Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Estrazione ultrasonica di alghe per integratori alimentari

L'estrazione ad ultrasuoni è il metodo superiore per interrompere le cellule algali in modo efficace e rapido. La sonicazione può rilasciare la quantità completa dei composti bioattivi, il che rende la tecnica ad ultrasuoni altamente efficiente.

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

Le specie algali e microalgiche sono ricche di composti biologicamente attivi come proteine, lipidi, carotenoidi, pigmenti (ad es, ficociani, Astaxantina ecc.), fenolici e polisaccaridi. Questo li 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), Clorella vulgaris, Haematococcus pluvialise Ulva spp. Le alghe sono note per essere una buona fonte di proteine di alta qualità, lipidi, PUFA a catena lunga (cioè omega-3), polisaccaridi (ad esempio alginato, carragenina, β-glucani), vitamine e antiossidanti.
La spirulina è un tipo di alghe ampiamente disponibile e comunemente usato, che è ricco di composti bioattivi di alto valore come le proteine (con 50-70% di peso secco). Poiché la Spirulina è approvata dalla FDA (Food Drug Administration degli Stati Uniti) come GRAS (Generally Recognized As Safe), gli estratti di Spirulina e Spirulina possono essere utilizzati in alimenti commercializzati o come integratori alimentari.

Vantaggi dell'estrazione ad ultrasuoni delle alghe

L'estrazione ad ultrasuoni supera i metodi di estrazione alternativi in molteplici punti, come l'alta resa, l'affidabilità, la sicurezza, la semplicità e la compatibilità ambientale.

Rendimento di estrazione completo

Gli ultrasuoni ad alte prestazioni rompono le cellule delle alghe e le rompono in modo da liberare il materiale intracellulare. L'estrazione ad ultrasuoni rilascia così l'intero spettro dei composti bioattivi, come le ficobiliproteine, i carotenoidi e i lipidi e i fenoli.
Le ficobiliproteine possono essere differenziate in tre gruppi principali, ovvero le cloroficocianine, le alloficocianine e le ficoeritrine. La C-ficocianina è un pigmento blu naturale, ampiamente utilizzato nei prodotti alimentari e farmaceutici. L'estrazione ad ultrasuoni rilascia l'intero spettro delle proteine.

Ultrasuoni Hielscher' SonoStation è una configurazione a ultrasuoni di facile utilizzo per le bilance di produzione. (Clicca per ingrandire!)

SonoStation – un sistema ad ultrasuoni con 2 ultrasuoni 2x 2kW, serbatoio e pompa mescolati – è un sistema di estrazione facile da usare.

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Alta efficienza di estrazione

Duangsee et al. (2009) hanno testato due diversi metodi di estrazione (estrazione con solventi ad ultrasuoni ed estrazione mediante congelamento e scongelamento ripetuti) di composti bioattivi dalla biomassa di Arthospira e hanno trovato che l'estrazione con solventi ad ultrasuoni ha portato ad una maggiore efficienza di estrazione (22,1%) rispetto al congelamento e allo scongelamento (15,6%). Il confronto della rottura delle cellule tra la sonicazione e il congelamento e lo scongelamento ripetuti mostra che la sonicazione è più efficace. La cavitazione ad ultrasuoni perturbare le cellule delle alghe in modo rapido ed efficace che si traduce in una maggiore rottura delle cellule rispetto alle cellule di Spirulina trattate con congelamento e scongelamento ripetuti.
La sonicazione è stata più efficace nel rompere l'involucro delle cellule rispetto al congelamento e allo scongelamento ripetuti. La resa di estrazione della ficocianina ha mostrato che la temperatura di lavorazione ha influenzato l'efficienza di estrazione.

Processo di estrazione rapida

I sistemi ad ultrasuoni ad alte prestazioni possono applicare un'elevata potenza di ultrasuoni attraverso ampiezze elevate nella sospensione delle alghe. Questo rende l'estrazione ad ultrasuoni un metodo di elaborazione molto veloce.

controllo della temperatura

L'ultrasonicazione è una tecnica di estrazione non termica, puramente meccanica. La temperatura di estrazione può essere controllata con precisione utilizzando un sensore di temperatura collegabile a spina, che è collegato all'ecografo digitale Hielscher. Il software degli ultrasuoni digitali di Hielscher permette di impostare i limiti di temperatura, in modo che l'omogeneizzatore ad ultrasuoni si fermi quando viene raggiunto il limite di temperatura. Il preciso controllo della temperatura permette di prevenire la degradazione termica di materiali sensibili al calore come le ficobiliproteine, le vitamine, i polifenoli, i polisaccaridi, i lipidi e altri composti bioattivi.

Compatibile con vari solventi

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

Riproducibilità e standardizzazione dei processi

Gli ultrasuoni 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 di processo ultrasonici (ad esempio, ampiezza, potenza netta, potenza totale, temperatura, pressione, ora, data) e scrive i dati di sonicazione in un file CSV sulla scheda SD incorporata. Ciò consente di standardizzare il processo di estrazione e di monitorare attentamente la sonicazione e la qualità dell'output. Queste caratteristiche vi aiutano a soddisfare i requisiti di stabilizzazione del processo e le buone pratiche di produzione (GMP), che sono entrambi molto importanti quando gli estratti sono prodotti per integratori, prodotti alimentari o farmaceutici.

Protocollo di estrazione della ficocianina a ultrasuoni

Mazumder et al. (2017) hanno studiato i parametri di elaborazione ottimali per l'estrazione a ultrasuoni di ficocianina e fenoli da Arthospira platensis. Il rendimento massimo di ficocianina (29,9 mg / g) e fenoli totali (2,4 mg / g) è stato ottenuto al 40% di concentrazione di etanolo, 34,9 ° C temperatura di estrazione con l'ultrasuoni UP50H (50 watt, 30kHz) ad una ampiezza del 95% per un tempo di estrazione di 104,7 sec.

Vernès et al. (2019) hanno utilizzato un UIP1000hdT (1000W, 20kHz) ultrasuoni per estrarre le proteine dalla spirulina. L'ecografo era dotato di un sonotrodo BS2d34 e di un reattore di flusso ad ultrasuoni (vedi foto sotto per l'esatta configurazione dell'estrazione ad ultrasuoni con cella a flusso e pompa Seepex).

Configurazione di estrazione ad ultrasuoni con UIP1000hdT per l'estrazione delle alghe

UIP1000hdT – Configurazione della 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 ad ultrasuoni ottimizzate per la produzione di proteine comportano una temperatura e una pressione leggermente elevate (la cosiddetta manotermosonicazione MTS). MTS promuove il trasferimento di massa e permette di ottenere il 229% di proteine in più (28,42 ± 1,15 g/100 g in peso secco) rispetto al processo convenzionale senza ultrasuoni (8,63 ± 1,15 g/100 g in peso secco).
Con 28,42 g di proteine ottenute per 100 g di biomassa secca di spirulina nell'estratto, è stato raggiunto un tasso di recupero delle proteine del 50% in soli 6 minuti in un processo di sonicazione continuo. L'imaging microscopico rivela che la cavitazione acustica colpisce i filamenti di spirulina da diversi meccanismi come la frammentazione, la sonorizzazione, la detexturazione. Questi vari effetti rendono l'estrazione, il rilascio e la solubilizzazione dei composti bioattivi della spirulina più facile e più efficace, che si traduce in un'elevata resa proteica di alta qualità.
Per quanto riguarda la qualità delle proteine estratte ad ultrasuoni, gli amminoacidi non sono stati degradati dal trattamento ad ultrasuoni, ma sono presenti in quantità maggiore in caso di sonicazione rispetto all'estrazione convenzionale.
Quando si confrontano la manotermosonicazione e l'estrazione ad ultrasuoni senza pressione e temperatura elevate, la differenza di rendimento ed efficienza dell'estrazione è solo minima. Pertanto, l'ultrasuono da solo è considerato la tecnica più economica e più semplice per produrre un estratto di alta qualità ricco di proteine spiruline. L'estrazione ad ultrasuoni è una tecnica di estrazione verde e rispettosa dell'ambiente, adatta per l'estrazione di proteine da spirulina su scala di laboratorio, che può facilmente scalare su scala pilota e su scala industriale. (cfr. Vernès et al. 2019)

Estrazione ad ultrasuoni UP400St in lotti da 8L

UP400St per l'estrazione ad ultrasuoni di alghe in lotti da 8L

Estrattori ad ultrasuoni ad alte prestazioni

Tutti i risultati di estrazione ottenuti su piccola scala, possono essere scalati linearmente a capacità di produzione più grandi. L'ampia gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics, dai sistemi di estrazione da laboratorio a quelli industriali, dispone dell'ecografo più adatto alla capacità di processo prevista. Il nostro personale di lunga esperienza vi assisterà dai test di fattibilità e dall'ottimizzazione del processo all'installazione del vostro sistema ad ultrasuoni a livello di produzione finale.

Ultrasuoni Hielscher – Sofisticate attrezzature per l'estrazione

Il portafoglio di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intera gamma di estrattori ad ultrasuoni ad alte prestazioni, dalla piccola alla grande scala. Gli accessori aggiuntivi consentono di assemblare facilmente la configurazione di dispositivi ad ultrasuoni più adatta al vostro processo. La configurazione ottimale degli ultrasuoni dipende dalla capacità prevista, dal volume, dalla materia prima, dal lotto o dal processo in linea e dalla linea temporale. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.

Scegliete tra vari accessori, come ad esempio:

  • sonotrodi di varie dimensioni, diametri e forme
  • sonotrodi per un'elevata ampiezza di 200 µm e oltre
  • reattori a cella a flusso con vari volumi e geometrie
  • numerose trombe di richiamo per aumentare o diminuire i guadagni
  • configurazioni complete di sonicazione come la SonoStation, che includono estrattore ad 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 ad ultrasuoni più adatto alle vostre esigenze di processo di estrazione!

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

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la dispersione, l'emulsione e l'estrazione delle cellule.

Omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alta potenza di laboratorio a pilota e Industriale scala.

Letteratura / Referenze



Particolarità / Cose da sapere

Spirulina

La spirulina, che è un batterio procariotico, è ricca di pigmenti come carotenoidi, clorofilla e ficocianina. I carotenoidi (ad esempio, β-Carotene, un pigmento giallo-arancio), clorofilla e ficocianina si trovano rispettivamente a 0,4, 1,0 e 14% in peso secco. La ficocianina è una proteina blu-verde, una cosiddetta biliproteina, che si trova nelle lamelle fotosintetiche nella membrana citoplasmatica dei cianobatteri.
Viene utilizzato come additivo alimentare e colorante alimentare, integratore alimentare e per applicazioni immunodiagnostiche.