영양 보충제를 위한 초음파 조류 추출
초음파 추출은 조류 세포를 효과적이고 빠르게 파괴하는 우수한 방법입니다. 초음파 처리는 생체 활성 화합물의 전체 양을 방출 할 수 있으며, 이는 초음파 기술을 매우 효율적으로 만듭니다.
How To extract Proteins, Lipids and Phenolics from Algae with 초음파로 조류에서 단백질, 지질 및 페놀류를 추출하는 방법
조류 및 미세조류 종은 단백질, 지질, 카로티노이드, 색소(예: 피코시아닌, 아스타잔틴 등), 페놀류 및 다당류(예: 카라기난)와 같은 생물학적 활성 화합물이 풍부합니다. 이것은 식품 및식이 보충제의 추출물을 생산하는 데 널리 사용되는 천연 물질입니다. 영양 보충제에 일반적으로 사용되는 조류 종은 Arthrospira maxima 및 (spirulina라고도 함), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis, Ulva spp입니다. 조류는 고품질 단백질, 지질, 장쇄 PUFA(예: 오메가-3), 다당류(예: 알긴산, 카라기난, β-글루칸), 비타민 및 항산화제의 좋은 공급원으로 알려져 있습니다.
스피룰리나는 일반적으로 사용되는 조류 유형으로, 단백질(50–70% 건조 중량)과 같은 고부가가치 생체 활성 화합물이 풍부합니다. 스피룰리나는 FDA(미국 식품의약국)로부터 GRAS(일반적으로 안전하다고 인정됨)로 승인받았기 때문에 스피룰리나와 스피룰리나 추출물은 상업화된 식품이나 건강 보조 식품으로 사용할 수 있습니다.
초음파 조류 추출의 장점
초음파 추출은 높은 수율, 신뢰성, 안전성, 단순성 및 환경 친화성과 같은 매니폴드 포인트에서 대체 추출 방법을 능가합니다.
전체 추출 수율
고성능 초음파 발생기는 조류 세포를 파괴하고 파괴하여 세포 내 물질이 방출되도록합니다. 초음파 적출은 그로 인하여 phycobiliproteins와 같은 bioactive 화합물 및 지질 및 페놀 물질의 전 스펙트럼을 풀어 놓는다.
Phycobiliprotein은 클로로-피코시아닌(chloro-phycocyanins), 알로피코시아닌(allophycocyanins) 및 피코에리트린(phycoerythrin)의 세 가지 주요 그룹으로 구분할 수 있습니다. C-피코시아닌은 식품 및 의약품에 널리 사용되는 천연 청색 색소입니다. 초음파 추출은 단백질의 전체 스펙트럼을 방출합니다.

소노스테이션 – 2x 2kW 초음파기, 교반 탱크 및 펌프가있는 초음파 시스템 – 추출을 위한 사용자 친화적인 시스템입니다.
높은 추출 효율
Duangsee et al. (2009)은 Arthospira 바이오매스에서 생체 활성 화합물의 두 가지 추출 방법(초음파 보조 용매 추출 및 반복적인 동결 및 해동에 의한 추출)을 테스트한 결과 초음파 용매 추출이 냉동 및 해동(15.6%)보다 추출 효율(22.1%)이 더 높다는 것을 발견했습니다. 초음파 처리와 반복적인 동결 및 해동 사이의 세포 파열 비교는 초음파 처리가 더 효과적임을 보여줍니다. 초음파 캐비테이션은 조류 세포를 빠르고 효과적으로 파괴하여 반복적인 동결 및 해동으로 처리된 스피룰리나 세포와 비교할 때 더 높은 세포 파괴를 초래합니다.
초음파 처리는 반복적인 동결 및 해동과 비교할 때 세포 외피를 파괴하는 데 더 효과적이었습니다. 피코시아닌의 추출 수율은 가공 온도가 추출 효율에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
신속한 추출 공정
고성능 초음파 시스템은 높은 진폭을 통해 조류 현탁액에 높은 초음파 출력을 적용 할 수 있습니다. 이것은 초음파 추출을 매우 빠른 처리 방법으로 만듭니다.
온도 제어
초음파는 비열적, 순전히 기계적 추출 기술입니다. 추출 온도는 디지털 Hielscher 초음파기에 연결된 플러그형 온도 센서를 사용하여 정밀하게 제어 할 수 있습니다. Hielscher의 디지털 초음파 발생기 소프트웨어를 사용하면 온도 한계를 설정할 수 있으므로 온도 한계에 도달하면 초음파 균질기가 일시 중지됩니다. 정밀한 온도 제어를 통해 식물 단백질, 비타민, 폴리페놀, 다당류, 지질 및 기타 생체 활성 화합물과 같은 열에 민감한 물질의 열 분해를 방지할 수 있습니다.
다양한 용매와 호환 가능
초음파는 거의 모든 용매와 호환됩니다. 물 또는 에탄올과 같은 녹색 용매와 함께 초음파 추출은 깨끗한 추출물을 생성합니다. 이러한 초음파 추출물은 추출 용매, 에탄올 및 물이 GRAS (일반적으로 안전하다고 인정됨) 상태를 갖기 때문에 식품에 안전하게 통합 될 수 있습니다.
재현성 및 공정 표준화
Hielscher의 디지털 초음파는 지능형 소프트웨어와 이상적인 추출 매개 변수를위한 정교한 다양한 설정과 함께 제공됩니다. 이 소프트웨어는 모든 초음파 프로세스 매개 변수 (예 : 진폭, 순 전력, 총 전력, 온도, 압력, 시간, 날짜)를 프로토콜화하고 초음파 처리 데이터를 내장 SD 카드의 CSV 파일에 씁니다. 이를 통해 추출 프로세스를 표준화하고 초음파 처리 및 품질 출력을 면밀히 모니터링 할 수 있습니다. 이러한 기능은 보충제, 식품 또는 의약품용 추출물을 생산할 때 매우 중요한 GMP(Good Manufacturing Practices)뿐만 아니라 공정 표준화 요구 사항을 충족하는 데 도움이 됩니다.
초음파 Phycocyanin 추출 프로토콜
Mazumder et al. (2017)은 Arthospira platensis에서 피코시아닌과 페놀의 초음파 추출을 위한 최적의 처리 매개변수를 조사했습니다. 피코시아닌(29.9mg/g) 및 총 페놀류(2.4mg/g)의 최대 수율은 40% 에탄올 농도, 34.9°C 추출 온도에서 초음파기 UP50H(50와트, 30kHz)를 사용하여 95%의 진폭으로 104.7초의 추출 시간 동안 얻었다.
Vernès et al. (2019)는 UIP1000hdT (1000W, 20kHz) 초음파기를 사용하여 스피룰리나에서 단백질을 추출했습니다. 초음파기에는 BS2d34 sonotrode와 초음파 흐름 반응기가 장착되었습니다 (플로우 셀과 Seepex 펌프를 사용한 정확한 초음파 추출 설정은 아래 그림 참조).

UIP1000hdt – Manothermosonication(MTS) 설정 및 실험실 규모의 스피룰리나에서 단백질 추출
출처: Vernes et al. 2019
연구 결과에 따르면 단백질 수율에 최적화된 초음파 추출 조건에는 약간 상승된 온도와 압력(소위 manothermosonication MTS)이 포함됩니다. MTS는 질량 전달을 촉진하고 초음파가 없는 기존 공정(8.63 ± 1.15g/100g 건조 중량)보다 229% 더 많은 단백질(28.42 ± 1.15g/100g 건조량)을 얻을 수 있습니다.
추출물에서 건조 스피룰리나 바이오 매스 100g 당 28.42g의 단백질을 얻은 경우, 연속 초음파 처리 과정에서 단 6 분 만에 50 %의 단백질 회수율을 달성했습니다. 현미경 이미징은 음향 캐비테이션이 단편화(fragmentation), 초음파 형성(sonoporation), 탈질감화(detexturation)와 같은 다양한 메커니즘에 의해 스피룰리나 필라멘트에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이러한 다양한 효과로 인해 스피룰리나 생체 활성 화합물의 추출, 방출 및 용해화가 더 쉽고 효과적이며, 그 결과 고품질의 높은 단백질 수율을 얻을 수 있습니다.
초음파로 추출 된 단백질의 품질과 관련하여, 아미노산은 초음파 처리에 의해 분해되지 않았지만 기존의 추출과 비교할 때 초음파 처리의 경우 더 많은 양으로 존재합니다.
압력과 온도가 상승하지 않은 중삭 음파 추출과 초음파 추출을 비교할 때 추출 수율과 효율의 차이는 미미합니다. 따라서 초음파만으로도 스피룰리나 단백질이 풍부한 고품질 추출물을 생산할 수 있는 가장 경제적이고 쉬운 기술로 간주됩니다. 초음파 추출은 실험실 규모에서 스피룰리나에서 단백질 추출에 적합한 녹색, 환경 친화적 인 추출 기술로, 파일럿 및 산업 규모로 쉽게 확장 할 수 있습니다. (Vernès et al. 2019 참조)

UP400ST 8L 배치의 조류 초음파 추출용
고성능 초음파 추출기
소규모로 달성된 모든 추출 결과는 더 큰 생산 용량으로 선형적으로 확장할 수 있습니다. 실험실에서 산업용 추출 시스템에 이르기까지 Hielscher 초음파의 대형 제품 포트폴리오는 예상되는 공정 용량에 가장 적합한 초음파기를 보유하고 있습니다. 오랜 시간 경험이 풍부한 당사의 직원이 타당성 테스트 및 공정 최적화에서 최종 생산 수준의 초음파 시스템 설치에 이르기까지 도움을 드릴 것입니다.
Hielscher Ultrasonics – 정교한 추출 장비
Hielscher 초음파 제품 포트폴리오는 소규모에서 대규모에 이르기까지 모든 범위의 고성능 초음파 추출기를 다룹니다. 추가 액세서리를 사용하면 공정에 가장 적합한 초음파 장치 구성을 쉽게 조립할 수 있습니다. 최적의 초음파 설정은 예상되는 용량, 부피, 원료, 배치 또는 인라인 공정 및 일정에 따라 다릅니다. Hielscher의 초음파 장비의 견고 함은 중장비 및 까다로운 환경에서 24/7 작동을 가능하게합니다. 초음파 추출 공정의 선형 확장성은 간단하고 신뢰할 수 있는 생산량 증가를 가능하게 합니다. 초음파 추출 공정의 선형 확장에 대해 자세히 알아보십시오!
다음과 같은 다양한 액세서리 중에서 선택하십시오.
- 다양한 크기, 직경 및 모양의 소노트로드
- 200μm 이상의 높은 진폭을 위한 소노트로드
- 다양한 부피와 형상을 가진 플로우 셀 반응기
- 이득을 높이거나 낮추기 위한 수많은 부스터 혼
- 초음파 추출기, 탱크, 교반기 및 펌프를 포함하는 SonoStation과 같은 완전한 초음파 처리 설정
- 플러그형 온도 센서
- 플러그형 압력 센서
잘 훈련되고 오랜 경험을 쌓은 직원이 상담하고 추출 공정 요구 사항에 가장 적합한 초음파 시스템을 추천해 드릴 것입니다!
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
---|---|---|
1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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문헌 / 참고문헌
- Anupriya Mazumder; P. Prabuthas; Hari Niwas Mishra (2017): Optimization of ultrasound-assisted solvent extraction of phycocyanin and phenolics from Arthospira platensis var. ‘lonor’ biomass. Nutrafoods (2017) 16:231-239.
- Vernès L., Abert-Vian M., El Maâtaoui M., Tao Y., Bornard I., Chemat F. (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019. 48-60.
- Merlyn Sujatha Rajakumar and Karuppan Muthukumar (2018): Influence of pre-soaking conditions on ultrasonic extraction of Spirulina platensis proteins and its recovery using aqueous biphasic system. Separation Science and Technology 2018.
- Smriti Kana Pyne, Paramita Bhattacharjee, Prem Prakash Srivastav (2020): Process optimization of ultrasonication-assisted extraction to obtain antioxidant-rich extract from Spirulina platensis. Sustainability, Agri, Food and Environmental Research 8(4), 2020.
- Zhou, Jianjun; Min Wang, Francisco J. Barba, Zhenzhou Zhu, Nabil Grimi (2023):
A combined ultrasound + membrane ultrafiltration (USN-UF) process for enhancing saccharides separation from Spirulina (Arthrospira platensis). Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 85, 2023. - Rachen Duangsee, Natapas Phoopat, Suwayd Ningsanond (2009): Phycocyanin extraction from Spirulina platensis and extract stability under various pH and temperature. Asian Journal of Food and Agro-Industry 2009, 2(04), 819-826.
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
스피룰리나
원핵생물인 스피룰리나는 카로티노이드, 엽록소, 피코시아닌과 같은 색소가 풍부합니다. 카로티노이드(예: β-카로틴, 주황색-노란색 색소), 엽록소 및 피코시아닌은 각각 0.4, 1.0 및 14% 건조 중량에서 찾을 수 있습니다. 피코시아닌(Phycocyanin)은 청록색 단백질로, 이른바 빌리단백질(biliprotein)이라고 불리며, 시아노박테리아의 세포질막에 있는 광합성 라멜라에 위치합니다.
식품 첨가물 및 식품 착색제, 영양 보충제 및 면역 진단 응용 분야에 사용됩니다.