Fakty Warto wiedzieć

Ekstrakcja ultradźwiękowa – zasady działania

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest mechaniczną metodą uwalniania i izolowania związków wewnątrzkomórkowych z macierzy komórkowych, takich jak komórki roślinne. Gdy fale ultradźwiękowe o dużej mocy zostaną połączone w zawiesinę (np. składającą się z z zmacerowanych cząstek roślinnych w wodzie lub rozpuszczalniku), wysokoenergetyczne fale ultradźwiękowe generują kawitację. Zjawisko kawitacji prowadzi lokalnie do ekstremalnych temperatur, ciśnień, szybkości nagrzewania/chłodzenia, różnic ciśnień i dużych sił ścinających w medium. Kiedy pęcherzyki kawitacyjne implodują na powierzchni ciał stałych (takich jak cząsteczki, komórki roślinne, tkanki itp.), mikrodrugi i zderzenia międzycząsteczkowe generują efekty takie jak złuszczanie się powierzchni, erozja i rozpad cząstek. Dodatkowo, implozja pęcherzyków kawitacyjnych w mediach płynnych powoduje powstawanie makro-turbulencji i mikromieszania.
Napromieniowanie ultradźwiękowe stanowi skuteczny sposób na usprawnienie procesów przenoszenia masy, ponieważ w wyniku naświetlania ultradźwiękowego powstaje kawitacja i związane z nią mechanizmy, takie jak mikroprzesuwanie strumieniami cieczy, kompresja i dekompresja materiału z następującym po niej rozerwaniem ścianek komórek, a także wysoki stopień nagrzewania i chłodzenia.

Ekstrakcja ultradźwiękowa z komórek roślinnych: mikroskopijny przekrój poprzeczny (TS) pokazuje mechanizm działania podczas ekstrakcji ultradźwiękowej z komórek (powiększenie 2000x) [źródło: Vilkhu et al. 2011].

Ultrasonizacja fragmentów materiału roślinnego rozbija matrycę komórek roślinnych i zwiększa ich nawilżenie. Chemat et al. (2015) stwierdzają, że ultradźwiękowa ekstrakcja związków bioaktywnych z roślin jest wynikiem różnych niezależnych lub połączonych mechanizmów, takich jak fragmentacja, erozja, kapilarność, detekcja i sonoporekcja. Efekty te zakłócają ścianę komórkową, poprawiają przenoszenie masy przez wypchnięcie rozpuszczalnika do komórki i wysysanie fitozwiązanego rozpuszczalnika, a także zapewniają ruch cieczy przez mikromiksowanie.

Jakie są główne zalety ekstrakcji ultradźwiękowej?

• Szybki proces i wysoka wydajność
• Niskie zużycie energii
• Obniżone koszty przetwarzania
• Technologia nietermiczna
• Wyższa czystość
• Zielona technologia

Kawitacja akustyczna i jej efekty

W cieczy fale ultradźwiękowe tworzą intensywne, naprzemienne cykle wysoko- i niskociśnieniowe, które powodują powstawanie pęcherzyków kawitacyjnych. W ciągu kilku cykli ciśnieniowych pęcherzyki kawitacyjne rosną aż do osiągnięcia granicy, w której pęcherzyk nie może wchłonąć więcej energii. W tym momencie bańka gwałtownie imploduje. Podczas implozji pęcherzyka pojawiają się ekstremalne warunki, takie jak wysokie temperatury do 5000K, ciśnienia do 2000atm, bardzo wysokie tempo nagrzewania/chłodzenia i różnice ciśnień. Ponieważ dynamika zapadania się pęcherzyków jest szybsza niż masa i wymiana ciepła, energia w zapadającej się jamie jest ograniczona do bardzo małej strefy, zwanej również "hot spotem". W wyniku implozji pęcherzyka kawitacyjnego powstają również mikroturbulencje, dysze cieczy o prędkości do 280m/s i wynikające z tego siły ścinające. Zjawisko to nazywane jest kawitacją ultradźwiękową lub akustyczną.

Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej i jej hydrodynamicznych siłach ścinających.

Katechiny

Wiadomo, że herbata zielona jest bogata w polifenole, takie jak kwas kofeinowy, kwas galusowy, katechina, epikatechina, galusan katechiny, galusan galokatechiny, galusan epikatechiny, epigalokatechina i galusan epigalokatechiny (EGCG), co sprawia, że herbata zielona jest popularną, zdrową żywnością spożywaną jako napój i ekstrakt. EGCG to znana katechina, która jest obecna w dużych ilościach w suszonych liściach zielonej herbaty (7380 mg na 100 g), białej herbaty (4245 mg na 100 g), a w mniejszych ilościach w herbacie czarnej (936 mg na 100 g). Podczas produkcji herbaty czarnej katechiny są przeważnie przetwarzane przez polifenolowe oksydazy na teaflawiny i tearubiginy.

Korzyści zdrowotne płynące z zastosowania galaretki epigalokatechiny (EGCG)

Z grupy katechin, galusan epigalokatechiny (EGCG) jest najbardziej badany i najbardziej obiecujący. Od właściwości antynowotworowych, przeciwutleniających, przeciwzapalnych, przeciwzwłóknieniowych, przeciw kolagenazie po działanie wzmacniające układ odpornościowy i przeciwstarzeniowe, EGCG wykazuje wiele korzyści i dlatego jest spożywany w postaci napoju z zielonej herbaty, jak również w postaci suplementów diety takich jak kapsułki, proszki, tabletki itp.
Badania sugerują, że takie katechiny jak galusan epigalokatechiny (EGCG) mogą zmniejszać stan zapalny i mogą zapobiegać niektórym przewlekłym stanom, takim jak choroby serca, cukrzyca i niektóre formy raka.

EGCG i jego działanie przeciwnowotworowe (Anticancer Effects)

Ponieważ rak jest często chorobą zagrażającą życiu, właściwości antynowotworowe EGCG są przedmiotem intensywnych badań. Badania sugerują, że EGCG może hamować rozwój nowotworów poprzez redukcję lub eliminację efektów rakotwórczych. Istnieją wyniki sugerujące, że EGCG zapobiega diethylnitrosamine-induced liver tumorigenesis związanej z otyłością poprzez hamowanie osi IGF/IGF-1R, poprawę hiperinsulinemii i tłumienie przewlekłego zapalenia. Innym mechnizmem działania antynowotworowego EGCG jest hamowanie angiogenezy i tym samym hamowanie proliferacji guza.

EGCG i jego działanie przeciwutleniające

Niezliczone procesy antyoksydacyjne zachodzą w organizmie człowieka i przyczyniają się do jego zdrowia, siły i dobrego samopoczucia. EGCG jest antyoksydantem. Przeciwutleniacze mogą chronić przed uszkodzeniem komórek, usuwając wolne rodniki i neutralizując je. Pierścienie fenolowe w strukturze EGCG działają jak pułapki elektronowe i pochłaniacze wolnych rodników, hamują powstawanie reaktywnych form tlenu, a tym samym zmniejszają uszkodzenia spowodowane stresem oksydacyjnym.

EGCG i jego efekty przeciwzapalne

Zapalenie może być spowodowane przez choroby, chroniczny stres i zanieczyszczenie środowiska. Organizm reaguje na takie czynniki stresowe zapaleniem, które charakteryzuje się agregacją dużej liczby komórek odpornościowych w miejscach zapalnych, uwalnianiem cytokin prozapalnych oraz reaktywnych form tlenu/azotoru (ROS/RNS). ROS/RNS są związane z aktywacją czynnika transkrypcyjnego NF-B i białka aktywatora-(AP-)1. Po aktywacji NF-jB i AP-1 przenoszą się z cytoplazmy do jądra i regulują różne ekspresje genów zapalnych, które następnie powodują nasilenie reakcji zapalnej i uszkodzenie tkanek.
EGCG hamuje transmisję NF-B i AP-1, że ekspresja iNOS i COX-2 jest regulowana głównie poprzez usuwanie tlenku azotu, nadtlenoazotynu i innych ROS/RNS, a produkcja czynników zapalnych jest ograniczona.

EGCG i jego wpływ na promocję osteogenezy

Osteoporoza jest ciężką chorobą charakteryzującą się zwyrodnieniem macierzy kostnej i utratą gęstości kości. EGCG wykazuje wpływ regulacyjny na metabolizm kostny. EGCG może indukować apoptozę osteoklastów i hamować powstawanie osteoklastów poprzez blokowanie generacji NF-B i IL-1b. Ponadto może sprzyjać powstawaniu zmineralizowanych guzków kostnych.
[por. Chenyu Chu; Jia Deng; Yi Man; Yili Qu (2017): Ekstrakty zielonej herbaty. Epigalokatechina-3-galkata do różnych zabiegów. BioMed Research International Vol. 2017]: Green Tea Extracts.