Ultrasone behandeling voor een betere celontsluiting en extractie van algen

Algen, zowel macroalgen als microalgen, bevatten veel waardevolle verbindingen die worden gebruikt als voedingsmiddelen, levensmiddelenadditieven, brandstof of grondstof voor brandstof. Om de doelstoffen uit de algencel vrij te maken, is een krachtige en efficiënte techniek voor celontsluiting nodig. Ultrasone extractoren zijn zeer efficiënt en betrouwbaar bij de extractie van bioactieve verbindingen uit plantaardig materiaal, algen en schimmels. Ultrasone extractoren van Hielscher zijn beschikbaar op laboratoriumschaal, als tafelmodellen en op industriële schaal en zijn een gevestigde technologie voor de productie van extracten uit cellen bij de productie van voedingsmiddelen, farmaceutische producten en biobrandstoffen.

Algen als waardevolle bron voor voeding en brandstof

Algencellen vormen een veelzijdige bron van bioactieve en energierijke verbindingen, zoals eiwitten, koolhydraten, lipiden en andere bioactieve stoffen, evenals alkanen. Hierdoor zijn algen een bron van voedingsmiddelen 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 van C₁₀H₂₂ tot C₃₈H₇₈, die worden ingedeeld als benzine (C10–C15), dieseloliën (C16–C20) en stookoliën (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 worden samen met talrijke andere bioactieve stoffen gebruikt als voedingssupplementen en farmaceutische producten. Carrageen, alginaat en andere hydrocolloïden worden gebruikt als levensmiddelenadditieven. Lipiden uit algen worden gebruikt als veganistische bron van omega-3 en ook als brandstof of als grondstof voor de productie van biodiesel.

Celontsluiting en extractie van algen met ultrageluid met hoog vermogen

Ultrasone extractoren, of eenvoudigweg sonicatoren, worden gebruikt om waardevolle verbindingen uit kleine monsters in het laboratorium te extraheren, maar ook voor productie op grote commerciële schaal.
Algencellen worden beschermd door complexe celwandmatrices die bestaan uit lipiden, cellulose, eiwitten, glycoproteïnen en polysachariden. De basis van de meeste algencelwanden bestaat uit een microfibrillair netwerk binnen een gelachtige eiwitmatrix; sommige microalgen hebben echter een anorganische, stijve wand die bestaat uit frustulen van opaalachtig siliciumdioxide of calciumcarbonaat. Om bioactieve verbindingen uit algenbiomassa te verkrijgen, is een efficiënte techniek voor celontsluiting nodig. Naast de technologische extractiefactoren (d.w.z. extractiemethode en apparatuur) wordt de efficiëntie van celontsluiting 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 de groeifase van de microalgen tijdens het oogsten.

Hoe werken ultrasone celontsluiting en extractie van algen?

Wanneer ultrasone golven met hoge intensiteit via een ultrasone sonde (ook bekend als ultrasone hoorn of sonotrode) in een vloeistof of slurry worden gekoppeld, verplaatsen de geluidsgolven zich door de vloeistof en veroorzaken daarbij afwisselende cycli van hoge druk / lage druk. Tijdens deze cycli van hoge druk / lage druk ontstaan zeer kleine vacuümbellen of holtes. Cavitatiebellen ontstaan wanneer de lokale druk tijdens de lagedrukcycli voldoende ver onder de verzadigde dampdruk daalt, een waarde die wordt bepaald door de treksterkte van de vloeistof bij een bepaalde temperatuur. Deze bellen groeien gedurende meerdere cycli. Wanneer deze vacuümbellen een grootte bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen opnemen, imploderen ze heftig tijdens een hogedrukcyclus. De implosie van cavitatiebellen is een heftig proces met een hoge energiedichtheid dat intense schokgolven, turbulentie en microjets in de vloeistof genereert. Daarnaast ontstaan lokaal zeer hoge drukken en zeer hoge temperaturen. Deze extreme omstandigheden kunnen gemakkelijk celwanden en membranen openbreken en intracellulaire verbindingen op een effectieve, doeltreffende en snelle manier vrijmaken. Intracellulaire verbindingen zoals eiwitten, polysachariden, lipiden, vitaminen, mineralen en antioxidanten kunnen daardoor effectief worden geëxtraheerd met ultrageluid met hoog vermogen.

Ultrasone cavitatie voor celontsluiting en extractie

Bij blootstelling aan intense ultrasone energie wordt de wand of het membraan van elk type cel (waaronder plantaardige cellen, zoogdiercellen, algencellen, schimmelcellen, bacteriecellen enz.) opengebroken en wordt de cel door de mechanische krachten van ultrasone cavitatie met een hoge energiedichtheid in kleinere fragmenten uiteengescheurd. Wanneer de celwand wordt opengebroken, komen cellulaire metabolieten zoals eiwitten, lipiden, nucleïnezuren en chlorofyl vrij uit zowel de celwandmatrix als het celinterieur en worden ze overgebracht naar het omringende kweekmedium of oplosmiddel.
Het hierboven beschreven mechanisme van ultrasone / akoestische cavitatie breekt volledige algencellen of gas- en vloeistofvacuolen binnen cellen ingrijpend open. De ultrasone cavitatie, trillingen, turbulentie en microstromingen bevorderen de massaoverdracht tussen het celinterieur en het omringende oplosmiddel, zodat de biomoleculen (d.w.z. metabolieten) efficiënt en snel vrijkomen. Sonicatie is immers een zuiver mechanische behandeling waarvoor geen agressieve, giftige en/of dure chemicaliën nodig zijn.
Ultrageluid met hoge intensiteit en lage frequentie creëert extreme omstandigheden met een hoge energiedichtheid, hoge drukken, hoge temperaturen en hoge afschuifkrachten. Deze fysieke krachten bevorderen het openbreken van celstructuren om intracellulaire verbindingen in het medium vrij te maken. Daarom wordt ultrageluid met lage frequentie op grote schaal gebruikt voor de extractie van bioactieve stoffen en brandstoffen uit algen. Vergeleken met conventionele extractiemethoden zoals oplosmiddelextractie, malen met een parelmolen of hogedrukhomogenisatie onderscheidt ultrasone extractie zich doordat de meeste bioactieve verbindingen (zoals lipiden, eiwitten, polysachariden en micronutriënten) uit de door sonoporatie behandelde en ontsloten cel vrijkomen. Bij toepassing van de juiste procesomstandigheden levert ultrasone extractie superieure extractieopbrengsten binnen een zeer korte procesduur. Zo leveren ultrasone extractoren met hoge prestaties uitstekende extractieresultaten bij algen wanneer een geschikt oplosmiddel wordt gebruikt. In een zuur of alkalisch medium wordt de algencelwand poreus en gerimpeld, wat leidt tot hogere opbrengsten bij een lage temperatuur (onder 60°C) en een korte sonicatieduur (minder dan 3 uur). De korte extractieduur bij milde temperaturen voorkomt de afbraak van fucoidan, zodat een sterk bioactief polysacharide wordt verkregen.
Ultrasone behandeling is ook een methode om fucoidan met een hoog molecuulgewicht om te zetten in fucoidan met een laag molecuulgewicht, dat door zijn structuur met verwijderde vertakkingen aanzienlijk bioactiever is. Dankzij zijn hoge bioactiviteit en biotoegankelijkheid is fucoidan met een laag molecuulgewicht een interessante verbinding voor farmaceutische producten en systemen voor geneesmiddelafgifte.

Casestudy’s: ultrasone extractie van verbindingen uit algen

De efficiëntie van ultrasone extractie en de optimalisatie van ultrasone extractieparameters zijn uitgebreid onderzocht. Hieronder vindt u voorbeelden van extractieresultaten die met ultrasone behandeling bij verschillende algensoorten zijn verkregen.

Eiwitextractie uit spirulina met mano-thermo-sonicatie

De onderzoeksgroep van prof. Chemat (Universiteit van Avignon) onderzocht de effecten van manothermosonicatie (MTS) op de extractie van eiwitten (zoals fycocyanine) uit droge cyanobacteriën van de soort Arthrospira platensis (ook bekend als spirulina). Mano-thermo-sonicatie (MTS) is de toepassing van ultrageluid in combinatie met verhoogde drukken en temperaturen om het ultrasone extractieproces te intensiveren.
“Volgens de experimentele resultaten bevorderde MTS de massaoverdracht (hoge effectieve diffusiviteit, De) en maakte het mogelijk om 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 spirulinabiomassa in het extract werd met een continu MTS-proces in 6 effectieve minuten een eiwitterugwinning van 50% bereikt. Microscopische waarnemingen toonden aan dat akoestische cavitatie spirulinafilamenten beïnvloedde via verschillende mechanismen, zoals fragmentatie, sonoporatie en afbraak van de textuur. Deze verschillende verschijnselen vergemakkelijken de extractie, vrijmaking en het in oplossing brengen van bioactieve verbindingen uit spirulina.” [Vernès et al., 2019]

Lichtmicroscopische beelden van volledige spirulinafilamenten die in de loop van de tijd aan een MTS-behandeling zijn onderworpen. Schaalbalk (afbeelding A) = 50 μm voor alle afbeeldingen.
afbeelding en onderzoek: ©Vernès et al. 2019

Ultrasone extractie van fucoidan en glucanen uit Laminaria digitata

De TEAGASC-onderzoeksgroep van dr. Tiwari onderzocht de extractie van polysachariden, d.w.z. fucoidan, laminarine en totale glucanen, uit de macroalg Laminaria digitata met behulp van de sonicator UIP500hdT. De onderzochte parameters voor ultrasoon ondersteunde extractie (UAE) hadden een significante invloed op de waarden voor fucose, FRAP en DPPH. Voor respectievelijk fucose, totale glucanen, FRAP en DPPH werden waarden van 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde en 11,02% verkregen bij geoptimaliseerde omstandigheden voor temperatuur (76◦C), tijd (10 min) en ultrasone amplitude (100%), met 0,1 M HCl als oplosmiddel. De beschreven UAE-omstandigheden werden vervolgens met succes toegepast op andere economisch relevante bruine macroalgen (L. hyperborea en A. nodosum) om polysachariderijke extracten te verkrijgen. Dit onderzoek toont aan dat UAE toepasbaar is om de extractie van bioactieve polysachariden uit verschillende soorten macroalgen te verbeteren.

Ultrasone extractie van fytochemicaliën uit F. vesiculosus en P. canaliculata

Het onderzoeksteam van García-Vaquero vergeleek verschillende nieuwe extractietechnieken, waaronder ultrasone extractie met hoge prestaties, gecombineerde extractie met ultrageluid en microgolven, microgolfextractie, hydrothermisch ondersteunde extractie en hogedrukondersteunde extractie, om de extractie-efficiëntie bij de bruine microalgensoorten Fucus vesiculosus en Pelvetia canaliculata te beoordelen. Voor de ultrasone behandeling gebruikten ze de ultrasone extractor Hielscher UIP500hdT. Uit de analyse van de extractieopbrengsten bleek dat ultrasone extractie de hoogste opbrengsten van de meeste fytochemicaliën uit beide F. vesiculosus opleverde. Dit betekent het volgende: de hoogste opbrengsten van verbindingen die uit F. vesiculosus werden geëxtraheerd met de ultrasone extractor UIP500hdT waren: totaal fenolgehalte (445,0 ± 4,6 mg galluszuurequivalenten/g), totaal florotanninegehalte (362,9 ± 3,7 mg floroglucinolequivalenten/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 “in combinatie met een ethanoloplossing van 50% als extractieoplosmiddel een veelbelovende strategie zou kunnen zijn voor de extractie van TPC, TPhC, TFC en TTC, waarbij de gelijktijdige extractie van ongewenste koolhydraten uit zowel F. vesiculosus als P. canaliculata wordt verminderd, met veelbelovende toepassingen wanneer deze verbindingen worden gebruikt als farmaceutische producten, nutraceuticals en cosmeceuticals.” [García-Vaquero et al., 2021]

Opschaling van mano-thermo-sonicatie aan de Universiteit van Avignon met sonicatoren van Hielscher: van laboratoriumapparatuur UIP1000hdT (A) tot apparatuur op pilotschaal UIP4000hdT (B, C & D). Afbeelding D toont een schematische dwarsdoorsnede van de ultrasone doorstroomcel FC100K.
afbeelding en onderzoek: ©Vernès et al. 2019

Ultrasone extractoren met hoge prestaties voor de celontsluiting van algen

De geavanceerde ultrasone apparatuur van Hielscher maakt volledige controle mogelijk over procesparameters zoals amplitude, temperatuur, druk en energietoevoer.
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.
Omdat ultrasone extractie een niet-thermische extractiemethode is, wordt thermische afbraak van de bioactieve bestanddelen in de grondstof, zoals algen, vermeden.
Alles bij elkaar maken voordelen zoals een hoge opbrengst, korte extractietijd, lage extractietemperatuur en kleine hoeveelheden oplosmiddel sonicatie tot de superieure extractiemethode.

Ultrasone extractie: een gevestigde technologie in laboratoria en de industrie

Ultrasone extractie wordt op grote schaal toegepast voor de extractie van elk type bioactieve verbinding uit plantaardig materiaal, algen, bacteriën en zoogdiercellen. Ultrasone extractie is een gevestigde, eenvoudige, kosteneffectieve en zeer efficiënte techniek die andere traditionele extractietechnieken overtreft dankzij hogere extractieopbrengsten en een kortere verwerkingsduur.
Nu ultrasone systemen voor laboratoria, tafelmodellen en volledig industriële systemen direct beschikbaar zijn, is ultrasone extractie tegenwoordig een gevestigde en vertrouwde technologie. Ultrasone extractoren van Hielscher zijn wereldwijd geïnstalleerd in industriële verwerkingsinstallaties die bioactieve verbindingen van voedingsmiddelenkwaliteit en farmaceutische kwaliteit produceren.

Processtandaardisatie met Hielscher Ultrasonics

Extracten uit algen die worden gebruikt in voedingsmiddelen, farmaceutische producten of cosmetica, moeten worden geproduceerd volgens Good Manufacturing Practices (GMP) en gestandaardiseerde verwerkingsspecificaties. De digitale extractiesystemen van Hielscher Ultrasonics worden geleverd met intelligente software waarmee het sonicatieproces eenvoudig nauwkeurig kan worden ingesteld en gecontroleerd. Automatische gegevensregistratie schrijft alle ultrasone procesparameters, zoals ultrasone energie (totale en netto-energie), amplitude, temperatuur en druk (wanneer temperatuur- en druksensoren zijn gemonteerd), met datum- en tijdstempel naar de ingebouwde SD-kaart. Hierdoor kunt u elke ultrasoon verwerkte partij controleren. Tegelijkertijd worden reproduceerbaarheid en een voortdurend hoge productkwaliteit gewaarborgd.

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