조류 세포 파괴 및 추출을 개선하기 위한 초음파
조류, 매크로 및 미세 조류는 영양 식품, 식품 첨가물 또는 연료 또는 연료 공급 원료로 사용되는 많은 귀중한 화합물을 함유하고 있습니다. 조류 세포로부터 표적 물질을 방출하기 위해서는 강력하고 효율적인 세포 파괴 기술이 요구된다. 초음파 추출기는 식물, 조류 및 곰팡이에서 생리 활성 화합물을 추출할 때 매우 효율적이고 신뢰할 수 있습니다. 실험실, 벤치탑 및 산업 규모에서 사용할 수 있는 Hielscher 초음파 추출기는 식품, 제약 및 바이오 연료 생산에서 세포 유래 추출물의 생산에 설립되었습니다.
영양과 연료를 위한 귀중한 자원으로서 조류
조류 세포는 단백질, 탄수화물, 지질 및 기타 생체 활성 물질뿐만 아니라 알칸과 같은 생리 활성 및 에너지가 풍부한 화합물의 다목적 공급원입니다. 이것은 조류를 음식과 영양 화합물뿐만 아니라 연료의 원천으로 만듭니다.
미세 조류는 지질의 가치 있는 소스, 영양및 공급 원료 fo 바이오 연료로 사용 되는 (예를 들어, 바이오 디젤). Dicrateria 원형 과 같은 해양 식물성 식물성 Dicrateria의 균주는 C에서 포화 탄화수소 (n-alkanes)의 시리즈를 합성 할 수있는 가솔린 생산 조류로 알려져 있습니다.(10)H22 C까지38H78가솔린(C10-C15), 디젤 오일(C16-C20), 연료오일(C21-C38)으로 분류됩니다.
영양가 때문에 조류는 "기능성 식품" 또는 "건강 기능성"으로 사용됩니다. 조류에서 추출된 중요한 미세 영양소는 카로티노이드 아스타잔틴, 푸코산틴 및 제아산틴, 후코이단, 라미나리 및 기타 글루칸을 영양 보충제와 팜피컬로 사용한다. 카라게난, 알자네이트 및 기타 하이드로콜로이드는 식품 첨가물으로 사용됩니다. 조류 지질은 비건 오메가-3 소스로 사용되며 바이오 디젤 생산을위한 연료 또는 공급 원료로도 사용됩니다.
초음파 추출기 UIP2000hdT 조류에서 지질, 단백질 및 항산화제의 상업적 추출을 위한 스테인리스 스틸 반응기.
조류 세포 붕괴 및 전원 초음파에 의한 추출
초음파 추출기 또는 단순히 초음파 는 실험실의 작은 샘플뿐만 아니라 대규모 상업 규모의 생산을 위해 귀중한 화합물을 추출하는 데 사용됩니다.
조류 세포는 지질, 셀룰로오스, 단백질, 당단백질 및 다당류로 구성된 복잡한 세포 벽 행렬에 의해 보호됩니다. 대부분의 조류 세포벽의 기초는 젤과 같은 단백질 매트릭스 내의 마이크로 피브릴라 네트워크로 구축됩니다. 그러나 일부 미세 조류에는 오팔린 실리카 좌절 또는 탄산 칼슘으로 구성된 무기 강성 벽이 장착되어 있습니다. 조류 바이오매스로부터 생리활성 화합물을 얻기 위해서는 효율적인 세포 파괴 기술이 필요합니다. 기술 추출 인자(즉, 추출 방법 및 장비) 외에도 조류 세포 파괴 및 추출의 효율은 세포벽 조성, 미세 조류 세포에서 원하는 생체 분자의 위치 및 수확 시 미세 조류의 성장 단계와 같은 다양한 조류 의존요인에 의해 강하게 영향을 받습니다.
초음파 조류 세포 중단 및 추출은 어떻게 작동합니까?
고강도 초음파파가 초음파 프로브(초음파 경적 또는 소노로드라고도 함)를 액체 또는 슬러리에 결합하면 음파가 액체를 통과하여 고압/저압 사이클을 번갈아 만듭니다. 이러한 고압/저압 주기 동안 미세한 진공 버블 또는 충치가 발생합니다. 캐비테이션 기포는 저압 사이클 동안 국소 압력이 포화 증기 압력보다 훨씬 낮을 때 발생하며, 이는 특정 온도에서 액체의 인장 강도에 의해 주어진 값입니다. 몇 주기 동안 성장. 이러한 진공 기포가 더 많은 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달하면 고압 주기 동안 거품이 격렬하게 파열됩니다. 캐비테이션 기포의 파열은 유체의 강렬한 충격파, 난기류 및 마이크로 제트를 생성하는 폭력적이고 에너지 밀도가 높은 공정입니다. 또한 매우 높은 압력과 매우 높은 온도로 지역화됩니다. 이러한 극단적인 조건은 쉽게 세포 벽 과 막을 방해 하 고 효과적인 세포 내 화합물을 해제 할 수 있습니다., 효과적 이면 및 빠른 방식으로. 단백질, 다당류, 지질, 비타민, 미네랄 및 항산화제와 같은 세포내 화합물은 전력 초음파를 사용하여 효과적으로 추출할 수 있습니다.
초음파 검사기 UP400St 작은 배치 (약 8-10L)에서 조류에서 생리 활성 화합물을 방해하고 추출하는 데 이상적입니다.
세포 파괴 및 추출을 위한 초음파 캐비테이션
강렬한 초음파 에너지에 노출되면 모든 종류의 세포의 벽이나 막 (식물, 포유류, 조류, 곰팡이, 세균 등 포함)이 중단되고 세포가 에너지 밀도의 초음파 캐비테이션의 기계적 힘에 의해 작은 조각으로 찢어져 있습니다. 세포벽이 파손되면, 단백질, 지질, 핵산 및 엽록소와 같은 세포 대사산물은 세포벽 매트릭스뿐만 아니라 세포 벽 매트릭스로부터 방출되어 주변 배양 배지 또는 용매로 옮겨질 수 있다.
상기 설명된 초음파/음향 캐비테이션의 기전은 세포 내의 전체 조류 세포 또는 가스 및 액체 vacuoles를 심각하게 방해합니다. 초음파 캐비테이션, 진동, 난기류 및 마이크로 스트리밍은 생체 분자 (즉, 대사 산물)가 효율적이고 빠르게 방출되도록 세포 내부와 주변 용매 사이의 질량 전달을 촉진합니다. 초음파 처리는 가혹하거나 독성 및 / 또는 고가의 화학 물질을 필요로하지 않는 순수한 기계적 치료이기 때문에.
고강도 저주파 초음파는 고압, 온도 및 높은 전단력을 특징으로하는 극한의 에너지 밀도 조건을 생성합니다. 이러한 물리적 힘은 세포 내 화합물을 매체로 방출하기 위해 세포 구조의 중단을 촉진합니다. 따라서 저주파 초음파는 주로 조류에서 생리 활성 물질 및 연료의 추출에 사용됩니다. 용매 추출, 비드 밀링 또는 고압 균질화와 같은 기존의 추출 방법과 비교할 때, 초음파 추출은 용공 및 중단 된 세포에서 대부분의 생리 활성 화합물 (지질, 단백질, 다당류 및 미세 영양소와 같은)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 때 조류에서 우수한 추출 성능을 보여줍니다. 산성 또는 알칼리성 배지에서, 조류 세포벽은 다공성 및 주름이 되어 짧은 초음파 처리 시간(3시간 미만)에서 저온(60°C 이하)에서 수율이 증가합니다. 온화한 온도에서 짧은 추출 기간은 후코이단 저하를 방지, 그래서 높은 생리 활성 다당류를 얻을 수 있도록.
초음파는 또한 고분자 량 후코이단을 저분자 량 후코이단으로 변환하는 방법이며, 이는 탈지 구조로 인해 훨씬 더 생리활성입니다. 높은 생체 활성 및 생체 접근성을 갖춘 저분자 후코이단은 제약 및 약물 전달 시스템에 흥미로운 화합물입니다.
사례 연구: 조류 화합물의 초음파 추출
초음파 추출 효율과 초음파 추출 파라미터의 최적화는 널리 연구되고 있다. 아래에서 다양한 조류 종의 초음파를 통해 추출 결과를 예로 들 수 있습니다.
마노 열-초음파 처리를 사용하여 스피룰리나에서 단백질 추출
Chemat 교수 (아비뇽 대학)의 연구 그룹은 마른 관절피라 플라톤시스 시아노 박테리아 (또한 스피룰리나로 알려진)에서 단백질 (phycocyanin 등)의 추출에 마더모 소닉 (MTS)의 효과를 조사했다. 마노-열-초음파(MTS)는 초음파 추출 공정을 강화하기 위해 높은 압력 및 온도와 결합된 초음파의 적용입니다.
"실험 결과에 따르면, MTS는 질량 전달(고효율 확산도, De)을 촉진하고 초음파 없이 기존 공정(8.63± 1.15 g/100 g DW)보다 229% 더 많은 단백질(28.42± 1.15 g/100 g DW)을 얻을 수 있게 되었다. 추출물에 건조 스피룰리나 바이오매스 100g당 28.42g의 단백질을 함유한 단백질 회수율은 연속 MTS 공정으로 6분 만에 50%의 단백질 회수율을 달성하였다. 현미경 관찰은 음향 캐비테이션이 단편화, sonoporation, 탈구와 같은 다른 메커니즘에 의해 스피룰리나 필라멘트에 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 이러한 다양한 현상은 스피룰리나 생리활성 화합물의 추출, 방출 및 용용화를 더 쉽게 만듭니다." [버네스 외, 2019]
시간이 지남에 따라 MTS 치료를 실시 전체 spiurulina 필라멘트의 광학 현미경 이미지. 스케일 바 (사진 A) = 모든 사진에 대한 50 μm.
그림과 연구: ©베르네스 외 2019
초음파 후코이단과 글루칸 추출에서 라미나리아 디지타타
티와리 박사의 TEAGASC 연구 그룹은 다당류, 즉 후코이단, 라미나린 및 총 글루칸의 추출을 macroalgae Laminaria digitata에서 조사하여 초음파 처리기 UIP500hdT. 연구된 초음파 보조 추출(UAE) 매개 변수는 후코, FRAP 및 DPPH 의 수준에 상당한 영향을 미쳤습니다. 의 수준 1060.75 mg/100 g ds, 968.57 mg/100 g ds, 8.70 μM 트록스/mg fde 및 11.02%는 각각 온도(76°C), 시간(10분), 초음파 진폭(100%)을 사용하여 후코, 총 글루칸, FRAP 및 DPPH를 얻었다. 그 때 설명된 UAE 조건은 다당류 가풍부한 추출물을 얻기 위하여 그밖 경제적으로 관련되었던 갈색 거산개 (L. hyperborea 및 A. nodosum)에 성공적으로 적용되었습니다. 이 연구는 다양한 거대 항성에서 생리 활성 다당류의 추출을 향상시키기 위해 UAE의 적용성을 보여줍니다.
초음파 식물화학 추출에서 F. 소포셀로우스 과 P. 카날리큘라타
가르시아-바케로 연구팀은 갈색 미세조류 종 Fucus 소포술로스와 펠베티아 카날리큘라타로부터 추출 효율을 평가하기 위해 고성능 초음파 추출, 초음파 전자레인지 추출, 전자레인지 추출, 수열 보조 추출 및 고압 보조 추출을 포함한 다양한 새로운 추출 기술을 비교했습니다. 초음파를 위해, 그들은 Hielscher UIP500hdT 초음파 추출기. 추출 수율의 아일시스는 초음파 추출이 F. 소포셀로우스 모두에서 대부분의 식물 화학 물질의 가장 높은 수율을 달성 것으로 나타났습니다. 즉, F. 소포로서에서 추출한 화합물의 가장 높은 수율은 초음파 추출기 UIP500hdT 총 페놀 함량(445.0 ± 4.6 mg gallicacid 등가물/g), 총 플로로타닌 함량(362.9 ± ± 3.7 mg phloroglucinol 등가물/g), 총 플라보노이드 함량(286.3 ± 7.8 mg quercetin 등가물/g) 및 총 탄틴 함량(± 18.49mg).
그들의 연구 결과에서, 팀은 "추출 용매로 50% 에탄올릭 용액과 결합된 초음파 보조 추출의 사용이 TPC, TPhC, TFC 및 TTC의 추출을 표적으로 하는 유망한 전략이 될 수 있다는 것을 결론을 내렸습니다, F. 소포술사및 P에서 바람직하지 않은 탄수화물의 공동 추출을 감소시키면서, 이 화합물으로 유망한 응용으로, 유망한 응용프로그램으로, 이 화합물을 사용하여 유망한 응용과 더불어, 건강 기능과 cosmeuticals." [가르시아 바케로 외, 2021]
Hielscher 초음파 를 사용하여 아비뇽 대학에서 마노 열 음속의 확장 : 실험실 장비에서 UIP1000hdT (A) 파일럿 스케일 장비 UIP4000hdT (B, C & D). 사진 D는 초음파 흐름 셀의 트랜스버셀 부분을 스키마화 FC100K.
그림과 연구: ©베르네스 외 2019
유동 셀을 장착한 초음파 인라인 추출기 설정: 2배 UIP1000hdT 연속 조류 추출을 위한 유동 세포 반응기 초음파 제기
UIP1000hdT (1kW, 20kHz) 클로렐라, 스피룰리나, 난노클로로프시스, 브로엔 조류 뿐만 아니라 다른 미세 조류및 거시 조류와 같은 조류의 붕괴 및 추출을 위한 교반기를 함유한 초음파 추출기.
- 높은 추출 효율
- 우수한 추출 수율
- 신속한 처리
- 저온
- 열연하화합물 추출에 적합
- 모든 용매와 호환
- 저에너지 소비
- 녹색 추출 기술
- 쉽고 안전한 작동
- 낮은 투자 및 운영 비용
- 24/7 중장비 작동
조류 붕괴를 위한 고성능 초음파 추출기
Hielscher의 최첨단 초음파 장비는 진폭, 온도, 압력 및 에너지 입력과 같은 공정 변수를 완벽하게 제어 할 수 있습니다.
초음파 추출의 경우 원료 입자 크기, 용매 유형, 고체 용매 비율 및 추출 시간과 같은 매개 변수는 최상의 결과를 위해 다양하고 최적화 될 수 있습니다.
초음파 추출은 비열 추출 방법이기 때문에 조류와 같은 원료에 존재하는 생리 활성 성분의 열 분해를 피할 수 있습니다.
전반적으로, 높은 수율, 짧은 추출 시간, 낮은 추출 온도 및 소량의 용매와 같은 장점은 초음파 처리를 우수한 추출 방법을 만든다.
초음파 추출: 실험실 및 산업 분야 설립
초음파 추출은 식물, 조류, 박테리아 및 포유류 세포로부터 임의의 종류의 생리 활성 화합물의 추출을 위해 널리 적용됩니다. 초음파 추출은 더 높은 추출 수율과 짧은 처리 기간에 의해 다른 전통적인 추출 기술을 능가하는 간단하고 비용 효율적이며 매우 효율적입니다.
실험실, 벤치탑 및 완전 산업용 초음파 시스템을 쉽게 사용할 수 있는 초음파 추출은 요즘 잘 확립되고 신뢰할 수 있는 기술입니다. Hielscher 초음파 추출기는 식품 및 제약 등급 의 생리 활성 화합물을 생산하는 산업 가공 시설에 전 세계적으로 설치됩니다.
Hielscher 초음파를 가진 프로세스 표준화
식품, 의약품 또는 화장품에 사용되는 조류 유래 추출물은 우수 제조 관행(GMP) 및 표준화된 가공 사양에 따라 생산되어야 합니다. Hielscher 초음파의 디지털 추출 시스템에는 지능형 소프트웨어가 있어 초음파 처리 공정을 정확하게 설정하고 제어할 수 있습니다. 자동 데이터 기록은 내장 된 SD 카드에 날짜와 타임 스탬프와 초음파 에너지 (총 및 순 에너지), 진폭, 온도, 압력 (온도 및 압력 센서가 장착 될 때)과 같은 모든 초음파 공정 매개 변수를 기록합니다. 이를 통해 초음파 처리된 각 부지를 수정할 수 있습니다. 동시에 재현성과 지속적으로 높은 제품 품질이 보장됩니다.
아래 표는 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.
| 일괄 볼륨 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 ~ 500mL | 10 ~ 200mL / min | UP100H |
| 10 ~ 2000mL | 20 ~ 400 mL / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ~ 20L | 0.2 ~ 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 ~ 100L | 2 ~ 10L / min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 ~ 100L / min | UIP16000 |
| N.A. | 더 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모의 응용 프로그램, 분산, 에멀화 및 추출을 위한 고성능 초음파 균질화를 제조합니다.
문학 / 참고 문헌
- 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.
- 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.
- Garcia-Vaquero, Marco; Rajeev Ravindran; Orla Walsh; John O’Doherty; Amit K. Jaiswal; Brijesh K. Tiwari; Gaurav Rajauria (2021): Evaluation of Ultrasound, Microwave, Ultrasound–Microwave, Hydrothermal and High Pressure Assisted Extraction Technologies for the Recovery of Phytochemicals and Antioxidants from Brown Macroalgae. Marine Drugs 19 (6), 2021.
- Vernès, Léa; Vian, Maryline; Maâtaoui, Mohamed; Tao, Yang; Bornard, Isabelle; Chemat, Farid (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019.
알만한 가치가있는 사실
조류: 대식조류, 미세조류, 피토플랑크톤, 시아노박테리아, 해초
용어 조류는 광합성 진핵 생물의 크고 다양한 그룹에 사용되는 비공식적 인 것입니다. 조류는 주로 프로테이스트로 간주되지만 때로는 식물 (식물) 또는 choromists의 유형으로 분류됩니다. 그들의 세포 구조에 따라, 그들은 거시 조류와 미세 조류로 분화 될 수있다, 또한 식물 성 플랑크톤으로 알려진. Macroalgae는 다세포 유기체, 종종 해초로 알려져 있습니다. 거식형의 클래스는 거시화, 다세포, 해양 조류의 다양한 종을 포함합니다. 용어 식물성 플랑크톤은 주로 미세한 해양 단세포 조류 (미세 조류)에 사용되지만 시아노 박테리아를 포함 할 수도 있습니다. Phytoplankton은 광합성 박테리아뿐만 아니라 미세 조류 및 갑옷 도금 coccolithophores를 포함한 다양한 유기체의 넓은 클래스입니다.
조류는 단일 세포 또는 필라멘트 (문자열 과 같은) 또는 식물과 같은 구조로 다세포될 수 있기 때문에 분류하기가 종종 어렵습니다.
가장 재배된 대식조류(해초) 종은 유추마 스프, 카파피쿠스 알바레지, 그라실라리아 스프., 사카리나 자포니카, 운다리아 피나티피다, 파이로피아 스PP, 사르가섬 후시포메입니다. 유추마와 K. 알바레지이는 하이드로콜로이드 겔화제인 카라게난을 위해 재배된다. 그라실라리아는 한천 생산을 위해 재배됩니다. 다른 종은 음식과 영양을 위해 사료되는 동안.
또 다른 해초 타입은 다시마입니다. 켈프스는 라미나리아의 질서를 구성하는 큰 갈색 조류 해초입니다. 다시마는 아이스크림, 젤리, 샐러드 드레싱, 치약 과 같은 제품뿐만 아니라 일부 개 사료및 제조 품의 성분을 두껍게하는 데 사용되는 탄수화물 인 알자네이트가 풍부합니다. 알기네이트 분말은 또한 일반적인 치과 및 치열 교정에서 자주 사용됩니다. 후코이단과 같은 다시마 다당류는 젤링 성분으로 피부 관리에 사용됩니다.
후코이단은 황지방 수용성 이질이 많은 이질성 이질성다락산이며, 여러 종의 갈색 조류에 존재한다. 상업적으로 생산된 후코이단은 주로 해초종 후커스 소포로우스, 클라도시폰 오카무라누스, 라미나리아 자포니카, Undaria 피나티피다에서 추출된다.
저명한 조류 제네라와 종
- 클로렐라 단세포 녹조류(microalga)의 약 13종의 속이 엽록타 사단에 속하는다. 클로렐라 세포는 구형 모양을 가지고 있으며 직경이 약 2 ~ 10 μm이며 플래그렐라가 없습니다. 그들의 엽록소에는 녹색 광합성 안료 엽록소 와 -b가 포함되어 있습니다. 가장 많이 사용되는 클로렐라 종 중 하나는 염식 보조제나 단백질이 풍부한 식품 첨가물로 널리 사용되는 클로렐라 저속한종입니다.
- Spirulina (관절피라 플라닌시스 시아노박테리아)는 필라멘트 및 다세포 블루-그린 조류입니다.
- 난노클로로프시스 오큘라타 난노클로로프시스 속의 종입니다. 그것은 해양 및 담수 모두에서 발견 되는 단세포 작은 녹조류. 난노클로로프시스 조류는 직경 2-5 μm의 구형 또는 약간 보이드 세포가 특징입니다.
- Dicrateria는 3종 디테리아 길바, 디테리아 이노나타, 디테리아 로툰다, 디타테리아 블라키아넘 등 3종으로 구성된 합토피의 속이다. Dicrateria 원형(D. rotunda)은 석유에 상응하는 탄화수소(10~38년 의 탄소 수가 있는 포화 탄화수소)를 합성할 수 있습니다.
