Ultrasone extractie van anthocyaninen

Anthocyaninen worden veel gebruikt als natuurlijke kleurstof en voedingsadditief in voedingsmiddelen. Ultrasone extractie is een zeer efficiënte en eenvoudige techniek om hoogwaardige anthocyaninen te verkrijgen. Het gebruik van sonicators met een sonde bevordert het vrijkomen van hoogwaardige anthocyaninen uit planten, wat resulteert in hogere opbrengsten en een snel proces. Tegelijkertijd is sonicatie een milde, groene en efficiënte techniek voor de industriële productie van anthocyaninen van voedingsmiddelenkwaliteit en farmaceutische kwaliteit.

Anthocyaninen – Hoe u hoogwaardige anthocyaninen extraheert met een sonicator

Anthocyaninen worden veel gebruikt als natuurlijke kleurstoffen in de voedingsmiddelenindustrie. Ze hebben een breed spectrum aan kleurtinten, variërend van oranje via rood tot paars en blauw, afhankelijk van de moleculaire structuur en de pH-waarde. De belangstelling voor anthocyaninen is niet alleen gebaseerd op hun kleurende werking, maar ook op hun gezondheidsbevorderende eigenschappen. Vanwege de toenemende zorgen over de milieu- en gezondheidseffecten van synthetische kleurstoffen vormen natuurlijke kleurstoffen een uitstekend alternatief als milieuvriendelijke kleurstof voor de voedingsmiddelen- en farmaceutische industrie.

Met ultrasoon geluid verbeterde extractie van anthocyaninen

Hoe extraheert u anthocyaninen met ultrasoon geluid? – Casestudy’s

Ultrasone extractie van anthocyaninen uit paarse rijst Oryza Sativa L.

Paarse rijst van de variëteit Oryza Sativa (ook bekend als Violet Nori of violette rijst) is buitengewoon rijk aan fenolische verbindingen, zoals de anthocyaninen uit de groep van flavonoïden. Turrini et al. (2018) gebruikten ultrasone extractie om polyfenolische verbindingen, zoals anthocyaninen en antioxidanten, te isoleren uit de graanvrucht (in hele, ongepelde en voorgekookte vorm) en de bladeren van paarse rijst. De ultrasone extractie werd uitgevoerd met een Hielscher UP200St (200W, 26kHz, afb. links) en ethanol 60% als oplosmiddel.
Om de integriteit van de anthocyaninen te behouden, werden de ultrasone extracten bewaard bij −20°C, waardoor ze ten minste tot drie maanden konden worden bewaard.
Cyanidin-3-glucoside (ook bekend als chrysanthemin) was verreweg de belangrijkste aangetroffen anthocyanine in de cultivars ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ en ‘Nerone’ die werden onderzocht in de studie van Turrini et al., terwijl peonidin-3-glucoside en cyanidin-3-rutinoside (ook antirrhinin) in kleinere hoeveelheden werden aangetroffen.
De violette bladeren van Oryza Sativa zijn een uitstekende bron van anthocyaninen en totale fenolische inhoud (TPC). Met een hoeveelheid die ongeveer 2–3 keer hoger is dan die in rijst en meel, vormen de bladeren van Oryza een goedkope grondstof voor de extractie van anthocyaninen. 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 hoeveelheden anthocyaninen die in ‘Violet Nori’-rijst werden aangetroffen (1300 µg/g rijst, als cyanidin-3-glucoside) bij een opbrengst van ongeveer 68 kg rijst uit 100 kg paddy.

Ultrasone extractie van anthocyaninen uit rodekool

Ravanfar et al. (2015) hebben de efficiëntie van ultrasone extractie van anthocyaninen uit rodekool onderzocht. De experimenten met ultrasone extractie werden uitgevoerd met het ultrasone systeem UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). De sonotrode MS10 (puntdiameter 10mm) werd in het midden van een glazen bekerglas met mantel en temperatuurregeling geplaatst.

Voor dit experiment werden vers gesneden stukjes rodekool met een afmeting van 5mm (kubusvorm) en een vochtgehalte van 92,11 ± 0,45 % gebruikt. Een glazen bekerglas met mantel (volume: 200ml) werd gevuld met 100ml gedestilleerd water en 2g stukjes rodekool. Het bekerglas werd afgedekt met aluminiumfolie om verlies van oplosmiddel (water) door verdamping tijdens het proces te voorkomen. Bij alle experimenten werd de temperatuur in het bekerglas op peil gehouden met een thermostatische regelaar. Ten slotte werden monsters verzameld, gefilterd en gecentrifugeerd bij 4000rpm, waarna de supernatanten werden gebruikt om de anthocyanineopbrengst te bepalen. Als controle-experiment werd extractie in een waterbad uitgevoerd.
De optimale opbrengst van anthocyanine uit rodekool werd vastgesteld bij een vermogen van 100 W, een tijd van 30 min en een temperatuur van 15°C, wat resulteerde in een anthocyanineopbrengst van ongeveer 21 mg/L.
Vanwege de kleurveranderingen afhankelijk van de pH-waarde en de intense kleurende werking is rodekoolkleurstof gebruikt als pH-indicator in farmaceutische formuleringen of als antioxidant en kleurstof in voedingsmiddelsystemen.

Ultrasoon geluid intensiveert de extractie van anthocyaninen uit plantaardig materiaal aanzienlijk.
bron: Ravanfar et al. 2015

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

Ultrasone extractoren met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics is gespecialiseerd in de productie van ultrasone processoren met hoge prestaties voor de productie van hoogwaardige extracten uit plantaardig materiaal.
Het brede assortiment sonicators van Hielscher varieert van kleine, krachtige laboratoriumsonicators tot robuuste tafelmodellen en volledig industriële systemen, die ultrasoon geluid met hoge intensiteit leveren voor de efficiënte extractie en isolatie van bioactieve stoffen (bijv. anthocyaninen, gingerol, piperine, curcumine enz.).
Alle sonicators van 200W tot 16.000W beschikken over een kleurentouchscreen voor digitale bediening, een geïntegreerde SD-kaart voor automatische gegevensregistratie, afstandsbediening via een browser en nog veel meer gebruiksvriendelijke functies. De sonotroden en doorstroomcellen (de onderdelen die in contact komen met het medium) kunnen in een autoclaaf worden gesteriliseerd en zijn eenvoudig te reinigen.
De sonicators van Hielscher zijn zeer robuust en gebouwd voor 24/7-gebruik onder volledige belasting, terwijl ze weinig onderhoud vergen en eenvoudig en veilig te bedienen zijn. Een digitaal kleurendisplay maakt een gebruiksvriendelijke bediening van de sonicator mogelijk.
Onze systemen kunnen lage tot zeer hoge amplitudes leveren. Voor de extractie van cannabinoïden en terpenen bieden wij speciale ultrasone sonotroden (ook bekend als ultrasone sondes of hoorns) die zijn geoptimaliseerd voor de milde isolatie van hoogwaardige werkzame stoffen. Al onze systemen kunnen worden gebruikt voor de extractie en de daaropvolgende emulgering van cannabinoïden. De robuustheid van de sonicators van Hielscher maakt continu gebruik (24/7) onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.

De nauwkeurige regeling van de ultrasone procesparameters waarborgt reproduceerbaarheid en processtandaardisatie.
 

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

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 ultrasoon ondersteunde extractie?

De toepassing van intense ultrasone golven op een vloeibaar medium veroorzaakt cavitatie. Het verschijnsel cavitatie leidt plaatselijk tot extreme temperaturen, drukken, verwarmings- en afkoelsnelheden, drukverschillen en hoge afschuifkrachten in het medium. Wanneer cavitatiebellen imploderen op het oppervlak van vaste stoffen (zoals deeltjes, plantencellen, weefsels enz.), veroorzaken microjets en botsingen tussen deeltjes effecten zoals het afpellen van oppervlakken, erosie en het uiteenvallen van deeltjes. Bovendien veroorzaakt de implosie van cavitatiebellen in vloeibare media macroturbulentie en micromenging.
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 verbindingen uit plantaardig materiaal het resultaat is van verschillende onafhankelijke of gecombineerde mechanismen, waaronder fragmentatie, erosie, capillariteit, destructurering en sonoporatie. Deze effecten breken de celwand open, verbeteren de massaoverdracht door oplosmiddel de cel in te duwen en oplosmiddel beladen met plantaardige verbindingen naar buiten te zuigen, en zorgen voor vloeistofbeweging door micromenging.

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

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 verbindingen uit plantaardig materiaal het resultaat is van verschillende onafhankelijke of gecombineerde mechanismen, waaronder fragmentatie, erosie, capillariteit, destructurering en sonoporatie. Deze effecten breken de celwand open, verbeteren de massaoverdracht door oplosmiddel de cel in te duwen en oplosmiddel beladen met plantaardige verbindingen naar buiten 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, een hogere opbrengst en lagere temperaturen. Als milde mechanische behandeling voorkomt ultrasoon ondersteunde extractie de thermische afbraak van bioactieve componenten en presteert deze beter dan andere technieken, zoals conventionele oplosmiddelextractie, hydrodestillatie of Soxhlet-extractie, waarvan bekend is dat ze warmtegevoelige moleculen vernietigen. Vanwege deze voordelen is ultrasone extractie de voorkeurstechniek voor het vrijmaken van temperatuurgevoelige bioactieve verbindingen uit plantaardig materiaal.

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

Anthocyanine – Een waardevol plantenpigment

Anthocyaninen zijn vacuolaire plantenpigmenten die rood, paars, blauw of zwart kunnen zijn. De kleurweergave van de in water oplosbare anthocyaninepigmenten hangt af van hun pH-waarde. Anthocyaninen komen voor in de celvacuole, voornamelijk in bloemen en vruchten, maar ook in bladeren, stengels en wortels, waar ze vooral in de buitenste cellagen worden aangetroffen, zoals de epidermis en de perifere mesofylcellen.
De glycosiden van cyanidin, delphinidin, malvidin, pelargonidin, peonidin en petunidin komen het meest voor in de natuur.
Bekende voorbeelden van planten die rijk zijn aan anthocyaninen zijn vaccinium-soorten, zoals blauwe bes, cranberry en bosbes; Rubus-bessen, waaronder zwarte framboos, rode framboos en braam; zwarte bes, kers, aubergine, zwarte rijst, ube, Okinawaanse zoete aardappel, Concord-druif, muscadinedruif, rodekool en bloemblaadjes van viooltjes. Perziken en appels met rood vruchtvlees bevatten anthocyaninen. Anthocyaninen komen in kleinere hoeveelheden voor in banaan, asperge, erwt, venkel, peer en aardappel en kunnen volledig ontbreken in bepaalde cultivars van groene kruisbessen.

Structuur van de belangrijkste anthocyaninen

Anthocyaninen vormen een uitstekend alternatief voor synthetische kleurstoffen in voedingsmiddelen. Anthocyaninen zijn in de Europese Unie, Australië en Nieuw-Zeeland goedgekeurd voor gebruik als kleurstoffen in voedingsmiddelen en hebben kleurstofcode E163. Anthocyaninen komen voor in fruit en groenten en kunnen worden omschreven als een type in water oplosbare plantenpigmenten. Chemisch gezien zijn anthocyaninen glycosiden van anthocyanidinen op basis van de 2-phenylbenzophyrylium (flavylium)-structuur. Er zijn meer dan 200 verschillende fytochemicaliën die onder de categorie anthocyaninen vallen. Omdat anthocyaninen een belangrijk kleurpigment in wilde vruchten en bessen zijn, zijn er veel bronnen waaruit ze kunnen worden geëxtraheerd. Een belangrijke bron van anthocyaninen is de schil van druiven. De anthocyaninepigmenten in druivenschillen bestaan voornamelijk uit diglucosiden, monoglucoside, geacyleerde monoglucosiden en geacyleerde diglucosiden van peonidin, malvidin, cyanidin, petunidin en delphinidin. Het anthocyaninegehalte in druiven varieert van 30–750mg/100g.
De belangrijkste anthocyaninen zijn cyanidin, delphinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin en petunidin.
Zo komen de anthocyaninen peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside en cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside voor in paarse zoete aardappelen.

Anthocyaninen – Gezondheidsvoordelen

Naast hun uitstekende vermogen om als natuurlijke kleurstof in voedingsmiddelen te functioneren, worden anthocyaninen zeer gewaardeerd om hun antioxidatieve effecten. Anthocyaninen hebben daarom veel positieve gezondheidseffecten. Onderzoek heeft aangetoond dat anthocyaninen DNA-schade in kankercellen kunnen remmen, spijsverteringsenzymen kunnen remmen, de insulineproductie in geïsoleerde alvleeskliercellen kunnen stimuleren, ontstekingsreacties kunnen verminderen, kunnen beschermen tegen leeftijdsgerelateerde achteruitgang van de hersenfunctie, de dichtheid van capillaire bloedvaten kunnen verbeteren en trombocytenaggregatie kunnen voorkomen.