Antociānu ekstrakcija ar ultraskaņu

Antociānus plaši izmanto pārtikas produktos kā dabisku krāsvielu un uzturvielu piedevu. Ekstrakcija ar ultraskaņu ir ļoti efektīva un vienkārša metode augstas kvalitātes antociānu iegūšanai. Zondes tipa ultraskaņas ierīču izmantošana veicina augstas kvalitātes antociānu izdalīšanos no augiem, nodrošinot lielāku iznākumu un ātru procesu. Vienlaikus apstrāde ar ultraskaņu ir saudzīga, videi draudzīga un efektīva metode pārtikas un farmācijas kvalitātes prasībām atbilstošu antociānu rūpnieciskai ražošanai.

Antociāni – kā iegūt augstas kvalitātes antociānus, izmantojot ultraskaņas ierīci

Antociānus plaši izmanto kā dabiskas krāsvielas pārtikas rūpniecībā. Tiem ir plašs krāsu toņu spektrs – no oranža un sarkana līdz violetam un zilam atkarībā no molekulārās struktūras un pH vērtības. Interesi par antociāniem nosaka ne tikai to krāsojošā iedarbība, bet arī veselībai labvēlīgās īpašības. Pieaugot bažām par sintētisko krāsvielu ietekmi uz vidi un veselību, dabiskās krāsvielas ir lieliska alternatīva kā videi draudzīgas krāsvielas pārtikas un zāļu rūpniecībā.

Ar ultraskaņu uzlabota antociānu ekstrakcija

Kā ekstrahēt antociānus ar ultraskaņu? – Pētījumu piemēri

Antociānu ekstrakcija ar ultraskaņu no violetajiem rīsiem Oryza Sativa L.

Oryza Sativa līnijas violetie rīsi (pazīstami arī kā Violet Nori jeb violetie rīsi) ir ārkārtīgi bagāti ar fenola savienojumiem, piemēram, flavonoīdu grupai piederošajiem antociāniem. Turrini et al. (2018) izmantoja ekstrakciju ar ultraskaņu, lai izolētu polifenolu savienojumus, piemēram, antociānus un antioksidantus, no violeto rīsu graudiem (veselā, brūnā un tvaicētā veidā) un lapām. Ekstrakciju ar ultraskaņu veica, izmantojot Hielscher UP200St (200W, 26kHz, attēlā pa kreisi) un etanolu 60% koncentrācijā kā šķīdinātāju.
Lai saglabātu antociānu integritāti, ar ultraskaņu iegūtos ekstraktus uzglabāja −20°C temperatūrā, kas ļāva tos uzglabāt vismaz līdz trim mēnešiem.
Cianidīn-3-glikozīds (pazīstams arī kā krizantemīns) bija pārliecinoši galvenais konstatētais antociāns Turrini et al. pētījumā aplūkotajās ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ un ‘Nerone’ šķirnēs, savukārt peonidīn-3-glikozīds un cianidīn-3-rutinozīds (arī antirrinīns) tika konstatēti mazākā daudzumā.
Oryza Sativa violetās lapas ir lielisks antociānu un kopējo fenola savienojumu (TPC) avots. Tā kā šo savienojumu daudzums lapās ir aptuveni 2–3 reizes lielāks nekā rīsos un miltos, Oryza lapas ir lēta izejviela antociānu ekstrakcijai. Aplēstais iznākums – aptuveni 4 kg antociānu/t svaigu lapu – ir ievērojami lielāks nekā 1 kg antociānu/t rīsu, kas aprēķināts, pamatojoties uz ‘Violet Nori’ rīsos konstatēto vidējo antociānu daudzumu (1300 µg/g rīsu, izteikts kā cianidīn-3-glikozīds), iegūstot aptuveni 68 kg rīsu no 100 kg nelobītu rīsu.

Antociānu ekstrakcija ar ultraskaņu no sarkanajiem kāpostiem

Ravanfar et al. (2015) pētīja antociānu ekstrakcijas ar ultraskaņu efektivitāti, ekstrahējot tos no sarkanajiem kāpostiem. Ekstrakcijas ar ultraskaņu eksperimentus veica, izmantojot ultraskaņas sistēmu UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotrodi MS10 (uzgaļa diametrs 10mm) ievietoja stikla vārglāzes centrā; vārglāze bija aprīkota ar apvalku temperatūras regulēšanai.

Šajā eksperimentā izmantoja svaigi sagrieztus sarkano kāpostu gabaliņus ar izmēru 5mm (kuba formā) un mitruma saturu 92,11 ± 0,45 %. Stikla vārglāzē ar apvalku (tilpums: 200ml) iepildīja 100ml destilēta ūdens un 2g sarkano kāpostu gabaliņu. Vārglāzi pārklāja ar alumīnija foliju, lai procesa laikā novērstu šķīdinātāja (ūdens) zudumu iztvaikošanas dēļ. Visos eksperimentos temperatūru vārglāzē uzturēja ar termostatisku regulatoru. Beigās paraugus savāca, filtrēja un centrifugēja ar ātrumu 4000rpm, un supernatantus izmantoja antocianīnu iznākuma noteikšanai. Kā kontroles eksperimentu veica ekstrakciju ūdens vannā.
Optimālo antocianīnu iznākumu no sarkanajiem kāpostiem noteica pie 100 W jaudas, 30 min ilga apstrādes laika un 15°C temperatūras, iegūstot aptuveni 21 mg/L antocianīnu.
Tā kā sarkano kāpostu krāsviela maina krāsu atkarībā no pH vērtības un tai piemīt intensīva krāsojošā iedarbība, to izmanto farmaceitiskajos preparātos kā pH indikatoru vai pārtikas sistēmās kā antioksidantu un krāsvielu.

Ultraskaņa ievērojami pastiprina antocianīnu ekstrakciju no augu materiāla.
avots: Ravanfar et al. 2015

 
Citi pētījumi liecina par veiksmīgu antocianīnu ekstrakciju ar ultraskaņu no mellenēm, kazenēm, vīnogām, ķiršiem, zemenēm un violetajiem batātiem, kā arī citiem avotiem.

Augstas veiktspējas ultraskaņas ekstraktori

Hielscher Ultrasonics specializējas augstas veiktspējas ultraskaņas procesoru ražošanā augstas kvalitātes ekstraktu iegūšanai no augu izejvielām.
Plašais Hielscher ultraskaņas ierīču klāsts aptver gan nelielas, jaudīgas laboratorijas ultraskaņas ierīces, gan izturīgas galda un pilnībā rūpnieciskas sistēmas, kas nodrošina augstas intensitātes ultraskaņu bioaktīvo vielu (piemēram, antocianīnu, gingerola, piperīna, kurkumīna u. c.) efektīvai ekstrakcijai un izolēšanai.
Visām ultraskaņas ierīcēm no 200W līdz 16 000W ir krāsu skārienekrāns digitālai vadībai, iebūvēta SD karte automātiskai datu reģistrēšanai, attālināta vadība pārlūkprogrammā un daudzas citas lietotājam ērtas funkcijas. Sonotrodes un plūsmas šūnas (daļas, kas saskaras ar vidi) var apstrādāt autoklāvā, un tās ir viegli tīrāmas.
Hielscher ultraskaņas ierīces ir ļoti izturīgas un paredzētas darbībai ar pilnu slodzi 24/7, turklāt tām nepieciešama neliela apkope, un tās ir viegli un droši lietojamas. Digitāls krāsu displejs nodrošina ērtu ultraskaņas ierīces vadību.
Mūsu sistēmas spēj nodrošināt amplitūdas no zemām līdz pat ļoti augstām. Kanabinoīdu un terpēnu ekstrakcijai piedāvājam īpašas ultraskaņas sonotrodes (pazīstamas arī kā ultraskaņas zondes vai ragi), kas ir optimizētas augstas kvalitātes aktīvo vielu saudzīgai izolēšanai. Visas mūsu sistēmas var izmantot kanabinoīdu ekstrakcijai un tai sekojošai emulģēšanai. Hielscher ultraskaņas ierīču izturība ļauj nodrošināt nepārtrauktu darbību (24/7) ar lielu slodzi un sarežģītos darba apstākļos.

Precīza ultraskaņas procesa parametru kontrole nodrošina reproducējamību un procesa standartizāciju.
 

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:

Literatūra / Atsauces

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Fakti, ko vērts zināt

Kā darbojas ekstrakcija ar ultraskaņas palīdzību?

Intensīvu ultraskaņas viļņu iedarbība uz šķidru vidi izraisa kavitāciju. Tāda parādība kā kavitācija lokāli izraisa ekstremālas temperatūras, spiedienus, uzsilšanas/atdzišanas ātrumus, spiediena starpības un lielus bīdes spēkus vidē. Kad kavitācijas burbuļi implodē uz cietvielu (piemēram, daļiņu, augu šūnu, audu u. c.) virsmas, mikrostrūklas un daļiņu savstarpējās sadursmes izraisa tādas parādības kā virsmas slāņa atdalīšanās, erozija un daļiņu sairšana. Turklāt kavitācijas burbuļu implozija šķidrās vidēs rada makroturbulenci un mikrosajaukšanos.
Augu materiāla apstarošana ar ultraskaņu sadrumstalo augu šūnu matricu un uzlabo tās hidratāciju. Chemat et al (2015) secina, ka bioaktīvo savienojumu ultraskaņas ekstrakcija no augu izejvielām ir dažādu neatkarīgu vai kombinētu mehānismu rezultāts, tostarp fragmentācijas, erozijas, kapilaritātes, struktūras noārdīšanās un sonoporācijas. Šīs iedarbības rezultātā tiek sagrauts šūnas sieniņas veselums, uzlabota masas pārnese, iespiežot šķīdinātāju šūnā un izsūcot ar augu savienojumiem bagātināto šķīdinātāju no tās, kā arī nodrošināta šķidruma kustība ar mikrosajaukšanos.

Ultraskaņas ekstrakcijas pamatā ir akustiskā kavitācija un tās radītie hidrodinamiskie bīdes spēki

Augu materiāla apstarošana ar ultraskaņu sadrumstalo augu šūnu matricu un uzlabo tās hidratāciju. Chemat et al. (2015) secina, ka bioaktīvo savienojumu ultraskaņas ekstrakcija no augu izejvielām ir dažādu neatkarīgu vai kombinētu mehānismu rezultāts, tostarp fragmentācijas, erozijas, kapilaritātes, struktūras noārdīšanās un sonoporācijas. Šīs iedarbības rezultātā tiek sagrauts šūnas sieniņas veselums, uzlabota masas pārnese, iespiežot šķīdinātāju šūnā un izsūcot ar augu savienojumiem bagātināto šķīdinātāju no tās, kā arī nodrošināta šķidruma kustība ar mikrosajaukšanos.
Ultraskaņas ekstrakcija nodrošina ļoti ātru savienojumu izdalīšanu – pārspējot tradicionālās ekstrakcijas metodes ar īsāku procesa laiku, lielāku iznākumu un zemākām temperatūrām. Tā kā ekstrakcija ar ultraskaņas palīdzību ir saudzīga mehāniska apstrāde, tā novērš bioaktīvo komponentu termisko noārdīšanos un pārspēj citas metodes, piemēram, tradicionālo ekstrakciju ar šķīdinātāju, hidrodestilāciju vai Soksleta ekstrakciju, par kurām ir zināms, ka tās noārda karstumjutīgas molekulas. Šo priekšrocību dēļ ultraskaņas ekstrakcija ir vēlamā metode temperatūrjutīgu bioaktīvo savienojumu atbrīvošanai no augu izejvielām.

Ultraskaņas ekstrakcija no augu šūnām: mikroskopiskajā šķērsgriezumā (TS) redzams iedarbības mehānisms ultraskaņas ekstrakcijas laikā no šūnām (palielinājums 2000x) [avots: Vilkhu et al. 2011]

Antociāns – vērtīgs augu pigments

Antociāni ir augu vakuolās esoši pigmenti, kas var būt sarkani, violeti, zili vai melni. Ūdenī šķīstošo antociānu pigmentu krāsas izpausme ir atkarīga no to pH vērtības. Antociāni ir atrodami šūnu vakuolās, galvenokārt ziedos un augļos, bet arī lapās, stublājos un saknēs, kur tie pārsvarā atrodas ārējos šūnu slāņos, piemēram, epidermā un perifērajās mezofila šūnās.
Dabā visbiežāk sastopami cianidīna, delfinidīna, malvidīna, pelargonidīna, peonidīna un petunidīna glikozīdi.
Raksturīgi ar antociāniem bagātu augu piemēri ir Vaccinium ģints sugas, piemēram, krūmmellenes, dzērvenes un mellenes; Rubus ģints ogas, tostarp melnās avenes, sarkanās avenes un kazenes; upenes, ķirši, baklažāni, melnie rīsi, ube, Okinavas batātes, Concord vīnogas, muskadīna vīnogas, sarkanie kāposti un vijolīšu ziedlapiņas. Persiki un āboli ar sarkanu mīkstumu satur antociānus. Banānos, sparģeļos, zirņos, fenhelī, bumbieros un kartupeļos antociānu ir mazāk, un dažās zaļo ērkšķogu šķirnēs to var nebūt vispār.

Galveno antociānu struktūra

Antocianīni ir lieliska alternatīva sintētisko krāsvielu aizstāšanai pārtikas produktos. Antocianīni ir apstiprināti lietošanai kā pārtikas krāsvielas Eiropas Savienībā, Austrālijā un Jaunzēlandē ar krāsvielas kodu E163. Antocianīni ir sastopami augļos un dārzeņos, un tos var raksturot kā ūdenī šķīstošu augu pigmentu veidu. Ķīmiski antocianīni ir antocianidīnu glikozīdi, kuru pamatā ir 2-fenilbenzopirilija (flavilija) struktūra. Antocianīnu kategorijā ietilpst vairāk nekā 200 dažādu fitoķīmisko savienojumu. Antocianīni ir galvenie krāsas pigmenti savvaļas augļos un ogās, tāpēc ir daudz avotu, no kuriem tos var ekstrahēt. Nozīmīgs antocianīnu avots ir vīnogu miziņas. Antocianīnu pigmentus vīnogu miziņās galvenokārt veido peonidīna, malvidīna, cianidīna, petunidīna un delfinidīna diglikozīdi, monoglikozīdi, acilēti monoglikozīdi, kā arī acilēti diglikozīdi. Antocianīnu saturs vīnogās svārstās no 30–750mg/100g.
Nozīmīgākie antocianīni ir cianidīns, delfinidīns, pelargonidīns, peonidīns, malvidīns un petunidīns.
Piemēram, violetajos saldajos kartupeļos ir sastopami antocianīni peonidīna-3-kafeoil-p-hidroksibenzoilsoforozīds-5-glikozīds, peonidīna-3-(6″-kafeoil-6‴-feruloilsoforozīds)-5-glikozīds un cianidīna-3-kafeoil-p-hidroksibenzoilsoforozīds-5-glikozīds.

Antocianīni – ieguvumi veselībai

Papildus to lieliskajai spējai darboties kā dabīgai pārtikas krāsvielai antocianīni tiek augstu vērtēti to antioksidatīvās iedarbības dēļ. Tāpēc antocianīniem ir daudz pozitīvu ietekmju uz veselību. Pētījumi ir parādījuši, ka antocianīni var kavēt DNS bojājumus vēža šūnās, inhibēt gremošanas enzīmus, izraisīt insulīna ražošanu izolētās aizkuņģa dziedzera šūnās, mazināt iekaisuma reakcijas, aizsargāt pret ar vecumu saistītu smadzeņu darbības pasliktināšanos, uzlabot kapilāro asinsvadu sieniņu necaurlaidību un novērst trombocītu agregāciju.