藻類細胞破壊と抽出を改善するための超音波処理

藻類、マクロ、微細藻類には、栄養食品、食品添加物、または燃料または燃料原料として使用される多くの貴重な化合物が含まれています。藻細胞から標的物質を放出するためには、強力で効率的な細胞破壊技術が必要である。超音波抽出器は、植物、藻類および真菌からの生理活性化合物の抽出に関しては、非常に効率的で信頼性が高い。実験室で利用できる、ベンチトップおよび工業規模、ヒールシャー超音波抽出器は食糧、薬剤および生物燃料の生産の細胞由来の抽出物の生産で確立される。

栄養・燃料の貴重な資源としての藻類

藻類細胞は、タンパク質、炭水化物、脂質、その他の生物活性物質、アルカンなどの生物活性およびエネルギー豊富な化合物の汎用性の高い供給源です。これは、藻類だけでなく、燃料のための食品や栄養化合物の供給源になります。
微細藻類は、栄養やバイオ燃料(例えばバイオディーゼル)の原料として使用される脂質の価値のある供給源です。放射性ジクラテリア・ロタンダのような海洋植物プランクトン・ディクラテリアの株は、Cから一連の飽和炭化水素(n-アルカンヌ)を合成することができるガソリン産生藻類として知られている_10歳H_22歳 Cへ₃₈H₇₈ガソリン(C10-C15)、ディーゼル油(C16-C20)、および燃料油(C21-C38)に分類されます。
栄養価のため、藻類は「機能性食品」または「栄養補助食品」として使用されます。藻類から抽出された重要な微量栄養素としては、カロテノイドアスタキサンチン、フコキサンチンおよびゼアキサンチン、フコイダン、ラミニナリおよび他の多くの生物活性物質の中で、栄養補助剤およびカルメシカルとして使用される。カラギーナン、アルギン酸および他のヒドロコロイドは、食品添加物として使用されています。藻類脂質は、ビーガンオメガ3源として使用され、また、燃料として、またはバイオディーゼルの生産のための原料として使用されます。

パワー超音波による藻類細胞破壊と抽出

超音波抽出器や単に超音波処理器は、実験室での小さなサンプルから貴重な化合物を抽出するだけでなく、大規模な商業規模での生産のために使用されます。
藻類細胞は、脂質、セルロース、タンパク質、糖タンパク質、および多糖類で構成される複雑な細胞壁マトリックスによって保護されています。ほとんどの藻類細胞壁の基盤は、ゲル状のタンパク質マトリックス内のミクロフィブリラーネットワークで構築されています。しかし、一部の微細藻類には、オパリンシリカフラストルまたは炭酸カルシウムで構成された無機剛性壁が装備されています。藻類バイオマスから生理活性化合物を得るためには、効率的な細胞破壊技術が必要である。また、抽出法や装置などの技術抽出因子に加えて、藻類細胞の破壊・抽出の効率は、細胞壁の組成、微細藻類細胞における望ましい生体分子の位置、収穫時の微細藻類の成長段階など、様々な藻類依存因子の影響を強く受けます。

超音波藻類細胞破壊と抽出はどのように働きますか?

高強度超音波が超音波プローブ(超音波ホーンまたはソノトロードとも呼ばれる)を介して液体またはスラリーに結合されると、音波が液体を通過し、それによって高圧/低圧サイクルを交互に生成します。これらの高圧/低圧サイクルの間に、微小な真空気泡または空洞が発生する。キャビテーション気泡は、飽和蒸気圧を十分に下回る低圧サイクルの間に局所圧力が下がったときに発生し、ある温度で液体の引張強度によって与えられる値である。これは、いくつかのサイクルにわたって成長します。これらの真空気泡は、より多くのエネルギーを吸収できない大きさに達すると、高圧サイクル中に激しく爆発します。キャビテーション気泡の爆発は、流体に激しい衝撃波、乱流、およびマイクロジェットを生成する激しい、エネルギー密度の高いプロセスです。さらに、局地的な非常に高圧および非常に高い温度が作成される。これらの極端な条件は、細胞壁や膜を破壊し、効果的で効果的かつ迅速な方法で細胞内化合物を放出することが容易に可能です。タンパク質、多糖類、脂質、ビタミン、ミネラル、抗酸化物質などの細胞内化合物は、パワー超音波を用いて効果的に抽出することができます。

細胞破壊および抽出のための超音波キャビテーション

強烈な超音波エネルギーにさらされると、あらゆる種類の細胞(植物、哺乳類、藻類、真菌、細菌など)の壁または膜が破壊され、エネルギー密度の高い超音波キャビテーションの機械的力によって細胞が小さな断片に引き裂かれます。細胞壁が壊れると、タンパク質、脂質、核酸、クロロフィルなどの細胞代謝産物が細胞壁マトリックスから放出され、細胞内部から放出され、周囲の培養培地または溶媒に移されます。
超音波/音響キャビテーションの上記のメカニズムは、細胞内の全体の藻類細胞または気体および液体液胞を破壊する。超音波キャビテーション、振動、乱流およびマイクロストリーミングは、生体分子(すなわち代謝物)が効率的かつ迅速に放出されるように、細胞内部と周囲の溶媒との間の物質移動を促進する。超音波処理は、過酷な、有毒および/または高価な化学物質を必要としない純粋に機械的な治療であるため。
高強度、低周波超音波は、高圧、温度および高いせん断力を備えた極端なエネルギー密度の高い条件を作成します。これらの物理的な力は、培地中に細胞内化合物を放出するために細胞構造の破壊を促進する。したがって、低周波超音波は、藻類からの生理活性物質および燃料の抽出に主に使用される。溶媒抽出、ビーズミリング、高圧均質化などの従来の抽出方法と比較すると、超音波抽出は、ほとんどの生理活性化合物(脂質、タンパク質、多糖類、微量栄養素など)を、ソノポ化および破壊された細胞から放出することによって優れています。適切なプロセス条件を適用し、超音波抽出は非常に短いプロセス期間内で優れた抽出収率を与えます。例えば、高性能超音波抽出器は、適切な溶媒と共に使用した場合、藻類からの優れた抽出性能を示す。酸性またはアルカリ性の培地では、藻類細胞壁が多孔質でしわになり、短い超音波処理時間(3時間未満)で低温(60°C以下)で収率が上昇します。穏やかな温度での短い抽出持続時間はフコイダンの分解を防ぎ、非常に生理活性な多糖が得られる。
超音波はまた、その枝分かれ構造に著しく生理活性である低分子量フコイダンに高分子量フコイダンを変換する方法です。高い生物活性とバイオアクセシビリティを持つ低分子量フコイダンは、医薬品やドラッグデリバリーシステムにとって興味深い化合物です。

事例研究:藻類化合物の超音波抽出

超音波抽出効率と超音波抽出パラメータの最適化が広く研究されています。以下、様々な藻類種からの超音波を介して抽出結果の例示的な結果を見つけることができます。

マノ・サーモ・ソニッセ化を用いたスピルリナからのタンパク質抽出

ケマト教授(アヴィニョン大学)の研究グループは、乾燥した関節鏡板膜シアノバクテリア(スピルリナとも呼ばれる)からのタンパク質(フィコシアニンなど)の抽出に対するマナズモ超音波処理(MTS)の影響を調査しました。マノ熱超音波処理(MTS)は、超音波抽出プロセスを強化するために、高い圧力と温度と組み合わせた超音波のアプリケーションです。
「実験結果によると、MTSは、質量移動(高有効拡散性、De)を促進し、超音波なしの従来のプロセス(8.63±1.15 g /100 g DW)よりも229%多くのタンパク質(28.42±1.15 g/100 g DW)を得ることを可能にしました。抽出物中の乾燥スピルリナバイオマス100g当たり28.42gのタンパク質を用い、連続MTSプロセスで6分で50%のタンパク質回収率を達成した。顕微鏡観察は、音響キャビテーションが断片化、ソノポレーション、デテクテーションなどの異なるメカニズムによってスピルリナフィラメントに影響を与えたことを示した。これらの様々な現象により、スピルリナ生物活性化合物の抽出、放出、可溶化が容易になります。[ヴェルネスら、2019]

時間の経過に応じMTS処理を施したスピルリナフィラメント全体の光学顕微鏡画像。スケールバー(ピクチャA)= すべての画像のための50 μm。
絵と研究: ©ヴェルネスら 2019

超音波フコイダンとグルカン抽出から ラミナリア・ディジタータ

ティワリ博士のTEAGASC研究グループは、マクロ藻類ラミナリア・デジタータから多糖、すなわちフコイダン、ラミナリンおよび全グルカンの抽出を調査した。 超音波処理器 UIP500hdT.研究した超音波支援抽出(UAE)パラメータは、フコース、FRAPおよびDPPHのレベルに有意な影響を示した。1060.75 mg/100 g dsのレベル、 968.57 mg/100 g ds、8.70 μM trolox/mg fde、および11.02%を、温度(76◦C)、時間(10分)、および0.1MClを溶媒として使用する超音波振幅(100%)の最適化条件でそれぞれフコース、グルカン、FRAPおよびDPPHに対して得られた。その後、記載されたUAE条件を、経済的に関連する他の褐色マクロ藻類(L.ハイパーボレアおよびA.ノドサム)に適用され、多糖類の豊富な抽出物を得た。この研究は、様々なマクロ性種からの生理活性多糖類の抽出を増強するUAEの適用性を示す。

超音波植物化学抽出から F. ベシキュロス そして P. カナリキュラタ

ガルシア・ヴァケロの研究チームは、褐色微細藻類種フカス・シキュロスとペルヴェティア・カナリキュラタからの抽出効率を評価するために、高性能超音波抽出、超音波マイクロ波抽出、マイクロ波抽出、熱水支援抽出、高圧支援抽出を含む様々な新しい抽出技術を比較した。超音波のために、彼らは使用しました ヒールシャー UIP500hdT 超音波抽出器.抽出収量のanylsisは、超音波抽出が両方のF.ベシクロスから最も植物化学物質の最高収量を達成したことを明らかにしました。これは、F.ベシクロサスから抽出された化合物の最高収率を意味し、 超音波抽出器 UIP500hdT 全フェノール含有量(445.0±4.6mgのガリン酸当量/g)、総フロロタンニン含量(362.9±3.7mgフロログルシノール当量/g)、フラボノイド含有量(286.3±7.8mgのケルセチン当量/g)および総タンニン含有量(189.1.± 4mg当量)および総タンニン含有量(189.1.4mg当量)
研究チームは、超音波支援抽出の使用は「抽出溶媒として50%エタノール溶液と組み合わせることで、TPC、TPhC、TFCおよびTTCの抽出を標的とする有望な戦略となり、F.ベシクロロスとP.カナリキュラタの両方からの望ましくない炭水化物の共同抽出を減らすことができると結論付けました。 栄養補助食品とコスメチュティカル」[ガルシア=ヴァケロら、2021]

ヒールシャー超音波装置を使用してアヴィニョン大学でのマノ熱超音波処理のスケールアップ:実験室機器から UIP1000hdT (A)パイロットスケール機器 UIP4000hdT (B、C & D). 画像 D は、超音波フロー セルのトランスバーサル セクションをスキーマ化されています。 FC100K。
絵と研究: ©ヴェルネスら 2019

藻類破壊のための高性能超音波抽出器

Hielscherの最先端の超音波装置は、振幅、温度、圧力、エネルギー入力などのプロセスパラメータを完全に制御することができます。
超音波抽出の場合、原料粒子径、溶媒タイプ、固体対溶媒比、抽出時間などのパラメータを変更し、最適な結果を得ることができます。
超音波抽出は非熱抽出法であるため、藻類等の原料中に存在する生物活性成分の熱分解は避ける。
全体的に、高収率、短い抽出時間、低い抽出温度、および少量の溶媒などの利点は、超音波処理を優れた抽出方法にします。

超音波抽出:ラボと産業で確立

超音波抽出は、植物、藻類、細菌および哺乳動物細胞からの生物活性化合物の抽出のために広く適用される。超音波抽出は、より高い抽出収率と短い処理時間によって他の伝統的な抽出技術を優れているシンプルで費用対効果が高く、非常に効率的として確立されています。
ラボ、ベンチトップ、完全工業用超音波システムを容易に利用でき、超音波抽出は、今日では確立され、信頼できる技術です。ヒールシャー超音波抽出器は、食品および製薬グレードの生物活性化合物を生産する産業加工施設に世界中に設置されています。

ヒールシャー超音波によるプロセス標準化

食品、医薬品、化粧品に使用される藻類由来の抽出物は、グッド・マニュファクチャリング・プラクティス(GMP)に従い、標準化された加工仕様の下で製造されなければなりません。ヒールシャー超音波のデジタル抽出システムは、それが設定し、正確に超音波処理プロセスを制御することが容易になり、インテリジェントなソフトウェアが付属しています。自動データ記録は、超音波エネルギー(総エネルギーと正味エネルギー)、振幅、温度、圧力(温度センサーと圧力センサーが取り付けられている場合)などの超音波プロセスパラメータを、内蔵のSDカードに日付とタイムスタンプを書き込みます。これにより、超音波処理ロットを改訂することができます。同時に、再現性と継続的に高い品質が保証されます。

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：