Ultrasuoni per migliorare la distruzione 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 combustibile o materia prima per carburanti. Al fine di rilasciare le sostanze target dalla cellula dell'alga, è necessaria una tecnica di rottura delle cellule potente ed efficiente. Gli estrattori a ultrasuoni sono altamente efficienti e affidabili per l'estrazione di composti bioattivi da piante, alghe e funghi. Disponibili da laboratorio, da banco e su scala industriale, gli estrattori a ultrasuoni Hielscher si sono affermati nella produzione di estratti derivati da cellule nella produzione alimentare, farmaceutica e di biocarburanti.

Le alghe come risorsa preziosa 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 e alcani. Questo rende le alghe una fonte di cibo e di composti nutrizionali così come di combustibili.
Le microalghe sono una fonte preziosa di lipidi, che vengono utilizzati per la nutrizione e come materia prima per i biocarburanti (ad esempio, il biodiesel). I ceppi del fitoplancton marino Dicrateria, come Dicrateria rotunda, sono noti come alghe produttrici di benzina, che possono 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).
Grazie al loro valore nutrizionale, le alghe sono utilizzate come "alimenti funzionali" o "nutraceutici". Importanti micro-nutrienti estratti dalle alghe includono i carotenoidi astaxantina, fucoxantina e zeaxantina, fucoidano, laminari e altri glucani tra numerose altre sostanze bioattive sono utilizzati come integratori alimentari e farmaceutici. Carragenina, alginato e altri idrocolloidi sono usati come additivi alimentari. I lipidi delle alghe sono usati come fonte vegana di omega-3 e anche come combustibile o come materia prima per la produzione di biodiesel.

Distruzione ed estrazione delle cellule delle alghe mediante ultrasuoni di potenza

Gli estrattori a ultrasuoni o semplicemente gli ultrasuoni 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, che sono 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 al gel; tuttavia, alcune microalghe sono dotate di una parete rigida inorganica composta da frustoli di silice opalina o carbonato di calcio. Al fine di ottenere composti bioattivi dalla biomassa algale, è necessaria una tecnica efficiente di distruzione delle cellule. Oltre ai fattori tecnologici di estrazione (cioè, metodo di estrazione e attrezzature), l'efficienza della rottura delle cellule delle alghe e l'estrazione è anche fortemente influenzata da vari fattori dipendenti dalle alghe come la composizione della parete cellulare, la posizione della biomolecola desiderata nelle cellule microalghe, e lo stadio di crescita delle microalghe durante la raccolta.

Come funziona la distruzione e l'estrazione ultrasonica delle cellule delle alghe?

Quando le onde ultrasoniche ad alta intensità sono accoppiate tramite una sonda ultrasonica (nota anche come corno ultrasonico o sonotrodo) in un liquido o liquame, le onde sonore viaggiano attraverso il liquido e creano così cicli alternati di alta pressione / bassa pressione. Durante questi cicli ad alta pressione / bassa pressione, si verificano minuscole bolle di vuoto o cavità. Le bolle di cavitazione si verificano quando la pressione locale scende durante i cicli di bassa pressione abbastanza al di sotto della pressione del vapore saturo, un valore dato dalla resistenza alla trazione del liquido ad una certa temperatura. Le quali crescono nel corso di diversi cicli. Quando queste bolle di cavitazione raggiungono una dimensione in cui non possono assorbire più 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 localizzate e temperature molto alte. Queste condizioni estreme sono facilmente in grado di distruggere le pareti e le membrane cellulari e di rilasciare composti intracellulari in modo efficace, efficiente e rapido. I composti intracellulari come le proteine, i polisaccaridi, i lipidi, le vitamine, i minerali e gli antiossidanti possono quindi essere efficacemente estratti utilizzando gli ultrasuoni di potenza.

Cavitazione ultrasonica per la distruzione e l'estrazione delle cellule

Quando viene esposta a un'intensa energia ultrasonica, la parete o la membrana di qualsiasi tipo di cellula (compresa quella botanica, mammifera, algale, fungina, batterica, ecc.) viene interrotta e la cellula viene lacerata in frammenti più piccoli dalle forze meccaniche della cavitazione ultrasonica ad alta energia. Quando la parete cellulare viene rotta, i metaboliti cellulari come proteine, lipidi, acido nucleico e clorofilla vengono rilasciati dalla matrice della parete cellulare e dall'interno della cellula e vengono trasferiti nel mezzo di coltura circostante o nel solvente.
Il meccanismo sopra descritto di cavitazione ultrasonica/acustica distrugge gravemente intere cellule algali o vacuoli di gas e liquidi all'interno delle cellule. La cavitazione ultrasonica, le vibrazioni, le turbolenze e il micro-streaming promuovono il trasferimento di massa tra l'interno della cellula e il solvente circostante in modo che le biomolecole (cioè i metaboliti) siano efficienti e rapidamente rilasciate. Poiché la sonicazione è un trattamento puramente meccanico che non richiede sostanze chimiche dure, tossiche e/o costose.
Gli ultrasuoni ad alta intensità e a bassa frequenza creano condizioni di estrema densità energetica, con pressioni e temperature elevate e forze di taglio elevate. Queste forze fisiche promuovono la rottura delle strutture cellulari al fine di rilasciare composti intracellulari nel mezzo. Pertanto, gli ultrasuoni a bassa frequenza sono ampiamente utilizzati per l'estrazione di sostanze bioattive e combustibili dalle alghe. Rispetto ai metodi di estrazione convenzionali come l'estrazione con solvente, la fresatura delle perle o l'omogeneizzazione ad alta pressione, l'estrazione a ultrasuoni eccelle rilasciando la maggior parte dei composti bioattivi (come lipidi, proteine, polisaccaridi e micronutrienti) dalla cellula sonoporata e distrutta. Applicando le giuste condizioni di processo, l'estrazione a ultrasuoni offre rendimenti di estrazione superiori in una durata di processo molto breve. Per 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 algale diventa porosa e rugosa, portando a rendimenti maggiori 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'ultrasuonazione 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 sbramata. Con la sua elevata bioattività e bioaccessibilità, il fucoidano a basso peso molecolare è un composto interessante per i prodotti farmaceutici e i sistemi di consegna dei farmaci.

Casi di studio: Estrazione a ultrasuoni di composti di alghe

L'efficienza dell'estrazione a ultrasuoni e l'ottimizzazione dei parametri di estrazione a ultrasuoni sono stati ampiamente studiati. Di seguito, potete trovare risultati esemplari per i risultati di estrazione tramite ultrasuoni da varie specie di alghe.

Estrazione di proteine dalla Spirulina usando la Mano-Thermo-Sonication

Il gruppo di ricerca del Prof. Chemat (Università di Avignone) ha studiato gli effetti della manotermosonicazione (MTS) sull'estrazione delle proteine (come la ficocianina) dai cianobatteri secchi Arthrospira platensis (noti anche come spirulina). La manotermosonicalizzazione (MTS) è l'applicazione degli ultrasuoni combinata con pressioni e temperature elevate al fine di intensificare il processo di estrazione ultrasonica.
"Secondo i risultati sperimentali, MTS ha promosso il trasferimento di massa (alta diffusività effettiva, De) e ha permesso di ottenere il 229% di proteine in più (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 secca di spirulina nell'estratto, un tasso di recupero delle proteine del 50% è stato raggiunto in 6 minuti effettivi con un processo MTS continuo. Le osservazioni microscopiche hanno mostrato che la cavitazione acustica ha colpito i filamenti di spirulina con diversi meccanismi come la frammentazione, la sonoporazione, la detexturazione. Questi diversi fenomeni facilitano l'estrazione, il rilascio e la solubilizzazione dei composti bioattivi della spirulina." [Vernès et al., 2019]

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

Estrazione ultrasonica 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 ultrasuonatore UIP500hdT. I parametri di estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) studiati hanno mostrato un'influenza significativa sui livelli di fucosio, FRAP e DPPH. Livelli di 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde e 11,02% sono stati ottenuti rispettivamente per fucosio, glucani totali, FRAP e DPPH in condizioni ottimizzate di temperatura (76◦C), tempo (10 min) e ampiezza ultrasonica (100%) usando 0,1 M HCl 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 di UAE per migliorare l'estrazione di polisaccaridi bioattivi da varie specie di macroalghe.

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

Il team di ricerca di García-Vaquero ha confrontato varie nuove tecniche di estrazione, tra cui l'estrazione a ultrasuoni ad alte prestazioni, l'estrazione a ultrasuoni e microonde, l'estrazione a microonde, l'estrazione idrotermale assistita e l'estrazione ad alta pressione, al fine di valutare l'efficienza di estrazione dalle specie di microalghe brune Fucus vesiculosus e Pelvetia canaliculata. Per l'ultrasuoni, hanno usato il Estrattore a ultrasuoni Hielscher UIP500hdT. L'analisi dei rendimenti dell'estrazione ha rivelato che l'estrazione ad ultrasuoni ha ottenuto i rendimenti più alti della maggior parte delle sostanze fitochimiche da entrambi i F. vesiculosus. Ciò significa che i rendimenti più alti dei composti estratti da F. vesiculosus utilizzando la estrattore ultrasonico UIP500hdT erano: contenuto fenolico totale (445.0 ± 4.6 mg di equivalenti di acido gallico/g), contenuto totale di florotannini (362.9 ± 3.7 mg di equivalenti di floroglucinolo/g), contenuto totale di flavonoidi (286.3 ± 7.8 mg di equivalenti di quercetina/g) e contenuto totale di tannini (189.1 ± 4.4 mg di equivalenti di catechina/g).
Nel loro studio di ricerca, il team ha concluso che l'uso dell'estrazione assistita da ultrasuoni "combinato 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 la co-estrazione di carboidrati indesiderati sia da F. vesiculosus che da P. canaliculata, con applicazioni promettenti quando si utilizzano questi composti come farmaci, nutraceutici e cosmeceutici. [García-Vaquero et al., 2021]

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

Estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la distruzione delle alghe

L'apparecchiatura a ultrasuoni Hielscher all'avanguardia consente il pieno controllo dei parametri di processo quali ampiezza, temperatura, pressione ed energia in ingresso.
Per l'estrazione a ultrasuoni, i 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, i 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: Stabilito 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 che supera le altre tecniche di estrazione tradizionali grazie a rese di estrazione più elevate e a una durata di lavorazione più breve.
Con sistemi a ultrasuoni da laboratorio, da banco e completamente industriali facilmente disponibili, 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 grado alimentare e farmaceutico.

Standardizzazione dei processi con Hielscher Ultrasonics

Gli estratti derivati dalle alghe, che vengono utilizzati nei prodotti alimentari, farmaceutici o cosmetici, devono essere prodotti in conformità alle buone pratiche di fabbricazione (GMP) e secondo specifiche di lavorazione standardizzate. I sistemi di estrazione digitale di Hielscher Ultrasonics 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 ultrasonico come l'energia degli ultrasuoni (energia totale e netta), l'ampiezza, la temperatura, la pressione (quando sono montati sensori di temperatura e pressione) con data e ora sulla scheda SD integrata. Questo permette di rivedere ogni lotto trattato con gli ultrasuoni. Allo stesso tempo, la riproducibilità e la qualità del prodotto costantemente elevata sono assicurate.

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