אולטרסוניקציה לשיפור השיבוש והמיצוי של תאי אצות

אצות, מאקרו ומיקרו-אצות, מכילות תרכובות יקרות ערך רבות, המשמשות כמזון תזונתי, תוספי מזון או כדלק או חומרי הזנה לדלק. על מנת לשחרר את חומרי המטרה מתא האצות נדרשת טכניקת שיבוש תאים חזקה ויעילה. קולטי אדים על-קוליים יעילים ואמינים ביותר בכל הנוגע למיצוי תרכובות ביו-אקטיביות מצמחים צמחיים, אצות ופטריות. זמין בקנה מידה מעבדה, bench-top ותעשייתי, Hielscher ultrasonic extractors הוקמו בייצור של תמציות נגזרות תאים בייצור מזון, פארמה ודלק ביולוגי.

אצות כמשאב יקר ערך לתזונה ולדלק

תאי אצות הם מקור רב-תכליתי לתרכובות ביו-אקטיביות ועשירות באנרגיה, כגון חלבונים, פחמימות, שומנים וחומרים ביו-אקטיביים אחרים, כמו גם אלקנים. זה הופך את האצות למקור מזון ותרכובות תזונתיות, כמו גם לדלקים.
מיקרו-אצות הן מקור מוערך של שומנים, המשמשים לתזונה וכחומרי הזנה לדלקים ביולוגיים (למשל, ביודיזל). זנים של פיטופלנקטון ימי Dicrateria, כגון Dicrateria rotunda, ידועים כאצות מייצרות בנזין, שיכולות לסנתז סדרה של פחמימנים רוויים (n-alkanes) מ C₁₀H₂₂ ל-C₃₈H₇₈המסווגים כבנזין (C10–C15), סולר (C16–C20) ומזוט (C21–C38).,
בשל ערכן התזונתי, אצות משמשות כ"מזון פונקציונלי" או "נוטרצאוטי". מיקרו-נוטריאנטים חשובים המופקים מאצות כוללים את הקרוטנואידים אסטקסנטין, פוקוקסנטין וזאקסנטין, פוקואידן, למינרי וגלוקנים אחרים לצד חומרים ביו-אקטיביים רבים אחרים המשמשים כתוספי תזונה ופארמצבטיים. Carrageenan, alginate והידרוקולואידים אחרים משמשים תוספי מזון. שומני אצות משמשים כמקור אומגה 3 טבעוני ומשמשים גם כדלק או כחומר גלם לייצור ביודיזל.

שיבוש וחילוץ תאי אצות על ידי אולטרסאונד כוח

מחלצים קוליים או פשוט אולטרסוניקטורים משמשים לחילוץ תרכובות יקרות ערך מדגימות קטנות במעבדה, כמו גם לייצור בקנה מידה מסחרי גדול.
תאי אצות מוגנים על ידי מטריצות מורכבות של דופן התא, המורכבות מליפידים, תאית, חלבונים, גליקופרוטאינים ורב-סוכרים. הבסיס של רוב דפנות תאי האצות בנוי מרשת מיקרופיברילרית בתוך מטריצת חלבונים דמוית ג'ל; עם זאת, חלק מהמיקרו-אצות מצוידות בדופן קשיחה אנאורגנית המורכבת מתסכולי סיליקה אטומים או סידן פחמתי. על מנת להשיג תרכובות ביו-אקטיביות מביומסה של אצות, יש צורך בטכניקת שיבוש תאים יעילה. מלבד גורמי המיצוי הטכנולוגיים (כלומר, שיטת המיצוי והציוד), יעילות השיבוש והמיצוי של תאי אצות מושפעת מאוד גם מגורמים שונים התלויים באצות כגון הרכב דופן התא, מיקום הביומולקולה הרצויה בתאי מיקרו-אצות, ושלב הצמיחה של מיקרו-אצות במהלך הקציר.

כיצד פועל שיבוש וחילוץ תאי אצות על-קוליים?

כאשר גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מצומדים באמצעות בדיקה על-קולית (הידועה גם בשם קרן על-קולית או סונוטרודה) לתוך נוזל או תרחיף, גלי הקול נעים דרך הנוזל ויוצרים לסירוגין מחזורי לחץ גבוה / לחץ נמוך. במהלך מחזורי לחץ גבוה / לחץ נמוך אלה, מתרחשות בועות ואקום זעירות או חללים. בועות קביטציה מתרחשות כאשר הלחץ המקומי יורד במהלך מחזורי הלחץ הנמוך מספיק מתחת ללחץ האדים הרווי, ערך הנתון על ידי חוזק המתיחה של הנוזל בטמפרטורה מסוימת. אשר גדלים על פני מספר מחזורים. כאשר בועות ואקום אלה מגיעות לגודל, שבו הן אינן יכולות לספוג יותר אנרגיה, הבועה מתפוצצת באלימות במהלך מחזור לחץ גבוה. קריסת בועות קוויטציה היא תהליך אלים ועתיר אנרגיה המייצר גלי הלם עזים, מערבולות ומיקרו-סילונים בנוזל. בנוסף, נוצרים לחצים מקומיים גבוהים מאוד וטמפרטורות גבוהות מאוד. תנאים קיצוניים אלה מסוגלים בקלות לשבש את דפנות התאים וקרומי התא ולשחרר תרכובות תוך-תאיות באופן יעיל, יעיל ומהיר. תרכובות תוך-תאיות כגון חלבונים, רב-סוכרים, שומנים, ויטמינים, מינרלים ונוגדי חמצון יכולות להיות מופקות ביעילות באמצעות אולטרסאונד חשמלי.

קביטציה קולית לשיבוש וחילוץ תאים

כאשר נחשפים לאנרגיה על-קולית אינטנסיבית, הדופן או הממברנה של כל סוג של תא (כולל בוטני, יונקים, אצות, פטריות, חיידקים וכו ') משתבשת והתא נקרע לרסיסים קטנים יותר על ידי הכוחות המכניים של קוויטציה קולית דחוסה באנרגיה. כאשר דופן התא נשברת, המטבוליטים התאיים כגון חלבון, שומנים, חומצת גרעין וכלורופיל משתחררים ממטריצת דופן התא כמו גם מפנים התא ומועברים למדיום התרבית או לממס שמסביב.
המנגנון המתואר לעיל של קוויטציה קולית / אקוסטית משבש באופן חמור תאי אצות שלמים או גז ואדים נוזליים בתוך התאים. הקוויטציה העל-קולית, הרטט, המערבולות והמיקרו-זרימה מקדמים את העברת המסה בין פנים התא לבין הממס הסובב אותו, כך שהביומולקולות (כלומר מטבוליטים) יעילות ומשתחררות במהירות. מכיוון שסוניקציה היא טיפול מכני גרידא שאינו דורש כימיקלים קשים, רעילים ו/או יקרים.
אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך יוצר תנאים קיצוניים של צפיפות אנרגיה, הכוללים לחצים גבוהים, טמפרטורות וכוחות גזירה גבוהים. כוחות פיזיקליים אלה מקדמים את השיבוש של מבני התא על מנת לשחרר תרכובות תוך-תאיות לתוך התווך. לכן, אולטרסאונד בתדר נמוך משמש בעיקר להפקת חומרים ביו-אקטיביים ודלקים מאצות. בהשוואה לשיטות מיצוי קונבנציונליות כגון מיצוי ממס, כרסום חרוזים או הומוגניזציה בלחץ גבוה, מיצוי קולי מצטיין על ידי שחרור רוב התרכובות הביו-אקטיביות (כגון שומנים, חלבונים, פוליסכרידים ומיקרו-נוטריאנטים) מהתא הסונפופורציה והמשובש. יישום תנאי התהליך הנכונים, מיצוי קולי נותן תשואות מיצוי מעולה בתוך משך תהליך קצר מאוד. לדוגמה, מחלצים על-קוליים בעלי ביצועים גבוהים מראים ביצועי מיצוי מצוינים מאצות, כאשר משתמשים בהם עם ממס מתאים. בתווך חומצי או בסיסי, דופן תא האצות נעשית נקבובית ומקומטת, מה שמוביל לתפוקה מוגברת בטמפרטורה נמוכה (מתחת ל-60 מעלות צלזיוס) בזמן סוניקציה קצר (פחות מ-3 שעות). משך המיצוי הקצר בטמפרטורות מתונות מונע התפרקות פוקואידן, כך שמתקבל פוליסכריד ביו-אקטיבי מאוד.
אולטרסוניקציה היא גם שיטה להפוך פוקואידן בעל משקל מולקולרי גבוה לפוקואידן בעל משקל מולקולרי נמוך, שהוא הרבה יותר ביואקטיבי בשל המבנה המסועף שלו. עם הפעילות הביולוגית הגבוהה והנגישות הביולוגית שלו, פוקואידן במשקל מולקולרי נמוך הוא תרכובת מעניינת עבור תרופות ומערכות אספקת תרופות.

מקרי מבחן: מיצוי על-קולי של תרכובות אצות

יעילות מיצוי קולי ואופטימיזציה של פרמטרים מיצוי קולי נחקרו באופן נרחב. להלן תוכלו למצוא תוצאות מופתיות לתוצאות המיצוי באמצעות אולטרסוניקציה ממיני אצות שונים.

מיצוי חלבונים מספירולינה באמצעות מנו-תרמו-סוניקציה

קבוצת המחקר של פרופ' צ'מט (אוניברסיטת אביניון) חקרה את ההשפעות של מנותרמוסוסוניקציה (MTS) על מיצוי חלבונים (כגון פיקוציאנין) מציאנובקטריה יבשה מסוג Arthrospira platensis (הידועה גם בשם ספירולינה). Mano-Thermo-Sonication (MTS) הוא יישום של אולטרסאונד בשילוב עם לחצים וטמפרטורות גבוהות על מנת להגביר את תהליך החילוץ הקולי.
"על פי תוצאות הניסוי, MTS קידם העברת מסה (דיפוזיביות אפקטיבית גבוהה, De) ואיפשר לקבל 229% יותר חלבונים (28.42 ± 1.15 גרם / 100 גרם DW) מאשר תהליך קונבנציונלי ללא אולטרסאונד (8.63 ± 1.15 גרם / 100 גרם DW). עם 28.42 גרם חלבונים לכל 100 גרם ביומסה יבשה של ספירולינה בתמצית, הושג שיעור התאוששות חלבון של 50% תוך 6 דקות יעילות בתהליך MTS מתמשך. תצפיות מיקרוסקופיות הראו כי קוויטציה אקוסטית השפיעה על חוטי ספירולינה על ידי מנגנונים שונים כגון פיצול, סונופורציה, דה-טקסטורציה. תופעות שונות אלה מקלות על מיצוי, שחרור ומסיסות של תרכובות ביו-אקטיביות של ספירולינה". [Vernès et al., 2019]

תמונות מיקרוסקופ אופטי של חוטי ספיורולינה שלמים הנתונים לטיפול MTS לאורך זמן. סרגל קנה מידה (תמונה A) = 50 מיקרומטר עבור כל התמונות.
תמונה ומחקר: ©Vernès et al. 2019

מיצוי קולי פוקואידן וגלוקן מ למינריה דיגיטטה

קבוצת המחקר TEAGASC של ד"ר טיווארי חקרה את מיצוי הרב-סוכרים, כלומר פוקואידן, למינרין וגלוקנים טוטאליים, מהמקרו-אצות Laminaria digitata באמצעות Ultrasonicator UIP500hdT. הפרמטרים של מיצוי בסיוע אולטרה-סאונד (איחוד האמירויות הערביות) שנבדקו הראו השפעה משמעותית על רמות הפוקוס, FRAP ו- DPPH. רמות של 1060.75 מ"ג/100 גרם ds, 968.57 מ"ג/100 גרם ds, 8.70 μM trolox/mg fde ו-11.02% התקבלו עבור fucose, סך גלוקנים, FRAP ו-DPPH בהתאמה בתנאים אופטימליים של טמפרטורה (76◦C), זמן (10 דקות) ומשרעת על-קולית (100%) תוך שימוש ב-0.1 M HCl כממס. התנאים המתוארים באיחוד האמירויות יושמו בהצלחה על אצות מקרו חומות רלוונטיות אחרות מבחינה כלכלית (L. hyperborea ו- A. nodosum) כדי להשיג תמציות עשירות ברב-סוכר. מחקר זה מדגים את הישימות של איחוד האמירויות הערביות כדי לשפר את המיצוי של פוליסכרידים ביו-אקטיביים ממיני מקרו-אצות שונים.

מיצוי פיטוכימי אולטראסוני מ ו. וזיקולוסוס ו פ. קנאליקולטה

צוות המחקר של García-Vaquero השווה טכניקות מיצוי חדשניות שונות, כולל מיצוי קולי בעל ביצועים גבוהים, מיצוי אולטרסאונד-מיקרוגל, מיצוי מיקרוגל, מיצוי בסיוע הידרותרמי וחילוץ בסיוע לחץ גבוה על מנת להעריך את יעילות המיצוי ממיני המיקרו-אצות החומות Fucus vesiculosus ו- Pelvetia canaliculata. עבור ultrasonication, הם השתמשו ב Hielscher UIP500hdT חילוץ קולי. האנילסיס של תפוקות המיצוי גילה כי מיצוי קולי השיג את התשואות הגבוהות ביותר של רוב הפיטוכימיקלים משני F. vesiculosus. משמעות הדבר היא התשואות הגבוהות ביותר של תרכובות המופקות מ- F. vesiculosus באמצעות חילוץ קולי UIP500hdT היו: תכולת הפנולים הכוללת (445.0 ± 4.6 מ"ג שווה ערך לחומצה גאלית/גרם), תכולת הפלורוטנין הכוללת (362.9 ±-3.7 מ"ג שווה ערך לפלורוגלוצינול/גרם), תכולת הפלבנואידים הכוללת (286.3 ±-7.8 מ"ג קוורצטין/גרם) ותכולת הטאנין הכוללת (189.1 ± 4.4 מ"ג שווה ערך לקטכין/גרם).
במחקר שלהם, הצוות הגיע למסקנה כי השימוש במיצוי בסיוע אולטרה-סאונד "בשילוב עם 50% תמיסה אתנולית כממס מיצוי יכול להיות אסטרטגיה מבטיחה המתמקדת במיצוי של TPC, TPhC, TFC ו- TTC, תוך הפחתת מיצוי משותף של פחמימות לא רצויות הן מ- F. vesiculosus והן מ- P. canaliculata, עם יישומים מבטיחים בעת שימוש בתרכובות אלה כתרופות, חומרים מזינים וקוסמטיים". [García-Vaquero et al., 2021]

קנה מידה של mano-thermo-sonication באוניברסיטת אביניון באמצעות Ultrasonicators Hielscher: מציוד מעבדה UIP1000hdT (א) לטייס ציוד בקנה מידה UIP4000hdT (ב, ג & D). בתמונה D הוא סכמטי חתך רוחבי של תא זרימה קולי FC100K.
תמונה ומחקר: ©Vernès et al. 2019

מחלצים על-קוליים בעלי ביצועים גבוהים להפרעות אצות

הציוד הקולי החדיש של Hielscher מאפשר שליטה מלאה על פרמטרי התהליך כגון משרעת, טמפרטורה, לחץ וקלט אנרגיה.
עבור מיצוי קולי, פרמטרים כגון גודל חלקיקי חומר הגלם, סוג הממס, יחס מוצק לממס וזמן מיצוי יכולים להיות מגוונים וממוטבים לקבלת התוצאות הטובות ביותר.
מכיוון שמיצוי קולי הוא שיטת מיצוי לא תרמית, נמנעת השפלה תרמית של החומרים הביו-אקטיביים הנמצאים בחומר הגלם כגון אצות.
בסך הכל, יתרונות כגון תפוקה גבוהה, זמן מיצוי קצר, טמפרטורת מיצוי נמוכה וכמויות קטנות של ממס הופכים את הסוניקציה לשיטת המיצוי העדיפה.

מיצוי קולי: הוקם במעבדה ובתעשייה

מיצוי קולי מוחל באופן נרחב למיצוי של כל סוג של תרכובת ביו-אקטיבית מצמחים צמחיים, אצות, חיידקים ותאי יונקים. מיצוי קולי נקבע כפשוט, חסכוני ויעיל ביותר המצטיין בטכניקות מיצוי מסורתיות אחרות על ידי תפוקות מיצוי גבוהות יותר ומשך עיבוד קצר יותר.
עם מערכות אולטרסאונד מעבדה, ספסל ותעשייתיות לחלוטין זמינות, מיצוי קולי הוא כיום טכנולוגיה מבוססת ואמינה. מחלצים קוליים Hielscher מותקנים ברחבי העולם במתקני עיבוד תעשייתיים המייצרים תרכובות ביו-אקטיביות באיכות מזון ופארמה.

סטנדרטיזציה תהליך עם Hielscher Ultrasonics

תמציות שמקורן באצות, המשמשות במזון, תרופות או קוסמטיקה, חייבות להיות מיוצרות בהתאם לתנאי ייצור נאותים (GMP) ותחת מפרטי עיבוד סטנדרטיים. מערכות החילוץ הדיגיטליות של Hielscher Ultrasonics מגיעות עם תוכנה חכמה, מה שמקל להגדיר ולשלוט בתהליך הסוניק במדויק. הקלטת נתונים אוטומטית כותבת את כל פרמטרי התהליך האולטרסוני כגון אנרגיית אולטרסאונד (אנרגיה כוללת ונט), משרעת, טמפרטורה, לחץ (כאשר חיישני טמפרטורה ולחץ מותקנים) עם חותמת תאריך ושעה על כרטיס ה- SD המובנה. זה מאפשר לך לשנות כל הרבה מעובד אולטרה סאונד. יחד עם זאת, מובטחת יכולת שחזור ואיכות מוצר גבוהה ברציפות.

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: