शैवाल कोशिका विघटन और निष्कर्षण में सुधार के लिए अल्ट्रासोनिकेशन

शैवाल, जिनमें स्थूलशैवाल और सूक्ष्मशैवाल शामिल हैं, में अनेक मूल्यवान यौगिक होते हैं, जिनका उपयोग पोषक खाद्य पदार्थों, खाद्य योजकों या ईंधन अथवा ईंधन के कच्चे माल के रूप में किया जाता है। शैवाल कोशिका से लक्षित पदार्थों को मुक्त करने के लिए एक शक्तिशाली और कुशल कोशिका विघटन तकनीक की आवश्यकता होती है। वनस्पतियों, शैवाल और कवकों से जैवसक्रिय यौगिकों के निष्कर्षण के लिए अल्ट्रासोनिक निष्कर्षक अत्यधिक कुशल और विश्वसनीय हैं। प्रयोगशाला, बेंच-टॉप और औद्योगिक पैमाने पर उपलब्ध Hielscher अल्ट्रासोनिक निष्कर्षक खाद्य, औषधि और जैवईंधन उत्पादन में कोशिकाओं से प्राप्त अर्कों के उत्पादन के लिए स्थापित हैं।

पोषण और ईंधन के लिए एक मूल्यवान संसाधन के रूप में शैवाल

शैवाल कोशिकाएँ प्रोटीन, कार्बोहाइड्रेट, लिपिड और अन्य जैवसक्रिय पदार्थों के साथ-साथ ऐल्केन जैसे जैवसक्रिय और ऊर्जा-समृद्ध यौगिकों का एक बहुउपयोगी स्रोत हैं। इससे शैवाल खाद्य पदार्थों और पोषक यौगिकों के साथ-साथ ईंधनों का भी स्रोत बनते हैं।
सूक्ष्मशैवाल लिपिड का एक मूल्यवान स्रोत हैं, जिनका उपयोग पोषण के लिए और जैवईंधनों (जैसे बायोडीज़ल) के कच्चे माल के रूप में किया जाता है। समुद्री पादपप्लवक Dicrateria के प्रभेदों, जैसे Dicrateria rotunda, को पेट्रोल उत्पन्न करने वाले शैवाल के रूप में जाना जाता है, जो संतृप्त हाइड्रोकार्बनों (n‐ऐल्केनों) की एक शृंखला का संश्लेषण कर सकते हैं – C₁₀H₂₂ से लेकर C₃₈H₇₈ तक, जिन्हें पेट्रोल (C10–C15), डीज़ल तेल (C16–C20) और ईंधन तेल (C21–C38) के रूप में वर्गीकृत किया जाता है।
अपने पोषण मूल्य के कारण शैवाल का उपयोग “कार्यात्मक खाद्य पदार्थों” या “न्यूट्रास्यूटिकल्स” के रूप में किया जाता है। शैवाल से निकाले जाने वाले महत्वपूर्ण सूक्ष्म पोषक तत्वों में कैरोटिनॉइड एस्टैक्सैंथिन, फ्यूकोज़ैंथिन और ज़ीऐक्सैंथिन, फ्यूकोइडन, laminari और अन्य ग्लूकैन शामिल हैं; इनका तथा अनेक अन्य जैवसक्रिय पदार्थों का उपयोग पोषण पूरकों और औषधियों के रूप में किया जाता है। कैरेजीनन, ऐल्जिनेट और अन्य हाइड्रोकोलॉइड का उपयोग खाद्य योजकों के रूप में किया जाता है। शैवाल लिपिड का उपयोग वीगन omega-3 स्रोत के रूप में और ईंधन अथवा बायोडीज़ल उत्पादन के कच्चे माल के रूप में भी किया जाता है।

शक्तिशाली अल्ट्रासाउंड द्वारा शैवाल कोशिका विघटन और निष्कर्षण

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षकों, जिन्हें केवल अल्ट्रासोनिकेटर भी कहा जाता है, का उपयोग प्रयोगशाला में छोटे नमूनों से मूल्यवान यौगिक निकालने के साथ-साथ बड़े व्यावसायिक पैमाने पर उत्पादन के लिए किया जाता है।
शैवाल कोशिकाएँ जटिल कोशिका भित्ति मैट्रिक्स द्वारा संरक्षित होती हैं, जो लिपिड, सेलुलोज़, प्रोटीन, ग्लाइकोप्रोटीन और पॉलीसैकराइड से बने होते हैं। अधिकांश शैवाल की कोशिका भित्तियों का आधार जेल जैसे प्रोटीन मैट्रिक्स के भीतर स्थित सूक्ष्मतंतुमय जाल से बना होता है; हालाँकि, कुछ सूक्ष्मशैवाल में ओपलीय सिलिका के फ्रस्ट्यूल या कैल्शियम कार्बोनेट से बनी अकार्बनिक कठोर भित्ति होती है। शैवाल बायोमास से जैवसक्रिय यौगिक प्राप्त करने के लिए एक कुशल कोशिका विघटन तकनीक आवश्यक है। निष्कर्षण के तकनीकी कारकों (अर्थात निष्कर्षण विधि और उपकरण) के अलावा, शैवाल कोशिका विघटन और निष्कर्षण की दक्षता पर शैवाल पर निर्भर विभिन्न कारकों का भी प्रबल प्रभाव पड़ता है, जैसे कोशिका भित्ति की संरचना, सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं में वांछित जैवअणु का स्थान और कटाई के समय सूक्ष्मशैवाल की वृद्धि अवस्था।

अल्ट्रासोनिक शैवाल कोशिका विघटन और निष्कर्षण कैसे काम करते हैं?

जब उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासाउंड तरंगों को एक अल्ट्रासोनिक प्रोब (जिसे अल्ट्रासोनिक हॉर्न या सोनोट्रोड भी कहा जाता है) के माध्यम से किसी द्रव या स्लरी में संचारित किया जाता है, तो ध्वनि तरंगें द्रव में आगे बढ़ती हैं और इस प्रकार बारी-बारी से उच्च दाब / निम्न दाब के चक्र उत्पन्न करती हैं। इन उच्च दाब / निम्न दाब चक्रों के दौरान अत्यंत छोटे निर्वात बुलबुले या गुहाएँ बनती हैं। कैविटेशन बुलबुले तब बनते हैं, जब निम्न दाब चक्रों के दौरान स्थानीय दाब संतृप्त वाष्प दाब से पर्याप्त नीचे गिर जाता है; यह मान किसी निश्चित तापमान पर द्रव की तनन सामर्थ्य से निर्धारित होता है। ये बुलबुले कई चक्रों के दौरान बढ़ते हैं। जब ये निर्वात बुलबुले इतने बड़े हो जाते हैं कि वे और अधिक ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकते, तो उच्च दाब चक्र के दौरान बुलबुला तीव्रता से अंतःस्फोटित होता है। कैविटेशन बुलबुलों का अंतःस्फोट एक प्रचंड, ऊर्जा-सघन प्रक्रिया है, जो द्रव में तीव्र प्रघात तरंगें, विक्षोभ और सूक्ष्म जेट उत्पन्न करती है। इसके अतिरिक्त, स्थानीय स्तर पर अत्यधिक उच्च दाब और अत्यधिक उच्च तापमान उत्पन्न होते हैं। ये चरम स्थितियाँ आसानी से कोशिका भित्तियों और झिल्लियों का विघटन कर सकती हैं तथा अंतःकोशिकीय यौगिकों को प्रभावी, कारगर और त्वरित ढंग से मुक्त कर सकती हैं। इस प्रकार पावर अल्ट्रासोनिक्स का उपयोग करके प्रोटीन, पॉलीसैकराइड, लिपिड, विटामिन, खनिज और एंटीऑक्सीडेंट जैसे अंतःकोशिकीय यौगिकों का प्रभावी ढंग से निष्कर्षण किया जा सकता है।

कोशिका विघटन और निष्कर्षण के लिए अल्ट्रासोनिक कैविटेशन

तीव्र अल्ट्रासोनिक ऊर्जा के संपर्क में आने पर, किसी भी प्रकार की कोशिका (पादप, स्तनधारी, शैवाल, कवक, जीवाणु आदि की कोशिकाओं सहित) की भित्ति या झिल्ली विघटित हो जाती है और ऊर्जा-सघन अल्ट्रासोनिक कैविटेशन के यांत्रिक बल कोशिका को छोटे-छोटे खंडों में तोड़ देते हैं। कोशिका भित्ति टूटने पर, प्रोटीन, लिपिड, न्यूक्लिक अम्ल और क्लोरोफिल जैसे कोशिकीय चयापचयज कोशिका भित्ति के मैट्रिक्स के साथ-साथ कोशिका के भीतर से भी मुक्त होकर आसपास के संवर्धन माध्यम या विलायक में स्थानांतरित हो जाते हैं।
अल्ट्रासोनिक / ध्वनिक कैविटेशन की ऊपर वर्णित क्रियाविधि संपूर्ण शैवाल कोशिकाओं या कोशिकाओं के भीतर स्थित गैस और द्रव की रिक्तिकाओं को अत्यधिक विघटित करती है। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन, कंपन, विक्षोभ और सूक्ष्म प्रवाह कोशिका के भीतर के भाग और आसपास के विलायक के बीच द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा देते हैं, जिससे जैव-अणु (अर्थात चयापचयज) कुशलतापूर्वक और तेजी से मुक्त होते हैं। सोनिकेशन एक विशुद्ध यांत्रिक उपचार है, जिसमें कठोर, विषैले और/या महंगे रसायनों की आवश्यकता नहीं होती।
उच्च तीव्रता वाला, कम आवृत्ति का अल्ट्रासाउंड अत्यधिक ऊर्जा-सघन परिस्थितियाँ उत्पन्न करता है, जिनमें उच्च दाब, उच्च तापमान और उच्च अपरूपण बल शामिल हैं। ये भौतिक बल कोशिकीय संरचनाओं के विघटन को बढ़ावा देते हैं, ताकि अंतःकोशिकीय यौगिक माध्यम में मुक्त हो सकें। इसलिए, शैवाल से जैवसक्रिय पदार्थों और ईंधनों के निष्कर्षण के लिए कम आवृत्ति वाले अल्ट्रासाउंड का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। विलायक निष्कर्षण, बीड-मिलिंग या उच्च दाब होमोजेनाइज़ेशन जैसी पारंपरिक निष्कर्षण विधियों की तुलना में, अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण सोनिकेशन द्वारा छिद्रित और विघटित कोशिका से अधिकांश जैवसक्रिय यौगिकों (जैसे लिपिड, प्रोटीन, पॉलीसैकेराइड और सूक्ष्म पोषक तत्वों) को मुक्त करके बेहतर प्रदर्शन करता है। सही प्रक्रिया परिस्थितियाँ अपनाने पर, अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण बहुत कम प्रक्रिया अवधि में बेहतर निष्कर्षण उपज देता है। उदाहरण के लिए, उपयुक्त विलायक के साथ उपयोग किए जाने पर उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक निष्कर्षक शैवाल से निष्कर्षण में उत्कृष्ट प्रदर्शन करते हैं। अम्लीय या क्षारीय माध्यम में शैवाल की कोशिका भित्ति छिद्रयुक्त और झुर्रीदार हो जाती है, जिससे कम तापमान (60°C से नीचे) पर कम सोनिकेशन समय (3 घंटे से कम) में अधिक उपज प्राप्त होती है। मध्यम तापमान पर कम निष्कर्षण अवधि फ्यूकोइडान के अपघटन को रोकती है, जिससे अत्यधिक जैवसक्रिय पॉलीसैकेराइड प्राप्त होता है।
अल्ट्रासोनिकेशन उच्च आणविक भार वाले फ्यूकोइडान को कम आणविक भार वाले फ्यूकोइडान में परिवर्तित करने की भी एक विधि है; शाखाएँ हटने से बनी इसकी संरचना के कारण यह काफी अधिक जैवसक्रिय होता है। अपनी उच्च जैवसक्रियता और जैवसुलभता के कारण, कम आणविक भार वाला फ्यूकोइडान औषधियों और औषधि वितरण प्रणालियों के लिए एक रुचिकर यौगिक है।

केस अध्ययन: शैवाल के यौगिकों का अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण की दक्षता और अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण मापदंडों के अनुकूलन का व्यापक अध्ययन किया गया है। नीचे विभिन्न शैवाल प्रजातियों से अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा निष्कर्षण के परिणामों के उदाहरण दिए गए हैं।

मानो-थर्मो-सोनिकेशन का उपयोग करके Spirulina से प्रोटीन निष्कर्षण

प्रो. Chemat (University of Avignon) के अनुसंधान समूह ने शुष्क Arthrospira platensis सायनोबैक्टीरिया (जिसे स्पिरुलिना भी कहा जाता है) से प्रोटीन (जैसे फाइकोसायनिन) के निष्कर्षण पर मैनोथर्मोसोनिकेशन (MTS) के प्रभावों की जाँच की। मैनो-थर्मो-सोनिकेशन (MTS) में अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण प्रक्रिया को तीव्र करने के लिए बढ़े हुए दाब और तापमान के साथ अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया जाता है।
“प्रायोगिक परिणामों के अनुसार, MTS ने द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा दिया (उच्च प्रभावी विसरणशीलता, De) और अल्ट्रासाउंड के बिना पारंपरिक प्रक्रिया (8.63 ± 1.15 g/100 g DW) की तुलना में 229% अधिक प्रोटीन (28.42 ± 1.15 g/100 g DW) प्राप्त करना संभव बनाया। निष्कर्ष में प्रति 100 g शुष्क स्पिरुलिना बायोमास पर 28.42 g प्रोटीन प्राप्त होने के साथ, निरंतर MTS प्रक्रिया से 6 प्रभावी मिनटों में 50% प्रोटीन पुनर्प्राप्ति दर हासिल हुई। सूक्ष्मदर्शी अवलोकनों से पता चला कि ध्वनिक कैविटेशन ने खंडन, सोनोपोरेशन और बनावट के विघटन जैसी विभिन्न क्रियाविधियों से स्पिरुलिना के तंतुओं को प्रभावित किया। ये विभिन्न परिघटनाएँ स्पिरुलिना के जैवसक्रिय यौगिकों के निष्कर्षण, मुक्त होने और विलेयीकरण को आसान बनाती हैं।” [Vernès et al., 2019]

समय के साथ MTS उपचार के अधीन रखे गए साबुत स्पिरुलिना तंतुओं के प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शी चित्र। सभी चित्रों के लिए स्केल बार (चित्र A) = 50 μm।
चित्र और अध्ययन: ©Vernès et al. 2019

फ्यूकोइडन और ग्लूकैन का अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण: Laminaria digitata से

डॉ. Tiwari के TEAGASC अनुसंधान समूह ने वृहद् शैवाल Laminaria digitata से पॉलीसैकराइडों, अर्थात् फ्यूकोइडन, लैमिनारिन और कुल ग्लूकैन के निष्कर्षण की जाँच के लिए अल्ट्रासोनिकेटर UIP500hdT का उपयोग किया। अध्ययन किए गए अल्ट्रासाउंड-सहायित निष्कर्षण (UAE) के मापदंडों ने फ्यूकोज़, FRAP और DPPH के स्तरों पर महत्वपूर्ण प्रभाव दिखाया। विलायक के रूप में 0.1 M HCl का उपयोग करते हुए तापमान (76◦C), समय (10 min) और अल्ट्रासोनिक आयाम (100%) की अनुकूलित परिस्थितियों में फ्यूकोज़, कुल ग्लूकैन, FRAP और DPPH के लिए क्रमशः 1060.75 mg/100 g ds, 968.57 mg/100 g ds, 8.70 μM trolox/mg fde और 11.02% के स्तर प्राप्त हुए। वर्णित UAE परिस्थितियों को इसके बाद आर्थिक दृष्टि से महत्वपूर्ण अन्य भूरे वृहद् शैवालों (L. hyperborea और A. nodosum) पर सफलतापूर्वक लागू करके पॉलीसैकराइड से भरपूर निष्कर्ष प्राप्त किए गए। यह अध्ययन विभिन्न वृहद् शैवाल प्रजातियों से जैवसक्रिय पॉलीसैकराइडों का निष्कर्षण बढ़ाने के लिए UAE की प्रयोज्यता दर्शाता है।

पादपरसायनों का अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण: F. vesiculosus और P. canaliculata से

García-Vaquero के अनुसंधान दल ने भूरे सूक्ष्मशैवालों की प्रजातियों Fucus vesiculosus और Pelvetia canaliculata से निष्कर्षण की दक्षता का मूल्यांकन करने के लिए विभिन्न नवीन निष्कर्षण तकनीकों की तुलना की, जिनमें उच्च प्रदर्शन वाला अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण, अल्ट्रासाउंड-माइक्रोवेव निष्कर्षण, माइक्रोवेव निष्कर्षण, जलतापीय-सहायित निष्कर्षण और उच्च दाब-सहायित निष्कर्षण शामिल थे। सोनिकेशन के लिए उन्होंने Hielscher UIP500hdT अल्ट्रासोनिक निष्कर्षक का उपयोग किया। निष्कर्षण प्राप्तियों के विश्लेषण से पता चला कि अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण ने दोनों F. vesiculosus से अधिकांश पादपरसायनों की उच्चतम प्राप्तियाँ हासिल कीं। इसका अर्थ है कि अल्ट्रासोनिक निष्कर्षक UIP500hdT का उपयोग करके F. vesiculosus से निष्कर्षित यौगिकों की उच्चतम प्राप्तियाँ थीं: कुल फीनोलिक सामग्री (445.0 ± 4.6 mg गैलिक अम्ल समतुल्य/g), कुल फ्लोरोटैनिन सामग्री (362.9 ± 3.7 mg फ्लोरोग्लूसिनॉल समतुल्य/g), कुल फ्लेवोनॉइड सामग्री (286.3 ± 7.8 mg क्वेरसेटिन समतुल्य/g) और कुल टैनिन सामग्री (189.1 ± 4.4 mg कैटेचिन समतुल्य/g)।
अपने अनुसंधान अध्ययन में दल ने निष्कर्ष निकाला कि अल्ट्रासाउंड-सहायित निष्कर्षण का उपयोग, “निष्कर्षण विलायक के रूप में 50% एथेनॉलिक विलयन के साथ मिलकर, TPC, TPhC, TFC और TTC के निष्कर्षण को लक्षित करने वाली एक आशाजनक रणनीति हो सकता है, जिससे दोनों, F. vesiculosus और P. canaliculata, से अवांछित कार्बोहाइड्रेटों का सह-निष्कर्षण कम हो सकता है और इन यौगिकों को औषधियों, न्यूट्रास्यूटिकल्स और कॉस्मेस्यूटिकल्स के रूप में उपयोग करने पर आशाजनक अनुप्रयोग संभव हो सकते हैं।” [García-Vaquero et al., 2021]

Hielscher अल्ट्रासोनिकेटरों का उपयोग करके University of Avignon में मैनो-थर्मो-सोनिकेशन का पैमाना बढ़ाना: प्रयोगशाला उपकरण UIP1000hdT (A) से पायलट पैमाने के उपकरण UIP4000hdT (B, C और D)। चित्र D में अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल का अनुप्रस्थ काट योजनाबद्ध रूप से दिखाया गया है: FC100K.
चित्र और अध्ययन: ©Vernès et al. 2019

शैवाल विघटन के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक निष्कर्षक

Hielscher के अत्याधुनिक अल्ट्रासोनिक उपकरण आयाम, तापमान, दाब और ऊर्जा निवेश जैसे प्रक्रिया मापदंडों पर पूर्ण नियंत्रण प्रदान करते हैं।
अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण में सर्वोत्तम परिणामों के लिए कच्चे माल के कणों का आकार, विलायक का प्रकार, ठोस और विलायक का अनुपात तथा निष्कर्षण समय जैसे मापदंडों को बदला और अनुकूलित किया जा सकता है।
चूँकि अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण एक गैर-तापीय निष्कर्षण विधि है, इसलिए शैवाल जैसे कच्चे माल में मौजूद जैवसक्रिय घटकों का तापीय अपघटन टल जाता है।
कुल मिलाकर, उच्च उपज, कम निष्कर्षण समय, कम निष्कर्षण तापमान और विलायक की कम मात्रा जैसे लाभ सोनिकेशन को एक श्रेष्ठ निष्कर्षण विधि बनाते हैं।

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण: प्रयोगशाला और उद्योग में स्थापित

पादप सामग्री, शैवाल, जीवाणुओं और स्तनधारी कोशिकाओं से किसी भी प्रकार के जैवसक्रिय यौगिक के निष्कर्षण के लिए अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण एक सरल, किफायती और अत्यधिक दक्ष विधि के रूप में स्थापित है, जो अधिक निष्कर्षण उपज और कम प्रसंस्करण अवधि के कारण अन्य पारंपरिक निष्कर्षण तकनीकों से बेहतर है।
प्रयोगशाला, बेंच-टॉप और पूर्ण औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ आसानी से उपलब्ध होने के कारण, अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण आज एक सुस्थापित और विश्वसनीय तकनीक है। Hielscher के अल्ट्रासोनिक निष्कर्षक दुनिया भर में उन औद्योगिक प्रसंस्करण संयंत्रों में स्थापित हैं, जो खाद्य और औषधीय गुणवत्ता वाले जैवसक्रिय यौगिकों का उत्पादन करते हैं।

Hielscher Ultrasonics के साथ प्रक्रिया मानकीकरण

शैवाल से प्राप्त अर्क, जिनका उपयोग खाद्य पदार्थों, औषधियों या सौंदर्य प्रसाधनों में किया जाता है, का उत्पादन उत्तम विनिर्माण पद्धतियों (GMP) के अनुसार और मानकीकृत प्रसंस्करण विनिर्देशों के तहत किया जाना चाहिए। Hielscher Ultrasonics की डिजिटल निष्कर्षण प्रणालियाँ बुद्धिमान सॉफ़्टवेयर से सुसज्जित होती हैं, जिससे सोनिकेशन प्रक्रिया को सटीक रूप से निर्धारित और नियंत्रित करना आसान होता है। स्वचालित डेटा रिकॉर्डिंग अल्ट्रासाउंड ऊर्जा (कुल और शुद्ध ऊर्जा), आयाम, तापमान और दाब (जब तापमान और दाब सेंसर लगे हों) जैसे सभी अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया मापदंडों को दिनांक और समय की मुहर के साथ अंतर्निर्मित SD-कार्ड पर दर्ज करती है। इससे आप अल्ट्रासोनिक रूप से प्रसंस्कृत प्रत्येक बैच की समीक्षा कर सकते हैं। साथ ही, पुनरुत्पादकता और निरंतर उच्च उत्पाद गुणवत्ता सुनिश्चित होती है।

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: