Ultrasone algenextractie voor voedingssupplementen

Ultrasone extractie is de superieure methode om algencellen effectief en snel te ontsluiten. Sonicatie kan de volledige hoeveelheid bioactieve verbindingen vrijmaken, wat de ultrasone techniek zeer efficiënt maakt.

Eiwitten, lipiden en fenolische verbindingen uit algen extraheren met ultrasoon geluid

Algen- en microalgensoorten zijn rijk aan biologisch actieve verbindingen zoals eiwitten, lipiden, carotenoïden, pigmenten (bijv. fycocyaninen, astaxanthine enz.), fenolische verbindingen en polysachariden (bijv. carragenen). Daardoor worden ze veel gebruikt als natuurlijk materiaal om extracten voor voedingsmiddelen en voedingssupplementen te produceren. Veelgebruikte algensoorten voor voedingssupplementen zijn Arthrospira maxima en (ook bekend als spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis en Ulva spp. Algen staan bekend als een goede bron van hoogwaardige eiwitten, lipiden, meervoudig onverzadigde vetzuren met lange ketens (PUFA’s, d.w.z. omega-3), polysachariden (bijv. alginaat, carrageen, β-glucanen), vitaminen en antioxidanten.
Spirulina is een veelgebruikte algensoort die rijk is aan waardevolle bioactieve verbindingen zoals eiwitten (met 50–70% van het drooggewicht). Aangezien Spirulina door de FDA (de voedsel- en geneesmiddelenautoriteit van de Verenigde Staten) is goedgekeurd als GRAS (algemeen erkend als veilig), kunnen spirulina en spirulina-extracten worden gebruikt in voedingsmiddelen die op de markt worden gebracht of als voedingssupplementen.

Voordelen van ultrasone algenextractie

Ultrasone extractie overtreft alternatieve extractiemethoden op tal van punten, zoals hoge opbrengst, betrouwbaarheid, veiligheid, eenvoud en milieuvriendelijkheid.

Volledige extractieopbrengst

Sonicatoren met hoge prestaties breken de algencellen open en ontsluiten ze, zodat het intracellulaire materiaal vrijkomt. Ultrasone extractie maakt daarbij het volledige spectrum aan bioactieve verbindingen vrij, zoals fycobiliproteïnen, carotenoïden, lipiden en fenolische verbindingen.
Fycobiliproteïnen kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdgroepen, namelijk chloorfycocyaninen, allofycocyaninen en fyco-erytrinen. C-fycocyanine is een natuurlijk blauw pigment dat veel wordt gebruikt in voedingsmiddelen en farmaceutische producten. Ultrasone extractie maakt het volledige spectrum aan eiwitten vrij.

Hoge extractie-efficiëntie

Duangsee et al. (2009) testten twee verschillende methoden voor de extractie van bioactieve verbindingen uit Arthospira-biomassa (ultrasoon ondersteunde oplosmiddelextractie en extractie door herhaaldelijk invriezen en ontdooien) en stelden vast dat ultrasone oplosmiddelextractie een hogere extractie-efficiëntie (22,1%) opleverde dan invriezen en ontdooien (15,6%). Een vergelijking van de celbreuk bij sonicatie en herhaaldelijk invriezen en ontdooien laat zien dat sonicatie effectiever is. Ultrasone cavitatie ontsluit algencellen snel en effectief, wat resulteert in een hogere mate van celontsluiting dan bij spirulinacellen die door herhaaldelijk invriezen en ontdooien worden behandeld.
Sonicatie was effectiever in het openbreken van het celomhulsel dan herhaaldelijk invriezen en ontdooien. De extractieopbrengst van fycocyanine liet zien dat de verwerkingstemperatuur de extractie-efficiëntie beïnvloedde.

Snel extractieproces

Ultrasone systemen met hoge prestaties kunnen via hoge amplitudes een hoog ultrasoon vermogen in de algensuspensie brengen. Dit maakt ultrasone extractie tot een zeer snelle verwerkingsmethode.

Temperatuurregeling

Sonicatie is een niet-thermische, zuiver mechanische extractietechniek. De extractietemperatuur kan nauwkeurig worden geregeld met een aansluitbare temperatuursensor die via een kabel met de digitale sonicator van Hielscher is verbonden. Met de software van de digitale sonicatoren van Hielscher kunnen temperatuurgrenzen worden ingesteld, zodat de ultrasone homogenisator pauzeert wanneer de temperatuurgrens wordt bereikt. De nauwkeurige temperatuurregeling maakt het mogelijk thermische afbraak van warmtegevoelige materialen zoals fycobiliproteïnen, vitaminen, polyfenolen, polysachariden, lipiden en andere bioactieve verbindingen te voorkomen.

Compatibel met verschillende oplosmiddelen

Sonicatie is compatibel met vrijwel elk oplosmiddel. Ultrasone extractie in combinatie met groene oplosmiddelen zoals water of ethanol levert schone extracten op. Deze ultrasone extracten kunnen veilig in voedingsmiddelen worden verwerkt, aangezien de extractieoplosmiddelen ethanol en water de GRAS-status (algemeen erkend als veilig) hebben.

Reproduceerbaarheid en processtandaardisatie

De digitale sonicatoren van Hielscher worden geleverd met intelligente software en een uitgebreid scala aan instellingen voor de ideale extractieparameters. De software registreert alle ultrasone procesparameters (bijv. amplitude, nettovermogen, totaal vermogen, temperatuur, druk, tijd, datum) en schrijft de sonicatiegegevens naar een CSV-bestand op de ingebouwde SD-kaart. Hiermee kunt u uw extractieproces standaardiseren en de sonicatie en de kwaliteit van de geproduceerde extracten nauwlettend bewaken. Deze functies helpen u te voldoen aan de eisen voor processtandaardisatie en aan goede productiepraktijken (GMP), die beide van groot belang zijn wanneer de extracten worden geproduceerd voor supplementen, voedingsmiddelen of farmaceutische producten.

Protocol voor ultrasone fycocyanine-extractie

Mazumder et al. (2017) onderzochten de optimale verwerkingsparameters voor de ultrasone extractie van fycocyanine en fenolische verbindingen uit Arthospira platensis. De maximale opbrengst aan fycocyanine (29,9 mg/g) en totale fenolische verbindingen (2,4 mg/g) werd verkregen bij een ethanolconcentratie van 40% en een extractietemperatuur van 34,9°C, met de sonicator UP50H (50 watt, 30kHz) bij een amplitude van 95% en een extractietijd van 104,7 sec.

Vernès et al. (2019) gebruikten een sonicator UIP1000hdT (1000W, 20kHz) om eiwitten uit spirulina te extraheren. De sonicator was uitgerust met een sonotrode BS2d34 en een ultrasone doorstroomreactor (zie de afbeelding hieronder voor de exacte ultrasone extractieopstelling met doorstroomcel en pomp van Seepex).

UIP1000hdT – opstelling voor manothermosonicatie (MTS) en onze eiwitextractie uit spirulina op laboratoriumschaal
bron: Vernes et al. 2019

De onderzoeksresultaten laten zien dat ultrasone extractieomstandigheden die zijn geoptimaliseerd voor de eiwitopbrengst een licht verhoogde temperatuur en druk omvatten (zogenoemde manothermosonicatie, MTS). MTS bevordert de massaoverdracht en maakt het mogelijk 229% meer eiwitten te verkrijgen (28,42 ± 1,15 g/100 g drooggewicht) dan met het conventionele proces zonder ultrasoon geluid (8,63 ± 1,15 g/100 g drooggewicht).
Met 28,42 g eiwitten in het extract per 100 g droge spirulinabiomassa werd in slechts 6 minuten een eiwitterugwinning van 50% bereikt in een continu sonicatieproces. Microscopische beeldvorming laat zien dat akoestische cavitatie de spirulinafilamenten beïnvloedt via verschillende mechanismen, zoals fragmentatie, sonoporatie en destructurering. Deze uiteenlopende effecten maken de extractie, vrijmaking en oplosbaarmaking van bioactieve verbindingen uit spirulina eenvoudiger en effectiever, wat resulteert in een hoge opbrengst aan hoogwaardige eiwitten.
Wat de kwaliteit van de ultrasoon geëxtraheerde eiwitten betreft, werden aminozuren niet afgebroken door de ultrasone behandeling, maar zijn ze bij sonicatie in grotere hoeveelheden aanwezig dan bij conventionele extractie.
Bij een vergelijking tussen manothermosonicatie en ultrasone extractie zonder verhoogde druk en temperatuur is het verschil in extractieopbrengst en efficiëntie slechts minimaal. Daarom wordt uitsluitend ultrasoon geluid beschouwd als de meest economische en eenvoudigste techniek om een hoogwaardig extract te produceren dat rijk is aan spirulina-eiwitten. Ultrasone extractie is een groene, milieuvriendelijke extractietechniek die geschikt is voor eiwitextractie uit spirulina op laboratoriumschaal en eenvoudig kan worden opgeschaald naar pilot- en industriële schaal. (vgl. Vernès et al. 2019)

Ultrasone extractoren met hoge prestaties

Alle extractieresultaten die op kleine schaal worden behaald, kunnen lineair worden opgeschaald naar grotere productiecapaciteiten. Het uitgebreide productportfolio van Hielscher Ultrasonics, van extractiesystemen voor het laboratorium tot industriële extractiesystemen, biedt de meest geschikte sonicator voor uw beoogde procescapaciteit. Onze medewerkers met jarenlange ervaring begeleiden u van haalbaarheidstests en procesoptimalisatie tot de installatie van uw ultrasone systeem op het uiteindelijke productieniveau.

Hielscher Ultrasonics – Geavanceerde extractieapparatuur

Het productportfolio van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige assortiment ultrasone extractoren met hoge prestaties, van kleine tot grote schaal. Aanvullende accessoires maken het eenvoudig om de meest geschikte configuratie van ultrasone apparatuur voor uw proces samen te stellen. De optimale ultrasone opstelling hangt af van de beoogde capaciteit, het volume, de grondstof, het batch- of inlineproces en de planning. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk. De lineaire schaalbaarheid van ultrasone extractieprocessen maakt een eenvoudige en betrouwbare verhoging van de productie mogelijk. Lees meer over de lineaire opschaling van ultrasone extractieprocessen!

Kies uit verschillende accessoires, zoals:

• sonotroden met verschillende afmetingen, diameters en vormen
• sonotroden voor een hoge amplitude van 200µm en hoger
• doorstroomcelreactoren met verschillende volumes en geometrieën
• talrijke boosterhoorns om de versterkingsfactoren te verhogen of te verlagen
• complete sonicatieopstellingen zoals de SonoStation, met een ultrasone extractor, tank, roerder en pomp
• aansluitbare temperatuursensoren
• aansluitbare druksensoren

Onze goed opgeleide medewerkers met jarenlange ervaring adviseren u en bevelen het meest geschikte ultrasone systeem aan voor de eisen van uw extractieproces!

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: