Alga, makro dan mikroalga, mengandung banyak senyawa berharga, yang digunakan sebagai makanan bergizi, aditif makanan atau sebagai bahan bakar atau bahan baku bahan bakar. Untuk melepaskan zat target dari sel alga, teknik gangguan sel yang kuat dan efisien diperlukan. Ekstraktor ultrasonik sangat efisien dan dapat diandalkan dalam hal ekstraksi senyawa bioaktif dari tumbuhan, ganggang dan jamur. Tersedia di laboratorium, bangku-atas dan skala industri, ekstraktor ultrasonik Hielscher didirikan dalam produksi ekstrak yang berasal dari sel dalam produksi makanan, farmasi dan bio-bahan bakar.

Alga sebagai Sumber Berharga untuk Nutrisi dan Bahan Bakar

Sel alga adalah sumber serbaguna senyawa bioaktif dan kaya energi, seperti protein, karbohidrat, lipid dan zat bio-aktif lainnya serta alkana. Hal ini membuat alga menjadi sumber makanan dan senyawa nutrisi serta bahan bakar.
Mikroalga adalah sumber lipid yang berharga, yang digunakan untuk nutrisi dan sebagai bahan baku fo biofuel (misalnya, biodiesel). Strain fitoplankton Dicrateria laut, seperti Dicrateria rotunda, dikenal sebagai ganggang penghasil bensin, yang dapat mensintesis serangkaian hidrokarbon jenuh (n-alkana) dari C.₁₀H₂₂ ke C₃₈H₇₈, yang dikategorikan sebagai bensin (C10-C15), minyak diesel (C16-C20), dan minyak bahan bakar (C21-C38).
Karena nilai gizinya, alga digunakan sebagai "makanan fungsional" atau "nutraceuticals". Nutrisi mikro penting yang diekstrak dari ganggang termasuk karotenoid astaxanthin, fucoxanthin dan zeaxantin, fucoidan, laminari dan glukan lainnya di antara banyak zat bioaktif lainnya digunakan sebagai suplemen gizi dan pharmceuticals. Carrageenan, alginat dan hidrokoloid lainnya digunakan sebagai aditif makanan. Lipid alga digunakan sebagai sumber omega-3 vegan dan juga digunakan sebagai bahan bakar atau sebagai bahan baku untuk produksi biodiesel.

Gangguan dan Ekstraksi Sel Alga oleh Ultrasound Daya

Ekstraktor ultrasonik atau hanya ultrasonicator digunakan untuk mengekstrak senyawa berharga dari sampel kecil di laboratorium serta untuk produksi dalam skala komersial besar.
Sel alga dilindungi oleh matriks dinding sel yang kompleks, yang terdiri dari lipid, selulosa, protein, glikoprotein, dan polisakarida. Dasar dari sebagian besar dinding sel alga dibangun dari jaringan mikrofibrillar dalam matriks protein seperti gel; Namun, beberapa mikroalga dilengkapi dengan dinding kaku anorganik yang terdiri dari frustules silika opaline atau kalsium karbonat. Untuk mendapatkan senyawa bioaktif dari biomassa alga, teknik gangguan sel yang efisien diperlukan. Selain faktor ekstraksi teknologi (yaitu, metode ekstraksi dan peralatan), efisiensi gangguan sel alga dan ekstraksi juga sangat dipengaruhi oleh berbagai faktor yang bergantung pada ganggang seperti komposisi dinding sel, lokasi biomolekul yang diinginkan dalam sel mikroalga, dan tahap pertumbuhan mikroalga selama panen.

Bagaimana Gangguan dan Ekstraksi Sel Alga Ultrasonik Bekerja?

Ketika gelombang ultrasound intensitas tinggi digabungkan melalui probe ultrasonik (juga dikenal sebagai tanduk ultrasonik atau sonotrode) menjadi cairan atau bubur, gelombang suara bergerak melalui cairan dan dengan demikian bergantian tekanan tinggi / siklus tekanan rendah. Selama siklus tekanan tinggi / tekanan rendah ini, gelembung vakum menit atau rongga terjadi. Gelembung kavitasi terjadi ketika tekanan lokal turun selama siklus tekanan rendah cukup jauh di bawah tekanan uap jenuh, nilai yang diberikan oleh kekuatan tarik cairan pada suhu tertentu. Yang tumbuh selama beberapa siklus. Ketika gelembung vakum ini mencapai ukuran, di mana mereka tidak dapat menyerap lebih banyak energi, gelembung meledak dengan keras selama siklus tekanan tinggi. Ledakan gelembung kavitasi adalah proses kekerasan, padat energi yang menghasilkan gelombang kejut intens, turbulensi, dan mikro-jet dalam cairan. Selain itu, tekanan yang sangat tinggi terlokalisasi dan suhu yang sangat tinggi diciptakan. Kondisi ekstrim ini mudah mampu mengganggu dinding sel dan membran dan melepaskan senyawa intraseluler dengan cara yang efektif, berkhasiat dan cepat. Senyawa intraseluler seperti protein, polisakarida, lipid, vitamin, mineral, dan antioksidan dengan demikian dapat secara efektif diekstraksi menggunakan ultrasonik daya.

Kavitasi Ultrasonik untuk Gangguan dan Ekstraksi Sel

Ketika terkena energi ultrasonik yang intens, dinding atau membran dari semua jenis sel (termasuk botani, mamalia, alga, jamur, bakteri dll) terganggu dan sel robek menjadi fragmen yang lebih kecil oleh kekuatan mekanik kavitasi ultrasonik padat energi. Ketika dinding sel rusak, metabolit seluler seperti protein, lipid, asam nukleat dan klorofil dilepaskan dari matriks dinding sel serta dari interior sel dan ditransfer ke media kultur atau pelarut di sekitarnya.
Mekanisme kavitasi ultrasonik / akustik yang dijelaskan di atas mengganggu sel alga utuh atau gas dan vakuola cair di dalam sel dengan sangat parah. Kavitasi ultrasonik, getaran, turbulensi dan mikro-streaming mempromosikan transfer massa antara interior sel dan pelarut sekitarnya sehingga biomolekul (yaitu metabolit) efisien dan cepat dilepaskan. Karena sonikasi adalah pengobatan mekanis murni yang tidak memerlukan bahan kimia yang keras, beracun dan / atau mahal.
Intensitas tinggi, ultrasound frekuensi rendah menciptakan kondisi padat energi yang ekstrim, menampilkan tekanan tinggi, suhu dan kekuatan geser tinggi. Kekuatan fisik ini mempromosikan gangguan struktur sel untuk melepaskan senyawa intraseluler ke dalam media. Oleh karena itu, ultrasound frekuensi rendah sebagian besar digunakan untuk ekstraksi zat bioaktif dan bahan bakar dari ganggang. Bila dibandingkan dengan metode ekstraksi konvensional seperti ekstraksi pelarut, manik-manik-penggilingan atau homogenisasi tekanan tinggi, ekstraksi ultrasonik unggul dengan melepaskan sebagian besar senyawa bioaktif (seperti lipid, protein, polisakarida dan mikro-nutrisi) dari sel sonoporated dan terganggu. Menerapkan kondisi proses yang tepat, ekstraksi ultrasonik memberikan hasil ekstraksi yang unggul dalam durasi proses yang sangat singkat. Misalnya, ekstraktor ultrasonik berkinerja tinggi menunjukkan kinerja ekstraksi yang sangat baik dari ganggang, bila digunakan dengan pelarut yang sesuai. Dalam media asam atau basa, dinding sel alga menjadi berpori dan keriput, yang menyebabkan peningkatan hasil pada suhu rendah (di bawah 60 ° C) dalam waktu sonikasi singkat (kurang dari 3 jam). Durasi ekstraksi pendek pada suhu ringan mencegah degradasi fucoidan, sehingga polisakarida yang sangat bioaktif diperoleh.
Ultrasonication juga merupakan metode untuk mengubah fucoidan berat molekul tinggi menjadi fucoidan berat molekul rendah, yang secara signifikan lebih bioaktif karena strukturnya yang terbebrasi. Dengan bioaktivitas dan bioakssitasnya yang tinggi, fucoidan berat molekul rendah adalah senyawa yang menarik untuk obat-obatan dan sistem pengiriman obat.

Studi Kasus: Ekstraksi Ultrasonik Senyawa Alga

Efisiensi ekstraksi ultrasonik dan optimalisasi parameter ekstraksi ultrasonik telah dipelajari secara luas. Di bawah ini, Anda dapat menemukan hasil yang patut dicontoh untuk hasil ekstraksi melalui ultrasonikasi dari berbagai spesies alga.

Ekstraksi Protein dari Spirulina menggunakan Mano-Thermo-Sonication

Kelompok penelitian Prof. Chemat (University of Avignon) menyelidiki efek manothermosonication (MTS) pada ekstraksi protein (seperti phycocyanin) dari Arthrospira platensis cyanobacteria kering (juga dikenal sebagai spirulina). Mano-Thermo-Sonication (MTS) adalah aplikasi ultrasonik dikombinasikan dengan tekanan tinggi dan suhu untuk mengintensifkan proses ekstraksi ultrasonik.
Menurut hasil eksperimen, MTS mempromosikan transfer massa (diffusivity efektif tinggi, De) dan memungkinkan untuk mendapatkan 229% lebih banyak protein (28,42 ± 1,15 g / 100 g DW) daripada proses konvensional tanpa ultrasound (8,63 ± 1,15 g / 100 g DW). Dengan 28,42 g protein per 100 g biomassa spirulina kering dalam ekstrak, tingkat pemulihan protein 50% dicapai dalam 6 menit efektif dengan proses MTS terus menerus. Pengamatan mikroskopis menunjukkan bahwa kavitasi akustik berdampak filamen spirulina dengan mekanisme yang berbeda seperti fragmentasi, sonoporasi, detexturation. Berbagai fenomena ini membuat ekstraksi, pelepasan dan solubilisasi senyawa bioaktif spirulina lebih mudah. [Vernès et al., 2019]

Gambar mikroskop optik filamen spiurulina utuh yang mengalami perawatan MTS dari waktu ke waktu. Scale bar (gambar A) = 50 μm untuk semua gambar.
gambar dan studi: ©Vernès et al. 2019

Ultrasonic Fucoidan dan Glucan Extraction dari Laminaria digitata

Kelompok penelitian TEAGASC Dr. Tiwari menyelidiki ekstraksi polisakarida, yaitu fucoidan, laminarin dan glukan total, dari macroalgae Laminaria digitata menggunakan ultrasonicator UIP500hdT. Parameter ekstraksi yang dibantu secara ultrasonik (UEA) yang diteliti menunjukkan pengaruh signifikan pada tingkat fucose, FRAP dan DPPH. Tingkat 1060,75 mg / 100 g ds, 968,57 mg / 100 g ds, 8,70 μM trolox / mg fde dan 11,02% diperoleh untuk fucose, glukan total, FRAP dan DPPH masing-masing pada kondisi suhu yang dioptimalkan (76◦ C), waktu (10 menit) dan amplitudo ultrasonik (100%) menggunakan 0,1 M HCl sebagai pelarut. Kondisi UEA yang dijelaskan kemudian diterapkan dengan sukses ke makroalga coklat lain yang relevan secara ekonomi (L. hyperborea dan A. nodosum) untuk mendapatkan ekstrak kaya polisakarida. Studi ini menunjukkan penerapan UEA untuk meningkatkan ekstraksi polisakarida bioaktif dari berbagai spesies makroalgal.

Ekstraksi Fitokimia Ultrasonik dari F. vesiculosus dan P. canaliculata

Tim peneliti García-Vaquero membandingkan berbagai teknik ekstraksi baru termasuk ekstraksi ultrasonik berkinerja tinggi, ekstraksi ultrasound-microwave, ekstraksi microwave, ekstraksi yang dibantu hidrotermal dan ekstraksi yang dibantu tekanan tinggi untuk mengevaluasi efisiensi ekstraksi dari spesies mikroalga coklat Fucus vesiculosus dan Pelvetia canaliculata. Untuk ultrasonication, mereka menggunakan Hielscher UIP500hdT ultrasonic extractor. Anylsis hasil ekstraksi mengungkapkan bahwa ekstraksi ultrasonik mencapai hasil tertinggi dari sebagian besar phytochemical dari kedua F. vesiculosus. Ini berarti, hasil tertinggi dari senyawa yang diekstrak dari F. vesiculosus menggunakan ultrasonic extractor UIP500hdT adalah: total kandungan fenolik (445,0 ± 4,6 mg setara asam galat / g), total kandungan fenoliknin (362,9 ± setara 3,7 mg phloroglucinol / g), total kandungan flavonoid (286,3 ± 7,8 mg quercetin setara / g) dan total kandungan tanin (189,1 ± 4,4 mg setara katekin / g).
Dalam studi penelitian mereka, tim menyimpulkan bahwa penggunaan ekstraksi ultrasonik-dibantu "dikombinasikan dengan 50% larutan etanol sebagai pelarut ekstraksi bisa menjadi strategi yang menjanjikan menargetkan ekstraksi TPC, TPhC, TFC dan TTC, sementara mengurangi co-ekstraksi karbohidrat yang tidak diinginkan dari kedua F. vesiculosus dan P. canaliculata, dengan aplikasi yang menjanjikan ketika menggunakan senyawa ini sebagai obat-obatan, nutraceuticals dan cosmeceuticals." [García-Vaquero et al., 2021]

Peningkatan mano-thermo-sonication di University of Avignon menggunakan ultrasonicator Hielscher: dari peralatan laboratorium UIP1000hdT (A) untuk peralatan skala pilot UIP4000hdT (B, C & D). Pada gambar D adalah skema bagian transversal dari sel aliran ultrasonik FC100K.
gambar dan studi: ©Vernès et al. 2019

Ekstraktor Ultrasonik Berkinerja Tinggi untuk Gangguan Alga

Peralatan ultrasonik canggih dari Hielscher memungkinkan kontrol penuh atas parameter proses seperti amplitudo, suhu, tekanan dan masukan energi.
Untuk ekstraksi ultrasonik, parameter seperti ukuran partikel bahan baku, jenis pelarut, rasio padat terhadap pelarut, dan waktu ekstraksi dapat bervariasi dan dioptimalkan untuk hasil terbaik.
Karena ekstraksi ultrasonik adalah metode ekstraksi non-termal, degradasi termal bahan bioaktif yang ada dalam bahan baku seperti ganggang dihindari.
Secara keseluruhan, keuntungan seperti hasil tinggi, waktu ekstraksi yang singkat, suhu ekstraksi rendah, dan sejumlah kecil pelarut membuat sonikasi metode ekstraksi unggul.

Ekstraksi Ultrasonik: Didirikan di Laboratorium dan Industri

Ekstraksi ultrasonik secara luas diterapkan untuk ekstraksi segala jenis senyawa bioaktif dari tumbuhan, ganggang, bakteri dan sel mamalia. Ekstraksi ultrasonik telah ditetapkan sebagai sederhana, hemat biaya dan sangat efisien yang unggul teknik ekstraksi tradisional lainnya dengan hasil ekstraksi yang lebih tinggi dan durasi pemrosesan yang lebih pendek.
Dengan laboratorium, bench-top dan sepenuhnya-industri sistem ultrasonik tersedia, ekstraksi ultrasonik saat ini adalah teknologi yang mapan dan terpercaya. Ekstraktor ultrasonik Hielscher dipasang di seluruh dunia di fasilitas pemrosesan industri yang menghasilkan senyawa bioaktif kelas makanan dan farmasi.

Proses standardisasi dengan Hielscher Ultrasonics

Ekstrak yang berasal dari alga, yang digunakan dalam makanan, obat-obatan atau kosmetik, harus diproduksi sesuai dengan Good Manufacturing Practices (GMP) dan di bawah spesifikasi pemrosesan standar. Sistem ekstraksi digital Hielscher Ultrasonics dilengkapi dengan perangkat lunak cerdas, yang membuatnya mudah untuk mengatur dan mengendalikan proses sonikasi dengan tepat. Perekaman data otomatis menulis semua parameter proses ultrasonik seperti energi ultrasound (energi total dan bersih), amplitudo, suhu, tekanan (ketika temp dan sensor tekanan dipasang) dengan stempel tanggal dan waktu pada kartu SD bawaan. Hal ini memungkinkan Anda untuk merevisi setiap banyak ultrasonik diproses. Pada saat yang sama, reproduktifitas dan kualitas produk yang terus tinggi dipastikan.

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: