Ultrazvučna ekstrakcija algi za dodatke prehrani
Ultrazvučna ekstrakcija nadmoćna je metoda za učinkovito i brzo razaranje stanica algi. Sonikacija može osloboditi cjelokupnu količinu bioaktivnih spojeva, što ultrazvučnu tehniku čini vrlo učinkovitom.
Kako ultrazvukom ekstrahirati proteine, lipide i fenolne spojeve iz algi
Vrste algi i mikroalgi bogate su biološki aktivnim spojevima kao što su proteini, lipidi, karotenoidi, pigmenti (npr. fikocijanini, astaksantin itd.), fenolni spojevi i polisaharidi (npr. karagenani). Zbog toga su široko upotrebljavana prirodna sirovina za proizvodnju ekstrakata za hranu i dodatke prehrani. Vrste algi koje se uobičajeno upotrebljavaju za dodatke prehrani jesu Arthrospira maxima i (poznata i kao spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis i Ulva spp. Alge su poznate kao dobar izvor visokokvalitetnih proteina, lipida, dugolančanih višestruko nezasićenih masnih kiselina (PUFA, tj. omega-3), polisaharida (npr. alginata, karagenana, β-glukana), vitamina i antioksidansa.
Spirulina je često upotrebljavana vrsta algi bogata visokovrijednim bioaktivnim spojevima kao što su proteini (s udjelom od 50–70% suhe mase). Budući da je FDA (Agencija za hranu i lijekove Sjedinjenih Američkih Država) odobrila spirulinu kao GRAS (općenito priznatu kao sigurnu), spirulina i ekstrakti spiruline mogu se upotrebljavati u hrani koja se stavlja na tržište ili kao dodaci prehrani.
Prednosti ultrazvučne ekstrakcije algi
Ultrazvučna ekstrakcija nadmašuje alternativne metode ekstrakcije u brojnim aspektima, kao što su visok prinos, pouzdanost, sigurnost, jednostavnost i prihvatljivost za okoliš.
Potpuni prinos ekstrakcije
Ultrazvučni uređaji visokih performansi otvaraju i razaraju stanice algi tako da se oslobađa unutarstanični materijal. Ultrazvučna ekstrakcija pritom oslobađa cijeli spektar bioaktivnih spojeva, kao što su fikobiliproteini, karotenoidi, lipidi i fenolni spojevi.
Fikobiliproteini se mogu podijeliti u tri glavne skupine, a to su kloro-fikocijanini, alofikocijanini i fikoeritrini. C-fikocijanin prirodni je plavi pigment koji se široko upotrebljava u prehrambenim i farmaceutskim proizvodima. Ultrazvučna ekstrakcija oslobađa cijeli spektar proteina.
SonoStation – ultrazvučni sustav s 2x 2kW ultrazvučnim uređajima, spremnikom s miješalicom i pumpom – sustav je za ekstrakciju jednostavan za uporabu.
Visoka učinkovitost ekstrakcije
Duangsee i sur. (2009) ispitali su dvije različite metode ekstrakcije bioaktivnih spojeva iz biomase Arthospira (ultrazvučno potpomognutu ekstrakciju otapalom i ekstrakciju ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanjem) te utvrdili da je ultrazvučna ekstrakcija otapalom rezultirala većom učinkovitošću ekstrakcije (22,1%) od zamrzavanja i odmrzavanja (15,6%). Usporedba pucanja stanica pri sonikaciji i ponovljenom zamrzavanju i odmrzavanju pokazuje da je sonikacija učinkovitija. Ultrazvučna kavitacija brzo i učinkovito razara stanice algi, što rezultira većim stupnjem razaranja stanica u usporedbi sa stanicama spiruline obrađenima ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanjem.
Sonikacija je bila učinkovitija u razaranju stanične ovojnice u usporedbi s ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanjem. Prinos ekstrakcije fikocijanina pokazao je da temperatura obrade utječe na učinkovitost ekstrakcije.
Brz postupak ekstrakcije
Ultrazvučni sustavi visokih performansi mogu putem visokih amplituda unijeti veliku ultrazvučnu snagu u suspenziju algi. Zbog toga je ultrazvučna ekstrakcija vrlo brza metoda obrade.
Kontrola temperature
Sonikacija je netoplinska, isključivo mehanička tehnika ekstrakcije. Temperatura ekstrakcije može se precizno kontrolirati priključivim temperaturnim senzorom koji je kabelom povezan s digitalnim ultrazvučnim uređajem Hielscher. Softver digitalnih ultrazvučnih uređaja Hielscher omogućuje postavljanje temperaturnih granica, tako da ultrazvučni homogenizator privremeno zaustavlja rad kada se dosegne granična temperatura. Precizna kontrola temperature omogućuje sprječavanje toplinske razgradnje materijala osjetljivih na toplinu kao što su fikobiliproteini, vitamini, polifenoli, polisaharidi, lipidi i drugi bioaktivni spojevi.
Kompatibilnost s različitim otapalima
Sonikacija je kompatibilna s gotovo svim otapalima. Ultrazvučna ekstrakcija u kombinaciji s ekološki prihvatljivim otapalima poput vode ili etanola daje čiste ekstrakte. Ti se ultrazvučni ekstrakti mogu sigurno dodavati hrani jer ekstrakcijska otapala etanol i voda imaju status GRAS (općenito priznati kao sigurni).
Ponovljivost i standardizacija procesa
Digitalni ultrazvučni uređaji tvrtke Hielscher opremljeni su inteligentnim softverom i razrađenim nizom postavki za idealne parametre ekstrakcije. Softver bilježi sve parametre ultrazvučnog procesa (npr. amplitudu, neto snagu, ukupnu snagu, temperaturu, tlak, vrijeme, datum) i zapisuje podatke o sonikaciji u CSV datoteku na ugrađenoj SD kartici. To vam omogućuje standardizaciju procesa ekstrakcije te pomno praćenje sonikacije i kvalitete dobivenog proizvoda. Te vam značajke pomažu ispuniti zahtjeve za standardizaciju procesa i zahtjeve dobre proizvođačke prakse (GMP), koji su iznimno važni pri proizvodnji ekstrakata za dodatke prehrani, hranu ili farmaceutske proizvode.
Protokol ultrazvučne ekstrakcije fikocijanina
Mazumder i sur. (2017) istraživali su optimalne procesne parametre za ultrazvučnu ekstrakciju fikocijanina i fenolnih spojeva iz vrste Arthospira platensis. Maksimalni prinos fikocijanina (29,9 mg/g) i ukupnih fenolnih spojeva (2,4 mg/g) postignut je pri koncentraciji etanola od 40% i temperaturi ekstrakcije od 34,9°C upotrebom ultrazvučnog uređaja UP50H (50 vata, 30kHz), pri amplitudi od 95% i vremenu ekstrakcije od 104,7 sekundi.
Vernès i sur. (2019) upotrijebili su ultrazvučni uređaj UIP1000hdT (1000W, 20kHz) za ekstrakciju proteina iz spiruline. Ultrazvučni uređaj bio je opremljen sonotrodom BS2d34 i ultrazvučnim protočnim reaktorom (točan postav za ultrazvučnu ekstrakciju s protočnom ćelijom i pumpom Seepex prikazan je na slici u nastavku).
UIP1000hdT – postav za manotermosonikaciju (MTS) i naša ekstrakcija proteina iz spiruline u laboratorijskom mjerilu
izvor: Vernes i sur. 2019
Rezultati istraživanja pokazuju da uvjeti ultrazvučne ekstrakcije optimirani za prinos proteina uključuju blago povišenu temperaturu i tlak (takozvana manotermosonikacija, MTS). MTS potiče prijenos mase i omogućuje dobivanje 229% više proteina (28,42 ± 1,15 g/100 g suhe tvari) nego konvencionalni proces bez ultrazvuka (8,63 ± 1,15 g/100 g suhe tvari).
Uz 28,42 g proteina dobivenih u ekstraktu na 100 g suhe biomase spiruline, postignut je stupanj iskorištenja proteina od 50% u samo 6 minuta kontinuiranog procesa sonikacije. Mikroskopske snimke otkrivaju da akustična kavitacija djeluje na filamente spiruline različitim mehanizmima poput fragmentacije, sonoporacije i razgradnje teksture. Ti različiti učinci olakšavaju ekstrakciju, oslobađanje i solubilizaciju bioaktivnih spojeva spiruline te ih čine učinkovitijima, što rezultira visokim prinosom visokokvalitetnih proteina.
Kad je riječ o kvaliteti ultrazvučno ekstrahiranih proteina, aminokiseline nisu razgrađene ultrazvučnom obradom, a pri sonikaciji prisutne su u većoj količini nego pri konvencionalnoj ekstrakciji.
Usporedbom manotermosonikacije i ultrazvučne ekstrakcije bez povišenog tlaka i temperature utvrđuje se tek minimalna razlika u prinosu i učinkovitosti ekstrakcije. Stoga se sam ultrazvuk smatra najekonomičnijom i najjednostavnijom tehnikom za proizvodnju visokokvalitetnog ekstrakta bogatog proteinima spiruline. Ultrazvučna ekstrakcija zelena je, ekološki prihvatljiva tehnika ekstrakcije prikladna za ekstrakciju proteina iz spiruline u laboratorijskom mjerilu, koja se lako može prenijeti u pilotno i industrijsko mjerilo. (usp. Vernès i sur. 2019)
UP400St za ultrazvučnu ekstrakciju algi u šarži od 8L
Visokoučinkoviti ultrazvučni ekstraktori
Svi rezultati ekstrakcije postignuti u malom mjerilu mogu se linearno prenijeti na veće proizvodne kapacitete. Širok asortiman proizvoda tvrtke Hielscher Ultrasonics, od laboratorijskih do industrijskih sustava za ekstrakciju, obuhvaća najprikladniji ultrazvučni uređaj za vaš predviđeni procesni kapacitet. Naše osoblje s dugogodišnjim iskustvom pružit će vam podršku od ispitivanja izvedivosti i optimizacije procesa do ugradnje vašeg ultrazvučnog sustava na konačnoj proizvodnoj razini.
Hielscher Ultrasonics – sofisticirana oprema za ekstrakciju
Asortiman proizvoda tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća cjelokupan raspon ultrazvučnih ekstraktora visokih performansi za rad od malog do velikog mjerila. Dodatni pribor omogućuje jednostavno sastavljanje najprikladnije konfiguracije ultrazvučnog uređaja za vaš proces. Optimalna konfiguracija ultrazvučnog sustava ovisi o predviđenom kapacitetu, volumenu, sirovini, šaržnom ili protočnom procesu i vremenskom planu. Robusnost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima. Linearna skalabilnost procesa ultrazvučne ekstrakcije omogućuje jednostavno i pouzdano povećanje proizvodnje. Pročitajte više o linearnom povećanju mjerila procesa ultrazvučne ekstrakcije!
Odaberite različit pribor kao što su:
- sonotrode različitih veličina, promjera i oblika
- sonotrode za visoke amplitude od 200µm i više
- reaktori s protočnim ćelijama različitih volumena i geometrija
- brojni pojačivači amplitude za povećanje ili smanjenje faktora pojačanja
- cjeloviti sustavi za sonikaciju kao što je SonoStation, koji uključuju ultrazvučni ekstraktor, spremnik, miješalicu i pumpu
- priključivi temperaturni senzori
- priključivi senzori tlaka
Naše dobro obučeno osoblje s dugogodišnjim iskustvom savjetovat će vas i preporučiti vam najprikladniji ultrazvučni sustav za zahtjeve vašeg procesa ekstrakcije!
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skup uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni homogenizatori velike snage za rad od laboratorijskog do pilotnog i industrijskog mjerila.
Literatura / reference
- 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.
Korisne činjenice
Što je spirulina?
Spirulina, koja je prokariotska bakterija, bogata je pigmentima kao što su karotenoidi, klorofil i fikocijanin. Karotenoidi (npr. β-karoten, narančastožuti pigment), klorofil i fikocijanin prisutni su u udjelima od 0,4, 1,0 odnosno 14% suhe mase. Fikocijanin je plavozeleni protein, takozvani biliprotein, koji se nalazi u fotosintetskim lamelama u citoplazmatskoj membrani cijanobakterija.
Upotrebljava se kao prehrambeni aditiv i bojilo za hranu, dodatak prehrani te za imunodijagnostičke primjene.
Kako se sonikacija upotrebljava u preradi algi?
Ultrazvučna obrada olakšava prikupljanje algi poticanjem sedimentacije. Sonikacijom biomase algi razaraju se i prazne plinske vakuole unutar stanice alge, koje potiču plutanje algi. Nakon otplinjavanja vakuola stanice algi talože se na dnu, čime se olakšavaju koncentriranje i odvajanje biomase algi. Pročitajte više o ultrazvučnom prikupljanju algi!
U sljedećem koraku procesa sonikacija je etablirana i vrlo učinkovita tehnika za ekstrakciju hranjivih tvari i bioaktivnih spojeva iz algi. Pročitajte više o ultrazvučnoj ekstrakciji algi!