Ultrazvučna ekstrakcija astaksantina za veće prinose
- Astaksantin je vrlo snažan antioksidans koji se upotrebljava u farmaceutskim proizvodima i dodacima prehrani.
- Za proizvodnju visokokvalitetnog astaksantina iz prirodnih izvora poput algi potrebna je visokoučinkovita tehnika ekstrakcije.
- Ultrazvučna ekstrakcija mehanička je obrada koja daje visoke prinose astaksantina u vrlo kratkom vremenu ekstrakcije.
Visokoučinkoviti sonikatori za visokokvalitetne ekstrakte astaksantina
Ultrazvučna ekstrakcija visokoučinkovita je tehnika ekstrakcije koja koristi intenzivne ultrazvučne valove za ekstrakciju astaksantina iz prirodnih izvora, poput mikroalgi, krila ili rakova. Astaksantin je prirodni karotenoidni pigment poznat po svojim snažnim antioksidativnim svojstvima i raznim dobrobitima za zdravlje. Često se upotrebljava kao dodatak prehrani i prehrambeno bojilo. Saznajte kako sonikacija pomaže poboljšati vaš postupak ekstrakcije astaksantina!
MultiSonoReactor za poboljšanu ekstrakciju astaksantina ultrazvukom velike snage
Ultrazvučna ekstrakcija astaksantina iz mikroalgi
Astaksantin za dodatke prehrani, koje ljudi i životinje konzumiraju zbog njihovih dobrobiti za zdravlje, dobiva se iz morskih plodova ili ekstrahira iz alge H. pluvialis. Haematococcus pluvialis zelena je mikroalga koja proizvodi visok sadržaj astaksantina kada je izložena stresnim uvjetima, primjerice visokoj slanosti, nedostatku dušika, visokoj temperaturi i svjetlosti. S do 9,2mg/g astaksantina po stanici alge (= do 3,8% suhe mase H. pluvialis), Haematococcus pluvialis nakuplja vrlo visok sadržaj prirodnog astaksantina i stoga je preferirani organizam za proizvodnju astaksantina.
Za oslobađanje astaksantina iz zelenih mikroalgi potrebno je razoriti stanice algi. Ultrazvučna obrada dobro je ustaljena za razaranje stanica, lizu i izolaciju bioaktivnih spojeva poput lipida, antioksidansa, polifenola i prirodnih pigmenata. Visokoučinkovita ultrazvučna obrada stvara isključivo mehaničke sile koje smičnim djelovanjem razaraju stanične stijenke i uzrokuju oslobađanje bioaktivnih tvari poput astaksantina.
Ultrazvučna ekstrakcija astaksantina iz kvasca
Phaffia rhodozyma kvasac je bogat astaksantinom. Međutim, debela stanična stijenka kvasca P. rhodozyma, koja se uglavnom sastoji od glukana i odgovorna je za krutost stanice, čini razaranje stanica i izolaciju astaksantina zahtjevnim zadatkom. Istraživači (Gogate et al. 2015) utvrdili su da ultrazvučna ekstrakcija u kombinaciji s mliječnom kiselinom pojačava razaranje stanica i čini ekstrakciju astaksantina iz kvasca P. rhodozyma zelenijim, ekološki prihvatljivijim postupkom. Upotrebljavali su mliječnu kiselinu kao medij za razaranje stanica, a etanol kao otapalo za ekstrakciju. Maksimalni prinos astaksantina (90%) postignut je pristupom ekstrakciji potpomognutoj ultrazvukom koji se temelji na upotrebi 3 M mliječne kiseline uz vrijeme razaranja stanica od 15 min. Snažni ultrazvučni ekstraktori poput uređaja UIP4000hd (4kW, vidjeti sliku lijevo) u kombinaciji s protočnim reaktorom koji se može staviti pod tlak omogućuju stvaranje vrlo intenzivne kavitacije. Kavitacijske smične sile razaraju stanične stijenke kvasca i pospješuju prijenos mase između unutrašnjosti stanice i otapala.
- Vrhunski prinos
- Brza ekstrakcija – u roku od nekoliko minuta
- Visokokvalitetni ekstrakti – blaga, netoplinska obrada
- Zelena otapala (npr. voda/etanol)
- Isplativost
- Jednostavan i siguran rad
- Niski investicijski i operativni troškovi
- Rad 24/7 pri velikom opterećenju
- Zelena, ekološki prihvatljiva metoda
Ultrazvučna ekstrakcija astaksantina – u šaržnom načinu rada ili uz kontinuirani protok
Astaksantin je lipofilni spoj i može se otopiti u otapalima (npr. 48,0% etanola u etil-acetatu) i uljima (npr. sojinu ulju).
Šaržna obrada: Postupci ultrazvučne ekstrakcije mogu se provoditi kao jednostavni šaržni postupci ili kao obrada u liniji, pri kojoj se medij kontinuirano dovodi kroz ultrazvučni protočni reaktor.
Šaržna obrada jednostavan je postupak pri kojem se ekstrakcija provodi šaržu po šaržu. Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne procesore za male i velike šarže, odnosno od 1L do 120L.
Za obradu šarži od 5 do 10L preporučujemo UP400ST sa sonotrodom S24d22L2D (vidi sliku lijevo).
Za obradu šarži od približno 120L preporučujemo sonikator UIP2000hdT sa sonotrodom RS4d40L4.
Protočna obrada: Za veće volumene i komercijalnu ekstrakciju u punom proizvodnom opsegu kontinuirana struja tekućine dovodi se kroz ultrazvučni reaktor, u kojem se suspenzija biljnog materijala u otapalu intenzivno sonicira.
Za volumen od približno 8L/min. preporučujemo UIP4000hdT sa sonotrodom RS4d40L3 i protočnom ćelijom FC130L4-3G0 koja se može staviti pod tlak
UIP2000hdT (2kW) za šaržnu ekstrakciju velikog opsega
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za ekstrakciju
Hielscher Ultrasonics specijaliziran je za proizvodnju sonikatora visokih performansi za proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata iz biljaka, kvasaca i stanica. Širok asortiman proizvoda tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća male, snažne laboratorijske ultrazvučne uređaje, robusne stolne sustave i potpuno industrijske sustave koji isporučuju ultrazvuk visokog intenziteta za učinkovitu ekstrakciju i izolaciju bioaktivnih sastojaka poput astaksantina, kvercetina, kofeina, kurkumina, terpena itd. Svi digitalni sonikatori od 200W do 16.000W imaju intuitivan izbornik s programabilnim postavkama, zaslon u boji osjetljiv na dodir za praktično rukovanje, integriranu SD karticu za automatsko bilježenje podataka, daljinsko upravljanje putem preglednika i mnoge druge značajke koje olakšavaju uporabu. Sonotrode i protočne ćelije (dijelovi koji dolaze u dodir s medijem) mogu se autoklavirati i lako se čiste. Svi naši ultrazvučni uređaji izrađeni su za rad 24/7, zahtijevaju malo održavanja te su jednostavni i sigurni za uporabu.
Digitalni zaslon u boji omogućuje jednostavno upravljanje ultrazvučnom opremom. Naši sustavi mogu ostvariti amplitude od niskih do vrlo visokih. Za ekstrakciju kemijskih spojeva poput astaksantina nudimo posebne ultrazvučne sonotrode (poznate i kao ultrazvučne sonde ili rogovi) koje su optimizirane za pažljivu izolaciju visokokvalitetnih aktivnih tvari. Hielscher nudi posebne sonotrode za visoke amplitude u kombinaciji s protočnim ćelijama koje se mogu staviti pod tlak i koje mogu stvarati ekstremne kavitacijske smične sile koje razaraju čak i vrlo otporne stanice kvasca. Robusnost ultrazvučne opreme Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Precizna kontrola parametara ultrazvučnog postupka osigurava ponovljivost i standardizaciju procesa. Automatizirani sustavi za ultrazvučnu ekstrakciju Hielscher industrijskog opsega projektirani su za velike proizvodne kapacitete ekstrakata vrhunske kvalitete, uz istodobno smanjenje potrebnog rada, troškova i potrošnje energije.
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura/Reference
- B. Brands and M. Kleinke (2022): Astaxanthin production in Xanthophyllomyces dendrorhous grown in medium containing watery extracts from vegetable residue streams. IOP Conference Series: Earth Environ. Sci. 1034, 2022.
- Chougle, J.A.; Singha, R.S.; Baik, O.-D.(2014): Recovery of Astaxanthin from Paracoccus NBRC 101723 using Ultrasound-Assisted Three Phase Partitioning (UA-TPP). Separation Science and Technology, 49, 2014.
- Gogate et al. (2015): Ultrasound-assisted Intensification of Extraction of Astaxanthin from Phaffia rhodozyma. Indian Chemical Engineer 2015, 57:3-4, 240-255.
- Zou et al. (2013): Response Surface Methodology for Ultrasound-Assisted Extraction of Astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Marine Drugs 2013, 11, 1644-1655.
- Farid Chemat, Natacha Rombaut, Anne-Gaëlle Sicaire, Alice Meullemiestre, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier, Maryline Abert-Vian (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 34, 2017. 540-560.
Činjenice koje vrijedi znati
Sonoekstrakcija
Ultrazvučna ekstrakcija ili sonoekstrakcija temelji se na načelu akustične kavitacije.
Kada se intenzivni ultrazvučni valovi primjenjuju na tekuće sustave, dolazi do akustične kavitacije, odnosno pojave nastanka, rasta i konačnog urušavanja vakuumskih mjehurića (vidi sliku u nastavku). Tijekom širenja ultrazvučnih valova vakuumski mjehurići osciliraju i rastu sve dok ne dosegnu točku u kojoj više ne mogu apsorbirati energiju. Na vrhuncu rasta mjehurići se silovito urušavaju, što uzrokuje lokalne toplinske, mehaničke i kemijske učinke. Mehanički učinci uključuju visoke tlakove do 1000atm, turbulencije i intenzivne smične sile. Te sile razaraju stanične stijenke i potiču prijenos mase između unutrašnjosti stanice i otapala, oslobađajući bioaktivne spojeve u okolnu tekućinu (odnosno otapalo).
Akustična kavitacija, koju stvara ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije, stvara intenzivne smične sile te lokalne razlike u tlaku i temperaturi koje osiguravaju djelovanje potrebno za razaranje stanica, intenzivno miješanje i prijenos tvari. Te ultrazvučne smične sile uspješno se primjenjuju za ekstrakciju kanabisa.
Ultrazvučna ekstrakcija spojeva iz biljnog materijala i staničnog tkiva dobro je istražena. Primjena ultrazvučnih valova vrlo visokog intenziteta znatno pospješuje procese ekstrakcije. Osim intenziviranja procesa – koje rezultira većim prinosima i kraćim vremenom ekstrakcije – sprječavaju se toplinska razgradnja i gubitak sastojaka osjetljivih na temperaturu jer je sonikacija netoplinski postupak. Nadalje, ultrazvučna ekstrakcija ima niske investicijske i operativne troškove, smanjuje upotrebu otapala i/ili omogućuje upotrebu ekološki prihvatljivijih otapala, što je čini ekonomičnom i ekološki prihvatljivom tehnikom ekstrakcije. Nadmašujući konvencionalne metode ekstrakcije, ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija (UAE) preuzeta je iz prehrambene industrije radi proizvodnje bioaktivnih spojeva uz ekonomske koristi.
Snažni ultrazvučni valovi razaraju staničnu matricu bioloških struktura i oslobađaju bioaktivne spojeve. Prijenos tvari između biljnog materijala i otapala se intenzivira. Zahvaljujući tim mehanizmima ultrazvučna ekstrakcija vrlo je učinkovita za ekstrakciju kanabisa.
Astaksantin
Astaksantin se odlikuje tamnocrvenom bojom. To je pigment topljiv u mastima koji se nalazi u algama (npr. Haematococcus pluvialis, Chlorella zofingiensis, Chlorococcum), kvascima (npr. Phaffia rhodozyma), lososu, pastrvi, krilu, kozicama i riječnim rakovima. Astaksantin se smatra superantioksidansom jer je njegovo antioksidacijsko djelovanje deset do dvadeset puta snažnije od djelovanja mnogih drugih karotenoida, poput beta-karotena, luteina i zeaksantina, te stotinu puta snažnije od djelovanja alfa-tokoferola (vitamina E).
Astaksantin (3,3′-dihydroxy-β, β′-carotene-4,4′-dione) je ketokarotenoid i pripada široj skupini kemijskih spojeva poznatih kao terpeni (kao tetraterpenoid), koji se sastoje od prekursora s pet ugljikovih atoma, izopentenil-difosfata i dimetilalil-difosfata. Astaksantin se svrstava u vrstu karotenoidnih spojeva sa sastavnicama koje sadržavaju kisik, odnosno hidroksilnom (-OH) ili ketonskom (C=O) skupinom, poput zeaksantina i kantaksantina. Astaksantin je metabolit zeaksantina i/ili kantaksantina te sadržava i hidroksilne i ketonske funkcionalne skupine. Poput mnogih karotenoida, astaksantin je pigment topljiv u lipidima i odlikuje se crvenom bojom. Karotenoidi, uključujući astaksantin, dobro su poznati po svojem antioksidacijskom kapacitetu.
Astaksantin je crveni pigment koji prirodno nastaje u mikroalgi iz kišnice (Haematococcus pluvialis) i kvascu naziva Xanthophyllomyces dendrorhous (poznatom i kao Phaffia rhodozyma). Alga se izlaže stresu primjenom jednog uvjeta ili kombinacije uvjeta, od nedostatka hranjivih tvari i povećane slanosti do prekomjernog sunčevog zračenja, kako bi stvarala astaksantin. Vrste koje konzumiraju te slatkovodne mikroalge izložene stresu, poput lososa, crvene pastrve, crvenog pagra, plamenca i rakova (npr. kozica, krila, rakovica, hlapova i riječnih rakova), svojim izgledom odražavaju pigmentaciju crvenonarančastih nijansi.
Kao dodatak prehrani, astaksantin se primjenjuje zbog svojih učinaka na poboljšanje zdravlja i liječenje bolesti. Astaksantin je dobro etabliran nutraceutik koji se primjenjuje za poboljšanje zdravlja kože (npr. smanjenje bora, oštećenja uzrokovanih opeklinama od sunca itd.).
Nadalje, astaksantin privlači sve veću pozornost zbog svoje primjene u liječenju Alzheimerove bolesti, Parkinsonove bolesti, kardiovaskularnih bolesti, povišenog kolesterola, bolesti jetre i makularne degeneracije povezane sa starenjem te u sprječavanju raka.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih veličina.