Ultrahangos kezelés javítja az algák sejtzavarát és kivonását

Az algák, makro- és mikroalgák sok értékes vegyületet tartalmaznak, amelyeket táplálkozási élelmiszerként, élelmiszer-adalékanyagként, üzemanyagként vagy üzemanyag-alapanyagként használnak. Ahhoz, hogy a célanyagok kiszabaduljanak az algasejtből, hatékony és hatékony sejtbontási technikára van szükség. Az ultrahangos extrahálók rendkívül hatékonyak és megbízhatóak, amikor bioaktív vegyületeket extrahálnak botanikai, algákból és gombákból. Elérhető laboratóriumban, asztali és ipari méretekben, Hielscher ultrahangos extrahálók jönnek létre a sejtből származó kivonatok előállításában az élelmiszeriparban, a gyógyszeriparban és a bioüzemanyag-termelésben.

Az algák, mint a táplálkozás és az üzemanyag értékes forrása

Az algasejtek a bioaktív és energiában gazdag vegyületek, például fehérjék, szénhidrátok, lipidek és más bioaktív anyagok, valamint alkánok sokoldalú forrásai. Ez teszi az algákat élelmiszer- és tápanyag-, valamint üzemanyagforrássá.
A mikroalgák értékes lipidforrások, amelyeket táplálkozásra és bioüzemanyagok (pl. biodízel) alapanyagaként használnak. A tengeri fitoplankton Dicrateria törzsei, mint például a Dicrateria rotunda, benzintermelő algákként ismertek, amelyek telített szénhidrogének (n-alkánok) sorozatát képesek szintetizálni C-ből₁₀H₂₂ C-ig₃₈H₇₈, amelyek benzinként (C10–C15), dízelolajként (C16–C20) és fűtőolajként (C21–C38) vannak kategorizálva.
Tápértékük miatt az algákat "funkcionális élelmiszerként" vagy "táplálékkiegészítőként" használják. Az algákból kivont fontos mikrotápanyagok közé tartoznak az asztaxantin, a fukoxantin és a zeaxantin karotinoidok, a fukoidán, a laminari és más glükánok, valamint számos más bioaktív anyag, amelyeket táplálékkiegészítőként és gyógyszerként használnak. Élelmiszer-adalékanyagként karragént, alginátot és más hidrokolloidokat használnak. Az alga lipideket vegán omega-3 forrásként használják, valamint üzemanyagként vagy alapanyagként használják a biodízel előállításához.

Az algák sejtzavarása és kivonása ultrahanggal

Ultrahangos extrahálók vagy egyszerűen ultrahangos készülékek használják értékes vegyületek kivonására kis mintákból a laboratóriumban, valamint a termelés nagy kereskedelmi méretekben.
Az algasejteket komplex sejtfalmátrixok védik, amelyek lipidekből, cellulózból, fehérjékből, glikoproteinekből és poliszacharidokból állnak. A legtöbb alga sejtfal alapja egy gélszerű fehérjemátrixon belüli mikrofibrilláris hálózatból épül fel; Néhány mikroalga azonban szervetlen, merev fallal van ellátva, amely opálos szilícium-dioxid fruszulákból vagy kalcium-karbonátból áll. Az alga biomasszából származó bioaktív vegyületek előállításához hatékony sejtbontási technikára van szükség. A technológiai extrakciós tényezők (azaz az extrakciós módszer és berendezések) mellett az algasejtek megzavarásának és extrakciójának hatékonyságát erősen befolyásolják különböző algafüggő tényezők is, mint például a sejtfal összetétele, a kívánt biomolekula elhelyezkedése a mikroalga sejtekben és a mikroalgák növekedési stádiuma a betakarítás során.

Hogyan működik az ultrahangos algasejtek megszakítása és extrakciója?

Amikor a nagy intenzitású ultrahanghullámokat ultrahangos szondán (más néven ultrahangos kürt vagy sonotrode) keresztül folyadékba vagy szuszpenzióba kapcsolják, a hanghullámok áthaladnak a folyadékon, és ezáltal váltakozó nagynyomású / alacsony nyomású ciklusokat hoznak létre. Ezekben a nagynyomású / alacsony nyomású ciklusokban apró vákuumbuborékok vagy üregek lépnek fel. Kavitációs buborékok akkor keletkeznek, amikor a helyi nyomás az alacsony nyomású ciklusok során elég messze a telített gőznyomás alá esik, amelyet a folyadék szakítószilárdsága ad meg egy bizonyos hőmérsékleten. Amelyek több cikluson keresztül nőnek. Amikor ezek a vákuumbuborékok elérik azt a méretet, hogy nem tudnak több energiát elnyelni, a buborék hevesen összeomlik egy nagynyomású ciklus során. A kavitációs buborékok implóziója erőszakos, energiasűrű folyamat, amely intenzív lökéshullámokat, turbulenciákat és mikrofúvókákat generál a folyadékban. Ezenkívül lokalizált nagyon magas nyomás és nagyon magas hőmérséklet jön létre. Ezek a szélsőséges körülmények könnyen képesek megzavarni a sejtfalakat és membránokat, és hatékony, hatékony és gyors módon felszabadítani az intracelluláris vegyületeket. Az intracelluláris vegyületek, például fehérjék, poliszacharidok, lipidek, vitaminok, ásványi anyagok, és antioxidánsok ezáltal hatékonyan extrahálhatók teljesítmény ultrahangos.

Ultrahangos kavitáció a sejtek megzavarásához és extrakciójához

Intenzív ultrahangos energiának kitéve bármilyen sejt fala vagy membránja (beleértve a botanikai, emlős, alga, gombás, bakteriális stb.) megszakad, és a sejtet kisebb töredékekre szakítja az energia-sűrű ultrahangos kavitáció mechanikai erői. Amikor a sejtfal megszakad, a sejtmetabolitok, mint például a fehérje, lipid, nukleinsav és klorofill felszabadulnak a sejtfal mátrixából, valamint a sejt belsejéből, és átkerülnek a környező táptalajba vagy oldószerbe.
Az ultrahangos / akusztikus kavitáció fent leírt mechanizmusa súlyosan megzavarja az egész algasejteket vagy a sejteken belüli gáz- és folyékony vakuolokat. Az ultrahangos kavitáció, rezgés, turbulenciák és mikro-streaming elősegíti a sejt belseje és a környező oldószer közötti tömegátadást, hogy a biomolekulák (azaz metabolitok) hatékonyak és gyorsan felszabaduljanak. Mivel az szonikáció tisztán mechanikai kezelés, amely nem igényel kemény, mérgező és / vagy drága vegyszereket.
A nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahang extrém energia-sűrű körülményeket teremt, nagy nyomással, hőmérséklettel és nagy nyíróerőkkel. Ezek a fizikai erők elősegítik a sejtstruktúrák megzavarását annak érdekében, hogy intracelluláris vegyületeket szabadítsanak fel a közegbe. Ezért az alacsony frekvenciájú ultrahangot nagyrészt bioaktív anyagok és üzemanyagok algákból történő kivonására használják. A hagyományos extrakciós módszerekhez képest, mint például az oldószeres extrakció, gyöngyőrlés vagy nagynyomású homogenizálás, az ultrahangos extrakció kiemelkedik azáltal, hogy felszabadítja a legtöbb bioaktív vegyületet (például lipideket, fehérjéket, poliszacharidokat és mikro-tápanyagokat) a szonoporált és megzavart sejtből. A megfelelő folyamatfeltételek alkalmazásával az ultrahangos extrakció kiváló extrakciós hozamot biztosít nagyon rövid folyamatidőtartamon belül. Például, nagy teljesítményű ultrahangos extrahálók mutatják kiváló extrakciós teljesítmény algák, ha használják egy megfelelő oldószer. Savas vagy lúgos közegben az alga sejtfal porózus és ráncos lesz, ami alacsony hőmérsékleten (60 ° C alatt) rövid ultrahangos idő alatt (kevesebb, mint 3 óra) megnövekedett hozamhoz vezet. Az enyhe hőmérsékleten történő rövid extrakciós időtartam megakadályozza a fukoidán lebomlását, így erősen bioaktív poliszacharid keletkezik.
Az ultrahangos kezelés egy módszer a nagy molekulatömegű fukoidán átalakítására kis molekulatömegű fukoidánná, amely elágazó szerkezete miatt lényegesen bioaktívabb. Magas bioaktivitásával és biológiai hozzáférhetőségével az alacsony molekulatömegű fukoidan érdekes vegyület a gyógyszerek és a gyógyszerszállító rendszerek számára.

Esettanulmányok: Az algák vegyületeinek ultrahangos extrakciója

Az ultrahangos extrakció hatékonyságát és az ultrahangos extrakciós paraméterek optimalizálását széles körben tanulmányozták. Az alábbiakban példaértékű eredményeket talál a különböző algafajok ultrahangos alkalmazásával történő extrakciós eredményekhez.

Fehérje extrakció a Spirulina-ból Mano-termo-szonikációval

Prof. Chemat (Avignon Egyetem) kutatócsoportja a manothermosonication (MTS) hatását vizsgálta a fehérjék (például a phycocyanin) kivonására száraz Arthrospira platensis cianobaktériumokból (más néven spirulina). Mano-termo-szonikáció (MTS) az ultrahang alkalmazása magas nyomással és hőmérséklettel kombinálva az ultrahangos extrakciós folyamat fokozása érdekében.
"A kísérleti eredmények szerint az MTS elősegítette a tömegátvitelt (nagy hatékonyságú diffúzió, De), és lehetővé tette, hogy 229% -kal több fehérjét kapjon (28,42 ± 1,15 g / 100 g DW), mint az ultrahang nélküli hagyományos eljárás (8,63 ± 1,15 g / 100 g DW). A kivonatban lévő 100 g száraz spirulina biomasszára vonatkoztatva 28,42 g fehérjével 50%-os fehérje-visszanyerési arányt értünk el 6 hatékony perc alatt folyamatos MTS eljárással. A mikroszkópos megfigyelések azt mutatták, hogy az akusztikus kavitáció különböző mechanizmusokkal, például töredezettséggel, szonoporációval, detexturációval befolyásolta a spirulina szálakat. Ezek a különböző jelenségek megkönnyítik a spirulina bioaktív vegyületek extrakcióját, felszabadulását és oldódását." [Vernès és mtsai., 2019]

Optikai mikroszkópos képek az MTS-kezelésnek alávetett teljes spiurulina szálakról az idő múlásával. Léptéksáv (A kép) = 50 μm minden képnél.
kép és tanulmány: ©Vernès et al. 2019

Ultrahangos fukoidán és glükán extrakció Laminaria digitata

Dr. Tiwári TEAGASC kutatócsoportja a poliszacharidok, azaz a fukoidán, a laminarin és az összes glükán kivonását vizsgálta a Laminaria digitata makroalgákból a Ultrahangos UIP500hdT. A vizsgált ultrahanggal segített extrakciós (UAE) paraméterek jelentős hatást mutattak a fukóz, a FRAP és a DPPH szintjére. 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde és 11,02% szintet kaptunk a fukózra, az összes glükánra, a FRAP-ra és a DPPH-ra optimális hőmérsékleti (76 ◦ C), idő (10 perc) és ultrahangos amplitúdó (100%) optimális körülmények között, 0,1 M HCl oldószert használva. Az Egyesült Arab Emírségek leírt feltételeit ezután sikeresen alkalmazták más gazdaságilag releváns barna makroalgákra (L. hyperborea és A. nodosum), hogy poliszacharidban gazdag kivonatokat kapjanak. Ez a tanulmány bemutatja az Egyesült Arab Emírségek alkalmazhatóságát a bioaktív poliszacharidok különböző makroalgafajokból történő kivonásának fokozására.

Ultrahangos fitokémiai extrakció F. vesiculosus és Pallus canaliculata

A García-Vaquero kutatócsoportja összehasonlította a különböző új extrakciós technikákat, beleértve a nagy teljesítményű ultrahangos extrakciót, az ultrahang-mikrohullámú extrakciót, a mikrohullámú extrakciót, a hidrotermikus extrakciót és a nagynyomású extrakciót annak érdekében, hogy értékelje a Fucus vesiculosus és a Pelvetia canaliculata barna mikroalgafajok extrakciós hatékonyságát. Az ultrahangos kezeléshez használták a Hielscher UIP500hdT ultrahangos elszívó. Az extrakciós hozamok anylsisa azt mutatta, hogy az ultrahangos extrakció mindkét F. vesiculosus legtöbb fitokemikáliájának legmagasabb hozamát érte el. Ez azt jelenti, hogy az F. vesiculosusból kivont vegyületek legmagasabb hozama a ultrahangos elszívó UIP500hdT A következők voltak: összes fenoltartalom (445,0 ± 4,6 mg galluszsav-ekvivalens/g), összes phlorotannin-tartalom (362,9 ± 3,7 mg floroglucinol-ekvivalens/g), összes flavonoid-tartalom (286,3 ± 7,8 mg kvercetin ekvivalens/g) és összes tannintartalom (189,1 ± 4,4 mg katechin-ekvivalens/g).
Kutatási tanulmányukban a csapat arra a következtetésre jutott, hogy az ultrahanggal segített extrakció alkalmazása "50% etanolos oldattal kombinálva extrakciós oldószerként ígéretes stratégia lehet, amely a TPC, TPhC, TFC és TTC extrakcióját célozza meg, miközben csökkenti a nemkívánatos szénhidrátok együttes extrakcióját mind az F. vesiculosusból, mind a P. canaliculatából, ígéretes alkalmazásokkal, amikor ezeket a vegyületeket gyógyszerként használják, táplálékkiegészítők és kozmetikaiak." [García-Vaquero és mtsai., 2021]

A mano-termo-szonikáció növelése az Avignoni Egyetemen Hielscher ultrahangos készülékekkel: laboratóriumi berendezésekből UIP1000hdt (A) Pilóta méretű berendezések UIP4000hdt (B, C & D). A képen a D ábrán az ultrahangos áramlási cella keresztirányú metszete látható FC100K.
kép és tanulmány: ©Vernès et al. 2019

Nagy teljesítményű ultrahangos elszívók algák megszakításához

A Hielscher legmodernebb ultrahangos berendezése lehetővé teszi a folyamatparaméterek, például az amplitúdó, a hőmérséklet, a nyomás és az energiabevitel teljes ellenőrzését.
Az ultrahangos extrakcióhoz olyan paraméterek, mint a nyersanyag részecskemérete, az oldószer típusa, a szilárd anyag és az oldószer aránya, valamint az extrakciós idő változtathatók és optimalizálhatók a legjobb eredmény érdekében.
Mivel az ultrahangos extrakció nem termikus extrakciós módszer, elkerülhető a nyersanyagban jelenlévő bioaktív összetevők, például az algák termikus lebomlása.
Összességében, olyan előnyök, mint a magas hozam, rövid extrakciós idő, alacsony extrakciós hőmérséklet, és a kis mennyiségű oldószer teszi szonikálás a kiváló extrakciós módszer.

Ultrahangos extrakció: Laboratóriumban és iparban

Az ultrahangos extrakciót széles körben alkalmazzák bármilyen bioaktív vegyület kivonására botanikai, algákból, baktériumokból és emlős sejtekből. Az ultrahangos extrakciót egyszerű, költséghatékony és rendkívül hatékonynak találták, amely más hagyományos extrakciós technikákat is kiemelkedik a magasabb extrakciós hozamokkal és a rövidebb feldolgozási időtartammal.
A laboratóriumi, asztali és teljesen ipari ultrahangos rendszerek könnyen elérhető, ultrahangos extrakció manapság jól megalapozott és megbízható technológia. A Hielscher ultrahangos elszívókat világszerte telepítik olyan ipari feldolgozó létesítményekbe, amelyek élelmiszer- és gyógyszeripari minőségű bioaktív vegyületeket állítanak elő.

Folyamat szabványosítás Hielscher ultrahanggal

Az élelmiszerekben, gyógyszerekben vagy kozmetikumokban használt algaszármazék-kivonatokat a helyes gyártási gyakorlatnak (GMP) és a szabványosított feldolgozási előírásoknak megfelelően kell előállítani. A Hielscher Ultrasonics digitális extrakciós rendszerei intelligens szoftverrel rendelkeznek, ami megkönnyíti az ultrahangos folyamat pontos beállítását és vezérlését. Az automatikus adatrögzítés az összes ultrahangos folyamatparamétert, például az ultrahang energiát (teljes és nettó energia), amplitúdót, hőmérsékletet, nyomást (ha a hőmérséklet- és nyomásérzékelők fel vannak szerelve) dátum- és időbélyegzővel írja a beépített SD-kártyára. Ez lehetővé teszi az egyes ultrahanggal feldolgozott tételek felülvizsgálatát. Ugyanakkor biztosított a reprodukálhatóság és a folyamatosan magas termékminőség.

Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását: