Estrazione a ultrasuoni dalle alghe per integratori alimentari

L’estrazione a ultrasuoni è il metodo più efficace per disgregare le cellule delle alghe in modo rapido ed efficiente. La sonicazione può liberare l’intera quantità di composti bioattivi, rendendo la tecnica a ultrasuoni altamente efficiente.

Come estrarre proteine, lipidi e composti fenolici dalle alghe con gli ultrasuoni

Le specie di alghe e microalghe sono ricche di composti biologicamente attivi quali proteine, lipidi, carotenoidi, pigmenti (ad esempio ficocianine, astaxantina ecc.), composti fenolici e polisaccaridi (ad esempio carragenine). Ciò le rende un materiale naturale ampiamente utilizzato per produrre estratti destinati ad alimenti e integratori alimentari. Le specie di alghe comunemente utilizzate per gli integratori alimentari sono Arthrospira maxima e (nota anche come spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis e Ulva spp. Le alghe sono note per essere una buona fonte di proteine di alta qualità, lipidi, PUFA a catena lunga (ossia omega-3), polisaccaridi (ad esempio alginato, carragenina, β-glucani), vitamine e antiossidanti.
La spirulina è un tipo di alga comunemente utilizzato, ricco di composti bioattivi di elevato valore, quali le proteine (con il 50–70% del peso secco). Poiché la spirulina è approvata dalla FDA (Food Drug Administration degli Stati Uniti) come GRAS (generalmente riconosciuta come sicura), la spirulina e i suoi estratti possono essere utilizzati negli alimenti commercializzati o come integratori alimentari.

Vantaggi dell’estrazione a ultrasuoni dalle alghe

L’estrazione a ultrasuoni supera i metodi di estrazione alternativi sotto molteplici aspetti, quali resa elevata, affidabilità, sicurezza, semplicità e rispetto dell’ambiente.

Resa di estrazione completa

I sonicatori ad alte prestazioni aprono e disgregano le cellule delle alghe, liberando il materiale intracellulare. L’estrazione a ultrasuoni libera così l’intero spettro di composti bioattivi, quali ficobiliproteine, carotenoidi, lipidi e composti fenolici.
Le ficobiliproteine possono essere suddivise in tre gruppi principali, ossia cloro-ficocianine, alloficocianine e ficoeritrine. La C-ficocianina è un pigmento blu naturale ampiamente utilizzato nei prodotti alimentari e farmaceutici. L’estrazione a ultrasuoni libera l’intero spettro di proteine.

Elevata efficienza di estrazione

Duangsee et al. (2009) hanno testato due diversi metodi di estrazione (estrazione con solvente assistita da ultrasuoni ed estrazione mediante ripetuti cicli di congelamento e scongelamento) di composti bioattivi dalla biomassa di Arthospira e hanno riscontrato che l’estrazione con solvente a ultrasuoni determinava un’efficienza di estrazione superiore (22,1%) rispetto al congelamento e scongelamento (15,6%). Il confronto della rottura cellulare tra sonicazione e ripetuti cicli di congelamento e scongelamento mostra che la sonicazione è più efficace. La cavitazione ultrasonica disgrega le cellule delle alghe rapidamente ed efficacemente, determinando una maggiore disgregazione cellulare rispetto alle cellule di spirulina trattate mediante ripetuti cicli di congelamento e scongelamento.
La sonicazione si è dimostrata più efficace nel rompere l’involucro cellulare rispetto ai ripetuti cicli di congelamento e scongelamento. La resa di estrazione della ficocianina ha mostrato che la temperatura di trattamento influenzava l’efficienza di estrazione.

Processo di estrazione rapido

I sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni possono applicare un’elevata potenza ultrasonica alla sospensione di alghe mediante ampiezze elevate. Ciò rende l’estrazione a ultrasuoni un metodo di trattamento molto rapido.

Controllo della temperatura

La sonicazione è una tecnica di estrazione non termica, puramente meccanica. La temperatura di estrazione può essere controllata con precisione utilizzando un sensore di temperatura collegabile, connesso via cavo al sonicatore digitale Hielscher. Il software dei sonicatori digitali Hielscher consente di impostare limiti di temperatura, affinché l’omogeneizzatore a ultrasuoni si arresti temporaneamente quando viene raggiunto il limite di temperatura. Il controllo preciso della temperatura permette di prevenire la degradazione termica dei materiali termosensibili, quali ficobiliproteine, vitamine, polifenoli, polisaccaridi, lipidi e altri composti bioattivi.

Compatibilità con diversi solventi

La sonicazione è compatibile con quasi tutti i solventi. L’estrazione a ultrasuoni in combinazione con solventi ecologici quali acqua o etanolo produce estratti puliti. Questi estratti ottenuti a ultrasuoni possono essere incorporati in sicurezza negli alimenti, poiché i solventi di estrazione etanolo e acqua hanno lo status GRAS (generalmente riconosciuti come sicuri).

Riproducibilità e standardizzazione del processo

I sonicatori digitali Hielscher sono dotati di un software intelligente e di un’ampia e articolata gamma di impostazioni per ottenere i parametri di estrazione ideali. Il software registra tutti i parametri del processo a ultrasuoni (ad esempio ampiezza, potenza netta, potenza totale, temperatura, pressione, ora, data) e salva i dati di sonicazione in un file CSV sulla scheda SD integrata. Ciò consente di standardizzare il processo di estrazione e di monitorare attentamente la sonicazione e la qualità del prodotto ottenuto. Queste funzionalità aiutano a soddisfare i requisiti di standardizzazione del processo e le buone pratiche di fabbricazione (GMP), entrambi di grande importanza quando gli estratti vengono prodotti per integratori, alimenti o prodotti farmaceutici.

Protocollo di estrazione a ultrasuoni della ficocianina

Mazumder et al. (2017) hanno studiato i parametri di trattamento ottimali per l’estrazione a ultrasuoni della ficocianina e dei composti fenolici da Arthospira platensis. La resa massima di ficocianina (29,9 mg/g) e di composti fenolici totali (2,4 mg/g) è stata ottenuta con una concentrazione di etanolo del 40%, una temperatura di estrazione di 34,9°C e il sonicatore UP50H (50 watts, 30kHz), a un’ampiezza del 95% per un tempo di estrazione di 104,7 sec.

Vernès et al. (2019) hanno utilizzato un sonicatore UIP1000hdT (1000W, 20kHz) per estrarre proteine dalla spirulina. Il sonicatore era dotato di un sonotrodo BS2d34 e di un reattore a ultrasuoni a flusso (vedere l’immagine seguente per l’esatta configurazione di estrazione a ultrasuoni con cella di flusso e pompa Seepex).

UIP1000hdT – configurazione per la manotermosonicazione (MTS) e la nostra estrazione di proteine dalla spirulina su scala di laboratorio
fonte: Vernes et al. 2019

I risultati della ricerca mostrano che le condizioni di estrazione a ultrasuoni ottimizzate per la resa proteica prevedono temperatura e pressione leggermente elevate (la cosiddetta manotermosonicazione, MTS). La MTS favorisce il trasferimento di massa e consente di ottenere il 229% di proteine in più (28,42 ± 1,15 g/100 g di peso secco) rispetto al processo convenzionale senza ultrasuoni (8,63 ± 1,15 g/100 g di peso secco).
Con 28,42 g di proteine ottenute nell’estratto per 100 g di biomassa secca di spirulina, è stato raggiunto un tasso di recupero delle proteine del 50% in soli 6 minuti mediante un processo di sonicazione continua. Le immagini microscopiche rivelano che la cavitazione acustica agisce sui filamenti di spirulina attraverso diversi meccanismi, quali frammentazione, sonoporazione e destrutturazione. Questi diversi effetti rendono l’estrazione, il rilascio e la solubilizzazione dei composti bioattivi della spirulina più semplici ed efficaci, determinando una resa elevata di proteine di alta qualità.
Per quanto riguarda la qualità delle proteine estratte a ultrasuoni, gli amminoacidi non sono stati degradati dal trattamento a ultrasuoni, ma sono presenti in quantità maggiore nel caso della sonicazione rispetto all’estrazione convenzionale.
Confrontando la manotermosonicazione con l’estrazione a ultrasuoni senza pressione e temperatura elevate, la differenza nella resa e nell’efficienza di estrazione è minima. Pertanto, l’impiego dei soli ultrasuoni è considerato la tecnica più economica e semplice per produrre un estratto di alta qualità ricco di proteine della spirulina. L’estrazione a ultrasuoni è una tecnica di estrazione ecologica e rispettosa dell’ambiente, adatta all’estrazione di proteine dalla spirulina su scala di laboratorio, che può essere facilmente trasferita alla scala pilota e industriale. (cfr. Vernès et al. 2019)

Estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni

Tutti i risultati di estrazione ottenuti su piccola scala possono essere trasferiti linearmente a capacità produttive maggiori. L’ampia gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics, dai sistemi di estrazione da laboratorio a quelli industriali, comprende il sonicatore più adatto alla capacità di processo prevista. Il nostro personale con molti anni di esperienza vi assisterà dalle prove di fattibilità e dall’ottimizzazione del processo fino all’installazione del vostro sistema a ultrasuoni al livello produttivo finale.

Hielscher Ultrasonics – Apparecchiature di estrazione sofisticate

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l’intera gamma di estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni, dalla piccola alla grande scala. Gli accessori aggiuntivi consentono di assemblare facilmente la configurazione del dispositivo a ultrasuoni più adatta al vostro processo. La configurazione a ultrasuoni ottimale dipende dalla capacità prevista, dal volume, dalla materia prima, dal processo in lotti o in linea e dalle tempistiche. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni di lavoro gravose e in ambienti impegnativi. La scalabilità lineare dei processi di estrazione a ultrasuoni permette di aumentare la produzione in modo semplice e affidabile. Scoprite di più sul passaggio lineare a una scala maggiore dei processi di estrazione a ultrasuoni!

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• numerosi amplificatori meccanici booster per aumentare o diminuire i fattori di amplificazione
• configurazioni complete di sonicazione come SonoStation, che comprendono estrattore a ultrasuoni, serbatoio, agitatore e pompa
• sensori di temperatura collegabili
• sensori di pressione collegabili

Il nostro personale ben formato e con molti anni di esperienza vi fornirà consulenza e vi consiglierà il sistema a ultrasuoni più adatto ai requisiti del vostro processo di estrazione!

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: