Ultrasuoni per migliorare la disgregazione e l'estrazione delle cellule delle alghe

Le alghe, macro e microalghe, contengono molti composti preziosi, che vengono utilizzati come alimenti nutrizionali, additivi alimentari o come combustibili o materie prime per carburanti. Per liberare le sostanze target dalla cellula algale è necessaria una tecnica di disgregazione cellulare potente ed efficiente. Gli estrattori a ultrasuoni sono altamente efficienti e affidabili per l'estrazione di composti bioattivi da piante, alghe e funghi. Disponibili su scala di laboratorio, da banco e industriale, gli estrattori a ultrasuoni Hielscher si sono affermati nella produzione di estratti di derivazione cellulare nei settori alimentare, farmaceutico e dei biocarburanti.

Le alghe come preziosa risorsa per la nutrizione e il carburante

Le cellule delle alghe sono una fonte versatile di composti bioattivi e ricchi di energia, come proteine, carboidrati, lipidi e altre sostanze bioattive, nonché alcani. Ciò rende le alghe una fonte di alimenti e composti nutrizionali, oltre che di combustibili.
Le microalghe sono una fonte preziosa di lipidi, utilizzati per l'alimentazione e come materia prima per i biocarburanti (ad esempio, il biodiesel). Ceppi del fitoplancton marino Dicrateria, come Dicrateria rotunda, sono noti come alghe produttrici di benzina, in grado di sintetizzare una serie di idrocarburi saturi (n-alcani) da C₁₀H₂₂ a C₃₈H₇₈che sono classificati come benzina (C10-C15), oli diesel (C16-C20) e oli combustibili (C21-C38).
Per il loro valore nutrizionale, le alghe sono utilizzate come “alimenti funzionali” o “Nutraceutici”. Importanti micronutrienti estratti dalle alghe includono i carotenoidi astaxantina, fucoxantina e zeaxantina, il fucoidano, i laminari e altri glucani, oltre a numerose altre sostanze bioattive, utilizzate come integratori alimentari e prodotti farmaceutici. Carragenina, alginato e altri idrocolloidi sono utilizzati come additivi alimentari. I lipidi delle alghe sono utilizzati come fonte vegana di omega-3 e come combustibile o materia prima per la produzione di biodiesel.

Distruzione ed estrazione di cellule di alghe mediante ultrasuoni di potenza

Gli estrattori a ultrasuoni o semplicemente ultrasuonatori sono utilizzati per estrarre composti preziosi da piccoli campioni in laboratorio e per la produzione su larga scala commerciale.
Le cellule delle alghe sono protette da complesse matrici di pareti cellulari, composte da lipidi, cellulosa, proteine, glicoproteine e polisaccaridi. La base della maggior parte delle pareti cellulari delle alghe è costituita da una rete microfibrillare all'interno di una matrice proteica simile a un gel; tuttavia, alcune microalghe sono dotate di una parete rigida inorganica composta da frustoli di silice opalina o carbonato di calcio. Per ottenere composti bioattivi dalla biomassa algale, è necessaria un'efficiente tecnica di disgregazione cellulare. Oltre ai fattori tecnologici di estrazione (cioè il metodo e l'apparecchiatura di estrazione), l'efficienza della rottura e dell'estrazione delle cellule algali è fortemente influenzata da vari fattori dipendenti dalle alghe, come la composizione della parete cellulare, la posizione della biomolecola desiderata nelle cellule delle microalghe e lo stadio di crescita delle microalghe durante la raccolta.

Come funzionano l'interruzione e l'estrazione delle cellule delle alghe con gli ultrasuoni?

Quando le onde ultrasonore ad alta intensità vengono accoppiate tramite una sonda a ultrasuoni (nota anche come tromba a ultrasuoni o sonotrodo) in un liquido o in un impasto, le onde sonore viaggiano attraverso il liquido e creano quindi cicli alternati di alta pressione e bassa pressione. Durante questi cicli di alta e bassa pressione, si formano minuscole bolle di vuoto o cavità. Le bolle di cavitazione si formano quando la pressione locale scende, durante i cicli di bassa pressione, sufficientemente al di sotto della tensione di vapore satura, un valore dato dalla resistenza alla trazione del liquido a una certa temperatura. Le bolle crescono nel corso di diversi cicli. Quando queste bolle di vuoto raggiungono una dimensione tale da non poter assorbire altra energia, la bolla implode violentemente durante un ciclo di alta pressione. L'implosione delle bolle di cavitazione è un processo violento e denso di energia che genera intense onde d'urto, turbolenze e microgetti nel fluido. Inoltre, si creano pressioni molto elevate e temperature molto elevate localizzate. Queste condizioni estreme sono facilmente in grado di disgregare le pareti e le membrane cellulari e di rilasciare composti intracellulari in modo efficace e rapido. I composti intracellulari come proteine, polisaccaridi, lipidi, vitamine, minerali e antiossidanti possono essere estratti efficacemente con gli ultrasuoni.

Cavitazione a ultrasuoni per l'interruzione e l'estrazione di cellule

Quando viene esposta a un'intensa energia ultrasonica, la parete o la membrana di qualsiasi tipo di cellula (incluse quelle botaniche, di mammifero, algali, fungine, batteriche, ecc.) viene disgregata e la cellula viene lacerata in frammenti più piccoli dalle forze meccaniche della cavitazione ultrasonica ad alta densità di energia. Quando la parete cellulare si rompe, i metaboliti cellulari come proteine, lipidi, acidi nucleici e clorofilla vengono rilasciati dalla matrice della parete cellulare e dall'interno della cellula e trasferiti nel terreno di coltura o nel solvente circostante.
Il meccanismo di cavitazione ultrasonica/acustica sopra descritto interrompe gravemente le cellule algali intere o i vacuoli di gas e liquidi all'interno delle cellule. La cavitazione ultrasonica, le vibrazioni, le turbolenze e i microflussi favoriscono il trasferimento di massa tra l'interno della cellula e il solvente circostante, in modo che le biomolecole (cioè i metaboliti) vengano rilasciate in modo efficiente e rapido. Poiché la sonicazione è un trattamento puramente meccanico che non richiede l'uso di sostanze chimiche aggressive, tossiche e/o costose.
Gli ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza creano condizioni di estrema densità energetica, caratterizzate da alte pressioni, temperature e forze di taglio elevate. Queste forze fisiche favoriscono la rottura delle strutture cellulari al fine di rilasciare i composti intracellulari nel mezzo. Pertanto, gli ultrasuoni a bassa frequenza sono largamente utilizzati per l'estrazione di sostanze bioattive e combustibili dalle alghe. Rispetto ai metodi di estrazione convenzionali, come l'estrazione con solvente, la macinazione delle perle o l'omogeneizzazione ad alta pressione, l'estrazione a ultrasuoni eccelle per il rilascio della maggior parte dei composti bioattivi (come lipidi, proteine, polisaccaridi e micronutrienti) dalle cellule sonorizzate e disgregate. Applicando le giuste condizioni di processo, l'estrazione a ultrasuoni offre rese di estrazione superiori in tempi molto brevi. Ad esempio, gli estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni mostrano eccellenti prestazioni di estrazione dalle alghe, se utilizzati con un solvente adatto. In un mezzo acido o alcalino, la parete cellulare delle alghe diventa porosa e rugosa, portando ad un aumento dei rendimenti a bassa temperatura (sotto i 60°C) in un breve tempo di sonicazione (meno di 3 ore). La breve durata dell'estrazione a temperature miti impedisce la degradazione del fucoidano, in modo da ottenere un polisaccaride altamente bioattivo.
L'ultrasonicazione è anche un metodo per trasformare il fucoidano ad alto peso molecolare in fucoidano a basso peso molecolare, che è significativamente più bioattivo grazie alla sua struttura scissa. Grazie alla sua elevata bioattività e bioaccessibilità, il fucoidano a basso peso molecolare è un composto interessante per i prodotti farmaceutici e i sistemi di rilascio dei farmaci.

Casi di studio: Estrazione a ultrasuoni dei composti delle alghe

L'efficienza dell'estrazione a ultrasuoni e l'ottimizzazione dei parametri di estrazione a ultrasuoni sono stati ampiamente studiati. Di seguito sono riportati alcuni esempi di risultati di estrazione tramite ultrasuoni da varie specie di alghe.

Estrazione di proteine da Spirulina con la Mano-Termo-Sonicazione

Il gruppo di ricerca del Prof. Chemat (Università di Avignone) ha studiato gli effetti della manotermosonicazione (MTS) sull'estrazione di proteine (come la ficocianina) da cianobatteri secchi Arthrospira platensis (noti anche come spirulina). La manotermosonicazione (MTS) è l'applicazione degli ultrasuoni combinata con pressioni e temperature elevate per intensificare il processo di estrazione a ultrasuoni.
“Secondo i risultati sperimentali, l'MTS ha favorito il trasferimento di massa (alta diffusività effettiva, De) e ha permesso di ottenere il 229% in più di proteine (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) rispetto al processo convenzionale senza ultrasuoni (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Con 28,42 g di proteine per 100 g di biomassa di spirulina secca nell'estratto, è stato raggiunto un tasso di recupero delle proteine del 50% in 6 minuti effettivi con un processo MTS continuo. Le osservazioni al microscopio hanno mostrato che la cavitazione acustica ha avuto un impatto sui filamenti di spirulina attraverso diversi meccanismi, come la frammentazione, la sonoporazione e la detextura. Questi vari fenomeni facilitano l'estrazione, il rilascio e la solubilizzazione dei composti bioattivi della spirulina.” [Vernès et al., 2019]

Immagini di microscopia ottica di filamenti interi di spiurulina sottoposti a trattamento con MTS nel tempo. Barra di scala (figura A) = 50 μm per tutte le immagini.
immagine e studio: ©Vernès et al. 2019

Estrazione a ultrasuoni di fucoidani e glucani da Laminaria digitata

Il gruppo di ricerca TEAGASC del Dr. Tiwari ha studiato l'estrazione di polisaccaridi, cioè fucoidano, laminarina e glucani totali, dalla macroalga Laminaria digitata utilizzando il metodo di estrazione a freddo. ultrasonorizzatore UIP500hdT. I parametri di estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) studiati hanno mostrato un'influenza significativa sui livelli di fucosio, FRAP e DPPH. Sono stati ottenuti livelli di 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde e 11,02% rispettivamente per il fucosio, i glucani totali, il FRAP e il DPPH a condizioni ottimizzate di temperatura (76◦C), tempo (10 min) e ampiezza degli ultrasuoni (100%) utilizzando HCl 0,1 M come solvente. Le condizioni UAE descritte sono state poi applicate con successo ad altre macroalghe brune economicamente rilevanti (L. hyperborea e A. nodosum) per ottenere estratti ricchi di polisaccaridi. Questo studio dimostra l'applicabilità dell'EAU per migliorare l'estrazione di polisaccaridi bioattivi da varie specie macroalgali.

Estrazione fitochimica ad ultrasuoni da F. vesiculosus e P. canaliculata

Il team di ricerca di García-Vaquero ha confrontato diverse tecniche di estrazione innovative, tra cui l'estrazione a ultrasuoni ad alte prestazioni, l'estrazione a ultrasuoni-microonde, l'estrazione a microonde, l'estrazione idrotermale assistita e l'estrazione assistita ad alta pressione, per valutare l'efficienza di estrazione dalle specie di microalghe brune Fucus vesiculosus e Pelvetia canaliculata. Per l'ultrasuonizzazione è stata utilizzata la Estrattore a ultrasuoni Hielscher UIP500hdT. L'analisi delle rese di estrazione ha rivelato che l'estrazione a ultrasuoni ha permesso di ottenere le rese più elevate della maggior parte dei composti fitochimici di F. vesiculosus. Ciò significa che le rese più elevate di composti estratti da F. vesiculosus utilizzando l'estrazione a ultrasuoni sono state ottenute con il metodo estrattore a ultrasuoni UIP500hdT erano: contenuto di fenoli totali (445,0 ± 4,6 mg di acido gallico equivalenti/g), contenuto di florotannini totali (362,9 ± 3,7 mg di floroglucinolo equivalenti/g), contenuto di flavonoidi totali (286,3 ± 7,8 mg di quercetina equivalenti/g) e contenuto di tannini totali (189,1 ± 4,4 mg di catechina equivalenti/g).
Nel loro studio di ricerca, il team ha concluso che l'uso dell'estrazione assistita da ultrasuoni “combinata con una soluzione etanolica al 50% come solvente di estrazione, potrebbe essere una strategia promettente per l'estrazione di TPC, TPhC, TFC e TTC, riducendo al contempo la co-estrazione di carboidrati indesiderati sia da F. vesiculosus che da P. canaliculata, con applicazioni promettenti per l'utilizzo di questi composti come prodotti farmaceutici, nutraceutici e cosmeceutici.” [García-Vaquero et al., 2021].

Scale up della mano-termo-sonorizzazione all'Università di Avignone con gli ultrasuonatori Hielscher: dall'attrezzatura da laboratorio UIP1000hdT (A) alle apparecchiature su scala pilota UIP4000hdT (B, C & D). Nella figura D è schematizzata una sezione trasversale della cella a ultrasuoni. FC100K.
immagine e studio: ©Vernès et al. 2019

Estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la distruzione delle alghe

L'apparecchiatura a ultrasuoni all'avanguardia di Hielscher consente il pieno controllo dei parametri di processo, come ampiezza, temperatura, pressione ed energia immessa.
Per l'estrazione a ultrasuoni, parametri come la dimensione delle particelle della materia prima, il tipo di solvente, il rapporto solido-solvente e il tempo di estrazione possono essere variati e ottimizzati per ottenere i migliori risultati.
Poiché l'estrazione a ultrasuoni è un metodo di estrazione non termico, si evita la degradazione termica degli ingredienti bioattivi presenti nella materia prima, come le alghe.
Nel complesso, vantaggi come l'alta resa, il breve tempo di estrazione, la bassa temperatura di estrazione e le piccole quantità di solvente rendono la sonicazione il metodo di estrazione superiore.

Estrazione a ultrasuoni: Affermata in laboratorio e nell'industria

L'estrazione a ultrasuoni è ampiamente applicata per l'estrazione di qualsiasi tipo di composto bioattivo da piante, alghe, batteri e cellule di mammiferi. L'estrazione a ultrasuoni si è affermata come una tecnica semplice, economica e altamente efficiente, in grado di superare le altre tecniche di estrazione tradizionali grazie a rese di estrazione più elevate e a una durata di lavorazione più breve.
Grazie alla disponibilità di sistemi a ultrasuoni da laboratorio, da banco e completamente industriali, l'estrazione a ultrasuoni è oggi una tecnologia consolidata e affidabile. Gli estrattori a ultrasuoni Hielscher sono installati in tutto il mondo in impianti di lavorazione industriale che producono composti bioattivi di qualità alimentare e farmaceutica.

Standardizzazione dei processi con gli ultrasuoni Hielscher

Gli estratti derivati dalle alghe, utilizzati in campo alimentare, farmaceutico o cosmetico, devono essere prodotti in conformità alle buone pratiche di fabbricazione (GMP) e secondo specifiche di lavorazione standardizzate. Hielscher Ultrasonics’ I sistemi di estrazione digitale sono dotati di un software intelligente che facilita l'impostazione e il controllo preciso del processo di sonicazione. La registrazione automatica dei dati scrive tutti i parametri del processo a ultrasuoni come l'energia degli ultrasuoni (energia totale e netta), l'ampiezza, la temperatura, la pressione (quando sono montati i sensori di temperatura e pressione) con data e ora sulla scheda SD integrata. Ciò consente di rivedere ogni lotto trattato a ultrasuoni. Allo stesso tempo, vengono garantite la riproducibilità e l'alta qualità del prodotto.

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