Estrazione di alghe a ultrasuoni per integratori nutrizionali

L'estrazione a ultrasuoni è un metodo superiore per disgregare le cellule delle alghe in modo efficace e rapido. La sonicazione può rilasciare l'intera quantità di composti bioattivi, il che rende la tecnica a ultrasuoni altamente efficiente.

Come estrarre proteine, lipidi e fenoli dalle alghe con gli ultrasuoni

Le specie algali e microalgali sono ricche di composti biologicamente attivi come proteine, lipidi, carotenoidi, pigmenti (ad esempio, ficocianine, astaxantina ecc.), fenoli e polisaccaridi (ad esempio, carragenine). Ciò le rende un materiale naturale ampiamente utilizzato per produrre estratti per 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 (ad esempio 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 alto valore come le proteine (con il 50-70% di peso secco). Poiché la spirulina è approvata dalla FDA (Food Drug Administration degli Stati Uniti) come GRAS (Generally Recognized As Safe), la spirulina e gli estratti di spirulina possono essere utilizzati in alimenti commercializzati o come integratori alimentari.

Vantaggi dell'estrazione delle alghe a ultrasuoni

L'estrazione a ultrasuoni supera i metodi di estrazione alternativi sotto molteplici aspetti, come l'alta resa, l'affidabilità, la sicurezza, la semplicità e il rispetto dell'ambiente.

Rendimento dell'estrazione completa

Gli ultrasuoni ad alte prestazioni aprono le cellule delle alghe e le disgregano in modo da liberare il materiale intracellulare. L'estrazione a ultrasuoni libera così l'intero spettro di composti bioattivi, come ficobiliproteine, carotenoidi, lipidi e fenoli.
Le ficobiliproteine possono essere distinte in tre gruppi principali: 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 delle proteine.

Alta efficienza di estrazione

Duangsee et al. (2009) hanno testato due diversi metodi di estrazione (estrazione con solvente assistita da ultrasuoni ed estrazione mediante congelamento e scongelamento ripetuti) di composti bioattivi dalla biomassa di Arthospira e hanno riscontrato che l'estrazione con solvente ad ultrasuoni ha prodotto un'efficienza di estrazione superiore (22,1%) rispetto al congelamento e allo scongelamento (15,6%). Il confronto della rottura cellulare tra sonicazione e congelamento e scongelamento ripetuti mostra che la sonicazione è più efficace. La cavitazione ultrasonica disgrega le cellule delle alghe in modo rapido ed efficace, determinando una rottura cellulare maggiore rispetto alle cellule di spirulina trattate con congelamento e scongelamento ripetuti.
La sonicazione è stata più efficace nel rompere l'involucro cellulare rispetto al congelamento e allo scongelamento ripetuti. La resa di estrazione della ficocianina ha mostrato che la temperatura di lavorazione influenza l'efficienza di estrazione.

Processo di estrazione rapida

I sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni sono in grado di applicare alla sospensione di alghe un'elevata potenza di ultrasuoni attraverso ampiezze elevate. Ciò rende l'estrazione a ultrasuoni un metodo di lavorazione molto veloce.

Controllo della temperatura

L'ultrasonicazione è una tecnica di estrazione non termica e puramente meccanica. La temperatura di estrazione può essere controllata con precisione utilizzando un sensore di temperatura collegabile all'ultrasuonatore digitale Hielscher. Il software degli ultrasuonatori digitali Hielscher consente di impostare limiti di temperatura, in modo che l'omogeneizzatore a ultrasuoni si fermi al raggiungimento del limite di temperatura. Il controllo preciso della temperatura consente di evitare la degradazione termica di materiali sensibili al calore come ficobiliproteine, vitamine, polifenoli, polisaccaridi, lipidi e altri composti bioattivi.

Compatibile con diversi solventi

L'ultrasuonizzazione è compatibile con quasi tutti i solventi. L'estrazione a ultrasuoni in combinazione con solventi verdi come acqua o etanolo produce estratti puliti. Questi estratti a ultrasuoni possono essere incorporati in modo sicuro negli alimenti, poiché i solventi di estrazione etanolo e acqua hanno lo status di GRAS (Generally Recognized As Safe).

Riproducibilità e standardizzazione del processo

Gli ultrasuonatori digitali Hielscher sono dotati di un software intelligente e di un'elaborata varietà di impostazioni per i parametri di estrazione ideali. Il software protocolla tutti i parametri del processo a ultrasuoni (ad esempio, ampiezza, potenza netta, potenza totale, temperatura, pressione, ora, data) e scrive i dati di sonicazione in un file CSV sulla scheda SD integrata. Ciò consente di standardizzare il processo di estrazione e di monitorare da vicino la sonicazione e la qualità dei risultati. Queste funzioni aiutano a soddisfare i requisiti di standardizzazione del processo e le buone pratiche di fabbricazione (GMP), entrambi molto importanti quando gli estratti sono prodotti per integratori, alimenti o prodotti farmaceutici.

Protocollo di estrazione della ficocianina con ultrasuoni

Mazumder et al. (2017) hanno studiato i parametri ottimali di lavorazione per l'estrazione a ultrasuoni di ficocianina e fenoli da Arthospira platensis. La resa massima di ficocianina (29,9 mg/g) e di fenoli totali (2,4 mg/g) è stata ottenuta con una concentrazione di etanolo del 40% e una temperatura di estrazione di 34,9°C utilizzando l'ultrasuonatore UP50H (50 watt, 30 kHz) a un'ampiezza del 95% per un tempo di estrazione di 104,7 secondi.

Vernès et al. (2019) hanno utilizzato un ultrasuonatore UIP1000hdT (1000W, 20kHz) per estrarre le proteine dalla spirulina. L'ultrasuonatore era dotato di un sonotrodo BS2d34 e di un reattore a flusso ultrasonico (si veda l'immagine sottostante per l'esatta configurazione dell'estrazione a ultrasuoni con cella a flusso e pompa Seepex).

UIP1000hdT – Impostazione della manotermosonicazione (MTS) e dell'estrazione di proteine dalla spirulina in laboratorio
fonte: Vernes et al. 2019

I risultati della ricerca mostrano che le condizioni di estrazione a ultrasuoni ottimizzate per la resa proteica comportano una temperatura e una pressione leggermente elevate (la cosiddetta manotermosonorizzazione MTS). L'MTS favorisce il trasferimento di massa e consente di ottenere il 229% in più di proteine (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 per 100 g di biomassa di spirulina secca nell'estratto, è stato raggiunto un tasso di recupero delle proteine del 50% in soli 6 minuti in un processo di sonicazione continua. Le immagini al microscopio rivelano che la cavitazione acustica influisce sui filamenti di spirulina attraverso diversi meccanismi, come la frammentazione, la sonorizzazione e la detextura. Questi diversi effetti rendono più facile ed efficace l'estrazione, il rilascio e la solubilizzazione dei composti bioattivi della spirulina, che si traduce in un'elevata resa proteica di alta qualità.
Per quanto riguarda la qualità delle proteine estratte con ultrasuoni, gli amminoacidi non sono stati degradati dal trattamento con ultrasuoni, ma sono presenti in quantità maggiore nel caso della sonicazione rispetto all'estrazione convenzionale.
Se si confrontano la manotermosonorizzazione e l'estrazione a ultrasuoni senza pressione e temperatura elevate, la differenza nella resa e nell'efficienza dell'estrazione è minima. Pertanto, gli ultrasuoni da soli sono considerati la tecnica più economica e più 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 e facilmente scalabile su 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 scalati linearmente a capacità produttive maggiori. L'ampia gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics, dai sistemi di estrazione da laboratorio a quelli industriali, offre l'ultrasuonatore più adatto alla capacità di processo prevista. Il nostro personale di lunga esperienza vi assisterà dai test di fattibilità e dall'ottimizzazione del processo fino all'installazione del vostro sistema a ultrasuoni a livello di produzione finale.

Hielscher Ultrasonics – Apparecchiature di estrazione sofisticate

Il portafoglio prodotti di 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 di dispositivi a ultrasuoni più adatta al vostro processo. La configurazione ottimale degli ultrasuoni dipende dalla capacità prevista, dal volume, dalla materia prima, dal processo in batch o in linea e dalla tempistica. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili. La scalabilità lineare dei processi di estrazione a ultrasuoni consente un aumento semplice e affidabile della produzione. Per saperne di più sulla scalabilità lineare dei processi di estrazione a ultrasuoni!

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• reattori a cella a flusso con vari volumi e geometrie
• numerose corna booster per aumentare o diminuire i guadagni
• setup di sonicazione completi, come la SonoStation, che comprendono estrattore a ultrasuoni, serbatoio, agitatore e pompa
• sensori di temperatura collegabili
• sensori di pressione collegabili

Il nostro personale ben addestrato e di lunga esperienza vi consulterà e vi consiglierà il sistema a ultrasuoni più adatto alle vostre esigenze di processo di estrazione!

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: