Ultrazvučna ekstrakcija antocijana

Antocijani se široko upotrebljavaju kao prirodna bojila i prehrambeni dodaci u prehrambenim proizvodima. Ultrazvučna ekstrakcija vrlo je učinkovita i jednostavna tehnika za dobivanje visokokvalitetnih antocijana. Upotreba sonikatora sa sondom potiče oslobađanje visokokvalitetnih antocijana iz biljaka, što rezultira većim prinosima i brzim postupkom. Istodobno je sonikacija blaga, ekološki prihvatljiva i učinkovita tehnika za industrijsku proizvodnju antocijana prehrambene i farmaceutske kvalitete.

Antocijani – kako ekstrahirati visokokvalitetne antocijane sonikatorom

Antocijani se široko upotrebljavaju kao prirodna bojila u prehrambenoj industriji. Imaju širok spektar tonova boja, od narančaste preko crvene do ljubičaste i plave, ovisno o molekularnoj strukturi i pH-vrijednosti. Zanimanje za antocijane ne temelji se samo na njihovu učinku bojenja, nego i na njihovim svojstvima korisnima za zdravlje. Zbog sve veće zabrinutosti za okoliš i zdravlje povezane sa sintetskim bojilima, prirodna su bojila izvrsna alternativa kao ekološki prihvatljiva bojila za prehrambenu i farmaceutsku industriju.

Ekstrakcija antocijana poboljšana ultrazvukom

Kako ekstrahirati antocijane ultrazvukom? – Studije slučaja

Ultrazvučna ekstrakcija antocijana iz ljubičaste riže Oryza Sativa L.

Ljubičasta riža soja Oryza Sativa (poznata i kao Violet Nori ili ljubičasta riža) iznimno je bogata fenolnim spojevima poput antocijana iz skupine flavonoida. Turrini i sur. (2018) primijenili su ultrazvučnu ekstrakciju za izolaciju polifenolnih spojeva poput antocijana i antioksidansa iz pšena (u cjelovitom, smeđem i hidrotermički obrađenom obliku) i listova ljubičaste riže. Ultrazvučna ekstrakcija provedena je uređajem Hielscher UP200St (200W, 26kHz, slika lijevo) uz 60% etanol kao otapalo.
Kako bi se očuvao integritet antocijana, ultrazvučni ekstrakti čuvani su na −20°C, što je omogućilo njihovo čuvanje najmanje do tri mjeseca.
Cyanidin-3 glucoside (poznat i kao krizantemin) bio je daleko najzastupljeniji detektirani antocijan u kultivarima ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ i ‘Nerone’ istraženima u studiji Turrini i sur., dok su peonidin-3-glucoside i cyanidin-3-rutinoside (također antirinin) pronađeni u manjim količinama.
Ljubičasti listovi Oryza Sativa izvrstan su izvor antocijana i ukupnih fenolnih spojeva (TPC). S količinom približno 2–3 puta većom nego u riži i brašnu, listovi Oryza predstavljaju jeftinu sirovinu za ekstrakciju antocijana. Procijenjeni prinos od približno 4 kg antocijana/t svježih listova znatno je veći od prinosa od 1 kg antocijana/t riže, izračunatog na temelju srednjih količina antocijana detektiranih u riži ‘Violet Nori’ (1300 µg/g riže, izraženo kao cyanidin-3-glucoside) za prinos od približno 68 kg riže iz 100 kg neoljuštene riže.

Ultrazvučna ekstrakcija antocijana iz crvenog kupusa

Ravanfar i sur. (2015) istražili su učinkovitost ultrazvučne ekstrakcije antocijana iz crvenog kupusa. Pokusi ultrazvučne ekstrakcije provedeni su ultrazvučnim sustavom UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotroda MS10 (promjer vrha 10mm) umetnuta je u središte staklene čaše s plaštem i regulacijom temperature.

Za ovaj su pokus upotrijebljeni svježe narezani komadi crvenog kupusa dimenzija 5mm (kockastog oblika) s udjelom vlage od 92,11 ± 0,45 %. Staklena čaša s plaštem (volumen: 200ml) napunjena je sa 100ml destilirane vode i 2g komada crvenog kupusa. Čaša je prekrivena aluminijskom folijom kako bi se spriječio gubitak otapala (vode) isparavanjem tijekom postupka. U svim je pokusima temperatura u čaši održavana termostatskim regulatorom. Uzorci su na kraju prikupljeni, filtrirani i centrifugirani pri 4000rpm, a supernatanti su upotrijebljeni za određivanje prinosa antocijanina. Ekstrakcija u vodenoj kupelji provedena je kao kontrolni pokus.
Optimalni prinos antocijanina iz crvenog kupusa utvrđen je pri snazi od 100 W, vremenu od 30 min i temperaturi od 15°C, pri čemu je ostvaren prinos antocijanina od približno 21 mg/L.
Zbog promjene boje ovisno o pH-vrijednosti i intenzivnog obojenja, bojilo crvenog kupusa upotrebljava se kao pH-indikator u farmaceutskim formulacijama, odnosno kao antioksidans i bojilo u prehrambenim sustavima.

Ultrazvuk znatno intenzivira ekstrakciju antocijanina iz biljnog materijala.
izvor: Ravanfar et al. 2015

 
Druga istraživanja pokazuju uspješnu ultrazvučnu ekstrakciju antocijanina, među ostalim, iz borovnica, kupina, grožđa, trešanja, jagoda i ljubičastog batata.

Ultrazvučni ekstraktori visokih performansi

Hielscher Ultrasonics specijaliziran je za proizvodnju ultrazvučnih procesora visokih performansi za proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata iz biljnih sirovina.
Širok asortiman sonikatora Hielscher obuhvaća male, snažne laboratorijske ultrazvučne uređaje te robusne stolne i potpuno industrijske sustave koji isporučuju ultrazvuk visokog intenziteta za učinkovitu ekstrakciju i izolaciju bioaktivnih tvari (npr. antocijanina, gingerola, piperina, kurkumina itd.).
Svi ultrazvučni uređaji od 200W do 16.000W imaju zaslon u boji osjetljiv na dodir za digitalno upravljanje, ugrađenu SD-karticu za automatsko bilježenje podataka, daljinsko upravljanje putem preglednika i mnoge druge značajke prilagođene korisniku. Sonotrode i protočne ćelije (dijelovi koji su u dodiru s medijem) mogu se autoklavirati i lako se čiste.
Sonikatori Hielscher vrlo su robusni i konstruirani za rad 24/7 pod punim opterećenjem, uz malo održavanja te jednostavno i sigurno rukovanje. Digitalni zaslon u boji omogućuje jednostavno upravljanje ultrazvučnim uređajem.
Naši sustavi mogu ostvariti amplitude od niskih do vrlo visokih. Za ekstrakciju kanabinoida i terpena nudimo posebne ultrazvučne sonotrode (poznate i kao ultrazvučne sonde ili rogovi) optimizirane za blagu izolaciju visokokvalitetnih aktivnih tvari. Svi naši sustavi mogu se upotrebljavati za ekstrakciju i naknadno emulgiranje kanabinoida. Robusnost sonikatora Hielscher omogućuje neprekidan rad (24/7) pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.

Precizna kontrola parametara ultrazvučnog procesa osigurava ponovljivost i standardizaciju procesa.
 

Tablica u nastavku daje uvid u približan kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Literatura / Reference

• 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.

Korisne činjenice

Kako djeluje ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom?

Primjena intenzivnih ultrazvučnih valova na tekući medij uzrokuje kavitaciju. Pojava kavitacije lokalno dovodi do ekstremnih temperatura, tlakova, brzina zagrijavanja/hlađenja, razlika u tlaku i velikih smičnih sila u mediju. Kada kavitacijski mjehurići implodiraju na površini krutih tvari (poput čestica, biljnih stanica, tkiva itd.), mikromlazovi i sudari među česticama stvaraju učinke poput ljuštenja površine, erozije i razgradnje čestica. Osim toga, implozija kavitacijskih mjehurića u tekućim medijima stvara makroturbulencije i mikromiješanje.
Ultrazvučno ozračivanje biljnog materijala fragmentira matriks biljnih stanica i pospješuje njihovu hidrataciju. Chemat et al (2015) zaključuju da je ultrazvučna ekstrakcija bioaktivnih spojeva iz biljnog materijala rezultat različitih neovisnih ili kombiniranih mehanizama, uključujući fragmentaciju, eroziju, kapilarnost, razgradnju teksture i sonoporaciju. Ti učinci razaraju staničnu stijenku, poboljšavaju prijenos tvari potiskivanjem otapala u stanicu i usisavanjem otapala obogaćenog biljnim spojevima iz stanice te osiguravaju kretanje tekućine mikromiješanjem.

Ultrazvučna ekstrakcija temelji se na akustičkoj kavitaciji i njezinim hidrodinamičkim smičnim silama

Ultrazvučno ozračivanje biljnog materijala fragmentira matriks biljnih stanica i pospješuje njihovu hidrataciju. Chemat et al. (2015) zaključuju da je ultrazvučna ekstrakcija bioaktivnih spojeva iz biljnog materijala rezultat različitih neovisnih ili kombiniranih mehanizama, uključujući fragmentaciju, eroziju, kapilarnost, razgradnju teksture i sonoporaciju. Ti učinci razaraju staničnu stijenku, poboljšavaju prijenos tvari potiskivanjem otapala u stanicu i usisavanjem otapala obogaćenog biljnim spojevima iz stanice te osiguravaju kretanje tekućine mikromiješanjem.
Ultrazvučnom ekstrakcijom postiže se vrlo brzo izdvajanje spojeva – uz kraće trajanje procesa, veći prinos i niže temperature u usporedbi s konvencionalnim metodama ekstrakcije. Kao blaga mehanička obrada, ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom izbjegava toplinsku razgradnju bioaktivnih sastojaka i nadmašuje druge tehnike poput konvencionalne ekstrakcije otapalom, hidrodestilacije ili Soxhletove ekstrakcije, za koje je poznato da uništavaju molekule osjetljive na toplinu. Zbog tih prednosti ultrazvučna ekstrakcija preferirana je tehnika za oslobađanje bioaktivnih spojeva osjetljivih na temperaturu iz biljnog materijala.

Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih stanica: mikroskopski poprečni presjek (TS) prikazuje mehanizam djelovanja tijekom ultrazvučne ekstrakcije iz stanica (povećanje 2000x) [izvor: Vilkhu et al. 2011]

Antocijanin – vrijedan biljni pigment

Antocijanini su vakuolarni biljni pigmenti koji mogu biti crveni, ljubičasti, plavi ili crni. Boja antocijaninskih pigmenata topljivih u vodi ovisi o njihovoj pH-vrijednosti. Antocijanini se nalaze u staničnoj vakuoli, uglavnom u cvjetovima i plodovima, ali i u listovima, stabljikama i korijenju, gdje se pretežno nalaze u vanjskim slojevima stanica poput epiderme i perifernih stanica mezofila.
U prirodi se najčešće pojavljuju glikozidi cijanidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina i petunidina.
Istaknuti primjeri biljaka bogatih antocijaninima uključuju vrste roda vaccinium, poput američke borovnice, brusnice i obične borovnice; bobičasto voće roda Rubus, uključujući crnu malinu, crvenu malinu i kupinu; crni ribiz, trešnju, patlidžan, crnu rižu, ube, okinavski batat, grožđe Concord, muškatno grožđe vrste muscadine, crveni kupus i latice ljubičice. Breskve i jabuke s crvenim mesom sadrže antocijanine. Antocijanini su manje zastupljeni u banani, šparogi, grašku, komoraču, kruški i krumpiru, a u određenim kultivarima zelenog ogrozda mogu potpuno izostati.

Struktura glavnih antocijanina

Antocijanini su izvrsna alternativa sintetskim bojilima u prehrambenim proizvodima. Antocijanini su odobreni za uporabu kao prehrambena bojila u Europskoj uniji, Australiji i Novom Zelandu, s oznakom bojila E163. Antocijanini se nalaze u voću i povrću te se mogu opisati kao vrsta biljnih pigmenata topljivih u vodi. Kemijski gledano, antocijanini su glikozidi antocijanidina koji se temelje na strukturi 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Postoji više od 200 različitih fitokemikalija koje pripadaju kategoriji antocijanina. Kao glavni pigment boje u divljem voću i bobicama, antocijanini se mogu ekstrahirati iz mnogih izvora. Važan izvor antocijanina je kožica grožđa. Antocijaninski pigmenti u kožici grožđa sastoje se uglavnom od diglukozida, monoglukozida, aciliranih monoglukozida te aciliranih diglukozida peonidina, malvidina, cijanidina, petunidina i delfinidina. Sadržaj antocijanina u grožđu varira od 30–750mg/100g.
Najistaknutiji antocijanini su cijanidin, delfinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin i petunidin.
Primjerice, antocijanini peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside i cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside nalaze se u ljubičastom batatu.

Antocijanini – zdravstvene dobrobiti

Osim zbog izvrsne sposobnosti da djeluju kao prirodna prehrambena bojila, antocijanini su vrlo cijenjeni zbog svojih antioksidacijskih učinaka. Stoga antocijanini pokazuju brojne pozitivne učinke na zdravlje. Istraživanja su pokazala da antocijanini mogu inhibirati oštećenje DNA u stanicama raka, inhibirati probavne enzime, potaknuti proizvodnju inzulina u izoliranim stanicama gušterače, smanjiti upalne odgovore, zaštititi od slabljenja moždanih funkcija povezanog sa starenjem, smanjiti propusnost kapilarnih krvnih žila i spriječiti agregaciju trombocita.