Aļģu ekstrakcija ar ultraskaņu uztura bagātinātāju ražošanai

Ekstrakcija ar ultraskaņu ir vislabākā metode efektīvai un ātrai aļģu šūnu sagraušanai. Apstrāde ar ultraskaņu var atbrīvot visu bioaktīvo savienojumu daudzumu, tādēļ ultraskaņas metode ir ļoti efektīva.

Kā ar ultraskaņu ekstrahēt olbaltumvielas, lipīdus un fenola savienojumus no aļģēm

Aļģu un mikroaļģu sugas ir bagātas ar bioloģiski aktīviem savienojumiem, piemēram, olbaltumvielām, lipīdiem, karotinoīdiem, pigmentiem (piemēram, fikocianīniem, astaksantīnu u. c.), fenola savienojumiem un polisaharīdiem (piemēram, karagināniem). Tādēļ tās ir plaši izmantota dabiska izejviela pārtikai un uztura bagātinātājiem paredzētu ekstraktu ražošanai. Uztura bagātinātājos bieži izmantotas aļģu sugas ir Arthrospira maxima (pazīstama arī kā spirulīna), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis un Ulva spp. Ir zināms, ka aļģes ir labs augstas kvalitātes olbaltumvielu, lipīdu, garo ķēžu polinepiesātināto taukskābju (PUFA, proti, omega-3), polisaharīdu (piemēram, algināta, karagināna, β-glikānu), vitamīnu un antioksidantu avots.
Spirulīna ir bieži izmantots aļģu veids, kas ir bagāts ar augstvērtīgiem bioaktīviem savienojumiem, piemēram, olbaltumvielām (50–70% no sausnas masas). Tā kā FDA (Amerikas Savienoto Valstu Pārtikas un zāļu pārvalde) ir apstiprinājusi spirulīnu kā GRAS (vispārēji atzītu par drošu), spirulīnu un spirulīnas ekstraktus var izmantot tirdzniecībā pieejamos pārtikas produktos vai kā uztura bagātinātājus.

Aļģu ekstrakcijas ar ultraskaņu priekšrocības

Ekstrakcija ar ultraskaņu pārspēj citas ekstrakcijas metodes daudzos aspektos, piemēram, ar augstu iznākumu, uzticamību, drošību, vienkāršību un draudzīgumu videi.

Pilnīgs ekstrakcijas iznākums

Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīces atver un sagrauj aļģu šūnas, atbrīvojot to iekšējo saturu. Tādējādi ekstrakcija ar ultraskaņu atbrīvo visu bioaktīvo savienojumu spektru, piemēram, fikobiliproteīnus, karotinoīdus, lipīdus un fenola savienojumus.
Fikobiliproteīnus var iedalīt trīs galvenajās grupās, proti, hlorfikocianīnos, allofikocianīnos un fikoeritrīnos. C-fikocianīns ir dabisks zils pigments, ko plaši izmanto pārtikas un farmaceitiskajos produktos. Ekstrakcija ar ultraskaņu atbrīvo visu olbaltumvielu spektru.

Augsta ekstrakcijas efektivitāte

Duangsee et al. (2009) pārbaudīja divas dažādas metodes bioaktīvo savienojumu ekstrakcijai no Arthospira biomasas (ekstrakciju ar šķīdinātāju ultraskaņas iedarbībā un ekstrakciju, atkārtoti sasaldējot un atkausējot) un konstatēja, ka ekstrakcija ar šķīdinātāju ultraskaņas iedarbībā nodrošināja augstāku ekstrakcijas efektivitāti (22,1%) nekā sasaldēšana un atkausēšana (15,6%). Šūnu pārraušanas salīdzinājums, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu un atkārtotu sasaldēšanu un atkausēšanu, liecina, ka apstrāde ar ultraskaņu ir efektīvāka. Ultraskaņas kavitācija ātri un efektīvi sagrauj aļģu šūnas, nodrošinot lielāku šūnu sagraušanas pakāpi salīdzinājumā ar spirulīnas šūnām, kas apstrādātas, tās atkārtoti sasaldējot un atkausējot.
Apstrāde ar ultraskaņu efektīvāk sagrāva šūnu apvalku nekā atkārtota sasaldēšana un atkausēšana. Fikocianīna ekstrakcijas iznākums liecināja, ka apstrādes temperatūra ietekmē ekstrakcijas efektivitāti.

Ātrs ekstrakcijas process

Augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmas, izmantojot lielas amplitūdas, var ievadīt aļģu suspensijā lielu ultraskaņas jaudu. Tādēļ ekstrakcija ar ultraskaņu ir ļoti ātra apstrādes metode.

Temperatūras kontrole

Apstrāde ar ultraskaņu ir netermiska, pilnībā mehāniska ekstrakcijas metode. Ekstrakcijas temperatūru var precīzi kontrolēt, izmantojot pieslēdzamu temperatūras sensoru, kas ar vadu savienots ar digitālo Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīci. Hielscher digitālo ultraskaņas apstrādes ierīču programmatūra ļauj iestatīt temperatūras robežvērtības, lai ultraskaņas homogenizators apturētu darbību, sasniedzot temperatūras robežvērtību. Precīza temperatūras kontrole ļauj novērst siltumjutīgu vielu, piemēram, fikobiliproteīnu, vitamīnu, polifenolu, polisaharīdu, lipīdu un citu bioaktīvo savienojumu, termisko noārdīšanos.

Saderība ar dažādiem šķīdinātājiem

Apstrāde ar ultraskaņu ir saderīga ar gandrīz jebkuru šķīdinātāju. Ultraskaņas ekstrakcija apvienojumā ar videi draudzīgiem šķīdinātājiem, piemēram, ūdeni vai etanolu, ļauj iegūt tīrus ekstraktus. Šos ultraskaņas ekstraktus var droši iekļaut pārtikas produktos, jo ekstrakcijas šķīdinātājiem etanolam un ūdenim ir GRAS (vispārēji atzīts par drošu) statuss.

Atkārtojamība un procesa standartizācija

Hielscher digitālās ultraskaņas ierīces ir aprīkotas ar viedu programmatūru un rūpīgi izstrādātu iestatījumu klāstu ideālu ekstrakcijas parametru izvēlei. Programmatūra reģistrē visus ultraskaņas procesa parametrus (piemēram, amplitūdu, neto jaudu, kopējo jaudu, temperatūru, spiedienu, laiku, datumu) un ieraksta apstrādes ar ultraskaņu datus CSV failā iebūvētajā SD kartē. Tas ļauj standartizēt ekstrakcijas procesu un rūpīgi uzraudzīt apstrādi ar ultraskaņu un iegūtā produkta kvalitāti. Šīs funkcijas palīdz izpildīt procesa standartizācijas prasības, kā arī labas ražošanas prakses (GMP) prasības, kas abas ir ļoti svarīgas, ražojot ekstraktus uztura bagātinātājiem, pārtikai vai farmaceitiskiem produktiem.

Fikocianīna ultraskaņas ekstrakcijas protokols

Mazumder et al. (2017) pētīja optimālos apstrādes parametrus fikocianīna un fenolu savienojumu ultraskaņas ekstrakcijai no Arthospira platensis. Maksimālais fikocianīna iznākums (29,9 mg/g) un kopējo fenolu savienojumu iznākums (2,4 mg/g) tika iegūts pie 40% etanola koncentrācijas un 34,9°C ekstrakcijas temperatūras, izmantojot ultraskaņas ierīci UP50H (50 vati, 30kHz) ar 95% amplitūdu un 104,7 sekunžu ekstrakcijas ilgumu.

Vernès et al. (2019) izmantoja ultraskaņas ierīci UIP1000hdT (1000W, 20kHz), lai ekstrahētu proteīnus no spirulīnas. Ultraskaņas ierīce bija aprīkota ar BS2d34 sonotrodi un ultraskaņas plūsmas reaktoru (precīzu ultraskaņas ekstrakcijas iekārtas konfigurāciju ar plūsmas šūnu un Seepex sūkni skatiet attēlā zemāk).

UIP1000hdT – manotermosonikācijas (MTS) iekārta un mūsu proteīnu ekstrakcija no spirulīnas laboratorijas mērogā
avots: Vernes et al. 2019

Pētījuma rezultāti liecina, ka ultraskaņas ekstrakcijas apstākļi, kas optimizēti proteīnu iznākumam, ietver nedaudz paaugstinātu temperatūru un spiedienu (tā dēvēto manotermosonikāciju MTS). MTS veicina masas pārnesi un ļauj iegūt par 229% vairāk proteīnu (28,42 ± 1,15 g/100 g sausnas) nekā tradicionālajā procesā bez ultraskaņas (8,63 ± 1,15 g/100 g sausnas).
Iegūstot ekstraktā 28,42 g proteīnu uz 100 g sausas spirulīnas biomasas, nepārtrauktā apstrādes ar ultraskaņu procesā tikai 6 minūtēs tika sasniegta 50% proteīnu atgūšanas pakāpe. Mikroskopiskie attēli atklāj, ka akustiskā kavitācija ietekmē spirulīnas pavedienus ar dažādiem mehānismiem, piemēram, fragmentāciju, sonoporāciju un struktūras noārdīšanu. Šie dažādie efekti atvieglo spirulīnas bioaktīvo savienojumu ekstrakciju, atbrīvošanu un šķīdināšanu un padara šos procesus efektīvākus, nodrošinot augstu kvalitatīvu proteīnu iznākumu.
Attiecībā uz ar ultraskaņu ekstrahēto proteīnu kvalitāti – apstrāde ar ultraskaņu nenoārdīja aminoskābes, un pēc apstrādes ar ultraskaņu tās bija sastopamas lielākā daudzumā nekā pēc tradicionālās ekstrakcijas.
Salīdzinot manotermosonikāciju un ultraskaņas ekstrakciju bez paaugstināta spiediena un temperatūras, ekstrakcijas iznākuma un efektivitātes atšķirība ir tikai minimāla. Tādēļ tikai ultraskaņas izmantošana tiek uzskatīta par visekonomiskāko un vienkāršāko paņēmienu, lai iegūtu augstas kvalitātes ekstraktu, kas bagāts ar spirulīnas proteīniem. Ultraskaņas ekstrakcija ir videi draudzīgs ekstrakcijas paņēmiens, kas piemērots proteīnu ekstrakcijai no spirulīnas laboratorijas mērogā un ko var viegli palielināt līdz pilotražošanas un rūpnieciskam mērogam. (sal. Vernès et al. 2019)

Augstas veiktspējas ultraskaņas ekstraktori

Visus nelielā mērogā sasniegtos ekstrakcijas rezultātus var lineāri pārnest uz lielākām ražošanas jaudām. Hielscher Ultrasonics plašajā produktu klāstā, kas aptver gan laboratorijas, gan rūpnieciskās ekstrakcijas sistēmas, ir jūsu paredzētajai procesa ražībai vispiemērotākā ultraskaņas iekārta. Mūsu darbinieki ar ilggadēju pieredzi palīdzēs jums visos posmos – no priekšizpētes izmēģinājumiem un procesa optimizācijas līdz jūsu ultraskaņas sistēmas uzstādīšanai galīgajā ražošanas mērogā.

Hielscher Ultrasonics – augsti attīstītas ekstrakcijas iekārtas

Hielscher Ultrasonics produktu klāsts aptver visu augstas veiktspējas ultraskaņas ekstraktoru diapazonu – no neliela līdz lielam mērogam. Papildu piederumi ļauj viegli izveidot jūsu procesam vispiemērotāko ultraskaņas iekārtas konfigurāciju. Optimālā ultraskaņas sistēma ir atkarīga no paredzētās ražības, tilpuma, izejvielas, periodiska vai nepārtrauktas plūsmas procesa un laika grafika. Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj tām darboties 24/7 ar lielu slodzi un prasīgos vides apstākļos. Ultraskaņas ekstrakcijas procesu lineārās mērogošanas iespēja ļauj vienkārši un uzticami palielināt ražošanas apjomu. Lasiet vairāk par ultraskaņas ekstrakcijas procesu lineāru mērogošanu!

Izvēlieties kādu no dažādiem piederumiem, piemēram:

• dažādu izmēru, diametru un formu sonotrodes
• sonotrodes lielai amplitūdai – 200µm un vairāk
• dažāda tilpuma un ģeometrijas plūsmas šūnu reaktorus
• daudzus amplitūdas transformatorus pastiprinājuma palielināšanai vai samazināšanai
• pilnīgas ultraskaņas apstrādes sistēmas, piemēram, SonoStation, kas ietver ultraskaņas ekstraktoru, tvertni, maisītāju un sūkni
• pievienojamus temperatūras sensorus
• pievienojamus spiediena sensorus

Mūsu labi apmācītie darbinieki ar ilggadēju pieredzi konsultēs jūs un ieteiks jūsu ekstrakcijas procesa prasībām vispiemērotāko ultraskaņas sistēmu!

Tālāk sniegtā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes ražību: