Ultraschallbehandlung fir d’Opschléisse vun Algenzellen an d’Extraktioun ze verbesseren

Algen, Makro- a Mikroalgen, enthalen vill wäertvoll Verbindungen, déi als nährstoffräich Liewensmëttel, Liewensmëttelzousazstoffer oder als Brennstoff respektiv als Rohstoff fir Brennstoffer benotzt ginn. Fir d’Zilsubstanzen aus der Algenzell fräizesetzen, ass eng staark an effizient Technik fir d’Opschléisse vun den Zellen néideg. Ultraschallextraktore sinn héich effizient an zouverlässeg, wann et ëm d’Extraktioun vu bioaktive Verbindungen aus Planzematerial, Algen a Pilze geet. Hielscher Ultraschallextraktore sinn am Labo-, am Dëschapparat- an am industrielle Moossstaf disponibel a si bei der Produktioun vun Extrakten aus Zellen an der Liewensmëttel-, Pharma- a Biobrennstoffproduktioun etabléiert.

Algen als wäertvoll Ressource fir Ernärung a Brennstoff

Algenzelle sinn eng villsäiteg Quell vu bioaktiven an energieräiche Verbindungen, wéi Proteinnen, Kuelenhydrater, Lipiden an anere bioaktive Substanzen, souwéi Alkanen. Domat sinn Algen eng Quell vu Liewensmëttel an Nährstoffverbindungen souwéi vu Brennstoffer.
Mikroalge sinn eng geschate Quell vu Lipiden, déi fir d’Ernärung an als Rohstoff fir Biobrennstoffer (z. B. Biodiesel) benotzt ginn. Stämm vum marine Phytoplankton Dicrateria, wéi Dicrateria rotunda, sinn als bensinnproduzéierend Alge bekannt, déi eng Rei vu gesättegte Kuelewaasserstoffer (n-Alkanen) vu C₁₀H₂₂ bis C₃₈H₇₈, déi als Bensinn (C10–C15), Dieselueleger (C16–C20) an Heizueleger (C21–C38) klasséiert ginn, synthetiséiere kënnen.
Wéinst hirem Nährwäert ginn Algen als “funktionell Liewensmëttel” oder “Nutraceutika” benotzt. Zu de wichtege Mikronährstoffer, déi aus Algen extrahéiert ginn, gehéieren d’Carotenoiden Astaxanthin, Fucoxanthin an Zeaxanthin, Fucoidan, laminari an aner Glucanen, déi zesumme mat villen anere bioaktive Substanzen als Nahrungsergänzungsmëttel a Pharmazeutika benotzt ginn. Carrageen, Alginat an aner Hydrokolloide ginn als Liewensmëttelzousazstoffer benotzt. Algelipide ginn als vegan Omega-3-Quell an och als Brennstoff oder als Rohstoff fir d’Produktioun vu Biodiesel benotzt.

Opschléisse vun Algenzellen an Extraktioun mat Héichleeschtungsultraschall

Ultraschallextraktoren oder einfach Ultraschallapparater gi benotzt, fir wäertvoll Verbindungen aus klenge Prouwen am Labo ze extrahéieren, souwéi fir d’Produktioun a groussem kommerzielle Moossstaf.
Algenzelle gi vu komplexen Zellwandmatrize geschützt, déi aus Lipiden, Cellulose, Proteinnen, Glykoproteinnen a Polysaccharide bestinn. D’Grondstruktur vun de meeschten Algenzellwänn besteet aus engem mikrofibrilläre Reseau an enger gelaarteger Proteinmatrix; verschidde Mikroalgen hunn awer eng steif anorganesch Wand, déi aus Frustulen aus opalinem Siliziumdioxid oder aus Kalziumkarbonat besteet. Fir bioaktiv Verbindungen aus Algebiomass ze gewannen, ass eng effizient Technik fir d’Opschléisse vun den Zellen néideg. Nieft den technologeschen Extraktiounsfaktoren (d. h. Extraktiounsmethod an Ausrüstung) gëtt d’Effizienz vum Opschléisse vun Algenzellen an der Extraktioun och staark vu verschiddenen algenofhängege Facteure beaflosst, wéi der Zesummesetzung vun der Zellwand, der Lag vun der gewënschter Biomoleküll an de Mikroalgenzellen an der Wuesstemsphas vun de Mikroalge bei der Ernte.

Wéi funktionéieren d’Opschléisse vun Algenzellen an d’Extraktioun mat Ultraschall?

Wann Ultraschallwelle mat héijer Intensitéit iwwer eng Ultraschallsond (och Ultraschallhorn oder Sonotrod genannt) an eng Flëssegkeet oder eng Suspensioun agekoppelt ginn, breeden d’Schallwelle sech duerch d’Flëssegkeet aus an erzeugen dobäi ofwiesselnd Héichdrock- / Déifdrockzyklen. Wärend dësen Héichdrock- / Déifdrockzyklen entstinn winzeg Vakuumblosen oder Huelraim. Kavitatiounsblosen entstinn, wann de lokalen Drock wärend den Déifdrockzyklen wäit genuch ënner de Sättigungsdampdrock fält, e Wäert, deen duerch d’Zuchfestegkeet vun der Flëssegkeet bei enger bestëmmter Temperatur bestëmmt gëtt. Dës Blose wuessen iwwer e puer Zyklen. Wann dës Vakuumblosen eng Gréisst erreechen, bei där se keng weider Energie méi ophuele kënnen, implodéiert d’Blos mat grousser Gewalt wärend engem Héichdrockzyklus. D’Implosioun vu Kavitatiounsblosen ass e gewaltsame Prozess mat héijer Energiedicht, deen intensiv Stousswellen, Turbulenzen a Mikrostralen an der Flëssegkeet erzeugt. Zousätzlech entstinn lokal ganz héich Drécker a ganz héich Temperaturen. Dës extrem Bedéngunge kënne mat Liichtegkeet Zellwänn a Membranen opbriechen an intrazellulär Verbindungen op eng effektiv, wierksam a séier Manéier fräisetzen. Intrazellulär Verbindunge wéi Proteinnen, Polysacchariden, Lipiden, Vitaminen, Mineralstoffer an Antioxidantien kënnen doduerch mat leeschtungsstaarkem Ultraschall effektiv extrahéiert ginn.

Ultraschallkavitatioun fir den Zellopbroch an d’Extraktioun

Wann d’Zellwand oder d’Membran vun iergendenger Zellaart (dorënner planzlech Zellen, Mamendéierenzellen, Algenzellen, Pilzzellen, Bakterienzellen asw.) intensiver Ultraschallenergie ausgesat gëtt, gëtt se opgebrach, an d’Zell gëtt duerch déi mechanesch Kräfte vun der energiedichter Ultraschallkavitatioun a méi kleng Fragmenter zerrappt. Wann d’Zellwand opgebrach ass, ginn déi zellulär Metabolitte wéi Proteinnen, Lipiden, Nukleinsaieren a Chlorophyll souwuel aus der Zellwandmatrix wéi och aus dem Zellbanneschte fräigesat an an dat Kulturmedium oder Léisungsmëttel ronderëm iwwerdroen.
Deen uewe beschriwwene Mechanismus vun der Ultraschallkavitatioun / akustescher Kavitatioun brécht ganz Algenzellen oder Gas- a Flëssegkeetsvakuolen an den Zelle staark op. D’Ultraschallkavitatioun, d’Schwéngungen, d’Turbulenzen an d’Mikrostréimunge fërderen de Stofftransport tëscht dem Zellbanneschten an dem Léisungsmëttel ronderëm, soudatt d’Biomoleküllen (d. h. Metabolitten) effizient a séier fräigesat ginn. D’Beschallung ass nämlech eng reng mechanesch Behandlung, déi keng aggressiv, gëfteg an/oder deier Chemikalien erfuerdert.
Ultraschall mat héijer Intensitéit an niddreger Frequenz schaaft extrem energiedicht Bedéngunge mat héijen Drécker, Temperaturen an héije Schéierkräften. Dës physikalesch Kräfte fërderen d’Opbrieche vun den Zellstrukturen, fir intrazellulär Verbindungen an d’Medium fräizesetzen. Dofir gëtt Ultraschall mat niddreger Frequenz a groussem Ëmfang fir d’Extraktioun vu bioaktive Substanzen a Brennstoffer aus Alge benotzt. Am Verglach mat konventionellen Extraktiounsmethode wéi der Léisungsmëttelextraktioun, dem Muele mat Pärelen oder der Héichdrockhomogeniséierung zeechent sech d’Ultraschallextraktioun doduerch aus, datt si déi meescht bioaktiv Verbindungen (wéi Lipiden, Proteinnen, Polysacchariden a Mikronährstoffer) aus der sonoporéierter an opgebrachener Zell fräisetzt. Ënner de richtege Prozessbedéngunge liwwert d’Ultraschallextraktioun méi héich Extraktiounsausbeute bannent enger ganz kuerzer Prozessdauer. Sou weisen Ultraschallextraktere mat héijer Leeschtung zum Beispill eng exzellent Extraktiounsleeschtung bei Algen, wa se mat engem gëeegente Léisungsmëttel agesat ginn. An engem saieren oder alkalesche Medium gëtt d’Algenzellwand porös a falteg, wat bei niddreger Temperatur (ënner 60°C) an enger kuerzer Beschallungszäit (manner wéi 3 Stonnen) zu méi héijen Ausbeute féiert. Déi kuerz Extraktiounsdauer bei mëllen Temperature verhënnert den Ofbau vu Fucoidan, soudatt en héichbioaktive Polysaccharid erhale gëtt.
D’Ultraschallbehandlung ass och eng Method, fir Fucoidan mat héijer Moleküllmass a Fucoidan mat niddreger Moleküllmass ëmzewandelen, deen duerch seng Struktur, där hir Verzweigungen ofgespléckt goufen, däitlech méi bioaktiv ass. Mat senger héijer Bioaktivitéit a Biozougänglechkeet ass Fucoidan mat niddreger Moleküllmass eng interessant Verbindung fir pharmazeutesch Produiten a Systemer fir d’Wierkstoffofgab.

Fallstudien: Ultraschallextraktioun vu Verbindungen aus Algen

D’Effizienz vun der Ultraschallextraktioun an d’Optimiséierung vun den Ultraschallextraktiounsparametere goufen ëmfaassend ënnersicht. Hei drënner fannt Dir exemplaresch Resultater fir d’Extraktioun mat Ultraschall aus verschiddenen Algenaarten.

Proteinextraktioun aus Spirulina mat Mano-Thermo-Sonikatioun

D’Fuerschungsgrupp vum Prof. Chemat (Universitéit Avignon) huet d’Auswierkunge vun der Manothermosonikatioun (MTS) op d’Extraktioun vu Proteinnen (wéi Phycocyanin) aus dréchenen Arthrospira platensis-Cyanobakterien (och als Spirulina bekannt) ënnersicht. Mano-Thermo-Sonikatioun (MTS) ass d’Uwendung vun Ultraschall a Kombinatioun mat erhéichten Drécker an Temperaturen, fir den Ultraschall-Extraktiounsprozess ze intensivéieren.
“Den experimentelle Resultater no huet MTS de Massentransport gefërdert (héich effektiv Diffusivitéit, De) an et erméiglecht, 229% méi Proteinnen (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) ze gewannen ewéi mam konventionelle Prozess ouni Ultraschall (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Mat 28,42 g Proteinne pro 100 g dréchener Spirulina-Biomass am Extrait gouf mat engem kontinuéierleche MTS-Prozess an 6 effektive Minutten eng Protein-Réckgewannungsquot vu 50% erreecht. Mikroskopesch Observatiounen hu gewisen, datt d’akustesch Kavitatioun d’Spirulina-Filamenter duerch verschidde Mechanisme wéi Fragmentéierung, Sonoporatioun an Detexturéierung beaflosst huet. Dës verschidde Phenomeener erliichteren d’Extraktioun, d’Fräisetzung an d’Solubiliséierung vu bioaktive Verbindungen aus Spirulina.” [Vernès et al., 2019]

Liichtmikroskopesch Biller vu ganze Spirulina-Filamenter am Laf vun enger MTS-Behandlung. Moossstafsbalken (Bild A) = 50 μm fir all Biller.
Bild a Studie: ©Vernès et al. 2019

Ultraschall-Extraktioun vu Fucoidan a Glucanen aus Laminaria digitata

D’TEAGASC-Fuerschungsgrupp vum Dr. Tiwari huet d’Extraktioun vu Polysacchariden, dat heescht Fucoidan, Laminarin a Gesamtglucanen, aus der Makroalg Laminaria digitata mam Ultraschallapparat UIP500hdT ënnersicht. Déi ënnersichte Parametere vun der ultraschallënnerstëtzter Extraktioun (UAE) hunn e signifikanten Afloss op d’Wäerter vu Fucose, FRAP an DPPH gewisen. Ënner optiméierte Bedéngunge fir d’Temperatur (76◦C), d’Zäit (10 min) an d’Ultraschallamplitud (100%) goufe mat 0,1 M HCl als Léisungsmëttel Wäerter vun 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde an 11,02% fir respektiv Fucose, Gesamtglucanen, FRAP an DPPH erreecht. Déi beschriwwe UAE-Bedéngunge goufen duerno erfollegräich op aner wirtschaftlech relevant brong Makroalgen (L. hyperborea an A. nodosum) applizéiert, fir polysaccharidräich Extraiten ze gewannen. Dës Studie weist, datt UAE agesat ka ginn, fir d’Extraktioun vu bioaktive Polysacchariden aus verschiddene Makroalgenaarten ze verbesseren.

Ultraschall-Extraktioun vu phytochemesche Verbindungen aus F. vesiculosus an P. canaliculata

D’Fuerschungsekipp vum García-Vaquero huet verschidden nei Extraktiounstechnike verglach, dorënner héichleeschtungsfäeg Ultraschall-Extraktioun, Ultraschall-Mikrowellen-Extraktioun, Mikrowellenextraktioun, hydrothermal ënnerstëtzt Extraktioun an Héichdrock-ënnerstëtzt Extraktioun, fir d’Effizienz vun der Extraktioun aus de bronge Mikroalgenaarten Fucus vesiculosus a Pelvetia canaliculata ze evaluéieren. Fir d’Ultraschallbehandlung hu si den Hielscher UIP500hdT Ultraschall-Extrakter benotzt. D’Analys vun den Extraktiounsausbeuten huet gewisen, datt d’Ultraschall-Extraktioun déi héchst Ausbeute vun de meeschte phytochemesche Verbindungen aus béide F. vesiculosus erreecht huet. Dat heescht, déi héchst Ausbeute vun de Verbindungen, déi aus F. vesiculosus mam Ultraschall-Extrakter UIP500hdT extrahéiert goufen, waren: Gesamtgehalt u phenolesche Verbindungen (445,0 ± 4,6 mg Gallussaier-Equivalenten/g), Gesamtgehalt u Phlorotanninnen (362,9 ± 3,7 mg Phloroglucinol-Equivalenten/g), Gesamtgehalt u Flavonoiden (286,3 ± 7,8 mg Quercetin-Equivalenten/g) a Gesamtgehalt un Tanninnen (189,1 ± 4,4 mg Catechin-Equivalenten/g).
An hirer Fuerschungsstudie ass d’Ekipp zur Konklusioun komm, datt den Asaz vun der ultraschallënnerstëtzter Extraktioun “a Kombinatioun mat enger 50% ethanolescher Léisung als Extraktiounsléisungsmëttel eng villverspriechend Strategie fir déi geziilt Extraktioun vun TPC, TPhC, TFC an TTC kéint sinn, déi gläichzäiteg d’Matextraktioun vun onerwënschte Kuelenhydrater souwuel aus F. vesiculosus wéi och aus P. canaliculata reduzéiert, mat villverspriechenden Uwendunge vun dëse Verbindungen als Pharmazeutika, Nutrazeutika a Kosmezeutika.” [García-Vaquero et al., 2021]

Vergréisserung vum Moossstaf vun der Mano-Thermo-Sonikatioun op der Universitéit Avignon mat Hielscher Ultraschallapparater: vun der Laborausriichtung UIP1000hdT (A) bis zur Ausriichtung am Pilotmoossstaf UIP4000hdT (B, C & D). Op Bild D ass e Querschnëtt vun der Ultraschall-Duerchflosszell schematesch duergestallt FC100K.
Bild a Studie: ©Vernès et al. 2019

Héichleeschtungs-Ultraschallextraktere fir den Opbroch vun Algen

Déi modernst Ultraschallapparater vun Hielscher erlaben eng vollstänneg Kontroll iwwer d’Prozessparametere wéi Amplitüd, Temperatur, Drock an Energieandrag.
Fir d’Ultraschallextraktioun kënne Parametere wéi d’Partikelgréisst vum Réimaterial, den Typ vu Léisungsmëttel, d’Verhältnis vu Feststoff zu Léisungsmëttel an d’Extraktiounszäit variéiert an optiméiert ginn, fir déi bescht Resultater ze kréien.
Well d’Ultraschallextraktioun eng netthermesch Extraktiounsmethod ass, gëtt den thermeschen Ofbau vun de bioaktiven Inhaltsstoffer, déi am Réimaterial wéi Alge virleien, verhënnert.
Insgesamt maachen d’Virdeeler wéi eng héich Ausbezuel, eng kuerz Extraktiounszäit, eng niddreg Extraktiounstemperatur an déi kleng Quantitéite vu Léisungsmëttel d’Ultraschallbeschallung zur iwwerleeëner Extraktiounsmethod.

Ultraschallextraktioun: Am Labo an an der Industrie etabléiert

D’Ultraschallextraktioun gëtt breet agesat, fir all Zort vu bioaktive Verbindungen aus Planzematerial, Algen, Bakterien a Mamendéierenzellen ze extrahéieren. D’Ultraschallextraktioun huet sech als eng einfach, käschtegënschteg an héich effizient Method etabléiert, déi aner traditionell Extraktiounstechniken duerch méi héich Extraktiounsausbezuelen an eng méi kuerz Veraarbechtungsdauer iwwertrëfft.
Well Ultraschallsystemer fir de Labo, fir den Dëschbetrib a fir de vollindustriellen Asaz ouni Weideres disponibel sinn, ass d’Ultraschallextraktioun haut eng gutt etabléiert a vertrauenswierdeg Technologie. Hielscher-Ultraschallextraktere si weltwäit an industrielle Veraarbechtungsanlagen installéiert, déi bioaktiv Verbindungen a Liewensmëttel- a Pharmaqualitéit produzéieren.

Prozessstandardiséierung mat Hielscher Ultrasonics

Extrakten aus Algen, déi a Liewensmëttel, Medikamenter oder Kosmetika benotzt ginn, mussen am Aklang mat der gudder Fabrikatiounspraxis (GMP) an no standardiséierte Veraarbechtungsspezifikatioune produzéiert ginn. Déi digital Extraktiounssystemer vun Hielscher Ultrasonics si mat intelligenter Software equipéiert, déi et einfach mécht, den Ultraschallbeschallungsprozess prezis anzestellen an ze kontrolléieren. Déi automatesch Dateopzeechnung späichert all Ultraschallprozessparametere wéi Ultraschallenergie (Gesamt- an Nettoenergie), Amplitüd, Temperatur an Drock (wann Temperatur- an Drocksensore montéiert sinn) mat Datums- an Zäitstempel op der agebauter SD-Kaart. Domat kënnt Dir all Charge, déi mat Ultraschall verschafft gouf, iwwerpréiwen. Gläichzäiteg ginn d’Reproduzéierbarkeet an eng kontinuéierlech héich Produktqualitéit garantéiert.

D’Tabell hei ënnendrënner gëtt Iech en Unhaltspunkt fir déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater: