Antocianinok ultrahangos extrakciója

Az antocianinokat széles körben használják természetes színezékként és táplálkozási célú adalékanyagként élelmiszerekben. Az ultrahangos extrakció rendkívül hatékony és egyszerű technika kiváló minőségű antocianinok kinyerésére. A szondás ultrahangos készülékek használata elősegíti a kiváló minőségű antocianinok felszabadulását a növényekből, ami nagyobb hozamot és gyors folyamatot eredményez. Ugyanakkor az ultrahangos kezelés kíméletes, környezetbarát és hatékony technika élelmiszeripari és gyógyszeripari minőségű antocianinok ipari előállítására.

Antocianinok – Hogyan nyerhetők ki kiváló minőségű antocianinok ultrahangos készülékkel?

Az antocianinokat széles körben használják természetes színezékként az élelmiszeriparban. Színárnyalataik széles skálán mozognak a narancssárgától a piroson át a liláig és a kékig, a molekulaszerkezettől és a pH-értéktől függően. Az antocianinok iránti érdeklődés nemcsak színezőhatásukon, hanem az egészségre kedvező tulajdonságaikon is alapul. A szintetikus színezékekkel kapcsolatos növekvő környezeti és egészségügyi aggályok miatt a természetes színezékek kiváló alternatívát jelentenek környezetbarát színezőanyagként az élelmiszer- és gyógyszeripar számára.

Ultrahanggal javított antocianin-extrakció

Hogyan nyerhetők ki antocianinok ultrahanggal? – Esettanulmányok

Antocianinok ultrahangos extrakciója az Oryza Sativa L. lila rizsből

Az Oryza Sativa törzshöz tartozó lila rizs (más néven Violet Nori vagy ibolyaszínű rizs) rendkívül gazdag fenolos vegyületekben, például a flavonoidok közé tartozó antocianinokban. Turrini és munkatársai (2018) ultrahangos extrakcióval izoláltak polifenolos vegyületeket, például antocianinokat és antioxidánsokat a lila rizs szemterméséből (egész, barna és előgőzölt formában), valamint leveleiből. Az ultrahangos extrakcióhoz egy Hielscher UP200St (200W, 26kHz, bal oldali kép) készüléket és oldószerként 60%-os etanolt használtak.
Az antocianinok épségének megőrzése érdekében az ultrahangos kivonatokat −20°C-on tárolták, ami legalább legfeljebb három hónapos tárolást tett lehetővé.
A Turrini és munkatársai által vizsgált ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ és ‘Nerone’ fajtákban messze a cianidin-3-glükozid (más néven krizantemin) volt a legnagyobb mennyiségben kimutatott antocianin, míg a peonidin-3-glükozid és a cianidin-3-rutinozid (más néven antirrhinin) kisebb mennyiségben volt jelen.
Az Oryza Sativa ibolyaszínű levelei kiváló antocianinforrást jelentenek, és kiváló forrásai az összes fenolos vegyületnek (TPC). A rizshez és a liszthez képest körülbelül 2–3-szor nagyobb mennyiségükkel az Oryza levelei olcsó alapanyagot jelentenek az antocianinok extrakciójához. A körülbelül 4 kg antocianin/t friss levél becsült hozam jelentősen meghaladja az 1 kg antocianin/t rizs hozamot, amelyet a ‘Violet Nori’ rizsben kimutatott átlagos antocianinmennyiségek (1300 µg/g rizs, cianidin-3-glükozidként kifejezve) alapján számítottak ki, 100 kg hántolatlan rizsből körülbelül 68 kg rizst eredményező kihozatallal.

Antocianinok ultrahangos extrakciója vöröskáposztából

Ravanfar és munkatársai (2015) a vöröskáposztából történő ultrahangos antocianin-extrakció hatékonyságát vizsgálták. Az ultrahangos extrakciós kísérleteket a következő ultrahangos rendszerrel végezték: UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Az MS10 szonotródát (10mm csúcsátmérő) egy szabályozott hőmérsékletű, köpenyes üvegpohár közepébe helyezték.

A kísérlethez frissen vágott, 5mm méretű (kocka alakú), 92,11 ± 0,45 % nedvességtartalmú vöröskáposzta-darabokat használtak. Egy köpenyes üvegpoharat (térfogat: 200ml) 100ml desztillált vízzel és 2g vöröskáposzta-darabbal töltöttek meg. A poharat alumíniumfóliával fedték le, hogy megakadályozzák az oldószer (víz) párolgás miatti veszteségét a folyamat során. Minden kísérletben termosztatikus szabályozóval tartották fenn a pohárban a hőmérsékletet. Végül a mintákat összegyűjtötték, megszűrték és 4000rpm fordulatszámon centrifugálták, majd a felülúszókat az antocianinhozam meghatározására használták. Kontrollkísérletként vízfürdőben végzett extrakciót alkalmaztak.
A vöröskáposztából kinyerhető antocianin optimális hozamát 100 W teljesítménynél, 30 min időtartamnál és 15°C hőmérsékleten határozták meg, ami körülbelül 21 mg/L antocianinhozamot eredményezett.
A pH-értéktől függő színváltozása és intenzív színezőhatása miatt a vöröskáposzta színezékét pH-indikátorként használják gyógyszerkészítményekben, illetve antioxidánsként és színezékként élelmiszerrendszerekben.

Az ultrahang jelentősen fokozza az antocianinok növényi anyagokból történő extrakcióját.
forrás: Ravanfar et al. 2015

 
Más tanulmányok többek között a fekete áfonyából, szederből, szőlőből, cseresznyéből, szamócából és lila édesburgonyából történő ultrahangos antocianin-extrakció sikerességét mutatják be.

Nagy teljesítményű ultrahangos extraktorok

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos processzorok gyártására szakosodott, amelyekkel kiváló minőségű kivonatok állíthatók elő növényi anyagokból.
A Hielscher ultrahangos készülékeinek széles választéka a kisméretű, nagy teljesítményű laboratóriumi ultrahangos készülékektől a robusztus asztali és teljesen ipari rendszerekig terjed, amelyek nagy intenzitású ultrahangot biztosítanak a bioaktív anyagok hatékony extrakciójához és izolálásához (például antocianinok, gingerol, piperin, kurkumin stb.).
A 200W és 16 000W közötti teljesítményű ultrahangos készülékek mind színes érintőkijelzővel rendelkeznek a digitális vezérléshez, beépített SD-kártyával az automatikus adatrögzítéshez, böngészőből történő távvezérléssel és számos további felhasználóbarát funkcióval. A szonotródák és az átfolyó cellák (a közeggel érintkező részek) autoklávozhatók és könnyen tisztíthatók.
A Hielscher ultrahangos készülékei rendkívül robusztusak, és teljes terhelés melletti, napi 24 órás, heti 7 napos működésre készültek, miközben kis karbantartási igényűek, továbbá egyszerűen és biztonságosan működtethetők. A digitális színes kijelző lehetővé teszi az ultrahangos készülék felhasználóbarát vezérlését.
Rendszereink az alacsonytól egészen a nagyon magas amplitúdókig képesek működni. A kannabinoidok és terpének extrakciójához speciális ultrahangos szonotródákat (más néven ultrahangos szondákat vagy kürtöket) kínálunk, amelyeket kiváló minőségű hatóanyagok kíméletes izolálására optimalizáltunk. Minden rendszerünk használható kannabinoidok extrakciójára és az azt követő emulgeálására. A Hielscher ultrahangos készülékeinek robusztussága nagy igénybevétel mellett és megterhelő környezetben is lehetővé teszi a folyamatos működést (24/7).

Az ultrahangos folyamat paramétereinek pontos szabályozása biztosítja a reprodukálhatóságot és a folyamat szabványosítását.
 

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.

Hasznos tudnivalók

Hogyan működik az ultrahanggal segített extrakció?

Az intenzív ultrahanghullámok folyékony közegben történő alkalmazása kavitációt eredményez. A kavitáció jelensége helyileg szélsőséges hőmérsékleteket, nyomásokat, felmelegedési/lehűlési sebességeket, nyomáskülönbségeket és nagy nyíróerőket hoz létre a közegben. Amikor a kavitációs buborékok szilárd anyagok (például részecskék, növényi sejtek, szövetek stb.) felületén összeomlanak, a mikrosugarak és a részecskék közötti ütközések olyan hatásokat váltanak ki, mint a felületi rétegek leválása, az erózió és a részecskék aprózódása. Emellett a kavitációs buborékok folyékony közegben történő összeomlása makroturbulenciát és mikrokeveredést hoz létre.
A növényi anyag ultrahangos besugárzása feldarabolja a növényi sejtek mátrixát, és fokozza annak hidratációját. Chemat és munkatársai (2015) arra a következtetésre jutottak, hogy a bioaktív vegyületek növényi anyagokból történő ultrahangos extrakciója különböző, egymástól független vagy együttesen ható mechanizmusok eredménye, amelyek közé tartozik a fragmentáció, az erózió, a kapillaritás, a szerkezet fellazulása és a szonoporáció. Ezek a hatások megbontják a sejtfalat, javítják az anyagátadást azáltal, hogy az oldószert a sejtbe juttatják, és a növényi vegyületekkel telített oldószert onnan kiszívják, valamint mikrokeveredés révén biztosítják a folyadék mozgását.

Az ultrahangos extrakció az akusztikus kavitáción és annak hidrodinamikai nyíróerőin alapul

A növényi anyag ultrahangos besugárzása feldarabolja a növényi sejtek mátrixát, és fokozza annak hidratációját. Chemat és munkatársai (2015) arra a következtetésre jutottak, hogy a bioaktív vegyületek növényi anyagokból történő ultrahangos extrakciója különböző, egymástól független vagy együttesen ható mechanizmusok eredménye, amelyek közé tartozik a fragmentáció, az erózió, a kapillaritás, a szerkezet fellazulása és a szonoporáció. Ezek a hatások megbontják a sejtfalat, javítják az anyagátadást azáltal, hogy az oldószert a sejtbe juttatják, és a növényi vegyületekkel telített oldószert onnan kiszívják, valamint mikrokeveredés révén biztosítják a folyadék mozgását.
Az ultrahangos extrakció a vegyületek rendkívül gyors izolálását teszi lehetővé – rövidebb folyamatidővel, nagyobb hozammal és alacsonyabb hőmérsékleten felülmúlja a hagyományos extrakciós módszereket. Kíméletes mechanikai kezelésként az ultrahanggal segített extrakció elkerüli a bioaktív komponensek hőbomlását, és felülmúlja az olyan egyéb technikákat, mint a hagyományos oldószeres extrakció, a hidrodesztilláció vagy a Soxhlet-extrakció, amelyekről ismert, hogy károsítják a hőérzékeny molekulákat. Ezen előnyök miatt az ultrahangos extrakció az előnyben részesített technika a hőérzékeny bioaktív vegyületek növényi anyagokból történő felszabadítására.

Ultrahangos extrakció növényi sejtekből: a mikroszkópos keresztmetszet (TS) a sejtekből történő ultrahangos extrakció hatásmechanizmusát mutatja (nagyítás: 2000x) [forrás: Vilkhu et al. 2011]

Antocianin – Értékes növényi pigment

Az antocianinok vakuoláris növényi pigmentek, amelyek vörös, lila, kék vagy fekete színűek lehetnek. A vízoldható antocianinpigmentek színmegjelenése a pH-értéküktől függ. Az antocianinok a sejtvakuólumban találhatók, főként virágokban és termésekben, de levelekben, szárakban és gyökerekben is, ahol többnyire a külső sejtrétegekben, például az epidermiszben és a perifériás mezofillumsejtekben fordulnak elő.
A természetben leggyakrabban a cianidin, delfinidin, malvidin, pelargonidin, peonidin és petunidin glikozidjai fordulnak elő.
Az antocianinokban gazdag növények jellegzetes példái közé tartoznak a Vaccinium fajok, például a kék áfonya, a tőzegáfonya és a fekete áfonya; a Rubus nemzetség bogyós gyümölcsei, köztük a fekete málna, a piros málna és a szeder; továbbá a fekete ribiszke, a cseresznye, a padlizsán, a fekete rizs, az ube, az okinawai édesburgonya, a Concord szőlő, a muscadine szőlő, a vöröskáposzta és az ibolyaszirmok. A vörös húsú őszibarackok és almák antocianinokat tartalmaznak. Az antocianinok kisebb mennyiségben fordulnak elő a banánban, spárgában, borsóban, édesköményben, körtében és burgonyában, és a zöld egres bizonyos fajtáiból teljesen hiányozhatnak.

A fő antocianinok szerkezete

Az antocianinok kiváló alternatívát jelentenek az élelmiszerekben használt szintetikus színezőanyagok helyettesítésére. Az antocianinok élelmiszer-színezékként való használata engedélyezett az Európai Unióban, Ausztráliában és Új-Zélandon, színezékkódjuk E163. Az antocianinok gyümölcsökben és zöldségekben találhatók meg, és a vízoldható növényi pigmentek egyik típusaként írhatók le. Kémiai szempontból az antocianinok a 2-phenylbenzophyrylium (flavylium) szerkezeten alapuló antocianidinek glikozidjai. Több mint 200 különböző fitokémiai vegyület tartozik az antocianinok kategóriájába. A vadon termő gyümölcsök és bogyók fő színpigmentjeiként az antocianinok számos forrásból extrahálhatók. Az antocianinok egyik jelentős forrása a szőlő héja. A szőlőhéj antocianinpigmentjei főként a peonidin, malvidin, cianidin, petunidin és delfinidin diglükozidjaiból, monoglükozidjaiból, acilezett monoglükozidjaiból és acilezett diglükozidjaiból állnak. A szőlő antocianintartalma 30–750mg/100g között változik.
A legjelentősebb antocianinok a cianidin, delfinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin és petunidin.
A lila édesburgonyában például a peonidin-3-kaffeoil-p-hidroxibenzoil-szoforozid-5-glükozid, a peonidin-3-(6″-kaffeoil-6‴-feruloil-szoforozid)-5-glükozid és a cianidin-3-kaffeoil-p-hidroxibenzoil-szoforozid-5-glükozid antocianinok találhatók meg.

Antocianinok – Egészségügyi előnyök

Amellett, hogy kiválóan alkalmazhatók természetes élelmiszer-színezékként, az antocianinokat antioxidatív hatásuk miatt is nagyra értékelik. Az antocianinok ezért számos kedvező egészségügyi hatást mutatnak. Kutatások kimutatták, hogy az antocianinok gátolhatják a ráksejtek DNS-károsodását, gátolhatják az emésztőenzimeket, inzulintermelést válthatnak ki izolált hasnyálmirigysejtekben, csökkenthetik a gyulladásos válaszokat, védelmet nyújthatnak az agyműködés életkorral összefüggő hanyatlása ellen, javíthatják a hajszálerek falának zártságát, és megelőzhetik a vérlemezkék aggregációját.