Ultrahangos kezelés az algák sejtfeltárásának és extrakciójának javítására

Az algák, mind a makroalgák, mind a mikroalgák, számos értékes vegyületet tartalmaznak, amelyeket tápláló élelmiszerként, élelmiszer-adalékanyagként, illetve üzemanyagként vagy üzemanyag-alapanyagként használnak. A célanyagok algasejtből történő felszabadításához nagy teljesítményű és hatékony sejtfeltárási technika szükséges. Az ultrahangos extraktorok rendkívül hatékonyak és megbízhatóak a bioaktív vegyületek növényekből, algákból és gombákból történő kivonásában. A laboratóriumi, asztali és ipari léptékben elérhető Hielscher ultrahangos extraktorok bevált eszközök a sejtekből származó kivonatok előállításában az élelmiszer-, gyógyszer- és bioüzemanyag-gyártás területén.

Az algák mint a táplálkozás és az üzemanyag-előállítás értékes erőforrásai

Az algasejtek a bioaktív és energiában gazdag vegyületek, például fehérjék, szénhidrátok, lipidek és más bioaktív anyagok, valamint alkánok sokoldalú forrásai. Ez az algákat élelmiszerek és táplálkozási célú vegyületek, valamint üzemanyagok forrásává teszi.
A mikroalgák értékes lipidforrások; ezeket a lipideket táplálkozási célokra és bioüzemanyagok (például biodízel) alapanyagaként használják. A tengeri fitoplanktonhoz tartozó Dicrateria törzsei, például a Dicrateria rotunda, benzintermelő algákként ismertek, amelyek telített szénhidrogének (n-alkánok) sorozatát képesek szintetizálni a C₁₀H₂₂ és a C₃₈H₇₈ között, amelyeket benzinnek (C10–C15), dízelolajoknak (C16–C20) és fűtőolajoknak (C21–C38) sorolnak be.
Tápértékük miatt az algákat „funkcionális élelmiszerként” vagy „nutraceutikumként” használják. Az algákból kivont fontos mikrotápanyagokat, köztük az asztaxantin, fukoxantin és zeaxantin karotinoidokat, a fukoidánt, a laminari nevű anyagot és más glükánokat, számos további bioaktív anyag mellett étrend-kiegészítőként és gyógyszerként használják. A karragént, az alginátot és más hidrokolloidokat élelmiszer-adalékanyagként alkalmazzák. Az algák lipidjeit vegán omega-3-forrásként, valamint üzemanyagként vagy a biodízel előállításának alapanyagaként is használják.

Az algák sejtfeltárása és extrakciója nagy teljesítményű ultrahanggal

Az ultrahangos extraktorokat, vagy egyszerűen ultrahangos készülékeket, értékes vegyületek kis laboratóriumi mintákból történő kivonására, valamint nagy kereskedelmi léptékű termelésre használják.
Az algasejteket összetett sejtfalmátrixok védik, amelyek lipidekből, cellulózból, fehérjékből, glikoproteinekből és poliszacharidokból állnak. A legtöbb alga sejtfalának alapját egy gélszerű fehérjemátrixban elhelyezkedő mikrofibrilláris hálózat alkotja; egyes mikroalgák azonban opálos szilícium-dioxidból álló kovavázakból vagy kalcium-karbonátból felépülő szervetlen, merev fallal rendelkeznek. Az algabiomasszából történő bioaktívvegyület-kinyeréshez hatékony sejtfeltárási technika szükséges. Az extrakció technológiai tényezőin (azaz az extrakciós módszeren és berendezésen) túl az algák sejtfeltárásának és extrakciójának hatékonyságát különböző, az algáktól függő tényezők is erősen befolyásolják, például a sejtfal összetétele, a kívánt biomolekula elhelyezkedése a mikroalgasejtekben, valamint a mikroalgák növekedési szakasza a betakarításkor.

Hogyan működik az algák ultrahangos sejtfeltárása és extrakciója?

Amikor nagy intenzitású ultrahanghullámokat csatolnak egy ultrahangos szondán (más néven ultrahangos kürtön vagy szonotródán) keresztül folyadékba vagy szuszpenzióba, a hanghullámok áthaladnak a folyadékon, és ezáltal váltakozó nagy nyomású / kis nyomású ciklusokat hoznak létre. E nagy nyomású / kis nyomású ciklusok során parányi vákuumbuborékok vagy üregek keletkeznek. Kavitációs buborékok akkor keletkeznek, amikor a helyi nyomás a kis nyomású ciklusok során kellően a telített gőznyomás alá csökken; ezt az értéket a folyadék adott hőmérsékleten fennálló szakítószilárdsága határozza meg. Ezek több cikluson keresztül növekednek. Amikor ezek a vákuumbuborékok olyan méretet érnek el, amelynél már nem képesek több energiát elnyelni, a buborék egy nagy nyomású ciklus során hevesen összeroppan. A kavitációs buborékok összeroppanása heves, nagy energiasűrűségű folyamat, amely intenzív lökéshullámokat, turbulenciát és mikrosugarakat hoz létre a folyadékban. Emellett helyileg nagyon nagy nyomások és nagyon magas hőmérsékletek alakulnak ki. Ezek a szélsőséges körülmények könnyen képesek feltárni a sejtfalakat és membránokat, valamint hatékonyan, eredményesen és gyorsan felszabadítani a sejten belüli vegyületeket. Így a sejten belüli vegyületek, például fehérjék, poliszacharidok, lipidek, vitaminok, ásványi anyagok és antioxidánsok nagy teljesítményű ultrahanggal hatékonyan kivonhatók.

Ultrahangos kavitáció sejtfeltáráshoz és extrakcióhoz

Intenzív ultrahangenergia hatására bármilyen sejt (beleértve a növényi, emlős-, alga-, gomba-, baktériumsejteket stb.) fala vagy membránja feltáródik, és a nagy energiasűrűségű ultrahangos kavitáció mechanikai erői kisebb darabokra szakítják a sejtet. A sejtfal feltörésekor a sejtes metabolitok, például a fehérjék, lipidek, nukleinsavak és klorofill felszabadulnak a sejtfalmátrixból és a sejt belsejéből, majd a környező tenyészközegbe vagy oldószerbe kerülnek.
Az ultrahangos / akusztikus kavitáció fent leírt mechanizmusa erőteljesen roncsolja a teljes algasejteket, illetve a sejten belüli gáz- és folyadékvakuólumokat. Az ultrahangos kavitáció, a rezgés, a turbulencia és a mikroáramlás elősegíti az anyagátadást a sejt belseje és a környező oldószer között, így a biomolekulák (azaz a metabolitok) hatékonyan és gyorsan felszabadulnak. Az ultrahangos kezelés ugyanis tisztán mechanikai kezelés, amely nem igényel agresszív, mérgező és/vagy drága vegyszereket.
A nagy intenzitású, kis frekvenciájú ultrahang szélsőséges, nagy energiasűrűségű körülményeket hoz létre, amelyeket nagy nyomás, magas hőmérséklet és nagy nyíróerők jellemeznek. Ezek a fizikai erők elősegítik a sejtszerkezetek feltárását, hogy a sejten belüli vegyületek felszabaduljanak a közegbe. Ezért a kis frekvenciájú ultrahangot széles körben használják bioaktív anyagok és üzemanyagok algákból történő kivonására. A hagyományos extrakciós módszerekhez, például az oldószeres extrakcióhoz, a gyöngyőrléshez vagy a nagy nyomású homogenizáláshoz képest az ultrahangos extrakció kiemelkedik azáltal, hogy a bioaktív vegyületek (például lipidek, fehérjék, poliszacharidok és mikrotápanyagok) többségét felszabadítja a szonoporált és feltárt sejtből. A megfelelő folyamatkörülmények alkalmazásával az ultrahangos extrakció kiemelkedő extrakciós hozamokat biztosít nagyon rövid feldolgozási idő alatt. A nagy teljesítményű ultrahangos extraktorok például kiváló extrakciós teljesítményt nyújtanak algák esetében, ha megfelelő oldószerrel használják őket. Savas vagy lúgos közegben az algasejtfal porózussá és ráncossá válik, ami alacsony hőmérsékleten (60°C alatt), rövid ultrahangos kezelési idő (3 óránál kevesebb) mellett nagyobb hozamhoz vezet. A mérsékelt hőmérsékleten végzett rövid extrakció megakadályozza a fukoidán lebomlását, így nagy bioaktivitású poliszacharid nyerhető.
Az ultrahangos kezelés a nagy molekulatömegű fukoidán kis molekulatömegű fukoidánná alakításának is egyik módszere; ez utóbbi az elágazásoktól mentesített szerkezete miatt jelentősen bioaktívabb. Nagy bioaktivitásának és biológiai hozzáférhetőségének köszönhetően a kis molekulatömegű fukoidán érdekes vegyület a gyógyszerek és a gyógyszerhatóanyag-beviteli rendszerek számára.

Esettanulmányok: algavegyületek ultrahangos extrakciója

Az ultrahangos extrakció hatékonyságát és az ultrahangos extrakció paramétereinek optimalizálását széles körben vizsgálták. Az alábbiakban különböző algafajok ultrahangos extrakciójának eredményeire talál példákat.

Fehérjék kivonása spirulinából mano-termo-ultrahangos kezeléssel

Chemat professzor kutatócsoportja (Avignoni Egyetem) a mano-termo-ultrahangos kezelés (MTS) hatását vizsgálta fehérjék (például fikocianin) száraz Arthrospira platensis cianobaktériumokból (más néven spirulinából) történő kivonására. A mano-termo-ultrahangos kezelés (MTS) az ultrahang alkalmazása megnövelt nyomással és hőmérséklettel kombinálva, az ultrahangos extrakciós folyamat intenzívebbé tétele érdekében.
„A kísérleti eredmények szerint az MTS elősegítette az anyagátadást (nagy effektív diffúziós együttható, De), és 229%-kal több fehérje (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) kinyerését tette lehetővé, mint az ultrahang nélküli hagyományos eljárás (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). A kivonatban 100 g száraz spirulinabiomasszára jutó 28,42 g fehérjével folyamatos MTS-eljárás során 6 perc tényleges kezelési idő alatt 50%-os fehérjekinyerési arányt értek el. A mikroszkópos megfigyelések azt mutatták, hogy az akusztikus kavitáció különböző mechanizmusok, például fragmentáció, szonoporáció és a szerkezet megbontása révén hatott a spirulinafonalakra. Ezek a különböző jelenségek megkönnyítik a spirulina bioaktív vegyületeinek kivonását, felszabadítását és oldatba vitelét.” [Vernès et al., 2019]

MTS-kezelésnek kitett teljes spirulinafonalak fénymikroszkópos képei az idő függvényében. A méretarányjel (A kép) = 50 μm minden képen.
kép és tanulmány: ©Vernès et al. 2019

Fukoidán és glükán ultrahangos kivonása ebből az algából: Laminaria digitata

Dr. Tiwari TEAGASC-kutatócsoportja poliszacharidok, azaz fukoidán, laminarin és összes glükán kivonását vizsgálta a Laminaria digitata makroalgából a következő készülék segítségével: UIP500hdT ultrahangos készülék. Az ultrahanggal támogatott extrakció (UAE) vizsgált paraméterei jelentős hatást mutattak a fukóz, a FRAP és a DPPH értékeire. A fukóz, az összes glükán, a FRAP és a DPPH esetében rendre 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde és 11,02% értékeket kaptak optimalizált hőmérséklet (76◦C), idő (10 min) és ultrahang-amplitúdó (100%) mellett, 0,1 M HCl oldószerként történő használatával. A leírt UAE-körülményeket ezután sikeresen alkalmazták más, gazdasági szempontból jelentős barna makroalgákra (L. hyperborea és A. nodosum), poliszacharidokban gazdag kivonatok előállítására. Ez a tanulmány bemutatja az UAE alkalmazhatóságát a bioaktív poliszacharidok különböző makroalgafajokból történő kivonásának javítására.

Fitokémiai vegyületek ultrahangos kivonása a következő algákból: F. vesiculosus és P. canaliculata

García-Vaquero kutatócsoportja különböző új extrakciós technikákat hasonlított össze, köztük a nagy teljesítményű ultrahangos extrakciót, az ultrahangos-mikrohullámú extrakciót, a mikrohullámú extrakciót, a hidrotermikusan támogatott extrakciót és a nagy nyomással támogatott extrakciót, hogy értékelje a Fucus vesiculosus és Pelvetia canaliculata barna mikroalgafajok extrakciós hatékonyságát. Az ultrahangos kezeléshez a következő készüléket használták: Hielscher UIP500hdT ultrahangos extraktor. Az extrakciós hozamok elemzése azt mutatta, hogy az ultrahangos extrakció a legtöbb fitokémiai vegyület legmagasabb hozamát érte el mindkét F. vesiculosus esetében. Ez azt jelenti, hogy a F. vesiculosusból kivont vegyületek legmagasabb hozamai az UIP500hdT ultrahangos extraktor használatával a következők voltak: összes fenoltartalom (445,0 ± 4,6 mg galluszsav-egyenérték/g), összes florotannin-tartalom (362,9 ± 3,7 mg floroglucinol-egyenérték/g), összes flavonoidtartalom (286,3 ± 7,8 mg kvercetin-egyenérték/g) és összes tannintartalom (189,1 ± 4,4 mg katechin-egyenérték/g).
Tanulmányukban a kutatócsoport arra a következtetésre jutott, hogy az ultrahanggal támogatott extrakció alkalmazása „50%-os etanolos oldat extrakciós oldószerként történő használatával kombinálva ígéretes stratégia lehet a TPC, TPhC, TFC és TTC kivonására, miközben csökkenti a nemkívánatos szénhidrátok együttes kivonását mind a F. vesiculosusból, mind a P. canaliculatából, és ígéretes alkalmazási lehetőségeket kínál e vegyületek gyógyszerként, nutraceutikumként és kozmeceutikumként történő felhasználásakor.” [García-Vaquero et al., 2021]

A mano-termo-ultrahangos kezelés léptéknövelése az Avignoni Egyetemen Hielscher ultrahangos készülékekkel, a következő laboratóriumi berendezéstől: UIP1000hdT (A), a következő félüzemi berendezésig: UIP4000hdT (B, C és D). A D képen a következő ultrahangos átfolyó cella keresztmetszetének vázlata látható: FC100K.
kép és tanulmány: ©Vernès et al. 2019

Nagy teljesítményű ultrahangos extraktorok algák feltárásához

A Hielscher legkorszerűbb ultrahangos berendezései lehetővé teszik a folyamatparaméterek, például az amplitúdó, a hőmérséklet, a nyomás és az energiabevitel teljes körű szabályozását.
Ultrahangos extrakció esetén az 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 eredmények érdekében.
Mivel az ultrahangos extrakció nem termikus extrakciós módszer, elkerülhető a nyersanyagban, például az algákban jelen lévő bioaktív összetevők hő okozta lebomlása.
Összességében az olyan előnyök, mint a nagy hozam, a rövid extrakciós idő, az alacsony extrakciós hőmérséklet és a kis oldószermennyiség, az ultrahangos kezelést a többit felülmúló extrakciós módszerré teszik.

Ultrahangos extrakció: bevált módszer a laboratóriumban és az iparban

Az ultrahangos extrakciót széles körben alkalmazzák mindenféle bioaktív vegyület növényekből, algákból, baktériumokból és emlőssejtekből történő kivonására. Az ultrahangos extrakció egyszerű, költséghatékony és rendkívül hatékony módszerként vált beválttá, amely nagyobb extrakciós hozamokkal és rövidebb feldolgozási idővel múlja felül a többi hagyományos extrakciós technikát.
A könnyen elérhető laboratóriumi, asztali és teljesen ipari ultrahangos rendszereknek köszönhetően az ultrahangos extrakció napjainkban jól bevált és megbízható technológia. A Hielscher ultrahangos extraktorait világszerte olyan ipari feldolgozóüzemekben telepítik, amelyek élelmiszer- és gyógyszeripari minőségű bioaktív vegyületeket állítanak elő.

A folyamat szabványosítása a Hielscher Ultrasonics segítségével

Az élelmiszerekben, gyógyszerekben vagy kozmetikumokban használt, algákból származó kivonatokat a helyes gyártási gyakorlatnak (GMP) megfelelően és szabványosított feldolgozási előírások szerint kell előállítani. A Hielscher Ultrasonics digitális extrakciós rendszerei intelligens szoftverrel rendelkeznek, amely megkönnyíti az ultrahangos kezelési folyamat pontos beállítását és szabályozását. Az automatikus adatrögzítés az ultrahangos folyamat minden paraméterét, például az ultrahangenergiát (teljes és nettó energia), az amplitúdót, a hőmérsékletet és a nyomást (ha hőmérséklet- és nyomásérzékelők vannak felszerelve), dátum- és időbélyeggel együtt a beépített SD-kártyára írja. Ez lehetővé teszi minden ultrahanggal feldolgozott tétel ellenőrzését. Egyidejűleg biztosított a reprodukálhatóság és a folyamatosan magas termékminőség.

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: