ულტრაბგერითი წყალმცენარეების უჯრედების მოშლისა და ექსტრაქციის გასაუმჯობესებლად

წყალმცენარეები, მაკრო და მიკრო წყალმცენარეები შეიცავს ბევრ ღირებულ ნაერთს, რომლებიც გამოიყენება საკვებ საკვებად, საკვებ დანამატებად ან საწვავად ან საწვავის საკვებად. წყალმცენარეების უჯრედიდან სამიზნე ნივთიერებების გასათავისუფლებლად საჭიროა უჯრედების დაშლის ძლიერი და ეფექტური ტექნიკა. ულტრაბგერითი ექსტრაქტორები ძალიან ეფექტური და საიმედოა, როდესაც საქმე ეხება ბიოაქტიური ნაერთების მოპოვებას ბოტანიკური, წყალმცენარეებისა და სოკოებისგან. ხელმისაწვდომია ლაბორატორიაში, სკამზე და სამრეწველო მასშტაბებზე, Hielscher ულტრაბგერითი ექსტრაქტორები დაფუძნებულია უჯრედული წარმოშობის ექსტრაქტების წარმოებაში საკვებში, ფარმაცევტულ და ბიო-საწვავის წარმოებაში.

წყალმცენარეები, როგორც კვების და საწვავის ღირებული რესურსი

წყალმცენარეების უჯრედები არის ბიოაქტიური და ენერგიით მდიდარი ნაერთების მრავალმხრივი წყარო, როგორიცაა ცილები, ნახშირწყლები, ლიპიდები და სხვა ბიოაქტიური ნივთიერებები, ასევე ალკანები. ეს ხდის წყალმცენარეებს საკვებისა და კვებითი ნაერთების, ასევე საწვავის წყაროდ.
მიკრო წყალმცენარეები ლიპიდების ღირებული წყაროა, რომლებიც გამოიყენება კვებისთვის და ბიოსაწვავის საკვებად (მაგ., ბიოდიზელი). ზღვის ფიტოპლანქტონის შტამები Dicrateria, როგორიცაა Dicrateria rotunda, ცნობილია როგორც ბენზინის მწარმოებელი წყალმცენარეები, რომლებსაც შეუძლიათ C-დან გაჯერებული ნახშირწყალბადების (n-ალკანების) სერიის სინთეზირება.₁₀ჰ₂₂ C-მდე₃₈ჰ₇₈, რომლებიც კლასიფიცირდება როგორც ბენზინი (C10–C15), დიზელის ზეთები (C16–C20) და საწვავის ზეთები (C21–C38).
მათი კვებითი ღირებულებიდან გამომდინარე, წყალმცენარეები გამოიყენება როგორც "ფუნქციური საკვები" ან "ნუტრაცევტიკა". წყალმცენარეებიდან მოპოვებული მნიშვნელოვანი მიკროელემენტებია: კაროტინოიდები ასტაქსანტინი, ფუკოქსანტინი და ზეაქსანტინი, ფუკოიდანი, ლამინარი და სხვა გლუკანები, მათ შორის მრავალი სხვა ბიოაქტიური ნივთიერება, რომლებიც გამოიყენება როგორც საკვები დანამატები და ფარმაცევტული საშუალებები. კარაგენანი, ალგინატი და სხვა ჰიდროკოლოიდები გამოიყენება როგორც საკვები დანამატები. წყალმცენარეების ლიპიდები გამოიყენება როგორც ვეგანური ომეგა -3 წყარო და ასევე გამოიყენება როგორც საწვავი ან როგორც საკვები ბიოდიზელის წარმოებისთვის.

წყალმცენარეების უჯრედების მოშლა და ექსტრაქცია დენის ულტრაბგერით

ულტრაბგერითი ექსტრაქტორები ან უბრალოდ ულტრაბგერითი გამოიყენება ღირებული ნაერთების ამოსაღებად მცირე ნიმუშებიდან ლაბორატორიაში, ასევე დიდი კომერციული მასშტაბის წარმოებისთვის.
წყალმცენარეების უჯრედი დაცულია უჯრედის კედლის რთული მატრიცებით, რომლებიც შედგება ლიპიდების, ცელულოზის, ცილების, გლიკოპროტეინების და პოლისაქარიდებისგან. წყალმცენარეების უმეტესი უჯრედის კედლების საფუძველი აგებულია მიკროფიბრილარული ქსელით გელის მსგავსი ცილის მატრიცში; თუმცა, ზოგიერთი მიკრო წყალმცენარეები აღჭურვილია არაორგანული ხისტი კედლით, რომელიც შედგება ოპალინის სილიციუმის ფრუსტულების ან კალციუმის კარბონატისგან. წყალმცენარეების ბიომასიდან ბიოაქტიური ნაერთების მისაღებად საჭიროა უჯრედების დაშლის ეფექტური ტექნიკა. გარდა ტექნოლოგიური ექსტრაქციის ფაქტორებისა (ე.ი. მოპოვების მეთოდისა და აღჭურვილობისა), წყალმცენარეების უჯრედების დაშლისა და ექსტრაქციის ეფექტურობაზე ასევე ძლიერ გავლენას ახდენს წყალმცენარეებზე დამოკიდებული სხვადასხვა ფაქტორები, როგორიცაა უჯრედის კედლის შემადგენლობა, სასურველი ბიომოლეკულის მდებარეობა მიკროწყალმცენარეების უჯრედებში და ზრდა. მიკრო წყალმცენარეების სტადია მოსავლის აღებისას.

როგორ მუშაობს ულტრაბგერითი წყალმცენარეების უჯრედების მოშლა და მოპოვება?

როდესაც მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები უერთდება ულტრაბგერითი ზონდის (ასევე ცნობილია როგორც ულტრაბგერითი რქა ან სონოტროდი) სითხეში ან შლაპში, ხმის ტალღები მოძრაობენ სითხეში და ქმნიან ამით ალტერნატიულ მაღალი წნევის / დაბალი წნევის ციკლებს. ამ მაღალი წნევის / დაბალი წნევის ციკლების დროს წარმოიქმნება წუთიერი ვაკუუმის ბუშტები ან ღრუები. კავიტაციის ბუშტები წარმოიქმნება, როდესაც ადგილობრივი წნევა ეცემა დაბალი წნევის ციკლების დროს, გაჯერებული ორთქლის წნევის საკმარისად დაბლა, მნიშვნელობა, რომელიც მოცემულია სითხის დაჭიმვის სიძლიერით გარკვეულ ტემპერატურაზე. რომლებიც იზრდება რამდენიმე ციკლის განმავლობაში. როდესაც ეს ვაკუუმის ბუშტები მიაღწევენ იმ ზომას, სადაც მათ არ შეუძლიათ მეტი ენერგიის შთანთქმა, ბუშტი ძალადობრივად ფეთქდება მაღალი წნევის ციკლის დროს. კავიტაციის ბუშტების აფეთქება არის ძალადობრივი, ენერგეტიკული სიმკვრივის პროცესი, რომელიც წარმოქმნის ინტენსიურ დარტყმის ტალღებს, ტურბულენტობას და მიკრო-ჭავებს სითხეში. გარდა ამისა, იქმნება ლოკალიზებული ძალიან მაღალი წნევა და ძალიან მაღალი ტემპერატურა. ამ ექსტრემალურ პირობებს ადვილად შეუძლია დაარღვიოს უჯრედის კედლები და გარსები და გაათავისუფლოს უჯრედშიდა ნაერთები ეფექტური, ეფექტური და სწრაფი გზით. უჯრედშიდა ნაერთები, როგორიცაა პროტეინები, პოლისაქარიდები, ლიპიდები, ვიტამინები, მინერალები და ანტიოქსიდანტები, ამით შეიძლება ეფექტურად მოიპოვოს ელექტროენერგიის ულტრაბგერითი გამოყენებით.

ულტრაბგერითი კავიტაცია უჯრედების დაშლისა და ექსტრაქციისთვის

ინტენსიური ულტრაბგერითი ენერგიის ზემოქმედებისას, ნებისმიერი სახის უჯრედის კედელი ან მემბრანა (მათ შორის ბოტანიკური, ძუძუმწოვრების, წყალმცენარეების, სოკოების, ბაქტერიების და ა. . როდესაც უჯრედის კედელი იშლება, უჯრედული მეტაბოლიტები, როგორიცაა ცილა, ლიპიდი, ნუკლეინის მჟავა და ქლოროფილი, გამოიყოფა უჯრედის კედლის მატრიციდან, ასევე უჯრედის შიგნიდან და გადადის მიმდებარე კულტურულ გარემოში ან გამხსნელში.
ულტრაბგერითი/აკუსტიკური კავიტაციის ზემოთ აღწერილი მექანიზმი ძლიერ არღვევს წყალმცენარეების მთლიან უჯრედებს ან უჯრედებში გაზის და თხევადი ვაკუოლებს. ულტრაბგერითი კავიტაცია, ვიბრაცია, ტურბულენტები და მიკრონაკადი ხელს უწყობს მასის გადატანას უჯრედის შიგთავსსა და მიმდებარე გამხსნელს შორის ისე, რომ ბიომოლეკულები (ანუ მეტაბოლიტები) იყოს ეფექტური და სწრაფად გამოთავისუფლებული. მას შემდეგ, რაც sonication არის წმინდა მექანიკური მკურნალობა, რომელიც არ საჭიროებს მკაცრ, ტოქსიკურ და/ან ძვირადღირებულ ქიმიკატებს.
მაღალი ინტენსივობის, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა ქმნის ექსტრემალურ ენერგეტიკულ პირობებს, მაღალი წნევის, ტემპერატურისა და მაღალი ათვლის ძალებს. ეს ფიზიკური ძალები ხელს უწყობენ უჯრედული სტრუქტურების მოშლას უჯრედშიდა ნაერთების გარემოში გამოყოფის მიზნით. ამიტომ, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა ძირითადად გამოიყენება წყალმცენარეებიდან ბიოაქტიური ნივთიერებებისა და საწვავის მოსაპოვებლად. როდესაც შევადარებთ ექსტრაქციის ჩვეულებრივ მეთოდებს, როგორიცაა გამხსნელი ექსტრაქცია, მძივებით დაფქვა ან მაღალი წნევის ჰომოგენიზაცია, ულტრაბგერითი ექსტრაქცია აჯობებს ბიოაქტიური ნაერთების უმეტესობის (როგორიცაა ლიპიდები, ცილები, პოლისაქარიდები და მიკრო-ნუტრიენტები) გამოთავისუფლებით სონოპორირებული და დაშლილი უჯრედიდან. სწორი პროცესის პირობების გამოყენებით, ულტრაბგერითი ექსტრაქცია იძლევა მაღალ მოპოვებას პროცესის ძალიან მოკლე ხანგრძლივობის განმავლობაში. მაგალითად, მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ექსტრაქტორები ავლენენ წყალმცენარეებიდან მოპოვების შესანიშნავ შესრულებას, როდესაც გამოიყენება შესაფერისი გამხსნელით. მჟავე ან ტუტე გარემოში წყალმცენარეების უჯრედის კედელი ხდება ფოროვანი და ნაოჭდება, რაც იწვევს მოსავლიანობის გაზრდას დაბალ ტემპერატურაზე (60°C-ზე დაბლა) ხანმოკლე გაჟონვის დროს (3 საათზე ნაკლები). რბილ ტემპერატურაზე ექსტრაქციის მოკლე ხანგრძლივობა ხელს უშლის ფუკოიდანის დეგრადაციას, ასე რომ მიიღება მაღალ ბიოაქტიური პოლისაქარიდი.
ულტრაბგერითი ასევე არის მაღალი მოლეკულური წონის ფუკოიდანის დაბალმოლეკულური წონის ფუკოიდანად გარდაქმნის მეთოდი, რომელიც მნიშვნელოვნად უფრო ბიოაქტიურია მისი დაშლილი სტრუქტურის გამო. მაღალი ბიოაქტიურობითა და ბიოხელმისაწვდომობით, დაბალმოლეკულური წონის ფუკოიდანი საინტერესო ნაერთია ფარმაცევტული და წამლების მიწოდების სისტემებისთვის.

შემთხვევის შესწავლა: წყალმცენარეების ნაერთების ულტრაბგერითი ექსტრაქცია

ფართოდ იქნა შესწავლილი ულტრაბგერითი მოპოვების ეფექტურობა და ულტრაბგერითი მოპოვების პარამეტრების ოპტიმიზაცია. ქვემოთ შეგიძლიათ იხილოთ სამაგალითო შედეგები მოპოვების შედეგებისთვის ულტრაბგერითი სხვადასხვა სახის წყალმცენარეებიდან.

პროტეინის ექსტრაქცია სპირულინადან მანო-თერმო-სონიკაციის გამოყენებით

პროფესორ ჩემატის კვლევითმა ჯგუფმა (ავინიონის უნივერსიტეტი) გამოიკვლია მანოთერმოსონიზაციის (MTS) ეფექტი ცილების (როგორიცაა ფიკოციანინის) ექსტრაქციაზე მშრალი Arthrospira platensis ციანობაქტერიებიდან (ასევე ცნობილი როგორც სპირულინა). Mano-Termo-Sonication (MTS) არის ულტრაბგერითი საშუალებების გამოყენება, რომლებიც შერწყმულია ამაღლებულ წნევასთან და ტემპერატურასთან, რათა გააძლიეროს ულტრაბგერითი მოპოვების პროცესი.
”ექსპერიმენტული შედეგების მიხედვით, MTS-მა ხელი შეუწყო მასის გადაცემას (მაღალი ეფექტური დიფუზურობა, De) და საშუალება მისცა მიეღო 229% მეტი ცილა (28,42 ± 1,15 გ/100 გ DW), ვიდრე ჩვეულებრივი პროცესი ულტრაბგერის გარეშე (8,63 ± 1,15 გ/100 გ DW). . ექსტრაქტში 28,42 გ პროტეინებით 100 გ მშრალ სპირულინას ბიომასაზე, ცილის აღდგენის მაჩვენებელი 50% იყო მიღწეული 6 ეფექტური წუთში უწყვეტი MTS პროცესით. მიკროსკოპულმა დაკვირვებებმა აჩვენა, რომ აკუსტიკური კავიტაცია გავლენას ახდენდა სპირულინის ძაფებზე სხვადასხვა მექანიზმით, როგორიცაა ფრაგმენტაცია, სონოპორაცია, დეტექსტურაცია. ეს სხვადასხვა ფენომენი აადვილებს სპირულინას ბიოაქტიური ნაერთების მოპოვებას, გამოყოფას და ხსნადობას“. [ვერნესი და სხვ., 2019]

ოპტიკური მიკროსკოპული გამოსახულებები მთელი სპიურულინის ძაფებისა, რომლებიც ექვემდებარებიან MTS მკურნალობას დროთა განმავლობაში. მასშტაბის ზოლი (სურათი A) = 50 μm ყველა სურათისთვის.
სურათი და შესწავლა: ©Vernès et al. 2019 წელი

ულტრაბგერითი ფუკოიდანი და გლუკანის ექსტრაქცია Laminaria digitata

დოქტორ ტივარის TEAGASC-ის კვლევითმა ჯგუფმა გამოიკვლია პოლისაქარიდების, ანუ ფუკოიდანის, ლამინარინის და მთლიანი გლუკანების ექსტრაქცია მაკრო წყალმცენარეებიდან Laminaria digitata გამოყენებით ულტრაბგერითი UIP500hdT. ულტრაბგერითი დახმარებით ექსტრაქციის (UAE) პარამეტრებმა შესწავლილმა აჩვენა მნიშვნელოვანი გავლენა ფუკოზის, FRAP და DPPH დონეებზე. დონეები 1060,75 მგ/100 გ დ, 968,57 მგ/100 გ დ, 8,70 μM ტროლოქსი/მგ fde და 11,02% მიღებულ იქნა ფუკოზასთვის, მთლიანი გლუკანებისთვის, FRAP და DPPH შესაბამისად, ტემპერატურის ოპტიმიზებულ პირობებში (76◗C) (76◗C). 10 წთ) და ულტრაბგერითი ამპლიტუდა (100%) 0.1 M HCl გამხსნელად გამოყენებით. შემდეგ აღწერილი არაბეთის გაერთიანებული საემიროების პირობები წარმატებით იქნა გამოყენებული სხვა ეკონომიკურად რელევანტურ ყავისფერ მაკრო წყალმცენარეებზე (L. hyperborea და A. nodosum) პოლისაქარიდით მდიდარი ექსტრაქტების მისაღებად. ეს კვლევა აჩვენებს არაბეთის გაერთიანებულ საემიროების გამოყენებას ბიოაქტიური პოლისაქარიდების ექსტრაქციის გასაძლიერებლად მაკროალგალების სხვადასხვა სახეობიდან.

ულტრაბგერითი ფიტოქიმიური ექსტრაქცია F. vesiculosus და P. canaliculata

García-Vaquero-ს მკვლევარმა ჯგუფმა შეადარა მოპოვების სხვადასხვა ახალი ტექნიკა, მათ შორის მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ექსტრაქცია, ულტრაბგერითი მიკროტალღური მოპოვება, მიკროტალღური მოპოვება, ჰიდროთერმული დახმარებით და მაღალი წნევის დახმარებით მოპოვება, რათა შეაფასოს მოპოვების ეფექტურობა ყავისფერი მიკროწყალმცენარეებიდან. Fucus vesiculosus და Pelvetia canaliculata. ულტრაბგერითი გამოკვლევისთვის იყენებდნენ Hielscher UIP500hdT ულტრაბგერითი ექსტრაქტორი. მოპოვების მოსავლიანობის ანალიზიმ აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი ექსტრაქციამ მიაღწია ფიტოქიმიკატების უმეტესობის მაღალ მოსავალს ორივე F. vesiculosus-ისგან. ეს ნიშნავს, რომ F. vesiculosus-დან მიღებული ნაერთების ყველაზე მაღალი მოსავლიანობაა ულტრაბგერითი ექსტრაქტორი UIP500hdT იყო: მთლიანი ფენოლის შემცველობა (445,0 ± 4,6 მგ გალის მჟავას ეკვივალენტები/გ), ფლოროტანინის მთლიანი შემცველობა (362,9 ± 3,7 მგ ფლოროგლუცინოლის ეკვივალენტები/გ), ფლავონოიდების საერთო შემცველობა (286,3 ± 7,8 მგ) და კვერცეტინის მთლიანი შემცველობა 19.1 ტანგი. ± 4,4 მგ კატეხინის ეკვივალენტები/გ).
თავის კვლევით კვლევაში, ჯგუფმა დაასკვნა, რომ ულტრაბგერითი დახმარებით ექსტრაქციის გამოყენება „50% ეთანოლის ხსნართან ერთად, როგორც ექსტრაქციის გამხსნელი, შეიძლება იყოს პერსპექტიული სტრატეგია, რომელიც მიმართულია TPC, TPhC, TFC და TTC მოპოვებაზე, ხოლო თანამოპოვების შემცირებაზე. არასასურველი ნახშირწყლები F. vesiculosus და P. canaliculata, პერსპექტიული აპლიკაციებით ამ ნაერთების ფარმაცევტულ, საკვებ და კოსმეტიკური საშუალებების გამოყენებისას. [გარსია-ვაკერო და სხვ., 2021]

მანო-თერმო-სონიკაციის მასშტაბირება ავინიონის უნივერსიტეტში Hielscher ულტრაბგერითი აპარატების გამოყენებით: ლაბორატორიული მოწყობილობიდან UIP1000hdT (A) პილოტირება მასშტაბის აღჭურვილობა UIP4000hdT (B, C & დ). სურათზე D სქემატურია ულტრაბგერითი ნაკადის უჯრედის განივი მონაკვეთი FC100K.
სურათი და შესწავლა: ©Vernès et al. 2019 წელი

მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ექსტრაქტორები წყალმცენარეების დარღვევისთვის

Hielscher-ის უახლესი ულტრაბგერითი აპარატურა იძლევა სრულ კონტროლს პროცესის პარამეტრებზე, როგორიცაა ამპლიტუდა, ტემპერატურა, წნევა და ენერგიის შეყვანა.
ულტრაბგერითი მოპოვებისთვის, ისეთი პარამეტრები, როგორიცაა ნედლეულის ნაწილაკების ზომა, გამხსნელის ტიპი, მყარი-გამხსნელის თანაფარდობა და მოპოვების დრო, შეიძლება შეიცვალოს და ოპტიმიზირებული იყოს საუკეთესო შედეგებისთვის.
ვინაიდან ულტრაბგერითი მოპოვება არის არათერმული მოპოვების მეთოდი, თავიდან აცილებულია ნედლეულში არსებული ბიოაქტიური ინგრედიენტების თერმული დეგრადაცია, როგორიცაა წყალმცენარეები.
მთლიანობაში, ისეთი უპირატესობები, როგორიცაა მაღალი მოსავლიანობა, მოკლე ექსტრაქციის დრო, ექსტრაქციის დაბალი ტემპერატურა და გამხსნელის მცირე რაოდენობა, ხდის სონიფიკაციას ექსტრაქციის საუკეთესო მეთოდად.

ულტრაბგერითი ექსტრაქცია: დაარსდა ლაბორატორიასა და ინდუსტრიაში

ულტრაბგერითი ექსტრაქცია ფართოდ გამოიყენება ბოტანიკური, წყალმცენარეების, ბაქტერიებისა და ძუძუმწოვრების უჯრედებიდან ნებისმიერი სახის ბიოაქტიური ნაერთის მოსაპოვებლად. ულტრაბგერითი მოპოვება დამკვიდრდა, როგორც მარტივი, ეკონომიური და უაღრესად ეფექტური, რომელიც აღემატება სხვა ტრადიციულ მოპოვების ტექნიკას უფრო მაღალი მოპოვების მოსავლიანობით და დამუშავების მოკლე ხანგრძლივობით.
ლაბორატორიული, სკამზე და სრულად ინდუსტრიული ულტრაბგერითი სისტემებით, ულტრაბგერითი მოპოვება დღესდღეობით კარგად დამკვიდრებული და სანდო ტექნოლოგიაა. Hielscher ულტრაბგერითი ექსტრაქტორები დამონტაჟებულია მთელ მსოფლიოში სამრეწველო გადამამუშავებელ ობიექტებში, რომლებიც აწარმოებენ საკვები და ფარმაკოლოგიური კლასის ბიოაქტიურ ნაერთებს.

პროცესის სტანდარტიზაცია Hielscher Ultrasonics-ით

წყალმცენარეებიდან მიღებული ექსტრაქტები, რომლებიც გამოიყენება საკვებში, ფარმაცევტულ ან კოსმეტიკურ საშუალებებში, უნდა იყოს წარმოებული კარგი წარმოების პრაქტიკის (GMP) და დამუშავების სტანდარტიზებული სპეციფიკაციების შესაბამისად. Hielscher Ultrasonics-ის ციფრული მოპოვების სისტემები მოყვება ინტელექტუალურ პროგრამულ უზრუნველყოფას, რაც აადვილებს ხმოვანი პროცესის ზუსტად დაყენებას და კონტროლს. მონაცემთა ავტომატური ჩაწერა იწერს ულტრაბგერითი პროცესის ყველა პარამეტრს, როგორიცაა ულტრაბგერითი ენერგია (მთლიანი და წმინდა ენერგია), ამპლიტუდა, ტემპერატურა, წნევა (ტემპერატურის და წნევის სენსორების დამონტაჟებისას) ჩაშენებულ SD ბარათზე თარიღისა და დროის ბეჭდით. ეს საშუალებას გაძლევთ გადახედოთ თითოეული ულტრაბგერითი დამუშავებული ლოტი. ამავდროულად, უზრუნველყოფილია განმეორებადობა და პროდუქტის მუდმივად მაღალი ხარისხი.

ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გვიჩვენებს ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების სავარაუდო დამუშავების შესაძლებლობებს: