Ուլտրաձայնային աշխատանք ջրիմուռների բջիջների խանգարման և արդյունահանման բարելավման համար

Ջրիմուռները՝ մակրո- և միկրոջրիմուռները, պարունակում են բազմաթիվ արժեքավոր միացություններ, որոնք օգտագործվում են որպես սննդային սնունդ, սննդային հավելումներ կամ որպես վառելիք կամ վառելանյութ: Թիրախային նյութերը ջրիմուռների բջիջից ազատելու համար անհրաժեշտ է բջիջների խզման հզոր և արդյունավետ տեխնիկա: Ուլտրաձայնային արդյունահանողները շատ արդյունավետ և հուսալի են, երբ խոսքը վերաբերում է բուսաբանական նյութերից, ջրիմուռներից և սնկերից կենսաակտիվ միացությունների արդյունահանմանը: Հասանելի է լաբորատոր, նստարանային և արդյունաբերական մասշտաբով, Hielscher ուլտրաձայնային էքստրակտորները ստեղծվել են սննդի, դեղագործական և կենսավառելիքի արտադրության մեջ բջիջներից ստացված քաղվածքների արտադրության մեջ:

Ջրիմուռները՝ որպես սնուցման և վառելիքի արժեքավոր ռեսուրս

Ջրիմուռների բջիջները կենսաակտիվ և էներգիայով հարուստ միացությունների բազմակողմանի աղբյուր են, ինչպիսիք են սպիտակուցները, ածխաջրերը, լիպիդները և այլ կենսաակտիվ նյութեր, ինչպես նաև ալկաններ: Սա ջրիմուռները դարձնում է սննդի և սննդային միացությունների, ինչպես նաև վառելիքի աղբյուր:
Միկրոջրիմուռները լիպիդների արժեքավոր աղբյուր են, որոնք օգտագործվում են սնուցման համար և որպես կենսավառելիքի (օրինակ՝ կենսադիզել) հումք: Ծովային ֆիտոպլանկտոնի Dicrateria-ի շտամները, ինչպիսիք են Dicrateria rotunda-ն, հայտնի են որպես բենզին արտադրող ջրիմուռներ, որոնք կարող են սինթեզել C-ից մի շարք հագեցած ածխաջրածիններ (n-ալկաններ):₁₀Հ₂₂ դեպի Ք₃₈Հ₇₈, որոնք դասակարգվում են որպես բենզին (C10–C15), դիզելային յուղեր (C16–C20) և մազութ յուղեր (C21–C38)։
Իրենց սննդային արժեքի շնորհիվ ջրիմուռներն օգտագործվում են որպես «ֆունկցիոնալ սնունդ» կամ «սնուցող նյութեր»: Ջրիմուռներից արդյունահանվող կարևոր միկրո-սնուցիչները ներառում են կարոտինոիդները՝ ասաքսանտին, ֆուկոքսանտին և զեաքսանտին, ֆուկոյդան, լամինարի և այլ գլյուկաններ, բազմաթիվ այլ կենսաակտիվ նյութերի թվում, որոնք օգտագործվում են որպես սննդային հավելումներ և դեղագործական միջոցներ: Որպես սննդային հավելումներ օգտագործվում են կարագինան, ալգինատ և այլ հիդրոկոլոիդներ։ Ջրիմուռների լիպիդներն օգտագործվում են որպես վեգան օմեգա-3 աղբյուր, ինչպես նաև օգտագործվում են որպես վառելիք կամ որպես կենսադիզելի արտադրության համար հումք:

Ջրիմուռների բջիջների խախտում և արդյունահանում ուժային ուլտրաձայնի միջոցով

Ուլտրաձայնային էքստրակտորները կամ պարզապես ուլտրաձայնային սարքերը օգտագործվում են լաբորատորիայում փոքր նմուշներից արժեքավոր միացություններ հանելու համար, ինչպես նաև մեծ առևտրային մասշտաբով արտադրության համար:
Ջրիմուռների բջիջները պաշտպանված են բջջային պատի բարդ մատրիցներով, որոնք կազմված են լիպիդներից, ցելյուլոզից, սպիտակուցներից, գլիկոպրոտեիններից և պոլիսախարիդներից։ Ջրիմուռների բջջային պատերի մեծ մասի հիմքը կառուցված է միկրոֆիբրիլային ցանցից գելանման սպիտակուցային մատրիցով; Այնուամենայնիվ, որոշ միկրոջրիմուռներ հագեցված են անօրգանական կոշտ պատով, որը կազմված է օպալինային սիլիցիումի ֆրուստուլներից կամ կալցիումի կարբոնատից: Ջրիմուռների կենսազանգվածից կենսաակտիվ միացություններ ստանալու համար անհրաժեշտ է բջիջների խզման արդյունավետ տեխնիկա: Բացի արդյունահանման տեխնոլոգիական գործոններից (այսինքն՝ արդյունահանման մեթոդից և սարքավորումից), ջրիմուռների բջիջների խզման և արդյունահանման արդյունավետությունը նույնպես մեծապես ազդում է ջրիմուռից կախված տարբեր գործոններից, ինչպիսիք են բջջային պատի կազմը, միկրոջրիմուռների բջիջներում ցանկալի բիոմոլեկուլի գտնվելու վայրը և աճը: բերքահավաքի ընթացքում միկրոջրիմուռների փուլը.

Ինչպե՞ս է աշխատում ուլտրաձայնային ջրիմուռների բջիջների խախտումը և արդյունահանումը:

Երբ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները զուգակցվում են ուլտրաձայնային զոնդի միջոցով (նաև հայտնի է որպես ուլտրաձայնային շչակ կամ sonotrode) հեղուկի կամ ցեխի մեջ, ձայնային ալիքները անցնում են հեղուկի միջով և դրանով իսկ ստեղծում են բարձր ճնշման / ցածր ճնշման ցիկլեր: Այս բարձր ճնշման / ցածր ճնշման ցիկլերի ընթացքում առաջանում են րոպեական վակուումային փուչիկներ կամ խոռոչներ: Կավիտացիոն փուչիկները առաջանում են, երբ տեղական ճնշումը ցածր ճնշման ցիկլերի ընթացքում բավական ցածր է հագեցած գոլորշիների ճնշումից, մի արժեք, որը տրվում է որոշակի ջերմաստիճանում հեղուկի առաձգական ուժով: Այն աճում է մի քանի ցիկլերի ընթացքում: Երբ այս վակուումային փուչիկները հասնում են այն չափի, որտեղ նրանք չեն կարող ավելի շատ էներգիա կլանել, պղպջակը ուժգին պայթում է բարձր ճնշման ցիկլի ընթացքում: Կավիտացիոն փուչիկների պայթյունը դաժան, էներգիայի խիտ գործընթաց է, որը առաջացնում է ինտենսիվ հարվածային ալիքներ, տուրբուլենտներ և միկրո-շիթեր հեղուկում: Բացի այդ, ստեղծվում են տեղայնացված շատ բարձր ճնշումներ և շատ բարձր ջերմաստիճաններ: Այս ծայրահեղ պայմանները հեշտությամբ կարող են խաթարել բջջային պատերը և թաղանթները և ազատել ներբջջային միացությունները արդյունավետ, արդյունավետ և արագ ձևով: Ներբջջային միացությունները, ինչպիսիք են սպիտակուցները, պոլիսախարիդները, լիպիդները, վիտամինները, հանքանյութերը և հակաօքսիդանտները, կարող են արդյունավետ կերպով արդյունահանվել ուժային ուլտրաձայնային միջոցների միջոցով:

Ուլտրաձայնային կավիտացիա բջիջների խզման և արդյունահանման համար

Ուլտրաձայնային ինտենսիվ էներգիայի ազդեցության դեպքում ցանկացած տեսակի բջիջի պատը կամ թաղանթը (ներառյալ բուսաբանական, կաթնասունների, ջրիմուռների, սնկային, բակտերիալ և այլն) խաթարվում է, և բջիջը պատռվում է ավելի փոքր բեկորների էներգիայի խիտ ուլտրաձայնային կավիտացիայի մեխանիկական ուժերով: . Երբ բջջային պատը կոտրվում է, բջջային մետաբոլիտները, ինչպիսիք են սպիտակուցը, լիպիդը, նուկլեինաթթուն և քլորոֆիլը, ազատվում են բջջային պատի մատրիցից, ինչպես նաև բջջի ներսից և տեղափոխվում շրջակա միջավայրի մշակութային միջավայր կամ լուծիչ:
Ուլտրաձայնային/ակուստիկ կավիտացիայի վերը նկարագրված մեխանիզմը խստորեն խաթարում է ջրիմուռների ամբողջ բջիջները կամ բջիջների ներսում գազային և հեղուկ վակուոլները: Ուլտրաձայնային կավիտացիան, թրթռումը, տուրբուլենտները և միկրոհոսքը նպաստում են զանգվածի փոխանցմանը բջջի ներսի և շրջակա լուծիչի միջև, որպեսզի բիոմոլեկուլները (այսինքն՝ մետաբոլիտները) լինեն արդյունավետ և արագ ազատվեն: Քանի որ sonication-ը զուտ մեխանիկական բուժում է, որը չի պահանջում կոշտ, թունավոր և/կամ թանկարժեք քիմիական նյութեր:
Բարձր ինտենսիվության, ցածր հաճախականության ուլտրաձայնը ստեղծում է ծայրահեղ էներգիայի խիտ պայմաններ, որոնք բնութագրվում են բարձր ճնշումներով, ջերմաստիճաններով և բարձր ճեղքող ուժերով: Այս ֆիզիկական ուժերը նպաստում են բջիջների կառուցվածքների խաթարմանը, որպեսզի ներբջջային միացություններն արտանետվեն միջավայր: Ուստի ցածր հաճախականության ուլտրաձայնը հիմնականում օգտագործվում է ջրիմուռներից կենսաակտիվ նյութերի և վառելիքի արդյունահանման համար: Երբ համեմատվում է արդյունահանման սովորական մեթոդների հետ, ինչպիսիք են լուծիչով արդյունահանումը, ուլտրաձայնային արդյունահանումը կամ բարձր ճնշման հոմոգենացումը, ուլտրաձայնային արդյունահանումը գերազանցում է բիոակտիվ միացությունների մեծ մասը (օրինակ՝ լիպիդներ, սպիտակուցներ, պոլիսաքարիդներ և միկրո-սնուցիչներ) արտազատելով սոնոպորացված և խաթարված բջիջից: Գործընթացի ճիշտ պայմանների կիրառմամբ՝ ուլտրաձայնային արդյունահանումը տալիս է արդյունահանման գերազանց ելք՝ գործընթացի շատ կարճ տևողության ընթացքում: Օրինակ, բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային արդյունահանողները ցույց են տալիս ջրիմուռներից արդյունահանման գերազանց արդյունավետություն, երբ օգտագործվում են համապատասխան լուծիչով: Թթվային կամ ալկալային միջավայրում ջրիմուռների բջիջների պատը դառնում է ծակոտկեն և կնճռոտվում, ինչը հանգեցնում է ցածր ջերմաստիճանի (60°C-ից ցածր) բերքատվության բարձրացմանը կարճ ժամանակում (3 ժամից պակաս) ձայնագրման ժամանակ: Մեղմ ջերմաստիճանում արդյունահանման կարճ տեւողությունը կանխում է ֆուկոիդանի քայքայումը, այնպես որ ստացվում է բարձր կենսաակտիվ պոլիսաքարիդ:
Ուլտրաձայնացումը նաև բարձր մոլեկուլային ֆուկոիդանը ցածր մոլեկուլային քաշի ֆուկոիդանի վերածելու մեթոդ է, որն իր ճյուղավորված կառուցվածքի շնորհիվ զգալիորեն ավելի կենսաակտիվ է: Իր բարձր կենսաակտիվությամբ և բիոմատչելիությամբ ցածր մոլեկուլային քաշով ֆուկոիդանը հետաքրքիր միացություն է դեղագործության և դեղերի առաքման համակարգերի համար:

Դեպքերի ուսումնասիրություն. ջրիմուռների միացությունների ուլտրաձայնային արդյունահանում

Ուլտրաձայնային արդյունահանման արդյունավետությունը և ուլտրաձայնային արդյունահանման պարամետրերի օպտիմալացումը լայնորեն ուսումնասիրվել են: Ստորև կարող եք գտնել օրինակելի արդյունքներ ջրիմուռների տարբեր տեսակներից արդյունահանման արդյունքների համար:

Սպիտակուցի արդյունահանում Spirulina-ից Mano-Thermo-Sonication-ի միջոցով

Պրոֆեսոր Չեմատի (Ավինյոնի համալսարան) հետազոտական խումբը ուսումնասիրել է մանոթերմոսոնացման (MTS) ազդեցությունը չոր Arthrospira platensis ցիանոբակտերիայից (նաև հայտնի է որպես սպիրուլինա) սպիտակուցների (օրինակ, ֆիկոցյանին) արդյունահանման վրա: Mano-Thermo-Sonication (MTS) ուլտրաձայնային սարքերի կիրառումն է՝ զուգորդված բարձր ճնշման և ջերմաստիճանի հետ՝ ուլտրաձայնային արդյունահանման գործընթացն ակտիվացնելու նպատակով:
«Ըստ փորձարարական արդյունքների՝ ՄՏՍ-ը խթանեց զանգվածի փոխանցումը (բարձր արդյունավետ դիֆուզիոն, De) և հնարավորություն տվեց ստանալ 229% ավելի շատ սպիտակուցներ (28,42 ± 1,15 գ/100 գ DW), քան սովորական գործընթացը առանց ուլտրաձայնի (8,63 ± 1,15 գ/100 գ DW): . Էքստրակտում առկա 28,42 գ սպիտակուցներով 100 գ չոր սպիրուլինայի կենսազանգվածի դեպքում 6 արդյունավետ րոպեում ստացվել է 50% սպիտակուցի վերականգնման արագություն՝ շարունակական MTS գործընթացով: Մանրադիտակային դիտարկումները ցույց են տվել, որ ակուստիկ կավիտացիան ազդել է սպիրուլինայի թելերի վրա տարբեր մեխանիզմներով, ինչպիսիք են մասնատումը, սոնոպորացիան, դեքստուրացիան: Այս տարբեր երևույթները հեշտացնում են սպիրուլինայի կենսաակտիվ միացությունների արդյունահանումը, արտազատումը և լուծարումը»: [Vernès et al., 2019]

Ժամանակի ընթացքում ՄՏՍ-ի բուժման ենթարկված ամբողջ սպիուրուլինայի թելերի օպտիկական մանրադիտակային պատկերներ: Սանդղակի սանդղակ (նկար Ա) = 50 մկմ բոլոր նկարների համար:
նկար և ուսումնասիրություն՝ ©Vernès et al. 2019թ

Ուլտրաձայնային ֆուկոիդանի և գլյուկանի արդյունահանում Laminaria digitata

Դոկտոր Թիվարիի TEAGASC հետազոտական խումբը ուսումնասիրել է պոլիսախարիդների, օրինակ՝ ֆուկոիդանի, լամինարինի և ընդհանուր գլյուկանների արդյունահանումը Laminaria digitata մակրոջրիմուռներից՝ օգտագործելով Ուլտրաձայնային սարք UIP500hdT. Ուսումնասիրված ուլտրաձայնային օգնությամբ արդյունահանման (ԱՄԷ) պարամետրերը զգալի ազդեցություն են ունեցել ֆուկոզայի, FRAP-ի և DPPH-ի մակարդակների վրա: Ֆուկոզայի, ընդհանուր գլյուկանների, FRAP-ի և DPPH-ի համար համապատասխանաբար ստացվել են 1060,75 մգ/100 գ դդ, 968,57 մգ/100 գ դդ, 8,70 մկմ տրոլոքս/մգ fde և 11,02% մակարդակներ՝ համապատասխանաբար օպտիմիզացված ջերմաստիճանի պայմաններում (76◦C) (76◗C): 10 րոպե) և ուլտրաձայնային առատություն (100%), օգտագործելով 0,1 M HCl որպես լուծիչ: Նկարագրված ԱՄԷ պայմաններն այնուհետև հաջողությամբ կիրառվեցին տնտեսապես համապատասխան այլ շագանակագույն մակրոջրիմուռների (L. hyperborea և A. nodosum)՝ պոլիսախարիդներով հարուստ էքստրակտներ ստանալու համար: Այս ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս ԱՄԷ-ի կիրառելիությունը մակրոջրիմուռների տարբեր տեսակներից կենսաակտիվ պոլիսախարիդների արդյունահանումն ուժեղացնելու համար:

Ուլտրաձայնային ֆիտոքիմիական արդյունահանում F. vesiculosus և P. canaliculata

García-Vaquero-ի հետազոտական թիմը համեմատել է արդյունահանման տարբեր նորարարական մեթոդներ, ներառյալ բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային արդյունահանումը, ուլտրաձայնային միկրոալիքային արդյունահանումը, միկրոալիքային արդյունահանումը, հիդրոթերմայով արդյունահանումը և բարձր ճնշման օգնությամբ արդյունահանումը, որպեսզի գնահատի արդյունահանման արդյունավետությունը շագանակագույն միկրոջրիմուռների տեսակներից: Fucus vesiculosus և Pelvetia canaliculata: Ուլտրաձայնային հետազոտության համար նրանք օգտագործել են Hielscher UIP500hdT ուլտրաձայնային էքստրակտոր. Արդյունահանման եկամտաբերության անալիզը ցույց տվեց, որ ուլտրաձայնային արդյունահանումը ձեռք է բերել բուսաքիմիական նյութերի մեծ մասի ամենաբարձր եկամտաբերությունը երկու F. vesiculosus-ից: Սա նշանակում է, որ F. vesiculosus-ից արդյունահանվող միացությունների ամենաբարձր եկամտաբերությունը Ուլտրաձայնային արդյունահանող UIP500hdT ընդհանուր ֆենոլային պարունակություն (445,0 ± 4,6 մգ գալլաթթվի համարժեքներ/գ), ընդհանուր ֆլորոտանինի պարունակություն (362,9 ± 3,7 մգ ֆլորոգլուցինոլի համարժեքներ/գ), ֆլավոնոիդների ընդհանուր պարունակություն (286,3 ± 7,8 մգ գալլաթթվի համարժեքներ/գ) և 1999900 մգ քվերցետին համարժեք պարունակություն/գ. ± 4.4 մգ կատեխինի համարժեքներ/գ):
Իրենց հետազոտական ուսումնասիրության ընթացքում թիմը եզրակացրեց, որ ուլտրաձայնային օգնությամբ արդյունահանման օգտագործումը «50% էթանոլային լուծույթի հետ որպես արդյունահանման լուծիչ կարող է լինել խոստումնալից ռազմավարություն, որը ուղղված է TPC, TPhC, TFC և TTC արդյունահանմանը, միաժամանակ նվազեցնելով համատեղ արդյունահանումը: անցանկալի ածխաջրեր ինչպես F. vesiculosus-ից, այնպես էլ P. canaliculata-ից, խոստումնալից կիրառություններով այս միացությունները որպես դեղագործական, սննդային և կոսմետիկ միջոցներ օգտագործելիս»: [García-Vaquero et al., 2021]

Ավինյոնի համալսարանում մանո-ջերմաձայնացման մասշտաբը Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի միջոցով. լաբորատոր սարքավորումներից UIP1000hdT (A) օդաչուական մասշտաբային սարքավորումների համար UIP4000hdT (B, C & Դ). Դ նկարում սխեմատիկացված է ուլտրաձայնային հոսքի բջիջի լայնակի հատվածը FC100K.
նկար և ուսումնասիրություն՝ ©Vernès et al. 2019թ

Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային արդյունահանող սարքեր ջրիմուռների խանգարման համար

Hielscher-ի ժամանակակից ուլտրաձայնային սարքավորումը թույլ է տալիս լիարժեք վերահսկել գործընթացի պարամետրերը, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, ջերմաստիճանը, ճնշումը և էներգիայի ներդրումը:
Ուլտրաձայնային արդյունահանման համար այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են հումքի մասնիկների չափը, լուծիչի տեսակը, պինդ-լուծիչի հարաբերակցությունը և արդյունահանման ժամանակը, կարող են փոփոխվել և օպտիմիզացվել լավագույն արդյունքների համար:
Քանի որ ուլտրաձայնային արդյունահանումը ոչ ջերմային արդյունահանման մեթոդ է, խուսափելու է հումքի մեջ առկա կենսաակտիվ բաղադրիչների ջերմային քայքայումը, ինչպիսիք են ջրիմուռները:
Ընդհանուր առմամբ, այնպիսի առավելություններ, ինչպիսիք են բարձր եկամտաբերությունը, կարճ արդյունահանման ժամանակը, արդյունահանման ցածր ջերմաստիճանը և լուծիչի փոքր քանակությունը, լուծույթը դարձնում են բարձրորակ արդյունահանման մեթոդ:

Ուլտրաձայնային արդյունահանում. հիմնված է լաբորատորիայում և արդյունաբերության մեջ

Ուլտրաձայնային արդյունահանումը լայնորեն կիրառվում է բուսաբանական նյութերից, ջրիմուռներից, բակտերիաներից և կաթնասունների բջիջներից ցանկացած տեսակի կենսաակտիվ միացությունների արդյունահանման համար: Ուլտրաձայնային արդյունահանումը ստեղծվել է որպես պարզ, ծախսարդյունավետ և բարձր արդյունավետ միջոց, որը գերազանցում է արդյունահանման այլ ավանդական տեխնիկան արդյունահանման ավելի բարձր եկամտաբերությամբ և մշակման ավելի կարճ տևողությամբ:
Լաբորատոր, նստարանային և լիովին արդյունաբերական ուլտրաձայնային համակարգերի առկայության դեպքում, ուլտրաձայնային արդյունահանումը մեր օրերում լավ կայացած և վստահելի տեխնոլոգիա է: Hielscher ուլտրաձայնային արդյունահանող սարքերը տեղադրվում են ամբողջ աշխարհում արդյունաբերական վերամշակման օբյեկտներում, որոնք արտադրում են սննդի և դեղագործական կարգի կենսաակտիվ միացություններ:

Գործընթացների ստանդարտացում Hielscher Ultrasonics-ի հետ

Ջրիմուռներից ստացված էքստրակտները, որոնք օգտագործվում են սննդի, դեղագործության կամ կոսմետիկայի մեջ, պետք է արտադրվեն պատշաճ արտադրական պրակտիկայի (ՊԱԳ) և մշակման ստանդարտացված բնութագրերի համաձայն: Hielscher Ultrasonics-ի թվային արդյունահանման համակարգերը գալիս են խելացի ծրագրաշարով, ինչը հեշտացնում է ձայնային արտանետման գործընթացը ճշգրիտ սահմանելը և վերահսկելը: Տվյալների ավտոմատ ձայնագրումը գրում է ուլտրաձայնային գործընթացի բոլոր պարամետրերը, ինչպիսիք են ուլտրաձայնային էներգիան (ընդհանուր և զուտ էներգիա), ամպլիտուդը, ջերմաստիճանը, ճնշումը (երբ տեղադրված են ջերմաստիճանի և ճնշման սենսորները)՝ ներկառուցված SD քարտի վրա ամսաթիվը և ժամը դրոշմակնիքով: Սա թույլ է տալիս վերանայել յուրաքանչյուր ուլտրաձայնային մշակված լոտը: Միաժամանակ ապահովվում է վերարտադրելիություն և արտադրանքի շարունակական բարձր որակ։

Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.