Ultrasonication parantaa leväsolujen häiriöitä ja uuttamista

Levät, makro- ja mikrolevät sisältävät monia arvokkaita yhdisteitä, joita käytetään ravitsemuksellisina elintarvikkeina, elintarvikelisäaineina tai polttoaineena tai polttoaineena. Kohdeaineiden vapauttamiseksi leväsolusta tarvitaan voimakas ja tehokas solujen häiriötekniikka. Ultraääniuuttokoneet ovat erittäin tehokkaita ja luotettavia, kun kyse on bioaktiivisten yhdisteiden uuttamisesta kasvitieteellisistä, levistä ja sienistä. Hielscherin ultraääniuuttokoneet, joita on saatavana laboratorio-, penkki-top- ja teollisuusasteikolla, on perustettu kennoja johdettujen uutteiden tuotantoon elintarvikkeiden, lääkkeiden ja biopolttoaineiden tuotannossa.

Levät arvokkaana ravinto- ja polttoaineresurssina

Leväsolut ovat monipuolinen bioaktiivisten ja energiapitoisten yhdisteiden, kuten proteiinien, hiilihydraattien, lipidien ja muiden bioaktiivisten aineiden sekä alkanien lähde. Tämä tekee levistä elintarvikkeiden ja ravitsemuksellisten yhdisteiden sekä polttoaineiden lähteen.
Mikrolevät ovat arvostettu lipidien lähde, jota käytetään ravitsemukseen ja raaka-aineiden biopolttoaineina (esim. biodiesel). Meren kasviplanktondikraterian kantoja, kuten Dicrateria rotundaa, kutsutaan bensiiniä tuottaviksi leviksi, jotka voivat syntetisoida sarjan tyydyttyneitä hiilivetyjä (n-alkaaneja) C: stä₁₀H₂₂ C:hen₃₈H₇₈, jotka luokitellaan bensiiniksi (C10–C15), dieselöljyiksi (C16–C20) ja polttoöljyiksi (C21–C38).
Ravintoarvonsa vuoksi leviä käytetään "toiminnallisina elintarvikkeina" tai "nutraceuticals". Tärkeitä levistä uutettuja hivenravinteita ovat karotenoidit astaksantiini, fukoksantiini ja zeaksantiini, fucoidan, laminari ja muut glukaanit monien muiden bioaktiivisten aineiden joukossa käytetään ravintolisiä ja pharmceuticals. Karrageenia, alginaattia ja muita hydrokolloideja käytetään elintarvikelisäaineina. Levä lipidejä käytetään vegaanisena omega-3-lähteenä ja käytetään myös polttoaineena tai raaka-aineena biodieselin tuotannossa.

Leväsolujen häiriöt ja uuttaminen power ultraäänellä

Ultraääniuuttoreita tai yksinkertaisesti ultraääniainteja käytetään arvokkaiden yhdisteiden uuttamiseen laboratorion pienistä näytteistä sekä laajamittaiseen kaupalliseen tuotantoon.
Leväsoluja suojaavat monimutkaiset soluseinämatriisit, jotka koostuvat lipideistä, selluloosasta, proteiinista, glykoproteiinista ja polysakkarideista. Useimpien leväsolujen seinien pohja on rakennettu mikrokuituverkosta geelin kaltaisessa proteiinimatriisissa; Jotkin mikrolevät on kuitenkin varustettu epäorgaanilla jäykällä seinällä, joka koostuu opaalisiilioksidin frustuleista tai kalsiumkarbonaatista. Jotta leväbiomassasta saadaan bioaktiivisia yhdisteitä, tarvitaan tehokas solujen häiriötekniikka. Teknologisten uuttotekijöiden (eli uuttomenetelmän ja -laitteiden) lisäksi leväsolujen häiriöiden ja uuttamisen tehokkuuteen vaikuttavat voimakkaasti myös erilaiset levästä riippuvaiset tekijät, kuten soluseinän koostumus, halutun biomoleksin sijainti mikroleväsoluissa ja mikrolevien kasvuvaihe sadonkorjuun aikana.

Miten ultraäänileväsolujen häiriöt ja uuttaminen toimivat?

Kun korkean intensiteetin ultraääniaallot on yhdistetty ultraäänianturin (tunnetaan myös nimellä ultraäänisarvi tai sonotrodi) kautta nesteeseen tai lietteeseen, ääniaallot kulkevat nesteen läpi ja luovat siten vuorotellen korkeapaineisia / matalapaineisia syklejä. Näiden korkeapaine- / matalapainesyklien aikana esiintyy minuuttien tyhjiökuplia tai onteloita. Kavitaatiokuplia esiintyy, kun paikallinen paine laskee matalapainesyklien aikana riittävän paljon alle tyydyttyneen höyrynpaineen, joka on nesteen vetolujuuden antama arvo tietyssä lämpötilassa. Jotka kasvavat useissa sykleissä. Kun nämä tyhjiökuplat saavuttavat koon, jossa ne eivät voi imeä enemmän energiaa, kupla luhistuu rajusti korkeapainesyklin aikana. Kavitaatiokuplien luhistuminen on väkivaltainen, energiatiheä prosessi, joka tuottaa voimakkaita shokkiaaltoja, turbulenssia ja mikrosuihkuja nesteessä. Lisäksi syntyy paikallisia erittäin korkeita paineita ja erittäin korkeita lämpötiloja. Nämä äärimmäiset olosuhteet pystyvät helposti häiritsemään solun seiniä 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 teho ultraäänillä.

Ultraäänikavitaatio solujen häiriöihin ja uuttamiseen

Kun altistuu voimakkaalle ultraäänienergialle, minkä tahansa solun seinämä tai kalvo (mukaan lukien kasvitieteellinen, nisäkäs, levä, sieni, bakteeri jne.) häiriintyy ja solu revitään pienemmiksi palasiksi energiatiheän ultraäänikavitaatioiden mekaanisilla voimilla. Kun solun seinämä on rikki, solumetabolitit, kuten proteiini, lipidi, nukleiinihappo ja klorofylli, vapautuvat soluseinämatriisista sekä solujen sisätiloista ja siirtyvät ympäröivään viljelmäaineeseen tai liuottimeen.
Edellä kuvattu ultraääni- / akustisen kavitaatiomekanismi häiritsee vakavasti kokonaisia leväsoluja tai kaasu- ja nestemäisiä vakuoleja soluissa. Ultraäänikavitaatio, tärinä, turbulenssit ja mikro-streaming edistävät massansiirtoa solun sisäpuolen ja ympäröivän liuottimen välillä niin, että biomolekyylit (eli metaboliitit) ovat tehokkaita ja nopeasti vapautuvia. Koska sonikaatio on puhtaasti mekaaninen käsittely, joka ei vaadi kovia, myrkyllisiä ja/tai kalliita kemikaaleja.
Korkea intensiteetti, matalataajuinen ultraääni luo äärimmäiset energiatiheät olosuhteet, joissa on korkeat paineet, lämpötilat ja korkeat leikkausvoimat. Nämä fyysiset voimat edistävät solurakenteiden häiriöitä solunsisäisten yhdisteiden vapauttamiseksi väliaineeseen. Siksi matalataajuista ultraäänitutkimusta käytetään suurelta osin bioaktiivisten aineiden ja polttoaineiden uuttamiseen levistä. Verrattuna perinteisiin uuttomenetelmiin, kuten liuottimen uuttamiseen, bead-jauhamiseen tai korkeapainehomgenisointiin, ultraääniuutto on erinomainen vapauttamalla suurin osa bioaktiivisista yhdisteistä (kuten lipidit, proteiinit, polysakkaridit ja hivenravinteet) sonopooidusta ja häiriintyneestä solusta. Soveltamalla oikeita prosessiolosuhteita ultraääniuutto antaa ylivoimaisen uuttotuotoksen hyvin lyhyessä prosessin kestossa. Esimerkiksi korkean suorituskyvyn ultraääniuuttokoneet osoittavat erinomaista uuttotehoa levistä, kun niitä käytetään sopivan liuottimen kanssa. Happamassa tai emäksisessa väliaineessa leväsoluseinä huokoisaksi ja ryppyiseksi, mikä lisää saantoja alhaisessa lämpötilassa (alle 60 °C) lyhyessä sonikaatioajassa (alle 3 tuntia). Lyhyt uuton kesto leudoissa lämpötiloissa estää fucoidanin hajoamisen niin, että saadaan erittäin bioaktiivinen polysakkaridi.
Ultrasonication on myös menetelmä muuntaa suurimolekyylinen fucoidan pienimolekyyliseksi fucoidaniksi, joka on huomattavasti bioaktiivisempi sen debranched-rakenteen vuoksi. Korkean bioaktiivisuuden ja biosaatavuuden vuoksi pienimolekyylinen fucoidan on mielenkiintoinen yhdiste lääkkeille ja lääkkeiden jakelujärjestelmille.

Tapaustutkimukset: Leväyhdisteiden ultraääniuutto

Ultraääniuuttotehokkuutta ja ultraääniuuttoparametrien optimointia on tutkittu laajasti. Alla on esimerkillisiä tuloksia uuttotuloksista ultrasonicationin kautta eri levälajeista.

Proteiinin uuttaminen Spirulinasta mano-thermo-sonikaatiolla

Professori Chematin (Avignonin yliopisto) tutkimusryhmä selvitti manotermosonicationin (MTS) vaikutuksia proteiinien (kuten fykosyaanin) uuttamiseen kuivasta Arthrospira platensis -syanobakteereista (tunnetaan myös nimellä spirulina). Mano-Thermo-Sonication (MTS) on ultraäänien käyttö yhdistettynä kohonneisiin paineisiin ja lämpötiloisiin ultraääniuuttoprosessin tehostamiseksi.
"Kokeellisten tulosten mukaan MTS edisti massansiirtoa (korkea tehokas difuusiivisuus, De) ja mahdollisti 229% enemmän proteiineja (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) kuin perinteinen prosessi ilman ultraääniä (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Kun uutteen proteiinipitoisuus oli 28,42 g / 100 g kuivaa spirulinabiomassaa, proteiinin talteenottoaste oli 50% 6 tehokkaassa minuutissa jatkuvalla MTS-prosessilla. Mikroskooppiset havainnot osoittivat, että akustinen kavitaatio vaikutti spirulinafilamentteja erilaisilla mekanismilla, kuten pirstoutuminen, sonoporaatio, detexturaatio. Nämä erilaiset ilmiöt helpottavat spirulina-bioaktiivisten yhdisteiden uuttamista, vapautumista ja liuottamista." [Vernès et ai., 2019]

Optiset mikroskopiakuvat kokonaisista spiurulinafilamenteista, jotka ovat ajan mittaan MTS-hoidon kohteena. Vaakapalkki (kuva A) = 50 μm kaikissa kuvissa.
kuva ja tutkimus: ©Vernès et al. 2019

Ultraääni fucoidan ja glukaani uutto alkaen Laminaria digitata

Tri Tiwarin TEAGASC-tutkimusryhmä tutki polysakkaridien eli fucoidanin, laminariinin ja kokonaisglukaanien uuttamista makrolevä laminaria digitatasta käyttäen ultraääni UIP500hdT. Tutkitut ultraäänellä avustetut uuttoparametrit (UAE) osoittivat merkittävää vaikutusta fucose-, FRAP- ja DPPH-tasoihin. Pitoisuudet 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8, 70 μM troloksia/ mg fde ja 11, 02% saatiin fukoosiin, glukaanien kokonaismäärään, FRAP: hen ja DPPH: hen optimoiduissa lämpötilaolosuhteissa (76◦C), ajassa (10 min) ja ultraäänia amplitudissa (100%) käyttäen liuottimena 0, 1 M HCl: ää. Yhdistyneiden arabiemiirien edellytyksiä sovellettiin tämän jälkeen menestyksekkäästi muihin taloudellisesti merkityksellisiin ruskeisiin makroleviin (L. hyperborea ja A. nodosum) polysakkaridiriippuvien uutteiden saamiseksi. Tämä tutkimus osoittaa Yhdistyneiden arabiemiirikuntaen sovellettavuuden bioaktiivisten polysakkarididien uuttamisen tehostamiseksi eri makroalgal-lajeista.

Ultraääni fytokemiallinen uutto F. vesiculosus ja P. canaliculata

García-Vaqueron tutkimusryhmä vertaili erilaisia uusia uuttotekniikoita, kuten tehokasta ultraääniuuttoa, ultraääni-mikroaaltouuttoa, mikroaaltouuttoa, hydrotermistä avustettua uuttamista ja korkeapaineavusteista uuttamista, jotta voidaan arvioida uuttotehokkuutta ruskeasta mikrolevälajista Fucus vesiculosus ja Pelvetia canaliculata. Ultrasonicationissa he käyttivät Hielscher UIP500hdT ultraääniuuttolaite. Uuttotuottojen anylsis paljasti, että ultraääniuutto saavutti useimpien fytokemikaalien korkeimmat tuotot molemmista F. vesiculosusista. Tämä tarkoittaa, että F. vesiculosus -kasvista uutetut yhdisteet ovat suurimmat ultraääniuuttolaite UIP500hdT olivat: fenolipitoisuus yhteensä (445,0 ± 4,6 mg galliinihappoekvivalenttia/g), kokonaispolorotaniinipitoisuus (362,9 ± 3,7 mg foloroglusiiniekvivalenttia/g), flavonoidipitoisuus yhteensä (286,3 ± 7,8 mg quercetin-ekvivalenttia/g) ja tanniinipitoisuus yhteensä (189,1 ± 4,4 mg catekaaniekvivalenttia/g).
Tutkimuksessaan ryhmä päätteli, että ultraäänellä avustetun uuttamisen käyttö "yhdistettynä 50% etanoliliuokseen uuttoliuottimena voisi olla lupaava strategia, joka kohdistuu TPC: n, TPhC: n, TFC: n ja TTC: n uuttamiseen, samalla kun vähennetään ei-toivottujen hiilihydraattien yhteisuuttoa sekä F. vesiculosusista että P. canaliculatasta, lupaavin sovelluksin, kun näitä yhdisteitä käytetään farmaseuttina, nutraceuticals ja cosmeceuticals." [García-Vaquero et ai., 2021]

Mano-thermo-sonikoinnin skaalaaminen Avignonin yliopistossa Hielscher-ultraäänilaitteiden avulla: laboratoriolaitteista UIP1000hdT A) pilottivaa'an laitteisiin UIP4000hdT (B, C & D). Kuvassa D on schematisoitu ultraäänivirtaussolun poikittainen osa FC100K.
kuva ja tutkimus: ©Vernès et al. 2019

Korkean suorituskyvyn ultraääniuuttimet levähäiriöihin

Hielscherin uusinta ultraäänilaitteisto mahdollistaa prosessin parametrien, kuten amplitudin, lämpötilan, paineen ja energian, täydellisen hallinnan.
Ultraääniuuttoa varten parametreja, kuten raaka-aineen hiukkaskoko, liuotintyyppi, kiinteän liuottimen suhde ja uuttoaika, voidaan vaihdella ja optimoida parhaiden tulosten saamiseksi.
Koska ultraääniuutto on ei-lämpöuuttomenetelmä, vältetään raaka-aineessa, kuten levissä, olevien bioaktiivisten ainesosien lämpöhajoaminen.
Kaiken kaikkiaan edut, kuten korkea saanto, lyhyt uuttoaika, alhainen uuttolämpötila ja pienet liuotinmäärät, tekevät sonikaatiosta ylivoimaisen uuttomenetelmän.

Ultraääniuutto: Perustettu laboratoriossa ja teollisuudessa

Ultraääniuuttoa käytetään laajalti minkä tahansa bioaktiivisen yhdisteen uuttamiseen kasvitieteellisistä, levistä, bakteereista ja nisäkässoluista. Ultraääniuutto on todettu yksinkertaiseksi, kustannustehokkaaksi ja erittäin tehokkaaksi, joka loistaa muita perinteisiä uuttotekniikoita korkeammalla louhintatuotolla ja lyhyemmällä käsittelyn kestolla.
Laboratorio-, penkki- ja täysteollisilla ultraäänijärjestelmillä, jotka ovat helposti saatavilla, ultraääniuutto on nykyään vakiintunut ja luotettava tekniikka. Hielscherin ultraääniuuttolaitteet asennetaan maailmanlaajuisesti teollisiin jalostuslaitoksiin, jotka tuottavat elintarvike- ja lääkelaatuisia bioaktiivisia yhdisteitä.

Prosessin standardointi Hielscher Ultrasonicsin avulla

Elintarvikkeissa, lääkkeissä tai kosmetiikassa käytettävät levästä johdetut uutteet on tuotettava hyvien tuotantokäytäntöjen (GMP) ja standardoitujen jalostuseritelmien mukaisesti. Hielscher Ultrasonicsin digitaalisissa uuttojärjestelmissä on älykäs ohjelmisto, jonka avulla sonikaatioprosessi on helppo asettaa ja hallita tarkasti. Automaattinen tietojen tallennus kirjoittaa kaikki ultraääniprosessiparametrit, kuten ultraäänienergian (kokonais- ja nettoenergia), amplitudi, lämpötila, paine (kun lämpötila- ja paineanturit on asennettu) ja päivämäärä- ja aikaleiman sisäänrakennetussa SD-kortissa. Näin voit tarkistaa jokaisen ultraäänellä käsitellyn tontin. Samalla varmistetaan uusittavuus ja jatkuvasti korkea tuotteiden laatu.

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: