Ultrasonication, lai uzlabotu aļģu šūnu darbības traucējumus un ekstrakciju

Aļģes, makro- un mikroaļģes satur daudz vērtīgu savienojumu, ko izmanto kā uztura pārtiku, pārtikas piedevas vai kā degvielu vai degvielas izejvielu. Lai atbrīvotu mērķa vielas no aļģu šūnas, ir nepieciešama spēcīga un efektīva šūnu darbības traucējumu metode. Ultraskaņas nosūcēji ir ļoti efektīvi un uzticami, ja runa ir par bioaktīvo savienojumu ekstrakciju no botāniskajiem produktiem, aļģēm un sēnēm. Pieejami laboratorijā, stendā un rūpnieciskā mērogā, Hielscher ultraskaņas nosūcēji ir izveidoti no šūnām iegūtu ekstraktu ražošanā pārtikas, farmācijas un biodegvielas ražošanā.

Aļģes kā vērtīgs uztura un degvielas resurss

Aļģu šūnas ir daudzpusīgs bioaktīvo un enerģētiski bagāto savienojumu avots, piemēram, olbaltumvielas, ogļhidrāti, lipīdi un citas bioloģiski aktīvās vielas, kā arī alkāni. Tas padara aļģes par pārtikas un uztura savienojumu avotu, kā arī degvielu.
Mikroaļģes ir vērtīgs lipīdu avots, ko izmanto uzturā un kā biodegvielas izejvielu (piemēram, biodīzeļdegvielu). Jūras fitoplanktona Dicrateria celmi, piemēram, Dicrateria rotunda, ir pazīstami kā benzīnu ražojošas aļģes, kas var sintezēt virkni piesātinātu ogļūdeņražu (n-alkānu) no C₁₀H₂₂ uz C₃₈H₇₈, kas tiek klasificēti kā benzīns (C10–C15), dīzeļdegvielas (C16–C20) un degvieleļļa (C21–C38).
Due their nutritional value, algae are used as “funkcionālie pārtikas produkti” vai “Nutraceuticals”. Important micro-nutrients extracted from algae include the carotenoids astaxanthin, fucoxanthin and zeaxantin, fucoidan, laminari and other glucans amongst numerous other bioactive substances are used as nutritional supplements and pharmceuticals. Carrageenan, alginate and other hydrocolloids are used as food additives. Algae lipids are used as vegan omega-3 source and also used as fuel or as feedstock for the production of biodiesel.

Aļģu šūnu darbības traucējumi un ekstrakcija ar jaudas ultraskaņu

Ultraskaņas nosūcēji vai vienkārši ultrasonikatori tiek izmantoti, lai iegūtu vērtīgus savienojumus no maziem paraugiem laboratorijā, kā arī ražošanai lielā komerciālā mērogā.
Aļģu šūnas aizsargā sarežģītas šūnu sienu matricas, kas sastāv no lipīdiem, celulozes, proteīniem, glikoproteīniem un polisaharīdiem. Lielākās daļas aļģu šūnu sienu pamatne ir veidota no mikrofibrillāra tīkla želejveida olbaltumvielu matricā; tomēr dažas mikroaļģes ir aprīkotas ar neorganisku stingru sienu, kas sastāv no opalīna silīcija dioksīda frukulām vai kalcija karbonāta. Lai iegūtu bioaktīvus savienojumus no aļģu biomasas, ir nepieciešama efektīva šūnu darbības traucējumu metode. Papildus tehnoloģiskajiem ekstrakcijas faktoriem (t.i., ekstrakcijas metodei un aprīkojumam) aļģu šūnu darbības traucējumu un ekstrakcijas efektivitāti spēcīgi ietekmē arī dažādi no aļģēm atkarīgi faktori, piemēram, šūnu sienas sastāvs, vēlamās biomolekulas atrašanās vieta mikroaļģu šūnās un mikroaļģu augšanas stadija ražas novākšanas laikā.

Kā darbojas ultraskaņas aļģu šūnu darbības traucējumi un ekstrakcija?

Kad augstas intensitātes ultraskaņas viļņi tiek savienoti ar ultraskaņas zondi (pazīstams arī kā ultraskaņas rags vai sonotrode) šķidrumā vai vircā, skaņas viļņi pārvietojas pa šķidrumu un rada tādējādi mainīgus augstspiediena / zema spiediena ciklus. Šo augstspiediena / zema spiediena ciklu laikā rodas minūtes vakuuma burbuļi vai dobumi. Kavitācijas burbuļi rodas, ja vietējais spiediens pazeminās zema spiediena ciklos, kas ir pietiekami tālu zem piesātināta tvaika spiediena, ko nosaka šķidruma stiepes izturība noteiktā temperatūrā. Kas aug vairākos ciklos. Kad šie vakuuma burbuļi sasniedz izmēru, kur tie nevar absorbēt vairāk enerģijas, burbulis vardarbīgi implodē augstspiediena cikla laikā. Kavitācijas burbuļu implosija ir vardarbīgs, enerģētiski blīvs process, kas šķidrumā rada intensīvus triecienviļņus, turbulences un mikrostrūklas. Turklāt tiek radīts lokalizēts ļoti augsts spiediens un ļoti augsta temperatūra. Šie ekstremālie apstākļi ir viegli spējīgi izjaukt šūnu sienas un membrānas un efektīvi, iedarbīgi un ātri atbrīvot intracelulāros savienojumus. Intracelulārie savienojumi, piemēram, olbaltumvielas, polisaharīdi, lipīdi, vitamīni, minerālvielas un antioksidanti, tādējādi var efektīvi iegūt, izmantojot jaudas ultraskaņu.

Ultraskaņas kavitācija šūnu darbības traucējumiem un ekstrakcijai

Saskaroties ar intensīvu ultraskaņas enerģiju, jebkura veida šūnu siena vai membrāna (ieskaitot botānisko, zīdītāju, aļģu, sēnīšu, baktēriju uc) tiek traucēta, un šūna tiek saplēsta mazākos fragmentos ar enerģijas blīvas ultraskaņas kavitācijas mehāniskajiem spēkiem. Kad šūnas sieniņa ir salauzta, šūnu metabolīti, piemēram, olbaltumvielas, lipīdi, nukleīnskābe un hlorofils, izdalās no šūnas sienas matricas, kā arī no šūnas iekšpuses un tiek pārnesti uz apkārtējo barotni vai šķīdinātāju.
Iepriekš aprakstītais ultraskaņas / akustiskās kavitācijas mehānisms nopietni traucē veselas aļģu šūnas vai gāzes un šķidrus vakuolus šūnās. Ultraskaņas kavitācija, vibrācija, turbulences un mikro straumēšana veicina masas pārnesi starp šūnu iekšpusi un apkārtējo šķīdinātāju, lai biomolekulas (t.i., metabolīti) būtu efektīvas un ātri atbrīvotos. Tā kā ultraskaņas apstrāde ir tīri mehāniska apstrāde, kurai nav nepieciešamas skarbas, toksiskas un / vai dārgas ķīmiskas vielas.
Augstas intensitātes, zemas frekvences ultraskaņa rada ekstremālus enerģētiski blīvus apstākļus ar augstu spiedienu, temperatūru un lieliem bīdes spēkiem. Šie fiziskie spēki veicina šūnu struktūru traucējumus, lai atbrīvotu intracelulāros savienojumus vidē. Tāpēc zemas frekvences ultraskaņu lielā mērā izmanto bioaktīvo vielu un degvielu ekstrakcijai no aļģēm. Salīdzinot ar parastajām ekstrakcijas metodēm, piemēram, šķīdinātāju ekstrakciju, lodīšu malšanu vai augstspiediena homogenizāciju, ultraskaņas ekstrakcija izceļas, atbrīvojot lielāko daļu bioaktīvo savienojumu (piemēram, lipīdus, olbaltumvielas, polisaharīdus un mikroelementus) no sonoporētās un traucētās šūnas. Piemērojot pareizos procesa apstākļus, ultraskaņas ekstrakcija dod izcilu ekstrakcijas ražu ļoti īsā procesa laikā. Piemēram, augstas veiktspējas ultraskaņas nosūcēji parāda lielisku ekstrakcijas veiktspēju no aļģēm, ja tos lieto kopā ar piemērotu šķīdinātāju. Skābā vai sārmainā vidē aļģu šūnu siena kļūst poraina un krunkaina, kā rezultātā palielinās raža zemā temperatūrā (zem 60 ° C) īsā ultraskaņas apstrādes laikā (mazāk nekā 3 stundas). Īss ekstrakcijas ilgums vieglā temperatūrā novērš fukoidāna noārdīšanos, lai iegūtu ļoti bioaktīvu polisaharīdu.
Ultrasonication ir arī metode, lai pārveidotu augstas molekulmasas fukoidānu par zemas molekulmasas fukoidānu, kas ir ievērojami bioaktīvāks, pateicoties tā atzarotajai struktūrai. Ar savu augsto bioaktivitāti un biopieejamību zemas molekulmasas fukoidāns ir interesants savienojums farmaceitiskiem līdzekļiem un zāļu piegādes sistēmām.

Gadījumu izpēte: Aļģu savienojumu ultraskaņas ekstrakcija

Ultraskaņas ekstrakcijas efektivitāte un ultraskaņas ekstrakcijas parametru optimizācija ir plaši pētīta. Zemāk jūs varat atrast paraugus ekstrakcijas rezultātiem, izmantojot ultrasonication no dažādām aļģu sugām.

Olbaltumvielu ekstrakcija no spirulīnas, izmantojot Mano-Thermo-Sonication

Prof. Chemat (Aviņonas Universitāte) pētniecības grupa pētīja manothermosonication (MTS) ietekmi uz proteīnu (piemēram, fikocianīna) ekstrakciju no sausām Arthrospira platensis cianobaktērijām (pazīstamas arī kā spirulīna). Mano-Thermo-Sonication (MTS) ir ultraskaņas pielietojums kopā ar paaugstinātu spiedienu un temperatūru, lai pastiprinātu ultraskaņas ekstrakcijas procesu.
“According to experimental results, MTS promoted mass transfer (high effective diffusivity, De) and enabled to get 229% more proteins (28.42 ± 1.15 g/100 g DW) than conventional process without ultrasound (8.63 ± 1.15 g/100 g DW). With 28.42 g of proteins per 100 g of dry spirulina biomass in the extract, a protein recovery rate of 50% was achieved in 6 effective minutes with a continuous MTS process. Microscopic observations showed that acoustic cavitation impacted spirulina filaments by different mechanisms such as fragmentation, sonoporation, detexturation. These various phenomena make extraction, release and solubilization of spirulina bioactive compounds easier.” [Vernès et al., 2019]

Veselu spiurulīna pavedienu optiskās mikroskopijas attēli, kas laika gaitā pakļauti MTS apstrādei. Mēroga josla (A attēls) = 50 μm visiem attēliem.
attēls un pētījums: ©Vernès et al. 2019

Ultraskaņas Fukoidāna un glikāna ekstrakcija no Laminārija digitata

Dr. Tiwari TEAGASC pētniecības grupa pētīja polisaharīdu, t.i., fukoidāna, laminarīna un kopējo glikānu, ekstrakciju no makroaļģēm Laminaria digitata, izmantojot Ultrasonicator UIP500hdT. Pētītie ultrasoniski atbalstītie ekstrakcijas (AAE) parametri parādīja būtisku ietekmi uz fukozes, FRAP un DPPH līmeni. Līmeņi 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM troloks/mg fde un 11,02% tika iegūti attiecīgi fukozei, kopējiem glikāniem, FRAP un DPPH optimizētos temperatūras apstākļos (76◦C), laikā (10 min) un ultraskaņas amplitūdā (100%), izmantojot 0,1 M HCl kā šķīdinātāju. Pēc tam aprakstītie AAE apstākļi tika veiksmīgi piemēroti citām ekonomiski nozīmīgām brūnajām makroaļģēm (L. hyperborea un A. nodosum), lai iegūtu ar polisaharīdiem bagātus ekstraktus. Šis pētījums parāda AAE piemērojamību, lai uzlabotu bioaktīvo polisaharīdu ieguvi no dažādām makrofīgu sugām.

Ultraskaņas fitoķīmiskā ekstrakcija no F. vesiculosus un P. canaliculata

García-Vaquero pētnieku komanda salīdzināja dažādas jaunas ekstrakcijas metodes, tostarp augstas veiktspējas ultraskaņas ekstrakciju, ultraskaņas mikroviļņu ekstrakciju, mikroviļņu ekstrakciju, hidrotermisko ekstrakciju un augstspiediena palīdzību, lai novērtētu ekstrakcijas efektivitāti no brūnajām mikroaļģu sugām Fucus vesiculosus un Pelvetia canaliculata. Ultrasonication, viņi izmantoja Hielscher UIP500hdT ultraskaņas nosūcējs. Ekstrakcijas ražas anylsis atklāja, ka ultraskaņas ekstrakcija sasniedza visaugstāko ražu no vairuma fitoķīmisko vielu gan no F. vesiculosus. Tas nozīmē, ka visaugstākā to savienojumu raža, kas ekstrahēti no F. vesiculosus, izmantojot ultraskaņas nosūcējs UIP500hdT bija: kopējais fenola saturs (445,0 ± 4,6 mg galskābes ekvivalenta/g), kopējais hlorotanīna saturs (362,9 ± 3,7 mg floroglucinola ekvivalenta/g), kopējais flavonoīdu saturs (286,3 ± 7,8 mg kvercetīna ekvivalenta/g) un kopējais tanīna saturs (189,1 ± 4,4 mg katehīna ekvivalenta/g).
In their research study, the team concluded that the use of ultrasonically-assisted extraction “combined with 50% ethanolic solution as an extraction solvent could be a promising strategy targeting the extraction of TPC, TPhC, TFC and TTC, while reducing the co-extraction of undesirable carbohydrates from both F. vesiculosus and P. canaliculata, with promising applications when using these compounds as pharmaceuticals, nutraceuticals and cosmeceuticals.” [García-Vaquero et al., 2021]

Mano-termo-ultraskaņas apstrādes palielināšana Aviņonas universitātē, izmantojot Hielscher ultrasonikatorus: no laboratorijas iekārtām UIP1000hdT A) pilotēt mēroga aprīkojumu UIP4000hdT (B, C & D). D attēlā ir shematizēta ultraskaņas plūsmas šūnas šķērsvirziena daļa FC100K.
attēls un pētījums: ©Vernès et al. 2019

Augstas veiktspējas ultraskaņas nosūcēji aļģu traucējumiem

Hielscher modernākā ultraskaņas iekārta ļauj pilnībā kontrolēt procesa parametrus, piemēram, amplitūdu, temperatūru, spiedienu un enerģijas ievadi.
Ultraskaņas ekstrakcijai parametrus, piemēram, izejvielu daļiņu izmēru, šķīdinātāja veidu, cieto un šķīdinātāju attiecību un ekstrakcijas laiku, var mainīt un optimizēt, lai iegūtu vislabākos rezultātus.
Tā kā ultraskaņas ekstrakcija ir netermiska ekstrakcijas metode, tiek novērsta izejvielā, piemēram, aļģēs, esošo bioaktīvo sastāvdaļu termiskā degradācija.
Kopumā tādas priekšrocības kā augsta ražība, īss ekstrakcijas laiks, zema ekstrakcijas temperatūra un neliels šķīdinātāja daudzums padara ultraskaņu par izcilu ekstrakcijas metodi.

Ultraskaņas ekstrakcija: izveidota laboratorijā un rūpniecībā

Ultraskaņas ekstrakcija tiek plaši izmantota jebkura veida bioaktīvo savienojumu ekstrakcijai no botāniskajiem produktiem, aļģēm, baktērijām un zīdītāju šūnām. Ultraskaņas ekstrakcija ir izveidota kā vienkārša, rentabla un ļoti efektīva, kas izceļas ar citām tradicionālām ekstrakcijas metodēm ar augstāku ekstrakcijas ražu un īsāku apstrādes ilgumu.
Ar laboratorijas, stenda un pilnībā rūpnieciskām ultraskaņas sistēmām, kas ir viegli pieejamas, ultraskaņas ekstrakcija mūsdienās ir labi izveidota un uzticama tehnoloģija. Hielscher ultraskaņas nosūcēji tiek uzstādīti visā pasaulē rūpnieciskās pārstrādes iekārtās, kas ražo pārtikas un farmācijas kvalitātes bioaktīvos savienojumus.

Procesu standartizācija ar Hielscher Ultrasonics

Algae-derived extracts, which are used in food, pharmaceuticals or cosmetics, must be produced in accordance to Good Manufacturing Practices (GMP) and under standardised processing specifications. Hielscher Ultrasonics’ digital extraction systems come with intelligent software, which makes it easy to set and control the sonication process precisely. Automatic data recording writes all ultrasonic process parameters such as ultrasound energy (total and net energy), amplitude, temperature, pressure (when temp and pressure sensors are mounted) with date and time stamp on the built-in SD-card. This allows you to revise each ultrasonically processed lot. At the same time, reproducibility and continuously high product quality are ensured.

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu: