajalti minkä tahansa bioaktiivisen yhdisteen uuttamiseen kasvitieteellisistä, levistä, bakteereista ja nisäkässoluista. Ultraääniuutto on perustettu yksinkertaiseksi, kustannustehokkaaksi ja erittäin tehokkaaksi, joka ylittää muut perinteiset uuttotekniikat suuremmilla uuttosaannoilla ja lyhyemmällä käsittelykestolla.
Kun laboratorio-, penkki- ja täysin teolliset ultraäänijärjestelmät ovat helposti saatavilla, ultraääniuutto on nykyään vakiintunut ja luotettava tekniikka. Hielscherin ultraääniuuttimet asennetaan maailmanlaajuisesti teollisiin jalostuslaitoksiin, jotka tuottavat elintarvike- ja lääkelaatuisia bioaktiivisia yhdisteitä.

Prosessin standardointi Hielscher Ultrasonicsilla

Elintarvikkeissa, lääkkeissä tai kosmetiikassa käytettävät leväuutteet on tuotettava hyvien tuotantotapojen ja standardoitujen käsittelyeritelmien mukaisesti. Hielscher Ultrasonics’ digitaalisissa uuttojärjestelmissä on älykäs ohjelmisto, jonka avulla sonikointiprosessi on helppo asettaa ja ohjata tarkasti. Automaattinen tietojen tallennus kirjoittaa kaikki ultraääniprosessin parametrit, kuten ultraäänienergian (kokonais- ja nettoenergia), amplitudin, lämpötilan, paineen (kun lämpötila- ja paineanturit on asennettu) sekä päivämäärän ja aikaleiman sisäänrakennetulle SD-kortille. Näin voit tarkistaa jokaisen ultraäänellä käsitellyn erän. Samalla varmistetaan toistettavuus ja jatkuvasti korkea tuotteen laatu.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: