Sonicazione per migliorare la disgregazione cellulare e l’estrazione delle alghe

Le alghe, sia macroalghe sia microalghe, contengono numerosi composti preziosi, utilizzati come alimenti nutritivi, additivi alimentari, combustibili o materie prime per combustibili. Per liberare le sostanze desiderate dalla cellula algale è necessaria una tecnica di disgregazione cellulare potente ed efficiente. Gli estrattori a ultrasuoni sono altamente efficienti e affidabili nell’estrazione di composti bioattivi da materiali vegetali, alghe e funghi. Disponibili su scala di laboratorio, da banco e industriale, gli estrattori a ultrasuoni Hielscher sono strumenti consolidati per la produzione di estratti di origine cellulare nei settori alimentare, farmaceutico e dei biocarburanti.

Le alghe come risorsa preziosa per l’alimentazione e i combustibili

Le cellule algali sono una fonte versatile di composti bioattivi e ricchi di energia, come proteine, carboidrati, lipidi e altre sostanze bioattive, oltre agli alcani. Questo rende le alghe una fonte di alimenti e composti nutritivi, nonché 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, capaci di sintetizzare una serie di idrocarburi saturi (n-alcani) da C₁₀H₂₂ a C₃₈H₇₈, classificati come benzina (C10–C15), gasoli (C16–C20) e oli combustibili (C21–C38).
Grazie al loro valore nutritivo, le alghe vengono utilizzate come “alimenti funzionali” o “nutraceutici”. Tra i micronutrienti importanti estratti dalle alghe figurano i carotenoidi astaxantina, fucoxantina e zeaxantina, il fucoidano, laminari e altri glucani, che, insieme a numerose altre sostanze bioattive, vengono utilizzati come integratori alimentari e prodotti farmaceutici. La carragenina, l’alginato e altri idrocolloidi vengono utilizzati come additivi alimentari. I lipidi delle alghe vengono utilizzati come fonte vegana di omega-3 e anche come combustibile o materia prima per la produzione di biodiesel.

Disgregazione cellulare ed estrazione delle alghe mediante ultrasuoni di potenza

Gli estrattori a ultrasuoni, o semplicemente sonicatori, vengono utilizzati per estrarre composti preziosi da piccoli campioni in laboratorio e per la produzione commerciale su larga scala.
Le cellule algali sono protette da complesse matrici della parete cellulare, composte da lipidi, cellulosa, proteine, glicoproteine e polisaccaridi. La struttura di 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; alcune microalghe, tuttavia, presentano una parete inorganica rigida composta da frustuli di silice opalina o da carbonato di calcio. Per ottenere composti bioattivi dalla biomassa algale è necessaria una tecnica efficiente di disgregazione cellulare. Oltre ai fattori tecnologici dell’estrazione (ossia il metodo e le apparecchiature di estrazione), l’efficienza della disgregazione cellulare e dell’estrazione delle alghe è fortemente influenzata anche da diversi fattori legati alle alghe, come la composizione della parete cellulare, la posizione della biomolecola desiderata nelle cellule delle microalghe e lo stadio di crescita delle microalghe al momento della raccolta.

Come funzionano la disgregazione cellulare e l’estrazione delle alghe mediante ultrasuoni?

Quando onde ultrasoniche ad alta intensità vengono accoppiate a un liquido o a una sospensione mediante una sonda a ultrasuoni (nota anche come corno ultrasonico o sonotrodo), le onde sonore attraversano il liquido, creando cicli alternati di alta pressione / bassa pressione. Durante questi cicli di alta pressione / bassa pressione si formano minuscole bolle di vuoto o cavità. Le bolle di cavitazione si formano quando, durante i cicli di bassa pressione, la pressione locale scende sufficientemente al di sotto della pressione di vapore saturo, un valore determinato dalla resistenza a trazione del liquido a una data temperatura. Queste bolle crescono nel corso di diversi cicli. Quando raggiungono una dimensione alla quale non possono più assorbire energia, implodono violentemente durante un ciclo di alta pressione. L’implosione delle bolle di cavitazione è un processo violento e ad alta densità energetica, che genera intense onde d’urto, turbolenze e microgetti nel fluido. Inoltre, si creano localmente pressioni e temperature molto elevate. Queste condizioni estreme sono facilmente in grado di disgregare pareti e membrane cellulari e di liberare i composti intracellulari in modo efficace, efficiente e rapido. I composti intracellulari, come proteine, polisaccaridi, lipidi, vitamine, minerali e antiossidanti, possono quindi essere estratti efficacemente mediante ultrasuoni di potenza.

Cavitazione ultrasonica per la disgregazione cellulare e l’estrazione

Quando viene esposta a intensa energia ultrasonica, la parete o la membrana di qualsiasi tipo di cellula (comprese cellule vegetali, di mammiferi, algali, fungine, batteriche ecc.) viene disgregata e la cellula viene lacerata in frammenti più piccoli dalle forze meccaniche della cavitazione ultrasonica ad alta densità energetica. Quando la parete cellulare si rompe, i metaboliti cellulari, come proteine, lipidi, acidi nucleici e clorofilla, vengono liberati sia dalla matrice della parete cellulare sia dall’interno della cellula e trasferiti nel terreno di coltura o nel solvente circostante.
Il meccanismo di cavitazione ultrasonica / acustica descritto sopra provoca una marcata disgregazione delle cellule algali intere o dei vacuoli gassosi e liquidi al loro interno. La cavitazione ultrasonica, le vibrazioni, le turbolenze e le microcorrenti favoriscono il trasferimento di massa tra l’interno della cellula e il solvente circostante, consentendo un rilascio efficiente e rapido delle biomolecole (ossia dei metaboliti). La sonicazione è infatti un trattamento puramente meccanico che non richiede sostanze chimiche aggressive, tossiche e/o costose.
Gli ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza creano condizioni estreme ad alta densità energetica, caratterizzate da pressioni, temperature e forze di taglio elevate. Queste forze fisiche favoriscono la disgregazione delle strutture cellulari per liberare i composti intracellulari nel mezzo. Pertanto, gli ultrasuoni a bassa frequenza sono ampiamente utilizzati per estrarre sostanze bioattive e combustibili dalle alghe. Rispetto ai metodi di estrazione convenzionali, come l’estrazione con solvente, la macinazione con mulino a sfere o l’omogeneizzazione ad alta pressione, l’estrazione a ultrasuoni si distingue per il rilascio della maggior parte dei composti bioattivi (come lipidi, proteine, polisaccaridi e micronutrienti) dalla cellula sottoposta a sonoporazione e disgregazione. Applicando le condizioni di processo corrette, l’estrazione a ultrasuoni offre rese di estrazione superiori in tempi di processo molto brevi. Ad esempio, gli estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni mostrano eccellenti prestazioni di estrazione dalle alghe quando vengono utilizzati con un solvente adatto. In un mezzo acido o alcalino, la parete cellulare algale diventa porosa e raggrinzita, determinando rese più elevate a bassa temperatura (inferiore a 60°C) con un breve tempo di sonicazione (meno di 3 ore). La breve durata dell’estrazione a temperature moderate impedisce la degradazione del fucoidano, permettendo di ottenere un polisaccaride altamente bioattivo.
La sonicazione è anche un metodo per trasformare il fucoidano ad alto peso molecolare in fucoidano a basso peso molecolare, significativamente più bioattivo grazie alla sua struttura deramificata. 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 somministrazione dei farmaci.

Casi di studio: estrazione a ultrasuoni di composti delle alghe

L’efficienza dell’estrazione a ultrasuoni e l’ottimizzazione dei relativi parametri sono state ampiamente studiate. Di seguito sono riportati alcuni esempi dei risultati di estrazione mediante sonicazione da diverse specie di alghe.

Estrazione delle proteine dalla spirulina mediante 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) dai cianobatteri essiccati Arthrospira platensis (noti anche come spirulina). La mano-termo-sonicazione (MTS) consiste nell’applicazione di ultrasuoni combinati con pressioni e temperature elevate per intensificare il processo di estrazione a ultrasuoni.
“Secondo i risultati sperimentali, la MTS ha favorito il trasferimento di massa (elevata diffusività effettiva, De) e ha consentito 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, è stato raggiunto un tasso di recupero delle proteine del 50% in 6 minuti effettivi con un processo MTS continuo. Le osservazioni microscopiche hanno mostrato che la cavitazione acustica ha agito sui filamenti di spirulina attraverso diversi meccanismi, come frammentazione, sonoporazione e destrutturazione. Questi diversi 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 spirulina sottoposti al trattamento MTS nel tempo. Barra di scala (immagine A) = 50 μm per tutte le immagini.
immagine e studio: ©Vernès et al. 2019

Estrazione a ultrasuoni di fucoidano e glucani da Laminaria digitata

Il gruppo di ricerca TEAGASC del Dr. Tiwari ha studiato l’estrazione di polisaccaridi, ossia fucoidano, laminarina e glucani totali, dalla macroalga Laminaria digitata utilizzando il sonicatore UIP500hdT. I parametri studiati per l’estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) 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 fucosio, glucani totali, FRAP e DPPH, in condizioni ottimizzate di temperatura (76◦C), tempo (10 min) e ampiezza ultrasonica (100%), utilizzando 0,1 M HCl come solvente. Le condizioni UAE descritte sono state poi applicate con successo ad altre macroalghe brune di rilevanza economica (L. hyperborea e A. nodosum) per ottenere estratti ricchi di polisaccaridi. Questo studio dimostra l’applicabilità della UAE per migliorare l’estrazione di polisaccaridi bioattivi da diverse specie di macroalghe.

Estrazione a ultrasuoni di composti fitochimici da F. vesiculosus e P. canaliculata

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

Passaggio a una scala maggiore della mano-termo-sonicazione presso l’Università di Avignone utilizzando sonicatori Hielscher: dall’apparecchiatura di laboratorio UIP1000hdT (A) all’apparecchiatura su scala pilota UIP4000hdT (B, C e D). Nell’immagine D è schematizzata una sezione trasversale della cella di flusso a ultrasuoni FC100K.
immagine e studio: ©Vernès et al. 2019

Estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la disgregazione delle alghe

Le apparecchiature a ultrasuoni all’avanguardia di Hielscher consentono il controllo completo dei parametri di processo, come ampiezza, temperatura, pressione ed energia immessa.
Per l’estrazione a ultrasuoni, parametri come la granulometria 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’elevata 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: consolidata in laboratorio e nell’industria

L’estrazione a ultrasuoni è ampiamente utilizzata per estrarre qualsiasi tipo di composto bioattivo da materiali vegetali, alghe, batteri e cellule di mammiferi. Si è affermata come tecnica semplice, economica e altamente efficiente, che supera le altre tecniche di estrazione tradizionali grazie a rese più elevate e a tempi di trattamento più brevi.
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 grado alimentare e farmaceutico.

Standardizzazione del processo con Hielscher Ultrasonics

Gli estratti derivati dalle alghe, utilizzati negli alimenti, nei prodotti farmaceutici o nei cosmetici, devono essere prodotti in conformità alle buone pratiche di fabbricazione (GMP) e secondo specifiche di processo standardizzate. I sistemi digitali di estrazione 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 memorizza sulla scheda SD integrata tutti i parametri del processo a ultrasuoni, come energia ultrasonica (energia totale e netta), ampiezza, temperatura e pressione (quando sono installati i sensori di temperatura e pressione), con data e ora. Questo consente di verificare ogni lotto trattato con ultrasuoni. Allo stesso tempo, vengono garantite la riproducibilità e una qualità del prodotto costantemente elevata.

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