Ultrasoon om de celdisruptie en -extractie van algen te verbeteren

Algen, macro- en microalgen, bevatten veel waardevolle stoffen die worden gebruikt als voedingsmiddelen, voedseladditieven of als brandstof. Om de beoogde stoffen uit de algencel vrij te maken, is een krachtige en efficiënte celdisruptietechniek nodig. Ultrasone extractoren zijn zeer efficiënt en betrouwbaar als het gaat om de extractie van bioactieve stoffen uit plantaardige producten, algen en schimmels. Hielscher ultrasone extractors zijn verkrijgbaar op laboratorium-, tafelmodel- en industriële schaal en worden gebruikt voor de productie van uit cellen gewonnen extracten in de voedingsmiddelen-, farmaceutische en biobrandstofproductie.

Algen als waardevolle bron voor voeding en brandstof

Algencellen zijn een veelzijdige bron van bioactieve en energierijke verbindingen, zoals eiwitten, koolhydraten, lipiden en andere bioactieve stoffen en alkanen. Dit maakt algen tot een bron van voedsel en voedingsstoffen, maar ook van brandstoffen.
Microalgen zijn een gewaardeerde bron van lipiden, die worden gebruikt voor voeding en als grondstof voor biobrandstoffen (bijv. biodiesel). Stammen van het mariene fytoplankton Dicrateria, zoals Dicrateria rotunda, staan bekend als benzineproducerende algen, die een reeks verzadigde koolwaterstoffen (n-alkanen) kunnen synthetiseren uit C₁₀H₂₂ naar C₃₈H₇₈die worden gecategoriseerd als benzine (C10-C15), dieselolie (C16-C20) en stookolie (C21-C38).
Vanwege hun voedingswaarde worden algen gebruikt als “functionele voedingsmiddelen” of “nutraceuticals”. Belangrijke micronutriënten die uit algen worden geëxtraheerd, zijn de carotenoïden astaxanthine, fucoxanthine en zeaxantin, fucoidan, laminari en andere glucanen en tal van andere bioactieve stoffen worden gebruikt als voedingssupplementen en farmaceutische producten. Carrageen, alginaat en andere hydrocolloïden worden gebruikt als levensmiddelenadditieven. Algenlipiden worden gebruikt als veganistische omega-3-bron en ook als brandstof of als grondstof voor de productie van biodiesel.

Verstoring en extractie van algencellen met ultrageluid

Ultrasone extractors of kortweg ultrasone apparaten worden gebruikt om waardevolle verbindingen te extraheren uit kleine monsters in het laboratorium en voor de productie op grote commerciële schaal.
Algencellen worden beschermd door complexe celwandmatrices die bestaan uit lipiden, cellulose, eiwitten, glycoproteïnen en polysacchariden. De basis van de meeste algencelwanden is opgebouwd uit een microfibrillair netwerk binnen een gelachtige eiwitmatrix; sommige microalgen zijn echter uitgerust met een anorganische harde wand die bestaat uit opalische silicaflokken of calciumcarbonaat. Om bioactieve stoffen uit algenbiomassa te verkrijgen, is een efficiënte celdisruptietechniek nodig. Naast de technologische extractiefactoren (d.w.z. extractiemethode en -apparatuur) wordt de efficiëntie van de celdisruptie en extractie van algen ook sterk beïnvloed door verschillende algenafhankelijke factoren, zoals de samenstelling van de celwand, de locatie van het gewenste biomolecuul in de microalgencellen en het groeistadium van de microalgen tijdens de oogst.

Hoe werkt ultrasone algencelonderdrukking en -extractie?

Wanneer ultrasone geluidsgolven met hoge intensiteit via een ultrasone sonde (ook bekend als ultrasone hoorn of sonotrode) worden gekoppeld aan een vloeistof of slurry, verplaatsen de geluidsgolven zich door de vloeistof en creëren daarbij afwisselende hogedruk-/lagedrukcycli. Tijdens deze hogedruk-/lagedrukcycli ontstaan minuscule vacuümbelletjes of caviteiten. Cavitatiebelletjes ontstaan wanneer de lokale druk tijdens de lagedrukcycli ver genoeg onder de verzadigde dampdruk zakt, een waarde die wordt gegeven door de treksterkte van de vloeistof bij een bepaalde temperatuur. Deze groeien gedurende verschillende cycli. Wanneer deze vacuümbellen zo groot worden dat ze niet meer energie kunnen absorberen, implodeert de bel heftig tijdens een hogedrukcyclus. De implosie van cavitatiebellen is een gewelddadig, energie-intensief proces dat intense schokgolven, turbulenties en micro-jets in de vloeistof genereert. Bovendien ontstaan er plaatselijk zeer hoge drukken en zeer hoge temperaturen. Deze extreme omstandigheden zijn gemakkelijk in staat om celwanden en membranen te verstoren en intracellulaire verbindingen op een effectieve, doeltreffende en snelle manier vrij te maken. Intracellulaire verbindingen zoals eiwitten, polysacchariden, lipiden, vitaminen, mineralen en antioxidanten kunnen daardoor effectief worden geëxtraheerd met behulp van krachtige ultrasone trillingen.

Ultrasone cavitatie voor celdisruptie en -extractie

Bij blootstelling aan intense ultrasone energie wordt de wand of het membraan van elke soort cel (inclusief plantaardige, zoogdier-, algen-, schimmel-, bacteriële etc.) verstoord en wordt de cel in kleinere fragmenten gescheurd door de mechanische krachten van energierijke ultrasone cavitatie. Wanneer de celwand wordt gebroken, komen de cellulaire metabolieten zoals eiwitten, lipiden, nucleïnezuren en chlorofyl vrij uit de celwandmatrix en uit het inwendige van de cel en worden ze overgebracht naar het omringende kweekmedium of oplosmiddel.
Het hierboven beschreven mechanisme van ultrasone/akoestische cavitatie verstoort hele algencellen of gas- en vloeistofvacuolen binnen cellen ernstig. De ultrasone cavitatie, trillingen, turbulenties en microstromingen bevorderen de massaoverdracht tussen het celinterieur en het omringende oplosmiddel, zodat de biomoleculen (d.w.z. metabolieten) efficiënt en snel vrijkomen. Omdat sonicatie een zuiver mechanische behandeling is waarvoor geen agressieve, giftige en/of dure chemicaliën nodig zijn, is het ook mogelijk om de cel te behandelen met ultrasone trillingen.
Ultrasoon geluid met een hoge intensiteit en lage frequentie creëert extreme omstandigheden met een hoge energiedichtheid, met een hoge druk, temperatuur en hoge schuifkrachten. Deze fysieke krachten bevorderen de verstoring van celstructuren om intracellulaire verbindingen vrij te maken in het medium. Daarom wordt laagfrequent ultrageluid veel gebruikt voor de extractie van bioactieve stoffen en brandstoffen uit algen. Vergeleken met conventionele extractiemethoden zoals oplosmiddelextractie, parelmalen of homogeniseren onder hoge druk, blinkt ultrasone extractie uit doordat de meeste bioactieve stoffen (zoals lipiden, eiwitten, polysachariden en micronutriënten) vrijkomen uit de met ultrasone trillingen geabsorbeerde en verstoorde cel. Als de juiste procescondities worden toegepast, levert ultrasone extractie superieure extractieopbrengsten op binnen een zeer korte procesduur. Krachtige ultrasone extractoren laten bijvoorbeeld uitstekende extractieprestaties van algen zien, wanneer ze worden gebruikt met een geschikt oplosmiddel. In een zuur of alkalisch medium wordt de algencelwand poreus en gerimpeld, wat leidt tot een hogere opbrengst bij lage temperatuur (onder 60°C) in een korte sonificatietijd (minder dan 3 uur). De korte extractieduur bij milde temperaturen voorkomt de afbraak van fucoidan, zodat een zeer bioactieve polysacharide wordt verkregen.
Ultrasoonbehandeling is ook een methode om hoogmoleculair gewicht fucoïdan om te zetten in laagmoleculair gewicht fucoïdan, dat aanzienlijk bioactiever is vanwege de gedebrancheerde structuur. Met zijn hoge bioactiviteit en biotoegankelijkheid is laagmoleculair gewicht fucoidan een interessante verbinding voor geneesmiddelen en systemen voor de toediening van geneesmiddelen.

Casestudies: Ultrasone extractie van algenverbindingen

De efficiëntie van ultrasone extractie en de optimalisatie van ultrasone extractieparameters zijn uitgebreid bestudeerd. Hieronder vindt u voorbeeldresultaten voor de extractieresultaten via ultrasoon van verschillende algensoorten.

Eiwitwinning uit spirulina met behulp van mano-thermo-sonatie

De onderzoeksgroep van Prof. Chemat (Universiteit van Avignon) onderzocht de effecten van manothermosonicatie (MTS) op de extractie van eiwitten (zoals fycocyanine) uit droge Arthrospira platensis cyanobacteriën (ook bekend als spirulina). Mano-Thermo-Sonicatie (MTS) is de toepassing van ultrasoon in combinatie met verhoogde druk en temperatuur om het ultrasone extractieproces te intensiveren.
“Volgens experimentele resultaten bevorderde MTS massaoverdracht (hoge effectieve diffusie, De) en maakte het mogelijk om 229% meer eiwitten te krijgen (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) dan een conventioneel proces zonder ultrageluid (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Met 28,42 g eiwitten per 100 g droge spirulina-biomassa in het extract, werd een eiwitterugwinningspercentage van 50% bereikt in 6 effectieve minuten met een continu MTS-proces. Microscopische waarnemingen toonden aan dat akoestische cavitatie spirulina-filamenten beïnvloedde door verschillende mechanismen zoals fragmentatie, sonoporatie en detexturatie. Deze verschillende verschijnselen maken de extractie, afgifte en oplosbaarheid van bioactieve stoffen van spirulina gemakkelijker.” [Vernès et al., 2019]

Optische microscopiebeelden van hele spiurulina filamenten die in de loop van de tijd zijn behandeld met MTS. Schaalbalk (foto A) = 50 μm voor alle foto's.foto en studie: ©Vernès et al. 2019

Ultrasone fucoïdaan- en glucaanextractie uit Laminaria digitata

De TEAGASC-onderzoeksgroep van Dr. Tiwari onderzocht de extractie van polysachariden, d.w.z. fucoïdaan, laminarin en totaal glucanen, uit de macroalg Laminaria digitata met behulp van de Ultrasone UIP500hdT. De bestudeerde parameters van de ultrasoon geassisteerde extractie (UAE) toonden een significante invloed op de niveaus van fucose, FRAP en DPPH. Niveaus van 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde en 11,02% werden verkregen voor respectievelijk fucose, totaal glucanen, FRAP en DPPH onder geoptimaliseerde omstandigheden van temperatuur (76◦C), tijd (10 min) en ultrasone amplitude (100%) met 0,1 M HCl als oplosmiddel. De beschreven UAE-condities werden vervolgens met succes toegepast op andere economisch relevante bruine macroalgen (L. hyperborea en A. nodosum) om polysacchariderijke extracten te verkrijgen. Deze studie toont de toepasbaarheid van UAE aan om de extractie van bioactieve polysacchariden uit verschillende macroalgsoorten te verbeteren.

Ultrasone fytochemische extractie uit F. vesiculosus en P. canaliculata

Het onderzoeksteam van García-Vaquero vergeleek verschillende nieuwe extractietechnieken, waaronder ultrasone extractie met hoge prestaties, ultrasone/microgolfextractie, microgolfextractie, hydrothermale extractie en extractie onder hoge druk, om de efficiëntie van de extractie uit de bruine microalgensoorten Fucus vesiculosus en Pelvetia canaliculata te evalueren. Voor ultrasoon gebruikten ze de Hielscher ultrasone extractor UIP500hdT. Uit de analyse van de extractieopbrengsten bleek dat ultrasone extractie de hoogste opbrengst van de meeste fytochemicaliën uit zowel F. vesiculosus als F. vesiculosus opleverde. Dit betekent dat de hoogste opbrengsten van verbindingen geëxtraheerd uit F. vesiculosus met behulp van de ultrasone extractor UIP500hdT waren: totaal fenolgehalte (445,0 ± 4,6 mg galluszuurequivalenten/g), totaal fenotanninegehalte (362,9 ± 3,7 mg floroglucinol equivalenten/g), totaal flavonoïdengehalte (286,3 ± 7,8 mg quercetine-equivalenten/g) en totaal tanninegehalte (189,1 ± 4,4 mg catechine-equivalenten/g).
In hun onderzoek concludeerde het team dat het gebruik van ultrasoon geassisteerde extractie “in combinatie met een 50% ethanolische oplossing als extractieoplosmiddel zou een veelbelovende strategie kunnen zijn die gericht is op de extractie van TPC, TPhC, TFC en TTC, terwijl de co-extractie van ongewenste koolhydraten uit zowel F. vesiculosus als P. canaliculata wordt verminderd, met veelbelovende toepassingen bij het gebruik van deze verbindingen als farmaceutische producten, nutraceuticals en cosmeceuticals.” [García-Vaquero et al., 2021]

Opschaling van mano-thermo-sonicatie aan de Universiteit van Avignon met behulp van Hielscher ultrasone apparaten: van laboratoriumapparatuur UIP1000hdT (A) voor proefschaalapparatuur UIP4000hdT (B, C & D). Op foto D is een dwarsdoorsnede van de ultrasone stromingscel geschematiseerd FC100K.foto en studie: ©Vernès et al. 2019

Ultrasone afzuigers met hoge prestaties voor algenbestrijding

De ultramoderne ultrasone apparatuur van Hielscher zorgt voor volledige controle over de procesparameters zoals amplitude, temperatuur, druk en energie-input.
Voor ultrasone extractie kunnen parameters zoals de deeltjesgrootte van de grondstof, het type oplosmiddel, de verhouding tussen vaste stof en oplosmiddel en de extractietijd worden gevarieerd en geoptimaliseerd voor de beste resultaten.
Aangezien ultrasone extractie een niet-thermische extractiemethode is, wordt de thermische afbraak van de bioactieve ingrediënten die aanwezig zijn in de grondstof, zoals algen, vermeden.
In het algemeen maken de voordelen zoals een hoge opbrengst, korte extractietijd, lage extractietemperatuur en de kleine hoeveelheden oplosmiddel sonicatie tot de superieure extractiemethode.

Ultrasone extractie: Gevestigd in laboratorium en industrie

Ultrasone extractie wordt veel toegepast voor de extractie van alle soorten bioactieve verbindingen uit plantaardige producten, algen, bacteriën en zoogdiercellen. Ultrasone extractie is een eenvoudige, kosteneffectieve en zeer efficiënte methode die andere traditionele extractietechnieken overtreft door een hogere extractieopbrengst en een kortere verwerkingsduur.
Met laboratorium-, tafelmodel- en volledig industriële ultrasone systemen die direct beschikbaar zijn, is ultrasone extractie tegenwoordig een gevestigde en vertrouwde technologie. Hielscher ultrasone extractoren zijn wereldwijd geïnstalleerd in industriële verwerkingsfaciliteiten die bioactieve stoffen van voedsel- en farmaceutische kwaliteit produceren.

Processtandaardisatie met Hielscher Ultrasonics

Extracten van algen, die worden gebruikt in levensmiddelen, farmaceutische producten of cosmetica, moeten worden geproduceerd in overeenstemming met Good Manufacturing Practices (GMP) en volgens gestandaardiseerde verwerkingsspecificaties. Hielscher Ultrasoon’ Digitale afzuigsystemen worden geleverd met intelligente software, waardoor het eenvoudig is om het sonicatieproces nauwkeurig in te stellen en te regelen. Automatische gegevensregistratie schrijft alle ultrasone procesparameters zoals ultrasone energie (totale en netto energie), amplitude, temperatuur, druk (wanneer temperatuur- en druksensoren zijn gemonteerd) met datum- en tijdstempel op de ingebouwde SD-kaart. Hiermee kunt u elke ultrasoon bewerkte partij reviseren. Tegelijkertijd zijn de reproduceerbaarheid en een continu hoge productkwaliteit gegarandeerd.

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