Ultrasonication to Improve Algae Cell Disruption and Extraction
조류, 거대 조류 및 미세 조류에는 영양 식품, 식품 첨가물 또는 연료 또는 연료 공급 원료로 사용되는 많은 귀중한 화합물이 포함되어 있습니다. 조류 세포에서 표적 물질을 방출하기 위해서는 강력하고 효율적인 세포 파괴 기술이 필요합니다. 초음파 추출기는 식물, 조류 및 곰팡이에서 생체 활성 화합물을 추출할 때 매우 효율적이고 신뢰할 수 있습니다. 실험실, 벤치 탑 및 산업 규모에서 사용할 수있는 Hielscher 초음파 추출기는 식품, 제약 및 바이오 연료 생산에서 세포 유래 추출물 생산에 설립되었습니다.
영양과 연료를 위한 귀중한 자원으로서의 조류
조류 세포는 단백질, 탄수화물, 지질 및 기타 생체 활성 물질과 알칸과 같은 생체 활성 및 에너지가 풍부한 화합물의 다양한 공급원입니다. 이로 인해 조류는 연료 뿐만 아니라 식품 및 영양 화합물의 공급원이 됩니다.
미세조류는 영양 및 바이오 연료(예: 바이오디젤)의 공급 원료로 사용되는 지질의 귀중한 공급원입니다. Dicrateria rotunda와 같은 해양 식물성 플랑크톤 Dicrateria의 균주는 휘발유 생산 조류로 알려져 있으며, C에서 일련의 포화 탄화수소 (n- 알칸)를 합성 할 수 있습니다10H22 에 C38H78, 휘발유(C10–C15), 디젤유(C16–C20) 및 연료유(C21–C38)로 분류됩니다.
영양가로 인해 조류는 "기능성 식품" 또는 "기능 식품"으로 사용됩니다. 조류에서 추출한 중요한 미량 영양소로는 카로티노이드인 아스타잔틴, 푸코잔틴, 제아잔틴, 후코이단, 라미나리 및 기타 글루칸이 있으며 그 외 수많은 생리활성 물질이 영양 보충제 및 약품으로 사용됩니다. 카라기난, 알긴산 및 기타 하이드로콜로이드는 식품 첨가물로 사용됩니다. 조류 지질은 비건 오메가-3 공급원으로 사용되며 바이오디젤 생산을 위한 연료 또는 공급 원료로도 사용됩니다.
초음파 추출기 UIP2000hdT 조류에서 지질, 단백질 및 항산화제의 상업적 추출을 위한 스테인리스강 반응기.
Power Ultrasound에 의한 조류 세포 파괴 및 추출
초음파 추출기 또는 단순히 초음파기는 실험실의 작은 샘플에서 가치있는 화합물을 추출하고 대규모 상업적 규모로 생산하는 데 사용됩니다.
조류 세포는 지질, 셀룰로오스, 단백질, 당단백질 및 다당류로 구성된 복잡한 세포벽 매트릭스에 의해 보호됩니다. 대부분의 조류 세포벽의 기저부는 겔과 같은 단백질 매트릭스 내의 미세 섬유 네트워크로 구성됩니다. 그러나 일부 미세조류는 오팔린 실리카 절두체 또는 탄산칼슘으로 구성된 무기 단단한 벽을 갖추고 있습니다. 조류 바이오매스에서 생체 활성 화합물을 얻기 위해서는 효율적인 세포 파괴 기술이 필요합니다. 기술적 추출 요인(즉, 추출 방법 및 장비) 외에도 조류 세포 파괴 및 추출의 효율성은 세포벽의 구성, 미세조류 세포에서 원하는 생체 분자의 위치, 수확 중 미세조류의 성장 단계와 같은 다양한 조류 의존 요인에 의해 크게 영향을 받습니다.
초음파 조류 세포 파괴 및 추출은 어떻게 작동합니까?
고강도 초음파가 초음파 프로브 (초음파 혼 또는 sonotrode라고도 함)를 통해 액체 또는 슬러리로 결합되면 음파는 액체를 통해 이동하여 고압 / 저압 사이클을 번갈아 가며 생성합니다. 이러한 고압/저압 사이클 동안 미세한 진공 기포 또는 캐비티가 발생합니다. 캐비테이션 기포는 저압 사이클 동안 국부 압력이 포화 증기 압력보다 충분히 낮게 떨어질 때 발생하며, 이는 특정 온도에서 액체의 인장 강도에 의해 부여되는 값입니다. 여러 주기에 걸쳐 자랍니다. 이러한 진공 기포가 더 많은 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달하면 기포는 고압 사이클 동안 격렬하게 파열됩니다. 캐비테이션 기포의 내파는 유체에서 강렬한 충격파, 난류 및 마이크로 제트를 생성하는 폭력적이고 에너지 밀도가 높은 과정입니다. 또한 국부적으로 매우 높은 압력과 매우 높은 온도가 생성됩니다. 이러한 극한 조건은 세포벽과 막을 쉽게 파괴하고 효과적이고 효과적이며 신속한 방식으로 세포 내 화합물을 방출할 수 있습니다. 따라서 단백질, 다당류, 지질, 비타민, 미네랄 및 항산화제와 같은 세포 내 화합물을 전력 초음파를 사용하여 효과적으로 추출할 수 있습니다.
초음파기 UP400St 더 작은 배치(약 8-10L)로 조류에서 생체 활성 화합물을 파괴하고 추출하는 데 이상적입니다.
세포 파괴 및 추출을 위한 초음파 캐비테이션
강렬한 초음파 에너지에 노출되면 모든 종류의 세포 (식물, 포유류, 조류, 곰팡이, 박테리아 등 포함)의 벽 또는 막이 파괴되고 세포는 에너지 밀도가 높은 초음파 캐비테이션의 기계적 힘에 의해 더 작은 조각으로 찢어집니다. 세포벽이 파괴되면 단백질, 지질, 핵산 및 엽록소와 같은 세포 대사 산물이 세포벽 매트릭스와 세포 내부에서 방출되어 주변 배양 배지 또는 용매로 전달됩니다.
위에서 설명한 초음파/음향 캐비테이션의 메커니즘은 전체 조류 세포 또는 세포 내의 가스 및 액체 액포를 심각하게 파괴합니다. 초음파 캐비테이션, 진동, 난류 및 마이크로 스트리밍은 세포 내부와 주변 용매 사이의 질량 전달을 촉진하여 생체 분자(즉, 대사 산물)가 효율적이고 빠르게 방출되도록 합니다. 초음파 처리는 가혹하고 독성이 있거나 값 비싼 화학 물질이 필요하지 않은 순전히 기계적 처리이기 때문입니다.
고강도, 저주파 초음파는 높은 압력, 온도 및 높은 전단력을 특징으로 하는 극한의 에너지 밀도 조건을 생성합니다. 이러한 물리적 힘은 세포 내 화합물을 배지로 방출하기 위해 세포 구조의 파괴를 촉진합니다. 따라서 저주파 초음파는 주로 조류에서 생체 활성 물질 및 연료를 추출하는 데 사용됩니다. 용매 추출, 비드 밀링 또는 고압 균질화와 같은 기존 추출 방법과 비교할 때 초음파 추출은 초음파 처리 및 파괴 된 세포에서 대부분의 생체 활성 화합물 (예 : 지질, 단백질, 다당류 및 미량 영양소)을 방출함으로써 탁월합니다. 올바른 공정 조건을 적용하면 초음파 추출은 매우 짧은 공정 기간 내에 우수한 추출 수율을 제공합니다. 예를 들어, 고성능 초음파 추출기는 적절한 용매와 함께 사용할 경우 조류에서 우수한 추출 성능을 보여줍니다. 산성 또는 알칼리성 매체에서 조류 세포벽은 다공성이되고 주름이 생겨 짧은 초음파 처리 시간 (60 시간 미만)으로 저온 (3 ° C 미만)에서 수율이 증가합니다. 온화한 온도에서 추출 기간이 짧아 후코이단 분해를 방지하여 생체 활성이 높은 다당류를 얻을 수 있습니다.
초음파는 또한 고분자량 후코이단을 저분자량 후코이단으로 변환하는 방법이며, 이는 분지 구조로 인해 훨씬 더 생체 활성이 높습니다. 높은 생체 활성과 생체 접근성을 갖춘 저분자량 후코이단은 제약 및 약물 전달 시스템에 흥미로운 화합물입니다.
사례 연구: 조류 화합물의 초음파 추출
초음파 추출 효율과 초음파 추출 매개 변수의 최적화는 널리 연구되었습니다. 아래에서는 다양한 조류 종의 초음파를 통한 추출 결과에 대한 예시적인 결과를 찾을 수 있습니다.
Mano-Thermo-Sonication을 사용한 스피룰리나에서 단백질 추출
Chemat(University of Avignon) 교수의 연구 그룹은 건조 Arthrospira platensis cyanobacteria(스피룰리나라고도 함)에서 단백질(예: 피코시아닌) 추출에 대한 manothermosonication(MTS)의 효과를 조사했습니다. MTS (Mano-Thermo-Sonication)는 초음파 추출 과정을 강화하기 위해 높은 압력과 온도와 결합 된 초음파의 적용입니다.
"실험 결과에 따르면 MTS는 질량 전달(높은 유효 확산도, De)을 촉진하고 초음파가 없는 기존 프로세스(8.63 ± 1.15g/100g DW)보다 229% 더 많은 단백질(28.42 ± 1.15g/100g DW)을 얻을 수 있었습니다. 추출물에 함유된 건조 스피룰리나 바이오매스 100g당 28.42g의 단백질을 함유한 결과, 연속 MTS 공정으로 6분 만에 50%의 단백질 회수율을 달성했습니다. 현미경으로 관찰한 결과, 음향 캐비테이션(acoustic cavitation)은 단편화(fragmentation), 초음파 형성(sonoporation), 탈질감화(detexturation)와 같은 다양한 메커니즘에 의해 스피룰리나 필라멘트에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 이러한 다양한 현상은 스피룰리나 생체 활성 화합물의 추출, 방출 및 용해를 더 쉽게 만듭니다." [베르네스 외, 2019]
시간이 지남에 따라 MTS 처리를 받은 전체 spiurulina 필라멘트의 광학 현미경 이미지. 눈금 막대(그림 A) = 모든 그림에 대해 50μm.
사진 및 연구: ©Vernès et al. 2019
초음파 Fucoidan 및 글루칸 추출 Laminaria digitata
Dr. Tiwari의 TEAGASC 연구 그룹은 다음을 사용하여 대형조류 Laminaria digitata에서 다당류, 즉 후코이단, 층류 및 총 글루칸의 추출을 조사했습니다. 초음파기 UIP500hdT. 연구된 UAE(Ultrasonically-assisted extraction) 매개변수는 fucose, FRAP 및 DPPH 수준에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 0.1M HCl을 용매로 사용하여 온도(76◦C), 시간(10분) 및 초음파 진폭(100%)의 최적화된 조건에서 푸코스, 총 글루칸, FRAP 및 DPPH에 대해 각각 1060.75mg/100g ds, 968.57mg/100g ds, 8.70μM trolox/mg fde 및 11.02%의 수준을 얻었습니다. 그런 다음 설명된 UAE 조건을 경제적으로 관련된 다른 갈조류(L. hyperborea 및 A. nodosum)에 성공적으로 적용하여 다당류가 풍부한 추출물을 얻었습니다. 이 연구는 다양한 거대조류 종에서 생체 활성 다당류의 추출을 향상시키기 위한 UAE의 적용 가능성을 보여줍니다.
초음파 Phytochemical 추출 F. 수포 그리고 P. 카날리쿨라타
García-Vaquero의 연구팀은 갈조류 종인 Fucus vesiculosus 및 Pelvetia canaliculata의 추출 효율을 평가하기 위해 고성능 초음파 추출, 초음파-마이크로파 추출, 마이크로파 추출, 열열 보조 추출 및 고압 보조 추출을 포함한 다양한 새로운 추출 기술을 비교했습니다. 초음파를 위해, 그들은 사용했다 Hielscher UIP500hdT 초음파 추출기. 추출 수율의 아닐시스는 초음파 추출이 F. vesiculosus 모두에서 대부분의 식물 화학 물질의 가장 높은 수율을 달성했음을 밝혔습니다. 이것은 F. vesiculosus를 사용하여 추출한 화합물의 가장 높은 수율을 의미합니다. 초음파 추출기 UIP500hdT 총 페놀 함량 (445.0 ± 4.6 mg 갈산 당량/g), 총 플로로탄닌 함량 (362.9 ± 3.7 mg 플로로글루시놀 당량/g), 총 플라보노이드 함량 (286.3 ± 7.8 mg 퀘르세틴 당량/g) 및 총 탄닌 함량 (189.1 ± 4.4 mg 카테킨 당량/g).
연구 연구에서 팀은 초음파 보조 추출을 "추출 용매로 50% 에탄올 용액과 결합한 초음파 보조 추출의 사용이 TPC, TPhC, TFC 및 TTC의 추출을 목표로 하는 유망한 전략이 될 수 있으며, F. vesiculosus 및 P. canaliculata 모두에서 바람직하지 않은 탄수화물의 동시 추출을 줄이는 동시에 이러한 화합물을 의약품으로 사용할 때 유망한 응용 분야가 될 수 있다고 결론지었습니다. 건강기능식품과 코스메슈티컬즈." [가르시아-바케로 외, 2021]
Hielscher 초음파를 사용한 아비뇽 대학교 (University of Avignon)의 mano-thermo-sonication 확장 : 실험실 장비에서 UIP1000hdt (A) 파일럿 스케일 장비 UIP4000hdt 님 (나, 씨 & 그림 D는 초음파 플로우 셀의 횡단 단면을 도식화한 것입니다. FC100케이.
사진 및 연구: ©Vernès et al. 2019
플로우 셀을 사용한 초음파 인라인 추출기 설정: 2x UIP1000hdt 연속적인 조류 추출을 위한 플로우 셀 반응기가 있는 초음파기
UIP1000hdT (1kW, 20kHz) 클로렐라, 스피룰리나, Nannochloropsis, 브론 조류 및 기타 미세 및 거대 조류와 같은 조류의 파괴 및 추출을 위한 교반기가 있는 초음파 추출기.
- 높은 추출 효율
- 우수한 추출 수율
- 신속한 프로세스
- 저온
- 열불안정성 화합물 추출에 적합
- 모든 용매와 호환 가능
- 낮은 에너지 소비
- 그린 추출 기법
- 쉽고 안전한 작동
- 낮은 투자 및 운영 비용
- 24/7 헤비 듀티 하에서 작동
조류 파괴를 위한 고성능 초음파 추출기
Hielscher의 최첨단 초음파 장비를 사용하면 진폭, 온도, 압력 및 에너지 입력과 같은 공정 매개 변수를 완벽하게 제어 할 수 있습니다.
초음파 추출의 경우 원료 입자 크기, 용매 유형, 고체 대 용매 비율 및 추출 시간과 같은 매개 변수를 변경하고 최적화하여 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.
초음파 추출은 비열 추출 방법이기 때문에 조류와 같은 원료에 존재하는 생체 활성 성분의 열 분해를 피할 수 있습니다.
전반적으로, 높은 수율, 짧은 추출 시간, 낮은 추출 온도 및 소량의 용매와 같은 장점으로 인해 초음파 처리가 우수한 추출 방법입니다.
초음파 추출 : 실험실 및 산업에 설립
초음파 추출은 식물, 조류, 박테리아 및 포유류 세포에서 모든 종류의 생체 활성 화합물 추출에 널리 적용됩니다. 초음파 추출은 더 높은 추출 수율과 더 짧은 처리 기간에 의해 다른 전통적인 추출 기술을 능가하는 간단하고 비용 효율적이며 매우 효율적인 것으로 확립되었습니다.
실험실, 벤치 탑 및 완전 산업용 초음파 시스템을 쉽게 사용할 수 있는 초음파 추출은 오늘날 잘 정립되고 신뢰할 수 있는 기술입니다. Hielscher 초음파 추출기는 식품 및 제약 등급의 생체 활성 화합물을 생산하는 산업 가공 시설에 전 세계적으로 설치됩니다.
Hielscher 초음파를 사용한 공정 표준화
식품, 의약품 또는 화장품에 사용되는 조류 유래 추출물은 GMP(Good Manufacturing Practices)와 표준화된 가공 사양에 따라 생산되어야 합니다. Hielscher 초음파의 디지털 추출 시스템에는 지능형 소프트웨어가 함께 제공되어 초음파 처리 과정을 정확하게 설정하고 제어 할 수 있습니다. 자동 데이터 기록은 초음파 에너지(총 및 순 에너지), 진폭, 온도, 압력(온도 및 압력 센서가 장착된 경우)과 같은 모든 초음파 공정 매개변수를 내장 SD 카드에 날짜 및 시간 스탬프와 함께 씁니다. 이를 통해 초음파 처리 된 각 로트를 수정할 수 있습니다. 동시에 재현성과 지속적으로 높은 제품 품질이 보장됩니다.
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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Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모에서 혼합 응용 분야, 분산, 유화 및 추출을위한 고성능 초음파 균질화기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
- García-Vaquero, Marco; Rajauria, Gaurav; Brijesh Kumar, Tiwari; Sweeney, Torres; O’Doherty, John (2018): Extraction and Yield Optimisation of Fucose, Glucans and Associated Antioxidant Activities from Laminaria digitata by Applying Response Surface Methodology to High Intensity Ultrasound-Assisted Extraction. Marine Drugs 16(8), 2018.
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- 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. - Harada, N., Hirose, Y., Chihong, S. et al. (2021): A novel characteristic of a phytoplankton as a potential source of straight‐chain alkanes. Scientific Reports Vol. 11, 2021.
- Halim, Ronald; Hill, David; Hanssen, Eric; Webley, Paul; Blackburn, Susan; Grossman, Arthur; Posten, Clemens; Martin, Gregory (2019): Towards sustainable microalgal biomass processing: Anaerobic induction of autolytic cell-wall self-ingestion in lipid-rich Nannochloropsis slurries. Green Chemistry 21, 2019.
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알아 둘 만한 가치가 있는 사실
조류: 대형조류, 미세조류, 식물성 플랑크톤, 시아노박테리아, 해조류
조류 (algae)라는 용어는 비공식적 인 용어로, 광합성 진핵 생물의 크고 다양한 그룹에 사용됩니다. 조류는 대부분 원생생물로 간주되지만 때로는 식물(식물) 또는 맥락막의 일종으로 분류되기도 합니다. 세포 구조에 따라 식물성 플랑크톤으로도 알려진 대형조류(macroalgae)와 미세조류(microalgae)로 분화할 수 있습니다. 대형조류(macroalgae)는 종종 해초로 알려진 다세포 유기체입니다. 대형조류의 종류는 다양한 종의 거시적, 다세포적, 해조류를 포함합니다. 식물성 플랑크톤이라는 용어는 주로 미세한 해양 단세포 조류(미세조류)에 사용되지만 시아노박테리아도 포함될 수 있습니다. 식물성 플랑크톤은 광합성 박테리아, 미세조류 및 갑옷 도금 코콜리토포어를 포함한 다양한 유기체의 광범위한 종류입니다.
조류는 단세포 또는 다세포일 수 있으며 필라멘트(끈 같은) 또는 식물과 같은 구조를 가질 수 있기 때문에 분류하기 어려운 경우가 많습니다.
가장 많이 재배되는 대형조류(해조류) 종은 Eucheuma spp., Kappaphycus alvarezii, Gracilaria spp., Saccharina japonica, Undaria pinnatifida, Pyropia spp. 및 Sargassum fusiforme입니다. Eucheuma와 K. alvarezii는 하이드로콜로이드 겔화제인 카라기난을 위해 재배됩니다. Gracilaria는 한천 생산을 위해 경작됩니다. 다른 종은 음식과 영양을 위해 먹이를 찾습니다.
또 다른 종류의 해조류는 다시마입니다. 다시마는 Laminariales 목을 구성하는 큰 갈조류 해초입니다. 다시마는 탄수화물인 알긴산이 풍부하여 아이스크림, 젤리, 샐러드 드레싱, 치약과 같은 제품을 걸쭉하게 만드는 데 사용되며 일부 개 사료 및 공산품의 성분이기도 합니다. 알긴산 분말은 일반 치과 및 교정에서도 자주 사용됩니다. 후코이단과 같은 다당류는 겔화 성분으로 스킨 케어에 사용됩니다.
후코이단은 여러 종의 갈조류에 존재하는 황산염 수용성 헤테로다당류입니다. 상업적으로 생산되는 후코이단은 주로 해조류 종인 Fucus vesiculosus, Cladosiphon okamuranus, Laminaria japonica 및 Undaria pinnatifida에서 추출됩니다.
저명한 조류 속과 종
- 클로렐라 Chlorophyta 부문에 속하는 약 13 종의 단세포 녹조류 (microalga)의 속입니다. 클로렐라 세포는 구형이고, 직경이 약 2-10μm이며, 편모가 없습니다. 그들의 엽록체는 녹색 광합성 색소 인 엽록소 -a 및 -b를 함유하고 있습니다. 가장 많이 사용되는 클로렐라 종 중 하나는 Chlorella vulgaris로, 건강 보조 식품 또는 단백질이 풍부한 식품 첨가물로 널리 사용됩니다.
- 스피룰리나 (Arthrospira platensis cyanobacteria)는 사상체의 다세포 남조류입니다.
- Nannochloropsis oculata Nannochloropsis 속의 종입니다. 그것은 해양과 담수 모두에서 발견되는 단세포 작은 녹조류입니다. Nannochloropsis 조류는 직경이 2-5 μm인 구형 또는 약간 난형 세포가 특징입니다.
- Dicrateria는 Dicrateria gilva, Dicrateria inornata, Dicrateria rotunda 및 Dicrateria vlkianum의 세 종으로 구성된 haptophytes의 속입니다. Dicrateria rotunda (D. rotunda)는 석유 (탄소 수가 10에서 38 사이 인 포화 탄화수소)에 해당하는 탄화수소를 합성 할 수 있습니다.
