מיצוי אולטרסוני של אצות לתוספי תזונה
מיצוי אולטרסוני הוא השיטה העדיפה לפירוק יעיל ומהיר של תאי אצות. סוניקציה יכולה לשחרר את מלוא כמות התרכובות הפעילות ביולוגית, דבר שהופך את הטכניקה האולטרסונית ליעילה ביותר.
כיצד למצות חלבונים, ליפידים ותרכובות פנוליות מאצות באמצעות אולטרסאונד
מיני אצות ומיקרו־אצות עשירים בתרכובות פעילות ביולוגית כגון חלבונים, ליפידים, קרוטנואידים, פיגמנטים (למשל פיקוציאנינים, אסטקסנתין וכו׳), תרכובות פנוליות ורב־סוכרים (למשל קרגיננים). משום כך הם משמשים בהיקף נרחב כחומר גלם טבעי לייצור תמציות למזון ולתוספי תזונה. מיני אצות הנפוצים בשימוש בתוספי תזונה הם Arthrospira maxima ו (המוכרת גם כספירולינה), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis ו־Ulva spp. אצות ידועות כמקור טוב לחלבונים באיכות גבוהה, לליפידים, לחומצות שומן רב־בלתי־רוויות ארוכות שרשרת (PUFAs, כלומר אומגה-3), לרב־סוכרים (למשל אלגינט, קרגינן, β-גלוקנים), לוויטמינים ולנוגדי חמצון.
ספירולינה היא סוג אצות נפוץ בשימוש, העשיר בתרכובות פעילות ביולוגית בעלות ערך גבוה, כגון חלבונים (המהווים 50–70% מהמשקל היבש). מכיוון שספירולינה מאושרת על ידי ה־FDA (מינהל המזון והתרופות של ארצות הברית) כ־GRAS (מוכרת באופן כללי כבטוחה), ניתן להשתמש בספירולינה ובתמציות ספירולינה במוצרי מזון המשווקים באופן מסחרי או כתוספי תזונה.
יתרונות המיצוי האולטרסוני של אצות
מיצוי אולטרסוני עולה על שיטות מיצוי חלופיות בהיבטים רבים, כגון תפוקה גבוהה, אמינות, בטיחות, פשטות וידידותיות לסביבה.
תפוקת מיצוי מלאה
מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים מבקעים את תאי האצות ומפרקים אותם, כך שהחומר התוך־תאי משתחרר. כך מיצוי אולטרסוני משחרר את מלוא מגוון התרכובות הפעילות ביולוגית, כגון פיקוביליפרוטאינים, קרוטנואידים, ליפידים ותרכובות פנוליות.
ניתן לחלק את הפיקוביליפרוטאינים לשלוש קבוצות עיקריות: כלורו־פיקוציאנינים, אלופיקוציאנינים ופיקואריתרינים. C-Phycocyanin הוא פיגמנט כחול טבעי הנמצא בשימוש נרחב במוצרי מזון ובמוצרים פרמצבטיים. מיצוי אולטרסוני משחרר את מלוא מגוון החלבונים.
SonoStation – מערכת אולטרסונית הכוללת מכשירים אולטרסוניים בהספק 2x 2kW, מכל ערבול ומשאבה – היא מערכת ידידותית למשתמש למיצוי.
יעילות מיצוי גבוהה
Duangsee ועמיתיו (2009) בדקו שתי שיטות שונות למיצוי תרכובות פעילות ביולוגית מביומסה של Arthospira (מיצוי בממס בסיוע אולטרסאונד ומיצוי באמצעות הקפאה והפשרה חוזרות), ומצאו שמיצוי אולטרסוני בממס הניב יעילות מיצוי גבוהה יותר (22.1%) מאשר הקפאה והפשרה (15.6%). השוואת ביקוע התאים בין סוניקציה להקפאה והפשרה חוזרות מראה שסוניקציה יעילה יותר. קוויטציה אולטרסונית מפרקת תאי אצות במהירות וביעילות, ומביאה לפירוק תאים רב יותר בהשוואה לתאי ספירולינה שטופלו בהקפאה והפשרה חוזרות.
סוניקציה הייתה יעילה יותר בפירוק מעטפת התא בהשוואה להקפאה והפשרה חוזרות. תפוקת המיצוי של פיקוציאנין הראתה שטמפרטורת העיבוד השפיעה על יעילות המיצוי.
תהליך מיצוי מהיר
מערכות אולטרסוניות בעלות ביצועים גבוהים יכולות להעביר הספק אולטרסוני גבוה לתרחיף האצות באמצעות אמפליטודות גבוהות. כך הופך המיצוי האולטרסוני לשיטת עיבוד מהירה מאוד.
בקרת טמפרטורה
טיפול אולטרסוני הוא טכניקת מיצוי לא־תרמית, מכנית לחלוטין. ניתן לשלוט במדויק בטמפרטורת המיצוי באמצעות חיישן טמפרטורה הניתן לחיבור, המחובר בכבל למכשיר האולטרסוני הדיגיטלי של Hielscher. התוכנה של המכשירים האולטרסוניים הדיגיטליים של Hielscher מאפשרת להגדיר גבולות טמפרטורה, כך שההומוגנייזר האולטרסוני משהה את פעולתו כאשר הטמפרטורה מגיעה לגבול שהוגדר. בקרת הטמפרטורה המדויקת מאפשרת למנוע פירוק תרמי של חומרים רגישים לחום כגון פיקוביליפרוטאינים, ויטמינים, פוליפנולים, רב־סוכרים, ליפידים ותרכובות פעילות ביולוגית אחרות.
תאימות לממסים שונים
טיפול אולטרסוני תואם כמעט לכל ממס. מיצוי אולטרסוני בשילוב ממסים ירוקים כגון מים או אתנול מפיק תמציות נקיות. ניתן לשלב תמציות אולטרסוניות אלה בבטחה במזונות, מכיוון שממסי המיצוי אתנול ומים הם בעלי מעמד GRAS (מוכרים באופן כללי כבטוחים).
שחזור תוצאות וסטנדרטיזציה של התהליך
המכשירים האולטרסוניים הדיגיטליים של Hielscher מצוידים בתוכנה חכמה ובמגוון נרחב של הגדרות לקביעת פרמטרי המיצוי האידיאליים. התוכנה מתעדת את כל פרמטרי התהליך האולטרסוני (למשל, אמפליטודה, הספק נטו, הספק כולל, טמפרטורה, לחץ, זמן, תאריך) וכותבת את נתוני הסוניקציה לקובץ CSV בכרטיס ה-SD המובנה. כך תוכלו לבצע סטנדרטיזציה של תהליך המיצוי שלכם ולעקוב מקרוב אחר הסוניקציה ואיכות התוצר. תכונות אלה מסייעות לכם לעמוד בדרישות לסטנדרטיזציה של התהליך וכן בתנאי ייצור נאותים (GMP), ששניהם חשובים מאוד כאשר התמציות מיוצרות עבור תוספי תזונה, מזון או מוצרים פרמצבטיים.
פרוטוקול למיצוי אולטרסוני של פיקוציאנין
Mazumder et al. (2017) חקרו את פרמטרי העיבוד המיטביים למיצוי אולטרסוני של פיקוציאנין ותרכובות פנוליות מ-Arthospira platensis. התפוקה המרבית של פיקוציאנין (29.9 mg/g) ושל כלל התרכובות הפנוליות (2.4 mg/g) התקבלה בריכוז אתנול של 40%, בטמפרטורת מיצוי של 34.9°C, באמצעות המכשיר האולטרסוני UP50H (50 watts, 30kHz), באמפליטודה של 95% ובמשך מיצוי של 104.7 sec.
Vernès et al. (2019) השתמשו במכשיר אולטרסוני UIP1000hdT (1000W, 20kHz) למיצוי חלבונים מספירולינה. המכשיר האולטרסוני צויד בסונוטרודה BS2d34 ובריאקטור זרימה אולטרסוני (ראו בתמונה שלהלן את מערך המיצוי האולטרסוני המדויק, הכולל תא זרימה ומשאבת Seepex).
UIP1000hdT – מערך מנותרמוסוניקציה (MTS) ומיצוי החלבונים שלנו מספירולינה בקנה מידה מעבדתי
מקור: Vernes et al. 2019
תוצאות המחקר מראות שתנאי המיצוי האולטרסוני המותאמים לתפוקת חלבון מיטבית כוללים טמפרטורה ולחץ מוגברים מעט (טיפול המכונה מנותרמוסוניקציה MTS). טיפול MTS מקדם מעבר מסה ומאפשר לקבל 229% יותר חלבונים (28.42 ± 1.15 g/100 g משקל יבש) בהשוואה לתהליך קונבנציונלי ללא אולטרסאונד (8.63 ± 1.15 g/100 g משקל יבש).
עם קבלת 28.42 g חלבונים בתמצית לכל 100 g של ביומסת ספירולינה יבשה, הושג שיעור השבת חלבון של 50% בתוך 6 דקות בלבד בתהליך סוניקציה רציף. דימות מיקרוסקופי מגלה שקוויטציה אקוסטית משפיעה על סיבי הספירולינה באמצעות מנגנונים שונים, כגון פרגמנטציה, יצירת נקבוביות באמצעות אולטרסאונד והרס המרקם. השפעות שונות אלה מקלות על המיצוי, השחרור וההמסה של תרכובות פעילות ביולוגית מספירולינה והופכות אותם ליעילים יותר, וכתוצאה מכך מתקבלת תפוקת חלבון גבוהה באיכות גבוהה.
באשר לאיכות החלבונים שמוצו באמצעות אולטרסאונד, חומצות האמינו לא התפרקו בעקבות הטיפול האולטרסוני, והן נוכחות בכמות גדולה יותר במקרה של סוניקציה בהשוואה למיצוי קונבנציונלי.
כאשר משווים בין מנותרמוסוניקציה לבין מיצוי אולטרסוני ללא לחץ וטמפרטורה מוגברים, ההבדל בתפוקת המיצוי וביעילותו מזערי בלבד. לכן, אולטרסאונד לבדו נחשב לטכניקה החסכונית ביותר והקלה ביותר להפקת תמצית איכותית ועשירה בחלבוני ספירולינה. מיצוי אולטרסוני הוא טכניקת מיצוי ירוקה וידידותית לסביבה, המתאימה למיצוי חלבונים מספירולינה בקנה מידה מעבדתי, וניתן להגדיל את קנה המידה שלה בקלות לקנה מידה של פיילוט ולתעשייה. (ראו Vernès et al. 2019)
UP400St למיצוי אולטרסוני של אצות באצווה בנפח 8L
מכשירי מיצוי אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים
ניתן להגדיל באופן ליניארי את קנה המידה של כל תוצאות המיצוי שהושגו בקנה מידה קטן, לקיבולות ייצור גדולות יותר. מגוון המוצרים הרחב של Hielscher Ultrasonics, ממערכות מיצוי מעבדתיות ועד מערכות תעשייתיות, כולל את המכשיר האולטרסוני המתאים ביותר לקיבולת התהליך המתוכננת שלכם. הצוות שלנו, בעל הניסיון רב השנים, יסייע לכם מבדיקות היתכנות ואופטימיזציה של התהליך ועד להתקנת המערכת האולטרסונית שלכם בהיקף הייצור הסופי.
Hielscher Ultrasonics – ציוד מיצוי מתקדם
מגוון המוצרים של Hielscher Ultrasonics מקיף את מלוא הטווח של מכשירי מיצוי אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, מקנה מידה קטן ועד גדול. אביזרים נוספים מאפשרים להרכיב בקלות את תצורת המכשיר האולטרסוני המתאימה ביותר לתהליך שלכם. המערך האולטרסוני המיטבי תלוי בקיבולת המתוכננת, בנפח, בחומר הגלם, בעיבוד במנות או בזרימה רציפה ובלוח הזמנים. העמידות של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת הפעלה 24/7 בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות. האפשרות להגדלה ליניארית של קנה המידה של תהליכי מיצוי אולטרסוניים מאפשרת להגדיל את הייצור באופן פשוט ואמין. קראו עוד על הגדלה ליניארית של קנה המידה של תהליכי מיצוי אולטרסוניים!
בחרו מתוך מגוון אביזרים כגון:
- סונוטרודות בגדלים, בקטרים ובצורות שונים
- סונוטרודות לאמפליטודה גבוהה של 200µm ומעלה
- ריאקטורים מסוג תא זרימה בנפחים ובגאומטריות שונים
- מגוון רחב של שופרות הגברה להגדלה או להקטנה של מקדמי ההגברה
- מערכי סוניקציה שלמים כגון SonoStation, הכוללים מכשיר מיצוי אולטרסוני, מכל, מערבל ומשאבה
- חיישני טמפרטורה הניתנים לחיבור
- חיישני לחץ הניתנים לחיבור
הצוות שלנו, בעל ההכשרה המקיפה והניסיון רב השנים, ייעץ לכם וימליץ לכם על המערכת האולטרסונית המתאימה ביותר לדרישות תהליך המיצוי שלכם!
הטבלה שלהלן מספקת לכם אומדן של קיבולת העיבוד המשוערת של המכשירים האולטרסוניים שלנו:
| נפח מנה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | אשכול של UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
ספרות / מקורות
- Anupriya Mazumder; P. Prabuthas; Hari Niwas Mishra (2017): Optimization of ultrasound-assisted solvent extraction of phycocyanin and phenolics from Arthospira platensis var. 'lonor' biomass. Nutrafoods (2017) 16:231-239.
- Vernès L., Abert-Vian M., El Maâtaoui M., Tao Y., Bornard I., Chemat F. (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019. 48-60.
- 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. - Rachen Duangsee, Natapas Phoopat, Suwayd Ningsanond (2009): Phycocyanin extraction from Spirulina platensis and extract stability under various pH and temperature. Asian Journal of Food and Agro-Industry 2009, 2(04), 819-826.
עובדות שכדאי לדעת
מהי ספירולינה?
ספירולינה, שהיא חיידק פרוקריוטי, עשירה בפיגמנטים כגון קרוטנואידים, כלורופיל ופיקוציאנין. קרוטנואידים (למשל, β-קרוטן, פיגמנט בצבע כתום וצהוב), כלורופיל ופיקוציאנין מצויים בשיעורים של 0.4, 1.0 ו-14% מהמשקל היבש, בהתאמה. פיקוציאנין הוא חלבון בצבע כחול וירוק, המכונה ביליפרוטאין, המצוי בלמלות פוטוסינתטיות בממברנה הציטופלזמטית של הציאנובקטריה.
הוא משמש כתוסף מזון וכצבע מאכל, כתוסף תזונה וליישומים של אבחון אימונולוגי.
כיצד משתמשים בסוניקציה בעיבוד אצות?
טיפול אולטרסוני מקל על איסוף האצות באמצעות עידוד השקיעה. סוניקציה של ביומסת אצות גורמת לפירוק ולריקון של חלוליות הגז שבתוך תא האצה, התורמות לציפת האצות. לאחר הוצאת הגז מהחלוליות, תאי האצות שוקעים לקרקעית, וכך מקלים על ריכוז ביומסת האצות והפרדתה. קראו עוד על איסוף אצות באמצעות אולטרסאונד!
בשלב התהליך הבא, סוניקציה היא שיטה מבוססת ויעילה ביותר למיצוי רכיבי תזונה ותרכובות פעילות ביולוגית מאצות. קראו עוד על מיצוי אולטרסוני של אצות!