Algen, macro- en microalgen, bevatten vele waardevolle verbindingen, die worden gebruikt als voedingsmiddelen, levensmiddelenadditieven of als brandstof of brandstofgrondstof. Om de doelstoffen uit de algencel vrij te maken is een krachtige en efficiënte techniek voor celdisruptie nodig. Ultrasone extractoren zijn uiterst efficiënt en betrouwbaar als het gaat om de extractie van bioactieve stoffen uit botanische producten, algen en schimmels. Hielscher ultrasone extractoren zijn beschikbaar op laboratorium-, bench-top- en industriële schaal en worden gebruikt voor de productie van uit cellen afgeleide extracten in de levensmiddelen-, farmaceutische en biobrandstoffenindustrie.

Algen als waardevolle grondstof voor voeding en brandstof

Algencellen zijn een veelzijdige bron van bioactieve en energierijke verbindingen, zoals eiwitten, koolhydraten, lipiden en andere bio-actieve stoffen, alsook 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 (b.v. 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 C₃₈H₇₈, die worden ingedeeld in 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 onder meer de carotenoïden astaxanthine, fucoxanthine en zeaxanthine, fucoidan, laminari en andere glucanen, naast tal van andere bioactieve stoffen, die worden gebruikt als voedingssupplementen en geneesmiddelen. 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 ultrageluiden

Ultrasone extractoren of gewoon ultrasone toestellen worden gebruikt om waardevolle verbindingen te extraheren uit kleine monsters in het labo, maar ook voor de productie op grote commerciële schaal.
Algencellen worden beschermd door complexe celwandmatrices, die zijn opgebouwd uit lipiden, cellulose, eiwitten, glycoproteïnen en polysacchariden. De basis van de meeste algencelwanden is opgebouwd uit een microfibrillair netwerk binnen een gel-achtige eiwitmatrix; sommige microalgen zijn echter uitgerust met een anorganische stijve wand die bestaat uit opaline silicafrustules of calciumcarbonaat. Om bioactieve verbindingen uit algenbiomassa te verkrijgen, is een efficiënte techniek voor celdisruptie nodig. Naast de technologische extractiefactoren (d.w.z. extractiemethode en -apparatuur) wordt de efficiëntie van algenceldisruptie en -extractie ook sterk beïnvloed door diverse algenafhankelijke factoren zoals de samenstelling van de celwand, de locatie van de gewenste biomolecule in de microalgencellen, en het groeistadium van de microalgen tijdens de oogst.

Hoe werkt ultrasone algencel ontwrichting en extractie?

Wanneer ultrasone golven van hoge intensiteit via een ultrasone sonde (ook ultrasone hoorn of sonotrode genoemd) in een vloeistof of slurry worden gekoppeld, reizen de geluidsgolven door de vloeistof en creëren daarbij afwisselend hoge-druk/lage-druk cycli. Tijdens deze hoge-druk/lage-druk cycli ontstaan minuscule vacuümbelletjes of cavitatiebelletjes. Cavitatiebellen ontstaan wanneer de plaatselijke druk tijdens de lagedrukcycli ver genoeg daalt onder de verzadigde dampdruk, een waarde die wordt bepaald door de treksterkte van de vloeistof bij een bepaalde temperatuur. Deze groeien gedurende verscheidene cycli. Wanneer deze vacuümbellen een omvang bereiken waarbij zij niet meer energie kunnen opnemen, implodeert de bel gewelddadig tijdens een hogedrukcyclus. De implosie van cavitatiebellen is een gewelddadig, energiedicht proces dat intense schokgolven, turbulenties en micro-jets in de vloeistof genereert. Bovendien ontstaan plaatselijk zeer hoge drukken en zeer hoge temperaturen. Deze extreme omstandigheden zijn gemakkelijk in staat celwanden en membranen te verstoren en intracellulaire verbindingen op een effectieve, doeltreffende en snelle manier vrij te maken. Intracellulaire verbindingen zoals proteïnen, polysacchariden, lipiden, vitaminen, mineralen en anti-oxydanten kunnen daardoor effectief worden geëxtraheerd met gebruikmaking van ultrasone stroomstoottechniek.

Ultrasone cavitatie voor celontwrichting en extractie

Bij blootstelling aan intense ultrasone energie wordt de wand of het membraan van om het even welk soort cel (met inbegrip van botanische, zoogdier-, algen-, schimmel-, bacteriële enz. Wanneer de celwand wordt gebroken, worden de cellulaire metabolieten zoals proteïne, lipide, nucleïnezuur en chlorofyl vrijgemaakt uit de celwandmatrix en uit het celinterieur en worden zij overgebracht in het omringende kweekmedium of oplosmiddel.
Het hierboven beschreven mechanisme van ultrasone/akoestische cavitatie verstoort hele algencellen of gas- en vloeistofvacuoles binnen cellen ernstig. De ultrasone cavitatie, trillingen, turbulenties en micro-stromen bevorderen de massaoverdracht tussen het celinterieur en het omringende oplosmiddel, zodat de biomoleculen (d.w.z. metabolieten) efficiënt en snel worden vrijgemaakt. Aangezien sonicatie een zuiver mechanische behandeling is, zijn er geen agressieve, toxische en/of dure chemicaliën voor nodig.
Ultrasoon geluid met hoge intensiteit en lage frequentie creëert extreme energiedichte omstandigheden, met hoge druk, temperatuur en hoge afschuifkrachten. Deze fysische krachten bevorderen de verstoring van de celstructuren, zodat intracellulaire verbindingen vrijkomen in het medium. Daarom wordt laagfrequent ultrageluid veel gebruikt voor de extractie van bioactieve stoffen en brandstoffen uit algen. In vergelijking met conventionele extractiemethoden zoals solventextractie, bead-milling of homogenisatie onder hoge druk, blinkt ultrasone extractie uit door het vrijkomen van de meeste bioactieve stoffen (zoals lipiden, proteïnen, polysacchariden en micronutriënten) uit de gesonoporeerde en ontregelde cel. Als de juiste procescondities worden toegepast, levert ultrasone extractie een superieure extractie op binnen een zeer korte procesduur. Hoogwaardige ultrasone extractoren leveren bijvoorbeeld uitstekende extractieprestaties uit algen, wanneer zij met een geschikt oplosmiddel worden gebruikt. In een zuur of alkalisch medium wordt de celwand van de alg poreus en rimpelig, wat leidt tot hogere opbrengsten bij lage temperatuur (onder 60°C) in een korte sonicatietijd (minder dan 3 uur). De korte extractietijd bij milde temperaturen verhindert de degradatie van fucoidan, zodat een hoog bioactief polysaccharide wordt verkregen.
Ultrasoonbehandeling is ook een methode om hoogmoleculair fucoïdan om te zetten in laagmoleculair fucoïdan, dat aanzienlijk bioactiever is door zijn ontlede structuur. Met zijn hoge bioactiviteit en biotoegankelijkheid is laagmoleculair fucoïdan een interessante verbinding voor farmaceutische producten en afgiftesystemen voor geneesmiddelen.

Casestudies: Ultrasone extractie van algenverbindingen

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

Eiwitextractie uit Spirulina met Mano-Thermo-Sonicatie

De onderzoeksgroep van Prof. Chemat (Universiteit van Avignon) onderzocht de effecten van mano-thermosonicatie (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 ultrasone trillingen in combinatie met verhoogde druk en temperatuur om het ultrasone extractieproces te intensiveren.
"Volgens de experimentele resultaten bevorderde MTS de massaoverdracht (hoge effectieve diffusiviteit, De) en maakte het mogelijk 229% meer eiwitten (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) te verkrijgen dan met het conventionele 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 eiwitterugwinning van 50% bereikt in 6 effectieve minuten met een continu MTS proces. Microscopische observaties toonden aan dat akoestische cavitatie spirulina filamenten beïnvloedde door verschillende mechanismen zoals fragmentatie, sonoporatie, dexturatie. Deze verschillende fenomenen vergemakkelijken de extractie, het vrijkomen en de solubilisatie van de bioactieve spirulina-verbindingen." [Vernès et al., 2019].

Optische microscopie beelden van hele spiurulina filamenten onderworpen aan MTS behandeling in de tijd. Schaal balk (foto A) = 50 urn voor alle foto's.
foto en studie: ©Vernès et al. 2019

Ultrasone Fucoidan en Glucan Extractie uit Laminaria digitata

De TEAGASC-onderzoeksgroep van Dr. Tiwari onderzocht de extractie van polysacchariden, d.w.z. fucoidan, laminarin en totale glucanen, uit de macroalge Laminaria digitata met behulp van de ultrasonicator UIP500hdT. De parameters van de ultrasoon geassisteerde extractie (UAE) die werden bestudeerd, vertoonden een significante invloed op het fucose-, FRAP- en DPPH-gehalte. 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, totale 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 diverse 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, ultrageluid-microgolfextractie, microgolfextractie, hydrothermale extractie en extractie met hoge druk, om de extractie-efficiëntie van de bruine microalgensoorten Fucus vesiculosus en Pelvetia canaliculata te evalueren. Voor ultrasoonbehandeling gebruikten zij de Hielscher UIP500hdT ultrasoon afzuigapparaat. Uit de analyse van de extractie-opbrengsten 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 uit F. vesiculosus met ultrasone afzuiger UIP500hdT waren: totaal fenolgehalte (445,0 ± 4,6 mg galluszuurequivalenten/g), totaal florotanninegehalte (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 ondersteunde extractie "gecombineerd met 50% ethanoloplossing als extractiemiddel een veelbelovende strategie zou kunnen zijn gericht 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 farmaceutica, nutraceuticals en cosmeceuticals." [García-Vaquero et al., 2021]

Opschaling van mano-thermo-sonicatie aan de universiteit van Avignon met Hielscher ultrasoonapparaten: van laboratoriumapparatuur UIP1000hdT (A) voor apparatuur op proefschaal UIP4000hdT (B, C & D). Op foto D is een dwarsdoorsnede van de ultrasone doorstroomcel geschematiseerd FC100K.
foto en studie: ©Vernès et al. 2019

Ultrasone extractoren met hoge prestaties voor de verstoring van algen

De ultramoderne ultrasone apparatuur van Hielscher biedt volledige controle over de procesparameters, zoals amplitude, temperatuur, druk en energie-input.
Voor ultrasone extractie kunnen parameters zoals de deeltjesgrootte van de grondstof, het soort oplosmiddel, de verhouding vast/oplosmiddel en de extractietijd worden gevarieerd en geoptimaliseerd voor de beste resultaten.
Aangezien ultrasone extractie een niet-thermische extractiemethode is, wordt de thermische degradatie van de bioactieve bestanddelen in de grondstof, zoals algen, vermeden.
In het algemeen maken de voordelen zoals de hoge opbrengst, de korte extractietijd, de lage extractietemperatuur en de kleine hoeveelheden oplosmiddel sonicatie tot de superieure extractiemethode.

Ultrasone extractie: Gevestigd in Labo en Industrie

Ultrasone extractie wordt op grote schaal toegepast voor de extractie van alle soorten bioactieve verbindingen uit plantaardige producten, algen, bacteriën en cellen van zoogdieren. Ultrasone extractie is een eenvoudige, kosteneffectieve en zeer efficiënte techniek gebleken, die andere traditionele extractietechnieken overtreft door een hogere extractieopbrengst en kortere verwerkingstijd.
Ultrasone ultrasone systemen voor laboratoria, werktafels en volledig industriële toepassingen zijn overal verkrijgbaar en ultrasone extractie is tegenwoordig een beproefde en betrouwbare technologie. Hielscher ultrasone extractoren worden wereldwijd geïnstalleerd in industriële verwerkingsinstallaties die bioactieve stoffen van voedings- en farmaceutische kwaliteit produceren.

Processtandaardisatie met Hielscher Ultrasonics

Extracten van algen, die worden gebruikt in levensmiddelen, geneesmiddelen of cosmetica, moeten worden geproduceerd volgens de Good Manufacturing Practices (GMP) en volgens gestandaardiseerde verwerkingsspecificaties. De digitale extractiesystemen van Hielscher Ultrasonics worden geleverd met intelligente software, waarmee het sonicatieproces eenvoudig en nauwkeurig kan worden ingesteld en gecontroleerd. Automatische gegevensregistratie schrijft alle ultrasone procesparameters, zoals ultrasone energie (totale en netto energie), amplitude, temperatuur, druk (wanneer temp- en druksensoren zijn gemonteerd) met datum- en tijdstempel op de ingebouwde SD-kaart. Dit stelt u in staat om elk ultrasoon verwerkt lot te reviseren. Tegelijkertijd zijn reproduceerbaarheid en continu hoge productkwaliteit verzekerd.

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: