Ultrasonication untuk Meningkatkan Gangguan dan Ekstraksi Sel Alga

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

Alga sebagai Sumber Daya 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 ganggang menjadi sumber makanan dan senyawa nutrisi serta untuk bahan bakar.
Mikroalga adalah sumber lipid yang berharga, yang digunakan untuk nutrisi dan sebagai bahan baku biofuel (misalnya, biodiesel). Strain fitoplankton laut Dicrateria, seperti Dicrateria rotunda, dikenal sebagai ganggang penghasil bensin, yang dapat mensintesis serangkaian hidrokarbon jenuh (n-alkana) dari C₁₀H₂₂ ke C₃₈H₇₈, yang dikategorikan sebagai bensin (C10–C15), minyak diesel (C16–C20), dan bahan bakar minyak (C21–C38).
Karena nilai gizinya, ganggang digunakan sebagai "makanan fungsional" atau "nutraceuticals". Mikro-nutrisi penting yang diekstraksi dari ganggang termasuk karotenoid astaxanthin, fucoxanthin dan zeaxantin, fucoidan, laminari dan glukan lainnya di antara banyak zat bioaktif lainnya yang digunakan sebagai suplemen nutrisi dan farmasi. Karagenan, alginat dan hidrokoloid lainnya digunakan sebagai bahan tambahan 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 dengan Power Ultrasound

Ekstraktor ultrasonik atau hanya ultrasonicators digunakan untuk mengekstrak senyawa berharga dari sampel kecil di laboratorium serta untuk produksi dalam skala komersial besar.
Sel alga dilindungi oleh matriks dinding sel kompleks, yang terdiri dari lipid, selulosa, protein, glikoprotein, dan polisakarida. Dasar 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 frustule silika opalin atau kalsium karbonat. Untuk mendapatkan senyawa bioaktif dari biomassa alga, diperlukan teknik gangguan sel yang efisien. Selain faktor ekstraksi teknologi (yaitu, metode dan peralatan ekstraksi), efisiensi gangguan dan ekstraksi sel alga 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 Cara Kerja Gangguan dan Ekstraksi Sel Alga Ultrasonik?

Ketika gelombang ultrasound intensitas tinggi digabungkan melalui probe ultrasonik (juga dikenal sebagai klakson ultrasonik atau sonotrode) ke dalam cairan atau bubur, gelombang suara bergerak melalui cairan dan menciptakan siklus tekanan tinggi / tekanan rendah bergantian. Selama siklus tekanan tinggi / tekanan rendah ini, gelembung vakum atau rongga kecil 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 dan padat energi yang menghasilkan gelombang kejut yang intens, turbulensi, dan jet mikro dalam cairan. Selain itu, tekanan yang sangat tinggi dan suhu yang sangat tinggi tercipta. Kondisi ekstrem ini dengan mudah mampu mengganggu dinding dan membran sel dan melepaskan senyawa intraseluler dengan cara yang efektif, berkhasiat, dan cepat. Senyawa intraseluler seperti protein, polisakarida, lipid, vitamin, mineral, dan antioksidan dengan demikian dapat diekstraksi secara efektif menggunakan ultrasonik daya.

Kavitasi Ultrasonik untuk Gangguan dan Ekstraksi Sel

Ketika terkena energi ultrasonik yang intens, dinding atau membran dari segala jenis sel (termasuk tumbuhan, mamalia, alga, jamur, bakteri dll.) terganggu dan sel terkoyak menjadi fragmen yang lebih kecil oleh gaya mekanis kavitasi ultrasonik padat energi. Ketika dinding sel pecah, metabolit seluler seperti protein, lipid, asam nukleat, dan klorofil dilepaskan dari matriks dinding sel serta dari bagian dalam sel dan dipindahkan ke media kultur atau pelarut di sekitarnya.
Mekanisme kavitasi ultrasonik / akustik yang dijelaskan di atas mengganggu seluruh sel alga atau gas dan vakuola cair di dalam sel dengan parah. Kavitasi ultrasonik, getaran, turbulensi, dan aliran mikro mempromosikan perpindahan massa antara interior sel dan pelarut di sekitarnya sehingga biomolekul (yaitu metabolit) efisien dan dilepaskan dengan cepat. Karena sonikasi adalah perawatan mekanis murni yang tidak memerlukan bahan kimia yang keras, beracun dan / atau mahal.
Ultrasonografi intensitas tinggi dan frekuensi rendah menciptakan kondisi padat energi yang ekstrem, menampilkan tekanan tinggi, suhu, dan gaya geser tinggi. Kekuatan fisik ini mendorong gangguan struktur sel untuk melepaskan senyawa intraseluler ke dalam medium. Oleh karena itu, ultrasound frekuensi rendah sebagian besar digunakan untuk ekstraksi zat bioaktif dan bahan bakar dari ganggang. Jika dibandingkan dengan metode ekstraksi konvensional seperti ekstraksi pelarut, penggilingan manik-manik atau homogenisasi tekanan tinggi, ekstraksi ultrasonik unggul dengan melepaskan sebagian besar senyawa bioaktif (seperti lipid, protein, polisakarida dan mikro-nutrisi) dari sel yang disonoporasi 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 yang singkat (kurang dari 3 jam). Durasi ekstraksi yang singkat pada suhu ringan mencegah degradasi fucoidan, sehingga diperoleh polisakarida yang sangat bioaktif.
Ultrasonikasi juga merupakan metode untuk mengubah fucoidan dengan berat molekul tinggi menjadi fucoidan dengan berat molekul rendah, yang secara signifikan lebih bioaktif karena strukturnya yang tercabang. Dengan bioaktivitas dan bioaksesibilitasnya yang tinggi, fucoidan dengan 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 banyak dipelajari. Di bawah ini, Anda dapat menemukan hasil teladan untuk hasil ekstraksi melalui ultrasonikasi dari berbagai spesies ganggang.

Ekstraksi Protein dari Spirulina menggunakan Mano-Thermo-Sonication

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

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

Ekstraksi Fucoidan dan Glukan Ultrasonik dari Laminaria digitata

Kelompok penelitian TEAGASC dari Dr. Tiwari menyelidiki ekstraksi polisakarida, yaitu fucoidan, laminarin dan total glukan, dari makroalga Laminaria digitata menggunakan Ultrasonicator UIP500hdT. Parameter ekstraksi berbantuan ultrasonik (UEA) yang dipelajari menunjukkan pengaruh yang signifikan pada kadar 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, total glukan, 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 berhasil diterapkan pada makroalga coklat lainnya 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 makroalga.

Ekstraksi Fitokimia Ultrasonik dari F. vesiculosus dan P. kanaliculata

Tim peneliti García-Vaquero membandingkan berbagai teknik ekstraksi baru termasuk ekstraksi ultrasonik kinerja tinggi, ekstraksi ultrasound-microwave, ekstraksi gelombang mikro, ekstraksi berbantuan hidrotermal dan ekstraksi berbantuan tekanan tinggi untuk mengevaluasi efisiensi ekstraksi dari spesies mikroalga coklat Fucus vesiculosus dan Pelvetia canaliculata. Untuk ultrasonikasi, mereka menggunakan Hielscher UIP500hdT ekstraktor ultrasonik. Anylsis hasil ekstraksi mengungkapkan bahwa ekstraksi ultrasonik mencapai hasil tertinggi dari sebagian besar fitokimia dari kedua F. vesiculosus. Ini berarti, hasil tertinggi senyawa yang diekstraksi dari F. vesiculosus menggunakan ekstraktor ultrasonik UIP500hdT adalah: kandungan fenolik total (445,0 ± 4,6 mg setara asam galat / g), kandungan florotannin total (362,9 ± 3,7 mg setara floroglucinol / g), kandungan flavonoid total (286,3 ± 7,8 mg kuestin ekuivalen / g) dan total kandungan tanin (189,1 ± 4,4 mg setara katekin/g).
Dalam studi penelitian mereka, tim menyimpulkan bahwa penggunaan ekstraksi berbantuan ultrasonik "dikombinasikan dengan larutan etanol 50% sebagai pelarut ekstraksi dapat menjadi strategi yang menjanjikan yang menargetkan ekstraksi TPC, TPhC, TFC dan TTC, sambil mengurangi ekstraksi bersama karbohidrat yang tidak diinginkan dari F. vesiculosus dan P. canaliculata, dengan aplikasi yang menjanjikan saat menggunakan senyawa ini sebagai obat-obatan, nutraceuticals dan kosmetik." [García-Vaquero dkk., 2021]

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

Ekstraktor Ultrasonik Kinerja Tinggi untuk Gangguan Alga

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

Ekstraksi Ultrasonik: Didirikan di Lab dan Industri

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

Standarisasi Proses dengan Ultrasonik Hielscher

Ekstrak turunan 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 Ultrasonic dilengkapi dengan perangkat lunak cerdas, yang memudahkan untuk mengatur dan mengontrol proses sonikasi dengan tepat. Perekaman data otomatis menulis semua parameter proses ultrasonik seperti energi ultrasonik (energi total dan bersih), amplitudo, suhu, tekanan (saat sensor suhu dan tekanan dipasang) dengan stempel tanggal dan waktu pada kartu SD bawaan. Ini memungkinkan Anda untuk merevisi setiap lot yang diproses secara ultrasonik. Pada saat yang sama, reproduktifitas dan kualitas produk yang terus tinggi dipastikan.

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