Ultrasonikasi untuk Meningkatkan Disrupsi dan Ekstraksi Sel Alga

Alga, baik makroalga maupun mikroalga, mengandung banyak senyawa berharga yang digunakan sebagai pangan bergizi, bahan tambahan pangan, bahan bakar, atau bahan baku bahan bakar. Untuk melepaskan zat target dari sel alga, diperlukan teknik disrupsi sel yang kuat dan efisien. Ekstraktor ultrasonik sangat efisien dan andal untuk mengekstraksi senyawa bioaktif dari tumbuhan, alga, dan fungi. Tersedia dalam skala laboratorium, skala meja, dan skala industri, ekstraktor ultrasonik Hielscher telah digunakan secara mapan untuk menghasilkan ekstrak turunan sel dalam produksi pangan, farmasi, dan bahan bakar hayati.

Alga sebagai Sumber Daya Berharga untuk Nutrisi dan Bahan Bakar

Sel alga merupakan sumber serbaguna senyawa bioaktif dan kaya energi, seperti protein, karbohidrat, lipid, dan zat bioaktif lainnya, serta alkana. Hal ini menjadikan alga sebagai sumber pangan dan senyawa nutrisi serta bahan bakar.
Mikroalga merupakan sumber lipid yang bernilai, yang digunakan untuk nutrisi dan sebagai bahan baku bahan bakar hayati (misalnya biodiesel). Galur fitoplankton laut Dicrateria, seperti Dicrateria rotunda, dikenal sebagai alga penghasil bensin yang dapat menyintesis serangkaian hidrokarbon jenuh (n-alkana) dari C₁₀H₂₂ hingga C₃₈H₇₈, yang dikategorikan sebagai bensin (C10–C15), minyak diesel (C16–C20), dan minyak bakar (C21–C38).
Karena nilai gizinya, alga digunakan sebagai “pangan fungsional” atau “nutraseutikal”. Mikronutrien penting yang diekstraksi dari alga mencakup karotenoid astaksantin, fukosantin, dan zeaksantin, fukoidan, laminari, serta glukan lainnya, yang bersama berbagai zat bioaktif lainnya digunakan sebagai suplemen nutrisi dan sediaan farmasi. Karagenan, alginat, dan hidrokoloid lainnya digunakan sebagai bahan tambahan pangan. Lipid alga digunakan sebagai sumber omega-3 vegan dan juga sebagai bahan bakar atau bahan baku produksi biodiesel.

Disrupsi dan Ekstraksi Sel Alga dengan Ultrasonik Berdaya Tinggi

Ekstraktor ultrasonik, atau cukup disebut sonikator, digunakan untuk mengekstraksi senyawa berharga dari sampel kecil di laboratorium serta untuk produksi komersial berskala besar.
Sel alga dilindungi oleh matriks dinding sel kompleks yang tersusun atas lipid, selulosa, protein, glikoprotein, dan polisakarida. Struktur dasar sebagian besar dinding sel alga tersusun atas jaringan mikrofibril di dalam matriks protein menyerupai gel; namun, beberapa mikroalga memiliki dinding anorganik kaku yang tersusun atas frustula silika opalin atau kalsium karbonat. Untuk memperoleh senyawa bioaktif dari biomassa alga, diperlukan teknik disrupsi sel yang efisien. Selain faktor teknologi ekstraksi (yaitu metode dan peralatan ekstraksi), efisiensi disrupsi dan ekstraksi sel alga juga sangat dipengaruhi oleh berbagai faktor yang bergantung pada alga, seperti komposisi dinding sel, lokasi biomolekul yang diinginkan di dalam sel mikroalga, dan tahap pertumbuhan mikroalga saat pemanenan.

Bagaimana Cara Kerja Disrupsi dan Ekstraksi Sel Alga secara Ultrasonik?

Ketika gelombang ultrasonik berintensitas tinggi dikopel melalui probe ultrasonik (juga dikenal sebagai horn ultrasonik atau sonotrode) ke dalam cairan atau sluri, gelombang suara merambat melalui cairan dan menghasilkan siklus tekanan tinggi / tekanan rendah secara bergantian. Selama siklus tekanan tinggi / tekanan rendah ini, terbentuk gelembung vakum atau rongga yang sangat kecil. Gelembung kavitasi terbentuk ketika tekanan lokal selama siklus tekanan rendah turun cukup jauh di bawah tekanan uap jenuh, yaitu nilai yang ditentukan oleh kekuatan tarik cairan pada suhu tertentu. Gelembung tersebut membesar selama beberapa siklus. Ketika gelembung vakum ini mencapai ukuran yang tidak memungkinkannya menyerap lebih banyak energi, gelembung tersebut mengalami implosi hebat selama siklus tekanan tinggi. Implosi gelembung kavitasi merupakan proses dahsyat dengan kerapatan energi tinggi yang menghasilkan gelombang kejut intens, turbulensi, dan jet mikro di dalam fluida. Selain itu, terbentuk tekanan dan suhu lokal yang sangat tinggi. Kondisi ekstrem ini dengan mudah mampu mendisrupsi dinding dan membran sel serta melepaskan senyawa intraseluler secara efektif, berdaya guna, dan cepat. Dengan demikian, senyawa intraseluler seperti protein, polisakarida, lipid, vitamin, mineral, dan antioksidan dapat diekstraksi secara efektif menggunakan ultrasonik berdaya tinggi.

Kavitasi Ultrasonik untuk Disrupsi dan Ekstraksi Sel

Ketika terpapar energi ultrasonik yang intens, dinding atau membran segala jenis sel (termasuk sel tumbuhan, mamalia, alga, fungi, bakteri, dan sebagainya) mengalami disrupsi, dan sel terkoyak menjadi fragmen yang lebih kecil oleh gaya mekanis kavitasi ultrasonik dengan kerapatan energi tinggi. Ketika dinding sel pecah, metabolit seluler seperti protein, lipid, asam nukleat, dan klorofil dilepaskan dari matriks dinding sel maupun bagian dalam sel, lalu berpindah ke medium kultur atau pelarut di sekitarnya.
Mekanisme kavitasi ultrasonik / akustik yang dijelaskan di atas mendisrupsi secara hebat seluruh sel alga atau vakuola gas dan cairan di dalam sel. Kavitasi ultrasonik, getaran, turbulensi, dan aliran mikro mendorong perpindahan massa antara bagian dalam sel dan pelarut di sekitarnya sehingga biomolekul (yaitu metabolit) dilepaskan secara efisien dan cepat. Hal ini karena sonikasi merupakan perlakuan mekanis murni yang tidak memerlukan bahan kimia keras, beracun, dan/atau mahal.
Ultrasonik berintensitas tinggi dan berfrekuensi rendah menciptakan kondisi ekstrem dengan kerapatan energi tinggi, yang ditandai oleh tekanan tinggi, suhu tinggi, dan gaya geser tinggi. Gaya fisik ini mendorong disrupsi struktur sel untuk melepaskan senyawa intraseluler ke dalam medium. Oleh karena itu, ultrasonik berfrekuensi rendah banyak digunakan untuk mengekstraksi zat bioaktif dan bahan bakar dari alga. Dibandingkan dengan metode ekstraksi konvensional seperti ekstraksi pelarut, penggilingan dengan penggiling manik, atau homogenisasi bertekanan tinggi, ekstraksi ultrasonik lebih unggul karena melepaskan sebagian besar senyawa bioaktif (seperti lipid, protein, polisakarida, dan mikronutrien) dari sel yang telah mengalami sonoporasi dan disrupsi. Dengan kondisi proses yang tepat, ekstraksi ultrasonik memberikan rendemen ekstraksi yang unggul dalam durasi proses yang sangat singkat. Misalnya, ekstraktor ultrasonik berkinerja tinggi menunjukkan kinerja ekstraksi alga yang sangat baik ketika digunakan dengan pelarut yang sesuai. Dalam medium asam atau basa, dinding sel alga menjadi berpori dan berkerut sehingga meningkatkan rendemen pada suhu rendah (di bawah 60°C) dengan waktu sonikasi singkat (kurang dari 3 jam). Durasi ekstraksi yang singkat pada suhu moderat mencegah degradasi fukoidan sehingga diperoleh polisakarida dengan bioaktivitas tinggi.
Ultrasonikasi juga merupakan metode untuk mengubah fukoidan berbobot molekul tinggi menjadi fukoidan berbobot molekul rendah, yang jauh lebih bioaktif karena strukturnya telah mengalami penghilangan cabang. Dengan bioaktivitas dan bioaksesibilitasnya yang tinggi, fukoidan berbobot molekul rendah merupakan senyawa yang menarik untuk sediaan farmasi dan sistem penghantaran obat.

Studi Kasus: Ekstraksi Ultrasonik Senyawa Alga

Efisiensi ekstraksi ultrasonik dan optimasi parameter ekstraksi ultrasonik telah banyak diteliti. Di bawah ini, Anda dapat menemukan contoh hasil ekstraksi melalui ultrasonikasi dari berbagai spesies alga.

Ekstraksi Protein dari Spirulina menggunakan Mano-Termo-Sonikasi

Kelompok penelitian Prof. Chemat (Universitas Avignon) menyelidiki pengaruh manotermosonikasi (MTS) terhadap ekstraksi protein (seperti fikosianin) dari sianobakteri Arthrospira platensis kering (juga dikenal sebagai spirulina). Mano-Termo-Sonikasi (MTS) adalah penerapan ultrasonik yang dikombinasikan dengan peningkatan tekanan dan suhu untuk mengintensifkan proses ekstraksi ultrasonik.
“Menurut hasil eksperimen, MTS mendorong perpindahan massa (difusivitas efektif tinggi, De) dan memungkinkan perolehan protein 229% lebih banyak (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) dibandingkan proses konvensional tanpa ultrasonik (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Dengan kandungan 28,42 g protein per 100 g biomassa spirulina kering dalam ekstrak, tingkat perolehan kembali protein sebesar 50% dicapai dalam 6 menit efektif melalui proses MTS kontinu. Pengamatan mikroskopis menunjukkan bahwa kavitasi akustik memengaruhi filamen spirulina melalui berbagai mekanisme seperti fragmentasi, sonoporasi, dan perusakan tekstur. Berbagai fenomena ini mempermudah ekstraksi, pelepasan, dan pelarutan senyawa bioaktif spirulina.” [Vernès et al., 2019]

Citra mikroskopi optik filamen spirulina utuh yang diberi perlakuan MTS seiring waktu. Batang skala (gambar A) = 50 μm untuk semua gambar.
gambar dan studi: ©Vernès et al. 2019

Ekstraksi Ultrasonik Fukoidan dan Glukan dari Laminaria digitata

Kelompok penelitian TEAGASC yang dipimpin Dr. Tiwari menyelidiki ekstraksi polisakarida, yaitu fukoidan, laminarin, dan glukan total, dari makroalga Laminaria digitata menggunakan sonikator UIP500hdT. Parameter ekstraksi berbantuan ultrasonik (UAE) yang diteliti menunjukkan pengaruh signifikan terhadap kadar fukosa, FRAP, dan DPPH. Nilai sebesar 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde, dan 11,02% masing-masing diperoleh untuk fukosa, glukan total, FRAP, dan DPPH pada kondisi suhu (76◦C), waktu (10 min), dan amplitudo ultrasonik (100%) yang dioptimalkan, dengan menggunakan 0,1 M HCl sebagai pelarut. Kondisi UAE yang dijelaskan tersebut kemudian berhasil diterapkan pada makroalga cokelat lain yang penting secara ekonomi (L. hyperborea dan A. nodosum) untuk memperoleh ekstrak kaya polisakarida. Studi ini menunjukkan bahwa UAE dapat diterapkan untuk meningkatkan ekstraksi polisakarida bioaktif dari berbagai spesies makroalga.

Ekstraksi Fitokimia Ultrasonik dari F. vesiculosus dan P. canaliculata

Tim penelitian García-Vaquero membandingkan berbagai teknik ekstraksi baru, termasuk ekstraksi ultrasonik berkinerja tinggi, ekstraksi ultrasonik-gelombang mikro, ekstraksi gelombang mikro, ekstraksi berbantuan hidrotermal, dan ekstraksi berbantuan tekanan tinggi, untuk mengevaluasi efisiensi ekstraksi dari spesies mikroalga cokelat Fucus vesiculosus dan Pelvetia canaliculata. Untuk ultrasonikasi, mereka menggunakan ekstraktor ultrasonik Hielscher UIP500hdT. Analisis rendemen ekstraksi mengungkapkan bahwa ekstraksi ultrasonik mencapai rendemen tertinggi untuk sebagian besar fitokimia dari kedua F. vesiculosus. Artinya, rendemen tertinggi senyawa yang diekstraksi dari F. vesiculosus menggunakan ekstraktor ultrasonik UIP500hdT adalah: kandungan fenolik total (445,0 ± 4,6 mg ekuivalen asam galat/g), kandungan florotanin total (362,9 ± 3,7 mg ekuivalen floroglusinol/g), kandungan flavonoid total (286,3 ± 7,8 mg ekuivalen kuersetin/g), dan kandungan tanin total (189,1 ± 4,4 mg ekuivalen katekin/g).
Dalam studi penelitiannya, tim tersebut menyimpulkan bahwa penggunaan ekstraksi berbantuan ultrasonik “yang dikombinasikan dengan larutan etanol 50% sebagai pelarut ekstraksi dapat menjadi strategi yang menjanjikan untuk menargetkan ekstraksi TPC, TPhC, TFC, dan TTC, sekaligus mengurangi koekstraksi karbohidrat yang tidak diinginkan dari F. vesiculosus maupun P. canaliculata, dengan potensi aplikasi yang menjanjikan ketika senyawa ini digunakan sebagai sediaan farmasi, nutraseutikal, dan kosmeseutikal.” [García-Vaquero et al., 2021]

Peningkatan skala mano-termo-sonikasi di Universitas Avignon menggunakan sonikator Hielscher: dari peralatan laboratorium UIP1000hdT (A) hingga peralatan skala percontohan UIP4000hdT (B, C & D). Gambar D memperlihatkan skema penampang melintang sel alir ultrasonik FC100K.
gambar dan studi: ©Vernès et al. 2019

Ekstraktor Ultrasonik Berkinerja Tinggi untuk Disrupsi Alga

Peralatan ultrasonik mutakhir Hielscher memungkinkan kendali penuh atas parameter proses seperti amplitudo, suhu, tekanan, dan masukan energi.
Untuk ekstraksi ultrasonik, parameter seperti ukuran partikel bahan baku, jenis pelarut, rasio padatan terhadap pelarut, dan waktu ekstraksi dapat divariasikan dan dioptimalkan untuk memperoleh hasil terbaik.
Karena ekstraksi ultrasonik merupakan metode ekstraksi nontermal, degradasi termal bahan bioaktif yang terdapat dalam bahan baku seperti alga dapat dihindari.
Secara keseluruhan, keunggulan seperti rendemen tinggi, waktu ekstraksi singkat, suhu ekstraksi rendah, dan jumlah pelarut yang sedikit menjadikan sonikasi sebagai metode ekstraksi yang unggul.

Ekstraksi Ultrasonik: Mapan di Laboratorium dan Industri

Ekstraksi ultrasonik banyak diterapkan untuk mengekstraksi segala jenis senyawa bioaktif dari tumbuhan, alga, bakteri, dan sel mamalia. Ekstraksi ultrasonik telah terbukti sebagai metode yang sederhana, hemat biaya, dan sangat efisien, yang mengungguli teknik ekstraksi tradisional lainnya berkat rendemen ekstraksi yang lebih tinggi dan durasi pemrosesan yang lebih singkat.
Dengan tersedianya sistem ultrasonik skala laboratorium, skala meja, dan skala industri penuh, ekstraksi ultrasonik kini merupakan teknologi yang mapan dan tepercaya. Ekstraktor ultrasonik Hielscher terpasang di seluruh dunia dalam fasilitas pemrosesan industri yang menghasilkan senyawa bioaktif bermutu pangan dan farmasi.

Standardisasi Proses dengan Hielscher Ultrasonics

Ekstrak turunan alga yang digunakan dalam pangan, sediaan farmasi, atau kosmetik harus diproduksi sesuai dengan Praktik Manufaktur yang Baik (GMP) dan spesifikasi pemrosesan yang terstandardisasi. Sistem ekstraksi digital Hielscher Ultrasonics dilengkapi perangkat lunak cerdas yang memudahkan pengaturan dan pengendalian proses sonikasi secara presisi. Pencatatan data otomatis merekam semua parameter proses ultrasonik, seperti energi ultrasonik (energi total dan bersih), amplitudo, suhu, dan tekanan (ketika sensor suhu dan tekanan dipasang), beserta penanda tanggal dan waktu pada kartu SD bawaan. Hal ini memungkinkan Anda meninjau setiap lot yang diproses secara ultrasonik. Pada saat yang sama, reproduktibilitas dan mutu produk yang senantiasa tinggi terjamin.

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: