מיצוי אולטרסוני של אנתוציאנינים

אנתוציאנינים נמצאים בשימוש נרחב כצבע מאכל טבעי וכתוסף תזונתי במוצרי מזון. מיצוי אולטרסוני הוא טכניקה יעילה ביותר ופשוטה לקבלת אנתוציאנינים באיכות גבוהה. השימוש במכשירי סוניקציה מסוג גשוש מקדם את שחרורם של אנתוציאנינים באיכות גבוהה מצמחים, ומוביל לתפוקות גבוהות יותר ולתהליך מהיר. בה בעת, סוניקציה היא טכניקה עדינה, ירוקה ויעילה לייצור תעשייתי של אנתוציאנינים בדרגת איכות המתאימה למזון ולתרופות.

אנתוציאנינים – כיצד למצות אנתוציאנינים באיכות גבוהה באמצעות מכשיר סוניקציה

אנתוציאנינים נמצאים בשימוש נרחב כצבעי מאכל טבעיים בתעשיית המזון. יש להם קשת רחבה של גוונים, מכתום דרך אדום ועד סגול וכחול, בהתאם למבנה המולקולרי ולערך ה-pH. העניין באנתוציאנינים נובע לא רק מהשפעתם על הצבע, אלא גם מתכונותיהם המועילות לבריאות. לנוכח החששות הסביבתיים והבריאותיים הגוברים בנוגע לצבעים סינתטיים, צבעים טבעיים הם חלופה מצוינת כחומרי צבע ידידותיים לסביבה עבור תעשיות המזון והתרופות.

מיצוי אנתוציאנינים משופר באמצעות אולטרסאונד

כיצד למצות אנתוציאנינים באמצעות אולטרסאונד? – חקרי מקרה

מיצוי אולטרסוני של אנתוציאנינים מאורז סגול Oryza Sativa L.

אורז סגול מהזן Oryza Sativa (המוכר גם בשם Violet Nori או אורז סגול) עשיר באופן יוצא דופן בתרכובות פנוליות, כגון אנתוציאנינים מקבוצת הפלבונואידים. Turrini et al. (2018) השתמשו במיצוי אולטרסוני לבידוד תרכובות פוליפנוליות, כגון אנתוציאנינים ונוגדי חמצון, מגרגר האורז (בצורתו השלמה, כאורז חום וכאורז שעבר בישול מקדים) ומעלי האורז הסגול. המיצוי האולטרסוני בוצע באמצעות מכשיר של Hielscher UP200St (200W, 26kHz, בתמונה משמאל) ואתנול 60% כממס.
כדי לשמור על שלמות האנתוציאנינים, התמציות שהופקו במיצוי האולטרסוני אוחסנו ב-−20°C, דבר שאפשר לאחסן אותן למשך לפחות עד שלושה חודשים.
cyanidin-3-glucoside (המוכר גם בשם chrysanthemin) היה בהפרש ניכר האנתוציאנין העיקרי שזוהה בזנים ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ ו-‘Nerone’ שנחקרו במחקרם של Turrini et al., ואילו peonidin-3-glucoside ו-cyanidin-3-rutinoside (המוכר גם בשם antirrhinin) נמצאו בכמויות קטנות יותר.
העלים הסגולים של Oryza Sativa הם מקור מצוין לאנתוציאנינים ולתכולה פנולית כוללת (TPC). בכמות הגבוהה בערך פי 2–3 מזו שבאורז ובקמח, עלי Oryza מהווים חומר גלם זול למיצוי אנתוציאנינים. תפוקה מוערכת של כ-4 kg אנתוציאנין/t עלים טריים גבוהה משמעותית מזו של 1 kg אנתוציאנין/t אורז, המחושבת על בסיס הכמויות הממוצעות של אנתוציאנינים שזוהו באורז ‘Violet Nori’ (1300 µg/g אורז, כ-cyanidin-3-glucoside), עבור תפוקה של כ-68 kg אורז מ-100 kg אורז בקליפתו.

מיצוי אולטרסוני של אנתוציאנינים מכרוב אדום

Ravanfar et al. (2015) חקרו את יעילות המיצוי האולטרסוני של אנתוציאנינים מכרוב אדום. ניסויי המיצוי האולטרסוני בוצעו באמצעות המערכת האולטרסונית UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). הסונוטרודה MS10 (קוטר קצה 10mm) הוכנסה למרכז כוס מעבדה מזכוכית בעלת מעטפת ובקרת טמפרטורה.

בניסוי זה נעשה שימוש בחתיכות כרוב אדום שנחתכו זה עתה, בגודל 5mm (בצורת קובייה) ובתכולת לחות של 92.11 ± 0.45 %. כוס כימית מזכוכית בעלת מעטפת (נפח: 200ml) מולאה ב-100ml מים מזוקקים וב-2g חתיכות כרוב אדום. הכוס כוסתה ברדיד אלומיניום כדי למנוע אובדן ממס (מים) עקב אידוי במהלך התהליך. בכל הניסויים נשמרה הטמפרטורה בכוס באמצעות בקר תרמוסטטי. לבסוף נאספו הדגימות, סוננו ועברו צנטריפוגה ב-4000rpm, והנוזלים העליונים שימשו לקביעת תפוקת האנתוציאנינים. מיצוי באמבט מים בוצע כניסוי ביקורת.
התפוקה המיטבית של אנתוציאנינים מכרוב אדום נקבעה בהספק של 100 W, במשך 30 min ובטמפרטורה של 15°C, והתקבלה תפוקת אנתוציאנינים של כ-21 mg/L.
בשל שינויי צבעו כתלות בערך ה-pH ועוצמת הצביעה שלו, צבע המופק מכרוב אדום שימש כאינדיקטור pH בתכשירים פרמצבטיים או כנוגד חמצון וכחומר צבע במערכות מזון, בהתאמה.

אולטרסאונד מגביר במידה ניכרת את מיצוי האנתוציאנינים מחומר צמחי.
מקור: Ravanfar et al. 2015

 
מחקרים אחרים מדגימים מיצוי אולטרסוני מוצלח של אנתוציאנינים מאוכמניות כחולות, פטל שחור, ענבים, דובדבנים, תותי שדה ובטטה סגולה, בין היתר.

מערכות מיצוי אולטרסוניות בעלות ביצועים גבוהים

Hielscher Ultrasonics מתמחה בייצור מעבדים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים להפקת מיצויים באיכות גבוהה מחומרי גלם צמחיים.
מגוון מכשירי הסוניקציה הרחב של Hielscher נע ממכשירים אולטרסוניים מעבדתיים קטנים ועוצמתיים ועד מערכות שולחניות עמידות ומערכות תעשייתיות מלאות, המספקות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה למיצוי ולבידוד יעילים של חומרים פעילים ביולוגית (למשל אנתוציאנינים, ג'ינג'רול, פיפרין, כורכומין וכו').
כל המכשירים האולטרסוניים בהספקים שבין 200W לבין 16,000W כוללים מסך מגע צבעוני לבקרה דיגיטלית, כרטיס SD מובנה לרישום נתונים אוטומטי, שליטה מרחוק באמצעות דפדפן ותכונות רבות נוספות הידידותיות למשתמש. ניתן לעקר באוטוקלב את הסונוטרודות ואת תאי הזרימה (החלקים הבאים במגע עם התווך), וקל לנקותם.
מכשירי הסוניקציה של Hielscher עמידים מאוד ובנויים לפעולה 24/7 בעומס מלא, תוך צורך בתחזוקה מועטה ותפעול קל ובטוח. תצוגה דיגיטלית צבעונית מאפשרת שליטה ידידותית למשתמש במכשיר האולטרסוני.
המערכות שלנו מסוגלות לספק אמפליטודות מנמוכות ועד גבוהות מאוד. למיצוי קנבינואידים וטרפנים אנו מציעים סונוטרודות אולטרסוניות מיוחדות (המוכרות גם כגשושיות אולטרסוניות או כקרניים אולטרסוניות), המותאמות לבידוד עדין של חומרים פעילים באיכות גבוהה. ניתן להשתמש בכל המערכות שלנו למיצוי קנבינואידים ולתחלוב שלהם לאחר מכן. עמידותם של מכשירי הסוניקציה של Hielscher מאפשרת פעולה רציפה (24/7) בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות.

הבקרה המדויקת על פרמטרי התהליך האולטרסוני מבטיחה שחזוריות וסטנדרטיזציה של התהליך.
 

הטבלה שלהלן מציגה את קיבולת העיבוד המשוערת של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

ספרות / מקורות

• 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.

עובדות שכדאי לדעת

כיצד פועל מיצוי בסיוע אולטרסאונד?

הפעלת גלי אולטרסאונד עוצמתיים על תווך נוזלי גורמת לקוויטציה. תופעת הקוויטציה מובילה באופן מקומי לטמפרטורות קיצוניות, ללחצים קיצוניים, לקצבי חימום וקירור קיצוניים, להפרשי לחצים ולכוחות גזירה גבוהים בתווך. כאשר בועות קוויטציה קורסות על פני השטח של מוצקים (כגון חלקיקים, תאי צמח, רקמות וכדומה), סילוני מיקרו והתנגשויות בין חלקיקים יוצרים השפעות כגון קילוף פני השטח, שחיקה ופירוק חלקיקים. בנוסף, קריסת בועות קוויטציה בתווכים נוזליים יוצרת מערבולות בקנה מידה מאקרוסקופי וערבוב בקנה מידה מיקרוסקופי.
הקרנת חומר צמחי באולטרסאונד מפרקת את המטריצה של תאי הצמח ומגבירה את ההידרציה שלהם. Chemat et al (2015) מסיקים שמיצוי אולטרסוני של תרכובות פעילות ביולוגית מחומר צמחי הוא תוצאה של מנגנונים שונים הפועלים בנפרד או במשולב, ובהם פירוק למקטעים, שחיקה, נימיות, פירוק המרקם ויצירת נקבוביות באמצעות אולטרסאונד. השפעות אלה מפרקות את דופן התא, משפרות את מעבר המסה באמצעות דחיפת ממס לתוך התא ושאיבת ממס המכיל תרכובות צמחיות החוצה, ומבטיחות תנועת נוזל באמצעות ערבוב בקנה מידה מיקרוסקופי.

מיצוי אולטרסוני מבוסס על קוויטציה אקוסטית ועל כוחות הגזירה ההידרודינמיים שלה

הקרנת חומר צמחי באולטרסאונד מפרקת את המטריצה של תאי הצמח ומגבירה את ההידרציה שלהם. Chemat et al. (2015) מסיקים שמיצוי אולטרסוני של תרכובות פעילות ביולוגית מחומר צמחי הוא תוצאה של מנגנונים שונים הפועלים בנפרד או במשולב, ובהם פירוק למקטעים, שחיקה, נימיות, פירוק המרקם ויצירת נקבוביות באמצעות אולטרסאונד. השפעות אלה מפרקות את דופן התא, משפרות את מעבר המסה באמצעות דחיפת ממס לתוך התא ושאיבת ממס המכיל תרכובות צמחיות החוצה, ומבטיחות תנועת נוזל באמצעות ערבוב בקנה מידה מיקרוסקופי.
מיצוי אולטרסוני משיג בידוד מהיר מאוד של תרכובות – ועולה על שיטות מיצוי קונבנציונליות בזכות זמן תהליך קצר יותר, תפוקה גבוהה יותר וטמפרטורות נמוכות יותר. כטיפול מכני עדין, מיצוי בסיוע אולטרסאונד מונע פירוק תרמי של רכיבים פעילים ביולוגית ומצטיין בהשוואה לטכניקות אחרות כגון מיצוי קונבנציונלי בממס, זיקוק במים או מיצוי Soxhlet, הידועות בכך שהן הורסות מולקולות רגישות לחום. בזכות יתרונות אלה, מיצוי אולטרסוני הוא הטכניקה המועדפת לשחרור תרכובות פעילות ביולוגית הרגישות לטמפרטורה מחומר צמחי.

מיצוי אולטרסוני מתאי צמח: חתך הרוחב המיקרוסקופי (TS) מציג את מנגנון הפעולה במהלך מיצוי אולטרסוני מתאים (הגדלה 2000x) [מקור: Vilkhu et al. 2011]

אנתוציאנין – פיגמנט צמחי בעל ערך

אנתוציאנינים הם פיגמנטים צמחיים המצויים בחלוליות, והם עשויים להופיע בצבע אדום, סגול, כחול או שחור. הגוון שמציגים פיגמנטי האנתוציאנין המסיסים במים תלוי בערך ה-pH שלהם. אנתוציאנינים מצויים בחלולית התא, בעיקר בפרחים ובפירות, אך גם בעלים, בגבעולים ובשורשים, שבהם הם מצויים בעיקר בשכבות תאים חיצוניות כגון האפידרמיס ותאי המזופיל ההיקפיים.
הנפוצים ביותר בטבע הם הגליקוזידים של ציאנידין, דלפינידין, מלווידין, פלרגונידין, פאונידין ופטונידין.
דוגמאות בולטות לצמחים עשירים באנתוציאנינים כוללות מיני Vaccinium, כגון אוכמניות כחולות, חמוציות ואוכמניות אירופיות; פירות יער מהסוג Rubus, ובהם פטל שחור, פטל אדום ואוסנה; דומדמניות שחורות, דובדבנים, חצילים, אורז שחור, אובה, בטטות אוקינאווה, ענבי Concord, ענבי מוסקדין, כרוב אדום ועלי כותרת של סיגליות. אפרסקים ותפוחים בעלי ציפה אדומה מכילים אנתוציאנינים. אנתוציאנינים מצויים בכמויות קטנות יותר בבננות, באספרגוס, באפונה, בשומר, באגסים ובתפוחי אדמה, ועשויים להיעדר לחלוטין מזנים מסוימים של חזרזר ירוק.

מבנה האנתוציאנינים העיקריים

אנתוציאנינים הם חלופה מצוינת לחומרי צבע סינתטיים במוצרי מזון. אנתוציאנינים מאושרים לשימוש כצבעי מאכל באיחוד האירופי, באוסטרליה ובניו זילנד, וקוד צבע המאכל שלהם הוא E163. אנתוציאנינים מצויים בפירות ובירקות וניתן לתארם כסוג של פיגמנטים צמחיים מסיסים במים. מבחינה כימית, אנתוציאנינים הם גליקוזידים של אנתוציאנידינים המבוססים על המבנה 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). יותר מ-200 חומרים פיטוכימיים נבדלים משתייכים לקבוצת האנתוציאנינים. מכיוון שאנתוציאנינים הם פיגמנט צבע עיקרי בפירות בר ובפירות יער, ישנם מקורות רבים שמהם ניתן למצות אותם. מקור בולט לאנתוציאנינים הוא קליפות ענבים. פיגמנטי האנתוציאנין בקליפות ענבים מורכבים בעיקר מדיגלוקוזידים, ממונוגלוקוזיד, ממונוגלוקוזידים שעברו אצילציה וכן מדיגלוקוזידים שעברו אצילציה של פאונידין, מלווידין, ציאנידין, פטונידין ודלפינידין. תכולת האנתוציאנינים בענבים נעה בטווח 30–750mg/100g.
האנתוציאנינים הבולטים ביותר הם ציאנידין, דלפינידין, פלרגונידין, פאונידין, מלווידין ופטונידין.
לדוגמה, האנתוציאנינים peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside ו-cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside מצויים בבטטות סגולות.

אנתוציאנינים – יתרונות בריאותיים

מלבד יכולתם המצוינת לשמש כצבע מאכל טבעי, אנתוציאנינים זוכים להערכה רבה בזכות השפעתם נוגדת החמצון. לפיכך, לאנתוציאנינים השפעות בריאותיות חיוביות רבות. מחקרים הראו שאנתוציאנינים יכולים לעכב נזק ל-DNA בתאים סרטניים, לעכב אנזימי עיכול, לעורר ייצור אינסולין בתאי לבלב מבודדים, להפחית תגובות דלקתיות, להגן מפני ירידה בתפקוד המוח הקשורה לגיל, לשפר את אטימותם של נימי הדם ולמנוע הצטברות של טסיות דם.