Ultrazvučna ekstrakcija algi za dodatke prehrani
Ultrazvučna ekstrakcija je superiorna metoda za učinkovito i brzo uništavanje stanica algi. Sonikacija može osloboditi kompletnu količinu bioaktivnih spojeva, što ultrazvučnu tehniku čini vrlo učinkovitom.
Kako ultrazvukom ekstrahirati proteine, lipide i fenole iz algi
Vrste algi i mikroalgi bogate su biološki aktivnim spojevima kao što su proteini, lipidi, karotenoidi, pigmenti (npr. fikocijanini, astaksantin itd.), fenoli i polisaharidi (npr. karagenani). To ih čini široko korištenim prirodnim materijalom za proizvodnju ekstrakata za hranu i dodatke prehrani. Često korištene vrste algi za dodatke prehrani su Arthrospira maxima i (poznata i kao spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis i Ulva spp. Poznato je da su alge dobar izvor visokokvalitetnih proteina, lipida, dugolančanih PUFA (tj. omega-3), polisaharida (npr. alginata, karagenana, β-glukana), vitamina i antioksidansa.
Spirulina je često korištena vrsta alge koja je bogata visokovrijednim bioaktivnim spojevima kao što su proteini (s 50-70% suhe težine). Budući da je spirulina odobrena od strane FDA (Food Drug Administration of United States) kao GRAS (Generally Recognized As Safe), spirulina i ekstrakti spiruline mogu se koristiti u komercijaliziranoj hrani ili kao dodaci prehrani.
Prednosti ultrazvučne ekstrakcije algi
Ultrazvučna ekstrakcija nadmašuje alternativne metode ekstrakcije u mnogostrukim točkama, kao što su visoki prinos, pouzdanost, sigurnost, jednostavnost i prihvatljivost za okoliš.
Potpuni prinos ekstrakcije
Ultrazvučni uređaji visokih performansi otvaraju stanice algi i ometaju ih tako da se unutarstanični materijal oslobađa. Ultrazvučna ekstrakcija na taj način oslobađa cijeli spektar bioaktivnih spojeva, kao što su fikobiliproteini, karotenoidi te lipidi i fenoli.
Fikobiliproteini se mogu podijeliti u tri glavne skupine, a to su klorofikocijanini, alofikocijanini i fikoeritrini. C-fikocijanin je prirodni plavi pigment koji se široko koristi u prehrambenim i farmaceutskim proizvodima. Ultrazvučna ekstrakcija oslobađa puni spektar proteina.
SonoStation – ultrazvučni sustav s 2x 2kW ultrasonicators, spremnik za miješanje i pumpa – je user-friendly sustav za ekstrakciju.
Visoka učinkovitost ekstrakcije
Duangsee i sur. (2009.) testirali su dvije različite metode ekstrakcije (ultrazvučno potpomognutu ekstrakciju otapalom i ekstrakciju ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanjem) bioaktivnih spojeva iz biomase Arthospira i otkrili da je ultrazvučna ekstrakcija otapalom rezultirala većom učinkovitošću ekstrakcije (22,1%) od smrzavanja i odmrzavanja ( 15,6%). Usporedba pucanja stanica između sonikacije i ponovljenog zamrzavanja i odmrzavanja pokazuje da je sonikacija učinkovitija. Ultrazvučna kavitacija ometa stanice algi brzo i učinkovito što rezultira većim ometanjem stanica u usporedbi sa stanicama spiruline tretiranim ponovljenim zamrzavanjem i odmrzavanjem.
Sonikacija je bila učinkovitija u razbijanju stanične ovojnice u usporedbi s ponavljanim zamrzavanjem i odmrzavanjem. Prinos ekstrakcije fikocijanina pokazao je da temperatura obrade utječe na učinkovitost ekstrakcije.
Brzi proces ekstrakcije
Ultrazvučni sustavi visokih performansi mogu primijeniti veliku snagu ultrazvuka preko visokih amplituda u suspenziju algi. To čini ultrazvučnu ekstrakciju vrlo brzom metodom obrade.
kontrola temperature
Ultrasonication je netermalna, čisto mehanička tehnika ekstrakcije. Temperatura ekstrakcije može se precizno kontrolirati pomoću priključnog temperaturnog senzora, koji je povezan s digitalnim Hielscher ultrasonicatorom. Softver Hielscherovih digitalnih ultrazvučnih uređaja omogućuje postavljanje temperaturnih ograničenja, tako da ultrazvučni homogenizator pauzira kada se dosegne temperaturna granica. Precizna kontrola temperature omogućuje sprječavanje toplinske degradacije materijala osjetljivih na toplinu kao što su fikobiliproteini, vitamini, polifenoli, polisaharidi, lipidi i drugi bioaktivni spojevi.
Kompatibilan s raznim otapalima
Ultrasonication je kompatibilan s gotovo svim otapalima. Ultrazvučna ekstrakcija u kombinaciji sa zelenim otapalima kao što su voda ili etanol proizvode čiste ekstrakte. Ovi ultrazvučni ekstrakti mogu se sigurno ugraditi u hranu budući da otapala za ekstrakciju etanol i voda imaju GRAS (općenito priznato kao sigurno) status.
Ponovljivost i standardizacija procesa
Hielscherovi digitalni ultrazvučni uređaji dolaze s inteligentnim softverom i razrađenim nizom postavki za idealne parametre ekstrakcije. Softver protokolira sve parametre ultrazvučnog procesa (npr. amplitudu, neto snagu, ukupnu snagu, temperaturu, tlak, vrijeme, datum) i zapisuje podatke sonikacije u CSV datoteku na ugrađenoj SD kartici. To vam omogućuje da standardizirate svoj proces ekstrakcije i da pomno pratite sonikaciju i kvalitetu izlaza. Ove značajke pomažu vam ispuniti zahtjeve standardizacije procesa, kao i dobre proizvodne prakse (GMP), koje su oboje vrlo važne kada se ekstrakti proizvode za dodatke, hranu ili farmaceutske proizvode.
Protokol ultrazvučne ekstrakcije fikocijanina
Mazumder i sur. (2017) istraživali su optimalne parametre obrade za ultrazvučnu ekstrakciju fikocijanina i fenola iz Arthospira platensis. Maksimalni prinos fikocijanina (29,9 mg/g) i ukupnih fenola (2,4 mg/g) dobiven je pri koncentraciji etanola od 40 %, temperaturi ekstrakcije od 34,9 °C korištenjem ultrazvučnog uređaja UP50H (50 watta, 30 kHz) pri amplitudi od 95 % za vrijeme ekstrakcije od 104,7 sekundi.
Vernès i sur. (2019) koristili su ultrazvučni uređaj UIP1000hdT (1000 W, 20 kHz) za izdvajanje proteina iz spiruline. Ultrasonicator je opremljen sonotrodom BS2d34 i ultrazvučnim protočnim reaktorom (pogledajte donju sliku za točnu postavku ultrazvučne ekstrakcije s protočnom ćelijom i Seepex pumpom).
UIP1000hdT – Manothermosonication (MTS) postavljanje i naša ekstrakcija proteina iz spiruline u laboratorijskim razmjerima
izvor: Vernes et al. 2019
Rezultati istraživanja pokazuju da uvjeti ultrazvučne ekstrakcije optimizirani za prinos proteina uključuju blago povišenu temperaturu i tlak (tzv. manothermosonication MTS). MTS potiče prijenos mase i omogućuje dobivanje 229% više proteina (28,42 ± 1,15 g/100 g suhe težine) od konvencionalnog procesa bez ultrazvuka (8,63 ± 1,15 g/100 g suhe težine).
S 28,42 g proteina dobivenih na 100 g suhe biomase spiruline u ekstraktu, postignuta je stopa oporavka proteina od 50% u samo 6 minuta u kontinuiranom procesu sonikacije. Mikroskopsko snimanje otkriva da akustična kavitacija utječe na filamente spiruline različitim mehanizmima kao što su fragmentacija, sonoporacija, detekturacija. Ovi različiti učinci čine ekstrakciju, otpuštanje i solubilizaciju bioaktivnih spojeva spiruline lakšom i učinkovitijom, što rezultira visokim prinosom proteina visoke kvalitete.
Što se tiče kvalitete ultrazvučno ekstrahiranih proteina, aminokiseline nisu degradirane ultrazvučnim tretmanom, ali su prisutne u većoj količini u slučaju sonikacije u usporedbi s konvencionalnom ekstrakcijom.
Kada se usporede manothermosonication i ultrazvučna ekstrakcija bez povišenog tlaka i temperature, razlika u prinosu ekstrakcije i učinkovitosti je samo minimalna. Stoga se samo ultrazvuk smatra najekonomičnijom i najlakšom tehnikom za proizvodnju visokokvalitetnog ekstrakta bogatog proteinima spiruline. Ultrazvučna ekstrakcija je zelena, ekološki prihvatljiva tehnika ekstrakcije prikladna za ekstrakciju proteina iz spiruline u laboratorijskim razmjerima, koja se lako može skalirati na pilot i industrijske razmjere. (usp. Vernès et al. 2019.)
UP400St za ultrazvučnu ekstrakciju algi u seriji od 8L
Ultrazvučni ekstraktori visokih performansi
Svi rezultati ekstrakcije postignuti u maloj mjeri mogu se linearno skalirati na veće proizvodne kapacitete. Hielscher Ultrasonics veliki portfelj proizvoda od laboratorija do industrijskih sustava ekstrakcije ima najprikladniji ultrasonicator za vaš predviđeni procesni kapacitet. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testova izvedivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sustava na razini konačne proizvodnje.
Hielscher Ultrasonics – Sofisticirana oprema za ekstrakciju
Portfelj proizvoda Hielscher Ultrasonics pokriva cijeli raspon ultrazvučnih ekstraktora visokih performansi od malih do velikih. Dodatni pribor omogućuje jednostavnu montažu najprikladnije konfiguracije ultrazvučnog uređaja za vaš proces. Optimalna ultrazvučna postavka ovisi o predviđenom kapacitetu, volumenu, sirovini, šaržnom ili inline procesu i vremenskoj liniji. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima. Linearna skalabilnost ultrazvučnih procesa ekstrakcije omogućuje jednostavno i pouzdano povećanje proizvodnje. Pročitajte više o linearnom povećanju procesa ultrazvučne ekstrakcije!
Birajte između raznih dodataka kao što su:
- sonotrode različitih veličina, promjera i oblika
- sonotrode za visoku amplitudu od 200µm i više
- reaktori s protočnim ćelijama različitih volumena i geometrija
- brojne booster rogove za povećanje ili smanjenje dobitaka
- potpune postavke sonikacije kao što je SonoStation, koje uključuju ultrazvučni ekstraktor, spremnik, mješalicu i pumpu
- priključni temperaturni senzori
- priključni senzori tlaka
Naše dobro obučeno osoblje s dugogodišnjim iskustvom savjetovat će vas i preporučiti najprikladniji ultrazvučni sustav za vaše zahtjeve procesa ekstrakcije!
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni homogenizatori velike snage od laboratorija do pilot i industrijski mjerilo.
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.
Činjenice koje vrijedi znati
spirulina
Spirulina, koja je prokariotska bakterija, bogata je pigmentima kao što su karotenoidi, klorofil i fikocijanin. Karotenoidi (npr. β-karoten, narančasto-žuti pigment), klorofil i fikocijanin mogu se naći u 0,4, 1,0 odnosno 14% suhe mase. Fikocijanin je plavo-zeleni protein, tzv. biliprotein, koji se nalazi u fotosintetskim lamelama u citoplazmatskoj membrani cijanobakterija.
Koristi se kao dodatak hrani i boja za hranu, dodatak prehrani i za imunodijagnostičke primjene.