Ultrazvučna obrada za poboljšanje uništavanja i ekstrakcije stanica algi

Alge, makro- i mikroalge, sadrže mnoge vrijedne spojeve koji se koriste kao prehrambena hrana, dodaci hrani ili kao gorivo ili sirovina za gorivo. Kako bi se ciljne tvari oslobodile iz stanice alge, potrebna je snažna i učinkovita tehnika razbijanja stanica. Ultrazvučni ekstraktori su vrlo učinkoviti i pouzdani kada je u pitanju ekstrakcija bioaktivnih spojeva iz biljaka, algi i gljiva. Dostupni u laboratorijskim, stolnim i industrijskim razmjerima, Hielscher ultrazvučni ekstraktori etablirani su u proizvodnji ekstrakata dobivenih iz stanica u proizvodnji hrane, farmaciji i biogorivu.

Alge kao vrijedan izvor prehrane i goriva

Stanice algi svestrani su izvor bioaktivnih i energetski bogatih spojeva, poput proteina, ugljikohidrata, lipida i drugih bioaktivnih tvari te alkana. To čini alge izvorom hrane i hranjivih spojeva, kao i goriva.
Mikroalge su cijenjen izvor lipida koji se koriste za prehranu i kao sirovina za biogoriva (npr. biodizel). Sojevi morskog fitoplanktona Dicrateria, kao što je Dicrateria rotunda, poznati su kao alge koje proizvode benzin, a mogu sintetizirati niz zasićenih ugljikovodika (n-alkana) iz C₁₀H₂₂ do C₃₈H₇₈, koja su kategorizirana kao benzin (C10–C15), dizelska ulja (C16–C20) i loživa ulja (C21–C38).
Zbog svoje hranjive vrijednosti, alge se koriste kao “funkcionalne namirnice” ili “nutraceutika”. Važni mikronutrijenti ekstrahirani iz algi uključuju karotenoide astaksantin, fukoksantin i zeaksantin, fukoidan, laminari i druge glukane, a brojne druge bioaktivne tvari koriste se kao dodaci prehrani i farmaceutici. Karagenan, alginat i drugi hidrokoloidi koriste se kao aditivi za hranu. Lipidi algi koriste se kao veganski izvor omega-3, a koriste se i kao gorivo ili kao sirovina za proizvodnju biodizela.

Razbijanje i ekstrakcija stanica algi pomoću moćnog ultrazvuka

Ultrazvučni ekstraktori ili jednostavno ultrasonicators koriste se za izdvajanje vrijednih spojeva iz malih uzoraka u laboratoriju, kao i za proizvodnju u velikim komercijalnim razmjerima.
Stanice algi zaštićene su složenim matricama stanične stijenke, koje se sastoje od lipida, celuloze, proteina, glikoproteina i polisaharida. Baza većine staničnih stijenki algi izgrađena je od mikrofibrilarne mreže unutar proteinske matrice nalik na gel; međutim, neke mikroalge opremljene su anorganskom krutom stijenkom koja se sastoji od opalinskih silicijevih rubova ili kalcijevog karbonata. Kako bi se dobili bioaktivni spojevi iz biomase algi, potrebna je učinkovita tehnika razbijanja stanica. Osim čimbenika tehnološke ekstrakcije (tj. metode i opreme za ekstrakciju), na učinkovitost razbijanja i ekstrakcije stanica algi također snažno utječu različiti čimbenici ovisni o algama kao što su sastav stanične stijenke, lokacija željene biomolekule u stanicama mikroalgi i rast stadij mikroalgi tijekom berbe.

Kako radi ultrazvučno uništavanje i ekstrakcija stanica algi?

Kada se ultrazvučni valovi visokog intenziteta spoje preko ultrazvučne sonde (također poznate kao ultrazvučni rog ili sonotroda) u tekućinu ili kašu, zvučni valovi putuju kroz tekućinu i stvaraju naizmjenične cikluse visokog/niskog tlaka. Tijekom ovih ciklusa visokog/niskog tlaka pojavljuju se sitni vakuumski mjehurići ili šupljine. Kavitacijski mjehurići nastaju kada lokalni tlak padne tijekom ciklusa niskog tlaka dovoljno daleko ispod tlaka zasićene pare, vrijednosti koju daje vlačna čvrstoća tekućine na određenoj temperaturi. Koji rastu tijekom nekoliko ciklusa. Kada ovi vakuumski mjehurići dosegnu veličinu u kojoj ne mogu apsorbirati više energije, mjehurić snažno implodira tijekom ciklusa visokog tlaka. Implozija kavitacijskih mjehurića je silovit, energetski gust proces koji stvara intenzivne udarne valove, turbulencije i mikromlazeve u tekućini. Dodatno, stvaraju se lokalni vrlo visoki tlakovi i vrlo visoke temperature. Ovi ekstremni uvjeti lako mogu poremetiti stanične stijenke i membrane i otpustiti unutarstanične spojeve na učinkovit, djelotvoran i brz način. Intracelularni spojevi kao što su proteini, polisaharidi, lipidi, vitamini, minerali i antioksidansi mogu se na taj način učinkovito ekstrahirati pomoću snažnog ultrazvuka.

Ultrazvučna kavitacija za uništavanje i ekstrakciju stanica

Kada je izložena intenzivnoj ultrazvučnoj energiji, stijenka ili membrana bilo koje vrste stanice (uključujući botaničku, sisavsku, algalnu, gljivičnu, bakterijsku itd.) je poremećena i stanica je rastrgana na manje fragmente mehaničkim silama ultrazvučne kavitacije guste energije . Kada se stanična stijenka razbije, stanični metaboliti poput proteina, lipida, nukleinske kiseline i klorofila oslobađaju se iz matrice stanične stijenke kao i iz unutrašnjosti stanice i prenose se u okolni medij kulture ili otapalo.
Gore opisani mehanizam ultrazvučne/akustične kavitacije ozbiljno ometa cijele stanice algi ili plinske i tekuće vakuole unutar stanica. Ultrazvučna kavitacija, vibracije, turbulencije i mikrostrujanje potiču prijenos mase između unutrašnjosti stanice i okolnog otapala tako da su biomolekule (tj. metaboliti) učinkovite i brzo otpuštene. Budući da je sonikacija čisto mehanički tretman koji ne zahtijeva oštre, otrovne i/ili skupe kemikalije.
Ultrazvuk visokog intenziteta, niske frekvencije stvara uvjete ekstremne gustine energije, uključujući visoke tlakove, temperature i velike sile smicanja. Ove fizičke sile potiču poremećaj staničnih struktura kako bi se unutarstanični spojevi oslobodili u medij. Stoga se niskofrekventni ultrazvuk uvelike koristi za ekstrakciju bioaktivnih tvari i goriva iz algi. U usporedbi s konvencionalnim metodama ekstrakcije kao što je ekstrakcija otapalom, mljevenje kuglica ili visokotlačna homogenizacija, ultrazvučna ekstrakcija se ističe otpuštanjem većine bioaktivnih spojeva (kao što su lipidi, proteini, polisaharidi i mikrohranjive tvari) iz sonoporirane i poremećene stanice. Primjenom pravih uvjeta procesa, ultrazvučna ekstrakcija daje vrhunske prinose ekstrakcije unutar vrlo kratkog trajanja procesa. Na primjer, ultrazvučni ekstraktori visokih performansi pokazuju izvrsnu učinkovitost ekstrakcije iz algi, kada se koriste s odgovarajućim otapalom. U kiselom ili alkalnom mediju, stanična stijenka algi postaje porozna i naborana, što dovodi do povećanja prinosa na niskoj temperaturi (ispod 60°C) u kratkom vremenu sonikacije (manje od 3 sata). Kratko trajanje ekstrakcije na blagim temperaturama sprječava razgradnju fukoidana, čime se dobiva visoko bioaktivan polisaharid.
Ultrasonication je također metoda za transformaciju visoke molekularne težine fucoidan u niske molekularne težine fucoidan, koji je znatno više bioaktivan zbog svoje razgranate strukture. Sa svojom visokom bioaktivnošću i biopristupačnošću, niskomolekularni fukoidan je zanimljiv spoj za farmaceutske proizvode i sustave za dostavu lijekova.

Studije slučaja: Ultrazvučna ekstrakcija spojeva algi

Učinkovitost ultrazvučne ekstrakcije i optimizacija parametara ultrazvučne ekstrakcije naširoko su proučavani. U nastavku možete pronaći primjere rezultata ekstrakcije pomoću ultrazvučne obrade iz različitih vrsta algi.

Ekstrakcija proteina iz Spiruline pomoću Mano-Thermo-Sonication

Istraživačka skupina prof. Chemata (Sveučilište u Avignonu) istraživala je učinke manotermosonifikacije (MTS) na ekstrakciju proteina (kao što je fikocijanin) iz suhih cijanobakterija Arthrospira platensis (također poznate kao spirulina). Mano-Thermo-Sonication (MTS) je primjena ultrazvuka u kombinaciji s povišenim tlakovima i temperaturama kako bi se intenzivirao proces ultrazvučne ekstrakcije.
“Prema eksperimentalnim rezultatima, MTS je potaknuo prijenos mase (visoka efektivna difuzivnost, De) i omogućio dobivanje 229% više proteina (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) od konvencionalnog procesa bez ultrazvuka (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). S 28,42 g proteina na 100 g suhe biomase spiruline u ekstraktu, stopa oporavka proteina od 50% postignuta je u 6 efektivnih minuta kontinuiranim MTS procesom. Mikroskopska promatranja pokazala su da akustična kavitacija utječe na spiruline različitim mehanizmima kao što su fragmentacija, sonoporacija, deteksturacija. Ovi različiti fenomeni olakšavaju ekstrakciju, oslobađanje i otapanje bioaktivnih spojeva spiruline.” [Vernès i sur., 2019.]

Slike optičke mikroskopije cijelih filamenata spiuruline podvrgnutih MTS tretmanu tijekom vremena. Mjerilo (slika A) = 50 μm za sve slike.
slika i studija: ©Vernès et al. 2019

Ultrazvučna ekstrakcija fukoidana i glukana iz Laminaria digitata

TEAGASC istraživačka skupina dr. Tiwarija istraživala je ekstrakciju polisaharida, tj. fukoidana, laminarina i ukupnih glukana, iz makroalgi Laminaria digitata pomoću Ultrazvučni uređaj UIP500hdT. Proučavani parametri ultrazvučno potpomognute ekstrakcije (UAE) pokazali su značajan utjecaj na razine fukoze, FRAP i DPPH. Razine od 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde i 11,02% dobivene su za fukozu, ukupne glukane, FRAP i DPPH redom pri optimiziranim uvjetima temperature (76 °C), vremena ( 10 min) i ultrazvučnom amplitudom (100%) korištenjem 0,1 M HCl kao otapala. Opisani uvjeti UAE potom su uspješno primijenjeni na druge ekonomski relevantne smeđe makroalge (L. hyperborea i A. nodosum) kako bi se dobili ekstrakti bogati polisaharidima. Ova studija pokazuje primjenjivost UAE za poboljšanje ekstrakcije bioaktivnih polisaharida iz različitih vrsta makroalgi.

Ultrazvučna fitokemijska ekstrakcija iz F. vesiculosus i P. canaliculata

Istraživački tim García-Vaquero usporedio je različite nove tehnike ekstrakcije uključujući visokoučinkovitu ultrazvučnu ekstrakciju, ultrazvučnu mikrovalnu ekstrakciju, mikrovalnu ekstrakciju, hidrotermalnu ekstrakciju i ekstrakciju potpomognutu visokim tlakom kako bi procijenili učinkovitost ekstrakcije iz vrsta smeđih mikroalgi. Fucus vesiculosus i Pelvetia canaliculata. Za ultrazvuk su koristili Hielscher UIP500hdT ultrazvučni ekstraktor. Analizacija prinosa ekstrakcije otkrila je da su ultrazvučnom ekstrakcijom postignuti najveći prinosi većine fitokemikalija iz obje vrste F. vesiculosus. To znači da su najveći prinosi spojeva ekstrahiranih iz F. vesiculosus korištenjem ultrazvučni ekstraktor UIP500hdT bili su: ukupni sadržaj fenola (445,0 ± 4,6 mg ekvivalenata galne kiseline/g), ukupni sadržaj florotanina (362,9 ± 3,7 mg ekvivalenata floroglucinola/g), ukupni sadržaj flavonoida (286,3 ± 7,8 mg ekvivalenta kvercetina/g) i ukupni sadržaj tanina (189,1 ± 4,4 mg ekvivalenta katehina/g).
U svojoj istraživačkoj studiji, tim je zaključio da je upotreba ultrazvučno potpomognute ekstrakcije “u kombinaciji s 50% etanolnom otopinom kao otapalom za ekstrakciju mogla bi biti obećavajuća strategija usmjerena na ekstrakciju TPC, TPhC, TFC i TTC, uz istovremeno smanjenje koekstrakcije nepoželjnih ugljikohidrata iz F. vesiculosus i P. canaliculata, s obećavajućom primjenom kada se ovi spojevi koriste kao farmaceutski proizvodi, nutraceutici i kozmeceutici.” [García-Vaquero i sur., 2021.]

Povećanje mano-termo-sonifikacije na Sveučilištu u Avignonu korištenjem Hielscher ultrasonicators: iz laboratorijske opreme UIP1000hdT (A) na pilotsku opremu UIP4000hdT (B, C & D). Na slici D je shematiziran poprečni presjek ultrazvučne protočne ćelije FC100K.
slika i studija: ©Vernès et al. 2019

Visokoučinkoviti ultrazvučni ekstraktori za uništavanje algi

Hielscherova najsuvremenija ultrazvučna oprema omogućuje potpunu kontrolu nad procesnim parametrima kao što su amplituda, temperatura, tlak i unos energije.
Za ultrazvučnu ekstrakciju, parametri kao što su veličina čestica sirovog materijala, vrsta otapala, omjer krutine i otapala i vrijeme ekstrakcije mogu se mijenjati i optimizirati za najbolje rezultate.
Budući da je ultrazvučna ekstrakcija metoda netermalne ekstrakcije, izbjegava se toplinska degradacija bioaktivnih sastojaka prisutnih u sirovini kao što su alge.
Sveukupno, prednosti kao što su visoki prinos, kratko vrijeme ekstrakcije, niska temperatura ekstrakcije i male količine otapala čine sonikaciju superiornom metodom ekstrakcije.

Ultrazvučna ekstrakcija: osnovana u laboratoriju i industriji

Ultrazvučna ekstrakcija naširoko se primjenjuje za ekstrakciju bilo koje vrste bioaktivnih spojeva iz biljaka, algi, bakterija i stanica sisavaca. Ultrazvučna ekstrakcija je uspostavljena kao jednostavna, isplativa i visoko učinkovita koja nadmašuje druge tradicionalne tehnike ekstrakcije većim prinosima ekstrakcije i kraćim trajanjem obrade.
S lako dostupnim laboratorijskim, stolnim i potpuno industrijskim ultrazvučnim sustavima, ultrazvučna ekstrakcija je danas dobro uspostavljena i pouzdana tehnologija. Hielscher ultrazvučni ekstraktori instalirani su diljem svijeta u industrijskim pogonima za preradu koji proizvode bioaktivne spojeve prehrambene i farmaceutske kvalitete.

Standardizacija procesa s Hielscher Ultrasonics

Ekstrakti dobiveni od algi, koji se upotrebljavaju u hrani, farmaceutskim proizvodima ili kozmetičkim proizvodima, moraju se proizvoditi u skladu s dobrom proizvođačkom praksom (GMP) i u skladu sa standardiziranim specifikacijama prerade. Hielscher ultrazvuk’ Digitalni sustavi za ekstrakciju dolaze s inteligentnim softverom koji olakšava precizno postavljanje i kontrolu procesa ultrazvuka. Automatsko snimanje podataka zapisuje sve parametre ultrazvučnog procesa kao što su ultrazvučna energija (ukupna i neto energija), amplituda, temperatura, tlak (kada su montirani senzori temperature i tlaka) s datumom i vremenom na ugrađenoj SD kartici. To vam omogućuje reviziju svake ultrazvučno obrađene serije. Istovremeno je osigurana ponovljivost i kontinuirano visoka kvaliteta proizvoda.

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: