Ultrasone anthocyaanextractie

Anthocyanen worden veel gebruikt als natuurlijke kleurstof en voedingsadditief in voedingsmiddelen. Ultrasone extractie is een zeer efficiënte en eenvoudige techniek om anthocyanen van hoge kwaliteit te verkrijgen. Het gebruik van sonicators van het probe-type bevordert het vrijkomen van hoogwaardige anthocyanen uit planten, wat resulteert in een hogere opbrengst en een snel proces. Tegelijkertijd is sonicatie een milde, groene en efficiënte techniek voor de industriële productie van anthocyanen van voedsel- en farmaceutische kwaliteit.

anthocyanen – Anthocyanen van hoge kwaliteit extraheren met een Sonicator

Anthocyanen worden veel gebruikt als natuurlijke kleurstoffen in de voedingsindustrie. Ze hebben een breed kleurenspectrum, variërend van oranje tot rood, paars en blauw, afhankelijk van de moleculaire structuur en pH-waarde. De interesse in anthocyanen is niet alleen gebaseerd op hun kleureffect, maar ook op hun gezondheidsbevorderende eigenschappen. Vanwege de groeiende bezorgdheid over het milieu en de gezondheid met betrekking tot synthetische kleurstoffen, zijn natuurlijke kleurstoffen een geweldig alternatief als milieuvriendelijke kleurstof voor de voedingsmiddelen- en geneesmiddelenindustrie.

Ultrasoon verbeterde anthocyaanextractie

Hoe anthocyyaninen extraheren met ultrageluid? – Casestudies

Ultrasone anthocyaanextractie van paarse rijst Oryza Sativa L.

Paarse rijst van de soort Oryza Sativa (ook bekend als Violet Nori of paarse rijst) is buitengewoon rijk aan fenolen zoals de favonoïde groep anthocyanen. Turrini et al. (2018) gebruikten ultrasone extractie om polyfenolen zoals anthocyanen en antioxidanten te isoleren uit de caryopsis (in hele, bruine en geparboilde vorm) en de bladeren van paarse rijst. Ultrasone extractie werd uitgevoerd met een Hielscher UP200St (200W, 26kHz, foto links) en ethanol 60% als oplosmiddel.
Om de integriteit van de anthocyanen te bewaren, werden de ultrasone extracten bewaard bij -20°C, waardoor ze minstens drie maanden bewaard konden worden.
Cyanidine-3-glucoside (ook bekend als chrysanthemin) was verreweg het belangrijkste anthocyanine dat werd gevonden in 'Violet Nori', 'Artemide' en 'Nerone' cultivars die werden onderzocht in het onderzoek van Turrini et al., terwijl peonidine-3-glucoside en cyanidine-3-rutinoside (ook antirrhinine) in lagere hoeveelheden werden gevonden.
De violette bladeren van Oryza Sativa zijn een uitstekende bron van anthocyanen en totaal fenolgehalte (TPC). Met een hoeveelheid die ongeveer 2 tot 3 keer zo hoog is als die in rijst en bloem, vormen de bladeren van Oryza een goedkope grondstof voor de extractie van anthocyanen. Een geschatte opbrengst van ongeveer 4 kg anthocyanine/t verse bladeren is aanzienlijk hoger dan die van 1 kg anthocyanine/t rijst, berekend op basis van de gemiddelde anthocyaanhoeveelheden die zijn gedetecteerd in 'Violet Nori' rijst (1300 µg/g rijst, als cyanidine-3-glucoside) voor een opbrengst van ongeveer 68 kg rijst uit 100 kg padie.

Ultrasone anthocyaanextractie uit rode kool

Ravanfar et al. (2015) hebben de efficiëntie van ultrasone extractie van anthocyanen uit rode kool onderzocht. Ultrasone extractie-experimenten werden uitgevoerd met behulp van een ultrasoon systeem UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). De sonotrode MS10 (10 mm tipdiameter) werd in het midden van een glazen bekerglas met temperatuurregeling geplaatst.

Voor dit experiment werden vers gesneden stukjes rodekool met een afmeting van 5 mm (kubusvorm) en een vochtgehalte van 92,11 ± 0,45% gebruikt. Een glazen bekerglas met een mantel (volume: 200 ml) werd gevuld met 100 ml gedestilleerd water en 2 g stukjes rodekool. Het bekerglas werd afgedekt met aluminiumfolie om verlies van oplosmiddel (water) door verdamping tijdens het proces te voorkomen. In alle experimenten werd de temperatuur in het bekerglas op peil gehouden met behulp van een thermostaat. De monsters werden uiteindelijk verzameld, gefilterd en gecentrifugeerd bij 4000 rpm en de supernatanten werden gebruikt om de anthocyaan opbrengst te bepalen. Extractie in een waterbad werd uitgevoerd als controle-experiment.
De optimale opbrengst van anthocyanine uit rodekool werd bepaald bij een vermogen van 100 W, een tijd van 30 min en een temperatuur van 15°C. Dit resulteerde in een anthocyaanopbrengst van ongeveer 21 mg/L.
Vanwege de kleurverandering bij pH-waarde en de intense kleuring, wordt rode kool kleurstof gebruikt als pH-indicator in farmaceutische formules of als antioxidant en kleurstof in voedingsmiddelen.

Ultrasoon versterkt de extractie van anthocyanen uit plantaardig materiaal aanzienlijk.
bron: Ravanfar et al. 2015

 
Andere onderzoeken tonen de succesvolle ultrasone extractie aan van anthocyanen uit onder andere blauwe bessen, bramen, druiven, kersen, aardbeien en paarse zoete aardappel.

Ultrasone afzuigers met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics is gespecialiseerd in de productie van hoogwaardige ultrasone processors voor de productie van hoogwaardige extracten van plantaardige producten.
Het brede portfolio van Hielscher sonicators varieert van kleine, krachtige laboratorium ultrasone apparaten tot robuuste bench-top en volledig industriële systemen, die ultrasoon geluid met hoge intensiteit leveren voor de efficiënte extractie en isolatie van bioactieve stoffen (bijv. anthocyanen, gingerol, piperine, curcumine enz.).
Alle ultrasone apparaten van 200W naar 16,000W hebben een gekleurd aanraakscherm voor digitale bediening, een geïntegreerde SD-kaart voor automatische gegevensregistratie, browserafstandsbediening en nog veel meer gebruiksvriendelijke functies. De sonotroden en flowcellen (de onderdelen die in contact komen met het medium) zijn autoclaveerbaar en eenvoudig te reinigen.
Hielscher sonicators zijn zeer robuust en gebouwd voor 24/7 werking onder volle belasting, terwijl ze weinig onderhoud nodig hebben en eenvoudig en veilig te bedienen zijn. Een digitaal kleurendisplay zorgt voor een gebruiksvriendelijke bediening van de ultrasoon.
Onze systemen kunnen lage tot zeer hoge amplitudes leveren. Voor de extractie van cannabinoïden en terpenen bieden we speciale ultrasone sonotrodes (ook bekend als ultrasone sondes of hoorns) die geoptimaliseerd zijn voor de gevoelige isolatie van actieve stoffen van hoge kwaliteit. Al onze systemen kunnen worden gebruikt voor de extractie en de daaropvolgende emulsificatie van cannabinoïden. De robuustheid van Hielscher sonicators maakt een continue werking (24/7) mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.

De nauwkeurige regeling van de ultrasone procesparameters zorgt voor reproduceerbaarheid en processtandaardisatie.
 

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Literatuur / Referenties

• 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.

Wetenswaardigheden

Hoe werkt ultrasone extractie?

De toepassing van intense ultrasone geluidsgolven op een vloeibaar medium resulteert in cavitatie. Het fenomeen van cavitatie leidt plaatselijk tot extreme temperaturen, drukken, verwarmings-/koelsnelheden, drukverschillen en hoge schuifkrachten in het medium. Wanneer cavitatiebellen imploderen op het oppervlak van vaste stoffen (zoals deeltjes, plantencellen, weefsels enz.), veroorzaken microstralen en botsingen tussen deeltjes effecten zoals afschilfering, erosie en afbraak van deeltjes. Bovendien veroorzaakt de implosie van cavitatiebellen in vloeibare media macroturbulenties en micro-menging.
Ultrasone bestraling van plantaardig materiaal fragmenteert de matrix van plantencellen en verbetert de hydratatie ervan. Chemat et al. (2015) concluderen dat ultrasone extractie van bioactieve stoffen uit plantaardige stoffen het resultaat is van verschillende onafhankelijke of gecombineerde mechanismen, waaronder fragmentatie, erosie, capillariteit, detexturatie en sonoporatie. Deze effecten verstoren de celwand, verbeteren de massaoverdracht door het oplosmiddel in de cel te duwen en het oplosmiddel met de fyto-verbinding eruit te zuigen, en zorgen voor vloeistofbeweging door micromenging.

Ultrasone extractie is gebaseerd op akoestische cavitatie en de bijbehorende hydrodynamische schuifkrachten

Ultrasone bestraling van plantaardig materiaal fragmenteert de matrix van plantencellen en verbetert de hydratatie ervan. Chemat et al. (2015) concluderen dat ultrasone extractie van bioactieve stoffen uit plantaardige stoffen het resultaat is van verschillende onafhankelijke of gecombineerde mechanismen, waaronder fragmentatie, erosie, capillariteit, detexturatie en sonoporatie. Deze effecten verstoren de celwand, verbeteren de massaoverdracht door het oplosmiddel in de cel te duwen en het oplosmiddel met de fyto-verbinding eruit te zuigen, en zorgen voor vloeistofbeweging door micromenging.
Ultrasone extractie zorgt voor een zeer snelle isolatie van verbindingen en overtreft conventionele extractiemethoden met een kortere procestijd, hogere opbrengst en lagere temperaturen. Als milde mechanische behandeling voorkomt ultrasone extractie de thermische afbraak van bioactieve componenten en blinkt het uit in vergelijking met andere technieken zoals conventionele oplosmiddelextractie, hydrodistillatie of Soxhletextractie, waarvan bekend is dat ze warmtegevoelige moleculen vernietigen. Vanwege deze voordelen is ultrasone extractie de voorkeurstechniek voor het vrijmaken van temperatuurgevoelige bioactieve bestanddelen uit plantaardige producten.

Ultrasone extractie uit plantencellen: de microscopische dwarsdoorsnede (TS) toont het werkingsmechanisme tijdens ultrasone extractie uit cellen (vergroting 2000x) [bron: Vilkhu et al. 2011].

anthocyaan – Een waardevol plantenpigment

Anthocyanen zijn vacuolaire plantenpigmenten die rood, paars, blauw of zwart kunnen zijn. De kleurexpressie van de wateroplosbare anthocyaanpigmenten hangt af van hun pH-waarde. Anthocyanen worden gevonden in de celvacuole, voornamelijk in bloemen en vruchten, maar ook in bladeren, stengels en wortels, waar ze vooral worden aangetroffen in buitenste cellagen zoals de epidermis en perifere mesofylcellen.
De meest voorkomende in de natuur zijn de glycosiden cyanidine, delphinidine, malvidine, pelargonidine, peonidine en petunidine.
Bekende voorbeelden van planten die rijk zijn aan anthocyanen zijn vaccinium-soorten, zoals blauwe bes, veenbes en bosbes; Rubus-bessen, waaronder zwarte framboos, rode framboos en braam; zwarte bes, kers, aubergine, zwarte rijst, ube, Okinawan zoete aardappel, Concord-druif, muscadine-druif, rode kool en viooltjesblaadjes. Roodvlezige perziken en appels bevatten anthocyanen. Anthocyanen zijn minder overvloedig in banaan, asperges, erwten, venkel, peer en aardappel, en kunnen helemaal afwezig zijn in bepaalde cultivars van groene kruisbessen.

Structuur van de belangrijkste anthocyanen

Anthocyanen zijn een geweldig alternatief om synthetische kleurstoffen in voedingsmiddelen te vervangen. Anthocyanen zijn goedgekeurd voor gebruik als voedingskleurstof in de Europese Unie, Australië en Nieuw-Zeeland, met kleurstofcode E163. Anthocyanen worden gevonden in fruit en groenten en kunnen worden omschreven als een soort in water oplosbare plantenpigmenten. Chemisch gezien zijn anthocyanen glycosiden van anthocyanidinen op basis van de 2-fenylbenzofyrylium (flavylium) structuur. Er zijn meer dan 200 verschillende fytochemicaliën die in de categorie anthocyanen vallen. Als belangrijkste kleurpigment in wilde vruchten en bessen, zijn er veel bronnen waaruit anthocyanen kunnen worden geëxtraheerd. Een prominente bron van anthocyanen is de schil van druiven. De anthocyaanpigmenten in druivenschil bestaan voornamelijk uit di-glucosiden, monoglucosiden, geacyleerde monoglucosiden en geacyleerde di-glucosiden van peonidine, malvidine, cyanidine, petunidine en delphinidine. Het anthocyaangehalte in druiven varieert van 30-750 mg/100 g.
De meest prominente anthocyanen zijn cyanidine, delphinidine, pelargonidine, peonidine, malvidine en petunidine.
De anthocyanen peonidine-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidine-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside en cyanidine-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside worden bijvoorbeeld gevonden in paarse zoete aardappelen.

anthocyanen – Voordelen voor de gezondheid

Naast hun grote vermogen om te fungeren als een natuurlijke voedingskleurstof, worden anthocyanen zeer gewaardeerd om hun antioxidatieve effecten. Daarom hebben anthocyanen veel positieve effecten op de gezondheid. Onderzoek heeft aangetoond dat anthocyanen DNA-schade in kankercellen kunnen remmen, spijsverteringsenzymen kunnen remmen, de insulineproductie in geïsoleerde alvleeskliercellen kunnen induceren, ontstekingsreacties kunnen verminderen, bescherming kunnen bieden tegen leeftijdsgerelateerde achteruitgang van de hersenfunctie, de dichtheid van capillaire bloedvaten kunnen verbeteren en trombocytenaggregatie kunnen voorkomen.