Apstrāde ar ultraskaņu aļģu šūnu sagraušanas un ekstrakcijas uzlabošanai

Aļģes – makroaļģes un mikroaļģes – satur daudz vērtīgu savienojumu, kurus izmanto kā uzturvielām bagātus pārtikas produktus, pārtikas piedevas, degvielu vai degvielas izejvielas. Lai no aļģu šūnām atbrīvotu mērķvielas, ir nepieciešama jaudīga un efektīva šūnu sagraušanas metode. Ultraskaņas ekstraktori ir ļoti efektīvi un uzticami bioaktīvo savienojumu ekstrahēšanai no augiem, aļģēm un sēnēm. Hielscher ultraskaņas ekstraktori ir pieejami laboratorijas, galda un rūpnieciskā mērogā un ir nostiprinājuši savu vietu no šūnām iegūtu ekstraktu ražošanā pārtikas, farmācijas un biodegvielas ražošanas nozarēs.

Aļģes kā vērtīgs uztura un degvielas resurss

Aļģu šūnas ir daudzpusīgs bioaktīvu un enerģētiski bagātu savienojumu avots, piemēram, olbaltumvielu, ogļhidrātu, lipīdu un citu bioaktīvu vielu, kā arī alkānu avots. Tādējādi aļģes ir pārtikas un uzturvielu, kā arī degvielas avots.
Mikroaļģes ir vērtīgs lipīdu avots; šos lipīdus izmanto uzturā un kā biodegvielas (piemēram, biodīzeļdegvielas) izejvielu. Jūras fitoplanktona Dicrateria celmi, piemēram, Dicrateria rotunda, ir pazīstami kā benzīnu ražojošas aļģes, kas spēj sintezēt virkni piesātinātu ogļūdeņražu (n‐alkānu) no C₁₀H₂₂ līdz C₃₈H₇₈, kurus iedala benzīnā (C10–C15), dīzeļdegvielās (C16–C20) un kurināmajās eļļās (C21–C38).
Uzturvērtības dēļ aļģes izmanto kā “funkcionālo pārtiku” vai “nutraceitiskos līdzekļus”. No aļģēm ekstrahētas nozīmīgas mikrouzturvielas ietver karotinoīdus astaksantīnu, fukoksantīnu un zeaksantīnu; fukoidānu, laminari un citus glikānus līdzās daudzām citām bioaktīvām vielām izmanto kā uztura bagātinātājus un farmaceitiskus līdzekļus. Karaginānu, alginātu un citus hidrokoloīdus izmanto kā pārtikas piedevas. Aļģu lipīdus izmanto kā vegānisku omega-3 avotu, kā arī kā degvielu vai izejvielu biodīzeļdegvielas ražošanai.

Aļģu šūnu sagraušana un ekstrakcija ar jaudas ultraskaņu

Ultraskaņas ekstraktorus jeb vienkārši ultraskaņas apstrādes ierīces izmanto vērtīgu savienojumu ekstrahēšanai no nelieliem paraugiem laboratorijā, kā arī ražošanā lielā komerciālā mērogā.
Aļģu šūnas aizsargā sarežģītas šūnapvalku matricas, kas sastāv no lipīdiem, celulozes, olbaltumvielām, glikoproteīniem un polisaharīdiem. Vairuma aļģu šūnapvalku pamatu veido mikrofibrillu tīkls želejveida olbaltumvielu matricā; tomēr dažām mikroaļģēm ir neorganisks, stingrs apvalks, kas sastāv no opālveida silīcija dioksīda vāciņiem vai kalcija karbonāta. Lai no aļģu biomasas iegūtu bioaktīvos savienojumus, ir nepieciešama efektīva šūnu sagraušanas metode. Papildus ekstrakcijas tehnoloģiskajiem faktoriem (t. i., ekstrakcijas metodei un aprīkojumam) aļģu šūnu sagraušanas un ekstrakcijas efektivitāti būtiski ietekmē arī dažādi ar aļģēm saistīti faktori, piemēram, šūnapvalka sastāvs, vēlamās biomolekulas atrašanās vieta mikroaļģu šūnās un mikroaļģu augšanas stadija biomasas ievākšanas laikā.

Kā darbojas aļģu šūnu sagraušana un ekstrakcija ar ultraskaņu?

Kad augstas intensitātes ultraskaņas viļņi ar ultraskaņas zondi (sauktu arī par ultraskaņas ragu vai sonotrodi) tiek ievadīti šķidrumā vai suspensijā, skaņas viļņi izplatās šķidrumā, radot mainīgus augsta spiediena / zema spiediena ciklus. Šo augsta spiediena / zema spiediena ciklu laikā rodas sīki vakuuma burbulīši vai dobumi. Kavitācijas burbulīši rodas, kad vietējais spiediens zema spiediena ciklu laikā nokrītas pietiekami tālu zem piesātināta tvaika spiediena – vērtības, ko nosaka šķidruma stiepes izturība noteiktā temperatūrā. Šie burbulīši aug vairāku ciklu laikā. Kad šie vakuuma burbulīši sasniedz izmēru, pie kura tie vairs nespēj absorbēt vairāk enerģijas, augsta spiediena cikla laikā burbulītis spēji implodē. Kavitācijas burbulīšu implozija ir spēcīgs process ar augstu enerģijas blīvumu, kas šķidrumā rada intensīvus triecienviļņus, turbulenci un mikrostrūklas. Turklāt lokāli rodas ļoti augsts spiediens un ļoti augsta temperatūra. Šie ekstremālie apstākļi spēj viegli sagraut šūnu sieniņas un membrānas un efektīvi, iedarbīgi un ātri atbrīvot intracelulāros savienojumus. Tādējādi, izmantojot jaudas ultraskaņu, var efektīvi ekstrahēt tādus intracelulāros savienojumus kā olbaltumvielas, polisaharīdi, lipīdi, vitamīni, minerālvielas un antioksidanti.

Ultraskaņas kavitācija šūnu sagraušanai un ekstrakcijai

Intensīvas ultraskaņas enerģijas iedarbībā jebkura veida šūnu (tostarp augu, zīdītāju, aļģu, sēņu, baktēriju u. c.) sieniņa vai membrāna tiek sagrauta, un ultraskaņas kavitācijas ar lielu enerģijas blīvumu radītie mehāniskie spēki saplēš šūnu mazākos fragmentos. Kad šūnas sieniņa ir sagrauta, šūnas metabolīti, piemēram, olbaltumvielas, lipīdi, nukleīnskābes un hlorofils, atbrīvojas gan no šūnas sieniņas matricas, gan no šūnas iekšienes un nonāk apkārtējā kultivēšanas barotnē vai šķīdinātājā.
Iepriekš aprakstītais ultraskaņas / akustiskās kavitācijas mehānisms spēcīgi sagrauj veselas aļģu šūnas vai tajās esošās gāzes un šķidruma vakuolas. Ultraskaņas kavitācija, vibrācija, turbulence un mikroplūsmas veicina masas pārnesi starp šūnas iekšieni un apkārtējo šķīdinātāju, tādējādi biomolekulas (t. i., metabolīti) atbrīvojas efektīvi un ātri. Tas ir tāpēc, ka apstrāde ar ultraskaņu ir pilnībā mehāniska apstrāde, kurai nav nepieciešamas agresīvas, toksiskas un/vai dārgas ķīmiskās vielas.
Augstas intensitātes zemfrekvences ultraskaņa rada ekstremālus apstākļus ar lielu enerģijas blīvumu, augstu spiedienu, augstu temperatūru un lieliem bīdes spēkiem. Šie fizikālie spēki veicina šūnu struktūru sagraušanu, lai atbrīvotu intracelulāros savienojumus apkārtējā vidē. Tāpēc zemfrekvences ultraskaņu plaši izmanto bioaktīvo vielu un degvielu ekstrakcijai no aļģēm. Salīdzinājumā ar tradicionālajām ekstrakcijas metodēm, piemēram, ekstrakciju ar šķīdinātājiem, malšanu lodīšu dzirnavās vai augstspiediena homogenizāciju, ultraskaņas ekstrakcija izceļas ar to, ka no šūnas, kurā ultraskaņas iedarbībā izveidotas poras un kura ir sagrauta, atbrīvo lielāko daļu bioaktīvo savienojumu (piemēram, lipīdus, olbaltumvielas, polisaharīdus un mikrouzturvielas). Izmantojot atbilstošus procesa apstākļus, ultraskaņas ekstrakcija nodrošina izcilu ekstrakcijas iznākumu ļoti īsā procesa laikā. Piemēram, augstas veiktspējas ultraskaņas ekstraktori nodrošina izcilus aļģu ekstrakcijas rezultātus, ja tos izmanto ar piemērotu šķīdinātāju. Skābā vai sārmainā vidē aļģu šūnu sieniņas kļūst porainas un krokotas, tādējādi palielinot iznākumu zemā temperatūrā (zem 60°C) īsā apstrādes laikā ar ultraskaņu (mazāk nekā 3 stundās). Īsais ekstrakcijas ilgums mērenā temperatūrā novērš fukoidāna noārdīšanos, tādējādi iegūstot polisaharīdu ar augstu bioloģisko aktivitāti.
Apstrāde ar ultraskaņu ir arī metode, ar kuru augstas molekulmasas fukoidānu pārveido par zemas molekulmasas fukoidānu, kura bioloģiskā aktivitāte ir ievērojami augstāka, pateicoties tā struktūrai ar atšķeltiem sānu atzarojumiem. Augstās bioloģiskās aktivitātes un biopieejamības dēļ zemas molekulmasas fukoidāns ir interesants savienojums farmaceitiskajiem preparātiem un zāļu piegādes sistēmām.

Pētījumu piemēri: aļģu savienojumu ekstrakcija ar ultraskaņu

Ultraskaņas ekstrakcijas efektivitāte un ultraskaņas ekstrakcijas parametru optimizācija ir plaši pētīta. Tālāk ir sniegti piemēri rezultātiem, kas iegūti, veicot ekstrakciju no dažādām aļģu sugām ar ultraskaņu.

Olbaltumvielu ekstrakcija no spirulīnas, izmantojot manotermosonikāciju

Prof. Chemat pētnieku grupa (Aviņonas Universitāte) pētīja manotermosonikācijas (MTS) ietekmi uz olbaltumvielu (piemēram, fikocianīna) ekstrakciju no sausām Arthrospira platensis cianobaktērijām (pazīstamas arī kā spirulīna). Manotermosonikācija (MTS) ir ultraskaņas izmantošana apvienojumā ar paaugstinātu spiedienu un temperatūru, lai intensificētu ultraskaņas ekstrakcijas procesu.
“Saskaņā ar eksperimentu rezultātiem MTS veicināja masas pārnesi (augsts efektīvais difūzijas koeficients, De) un ļāva iegūt par 229% vairāk olbaltumvielu (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) nekā tradicionālajā procesā bez ultraskaņas (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Iegūstot ekstraktā 28,42 g olbaltumvielu uz 100 g sausas spirulīnas biomasas, nepārtrauktā MTS procesā 6 faktiskās apstrādes minūtēs tika sasniegta 50% olbaltumvielu atgūšanas pakāpe. Mikroskopiskie novērojumi parādīja, ka akustiskā kavitācija iedarbojās uz spirulīnas pavedieniem ar dažādiem mehānismiem, piemēram, fragmentāciju, sonoporāciju un struktūras noārdīšanu. Šīs dažādās parādības atvieglo spirulīnas bioaktīvo savienojumu ekstrakciju, atbrīvošanu un šķīdināšanu.” [Vernès et al., 2019]

Veselu spirulīnas pavedienu optiskās mikroskopijas attēli, kuros redzama MTS apstrādes ietekme laika gaitā. Mēroga josla (A attēls) = 50 μm visos attēlos.
attēls un pētījums: ©Vernès et al. 2019

Fukoidāna un glikānu ultraskaņas ekstrakcija no Laminaria digitata

Dr. Tiwari TEAGASC pētnieku grupa pētīja polisaharīdu, proti, fukoidāna, laminarīna un kopējo glikānu, ekstrakciju no makroaļģes Laminaria digitata, izmantojot ultraskaņas apstrādes ierīci UIP500hdT. Pētītie ar ultraskaņu veicinātās ekstrakcijas (UAE) parametri būtiski ietekmēja fukozes, FRAP un DPPH līmeni. Optimizētos temperatūras (76◦C), laika (10 min) un ultraskaņas amplitūdas (100%) apstākļos, izmantojot 0,1 M HCl kā šķīdinātāju, fukozes, kopējo glikānu, FRAP un DPPH rādītāji bija attiecīgi 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde un 11,02%. Pēc tam aprakstītie UAE apstākļi tika veiksmīgi piemēroti citām ekonomiski nozīmīgām brūnajām makroaļģēm (L. hyperborea un A. nodosum), lai iegūtu ar polisaharīdiem bagātus ekstraktus. Šis pētījums apliecina UAE piemērotību bioaktīvo polisaharīdu ekstrakcijas uzlabošanai no dažādām makroaļģu sugām.

Fitoķīmisko savienojumu ultraskaņas ekstrakcija no F. vesiculosus un P. canaliculata

García-Vaquero pētnieku komanda salīdzināja dažādas jaunas ekstrakcijas metodes, tostarp augstas veiktspējas ultraskaņas ekstrakciju, ultraskaņas un mikroviļņu ekstrakciju, mikroviļņu ekstrakciju, hidrotermiski veicinātu ekstrakciju un ar augstu spiedienu veicinātu ekstrakciju, lai novērtētu ekstrakcijas efektivitāti no brūno mikroaļģu sugām Fucus vesiculosus un Pelvetia canaliculata. Apstrādei ar ultraskaņu viņi izmantoja Hielscher UIP500hdT ultraskaņas ekstraktoru. Ekstrakcijas iznākumu analīze atklāja, ka ultraskaņas ekstrakcija nodrošināja visaugstāko vairuma fitoķīmisko savienojumu iznākumu no abiem F. vesiculosus. Tas nozīmē, ka visaugstākie no F. vesiculosus ekstrahēto savienojumu iznākumi, izmantojot ultraskaņas ekstraktoru UIP500hdT, bija: kopējais fenolu saturs (445,0 ± 4,6 mg gallusskābes ekvivalentu/g), kopējais florotanīnu saturs (362,9 ± 3,7 mg floroglucīna ekvivalentu/g), kopējais flavonoīdu saturs (286,3 ± 7,8 mg kvercetīna ekvivalentu/g) un kopējais tanīnu saturs (189,1 ± 4,4 mg katehīna ekvivalentu/g).
Savā pētījumā komanda secināja, ka ar ultraskaņu veicinātas ekstrakcijas izmantošana “apvienojumā ar 50% etanola šķīdumu kā ekstrakcijas šķīdinātāju varētu būt daudzsološa stratēģija TPC, TPhC, TFC un TTC ekstrakcijai, vienlaikus samazinot nevēlamu ogļhidrātu līdzekstrakciju gan no F. vesiculosus, gan no P. canaliculata, ar daudzsološām izmantošanas iespējām farmaceitiskajos, nutraceitiskajos un kosmeceitiskajos līdzekļos.” [García-Vaquero et al., 2021]

Manotermosonikācijas mēroga palielināšana Aviņonas Universitātē, izmantojot Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces: no laboratorijas iekārtas UIP1000hdT (A) līdz pilotmēroga iekārtai UIP4000hdT (B, C un D). D attēlā shematiski parādīts šķērsgriezums ultraskaņas plūsmas šūnai FC100K.
attēls un pētījums: ©Vernès et al. 2019

Augstas veiktspējas ultraskaņas ekstraktori aļģu šūnu sagraušanai

Hielscher modernākās ultraskaņas iekārtas ļauj pilnībā kontrolēt procesa parametrus, piemēram, amplitūdu, temperatūru, spiedienu un ievadīto enerģiju.
Ultraskaņas ekstrakcijā tādus parametrus kā izejmateriāla daļiņu izmērs, šķīdinātāja veids, cietās vielas un šķīdinātāja attiecība un ekstrakcijas laiks var mainīt un optimizēt, lai sasniegtu vislabākos rezultātus.
Tā kā ultraskaņas ekstrakcija ir netermiska ekstrakcijas metode, tiek novērsta izejmateriālā, piemēram, aļģēs, esošo bioaktīvo sastāvdaļu termiskā noārdīšanās.
Kopumā tādas priekšrocības kā liels iznākums, īss ekstrakcijas laiks, zema ekstrakcijas temperatūra un neliels šķīdinātāja daudzums padara apstrādi ar ultraskaņu par pārāku ekstrakcijas metodi.

Ultraskaņas ekstrakcija: nostiprinājusies laboratorijās un rūpniecībā

Ultraskaņas ekstrakciju plaši izmanto jebkāda veida bioaktīvo savienojumu ekstrakcijai no augiem, aļģēm, baktērijām un zīdītāju šūnām. Ultraskaņas ekstrakcija ir nostiprinājusies kā vienkārša, izmaksu ziņā izdevīga un ļoti efektīva metode, kas pārspēj citas tradicionālās ekstrakcijas metodes ar lielāku ekstrakcijas iznākumu un īsāku apstrādes ilgumu.
Tā kā laboratorijas, galda un pilnībā rūpnieciskas ultraskaņas sistēmas ir viegli pieejamas, ultraskaņas ekstrakcija mūsdienās ir labi nostiprinājusies un uzticama tehnoloģija. Hielscher ultraskaņas ekstraktori ir uzstādīti rūpnieciskās ražotnēs visā pasaulē, kurās ražo pārtikas un farmācijas kvalitātes prasībām atbilstošus bioaktīvos savienojumus.

Procesa standartizācija ar Hielscher Ultrasonics

No aļģēm iegūti ekstrakti, kurus izmanto pārtikā, farmaceitiskajos preparātos vai kosmētikā, jāražo saskaņā ar labu ražošanas praksi (GMP) un standartizētām apstrādes specifikācijām. Hielscher Ultrasonics digitālās ekstrakcijas sistēmas ir aprīkotas ar viedu programmatūru, kas ļauj viegli un precīzi iestatīt un kontrolēt apstrādi ar ultraskaņu. Automātiskā datu reģistrēšana iebūvētajā SD kartē ieraksta visus ultraskaņas procesa parametrus, piemēram, ultraskaņas enerģiju (kopējo un neto enerģiju), amplitūdu, temperatūru un spiedienu (ja ir uzstādīti temperatūras un spiediena sensori), kopā ar datuma un laika zīmogu. Tas ļauj pārskatīt katru ar ultraskaņu apstrādāto partiju. Vienlaikus tiek nodrošināta atkārtojamība un pastāvīgi augsta produkta kvalitāte.

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