Ultradźwiękowa ekstrakcja alg do suplementów diety

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest najlepszą metodą skutecznego i szybkiego rozbijania komórek alg. Sonikacja może uwolnić całą ilość związków bioaktywnych, dzięki czemu technika ultradźwiękowa jest wysoce wydajna.

Jak ekstrahować białka, lipidy i związki fenolowe z alg za pomocą ultradźwięków

Gatunki alg i mikroalg są bogate w związki biologicznie czynne, takie jak białka, lipidy, karotenoidy, barwniki (np. fikocyjaniny, astaksantyna itp.), związki fenolowe i polisacharydy (np. karageny). Dzięki temu są powszechnie stosowanym surowcem naturalnym do produkcji ekstraktów przeznaczonych do żywności i suplementów diety. Gatunki alg powszechnie wykorzystywane w suplementach diety to Arthrospira maxima i (znana również jako spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis oraz Ulva spp. Algi są znane jako dobre źródło wysokiej jakości białek, lipidów, długołańcuchowych wielonienasyconych kwasów tłuszczowych (PUFA, tj. omega-3), polisacharydów (np. alginianu, karagenu, β-glukanów), witamin i przeciwutleniaczy.
Spirulina jest powszechnie stosowanym rodzajem alg bogatym w cenne związki bioaktywne, takie jak białka (stanowiące 50–70% suchej masy). Ponieważ spirulina została zatwierdzona przez FDA (Agencję ds. Żywności i Leków Stanów Zjednoczonych) jako GRAS (ogólnie uznawana za bezpieczną), spirulina i ekstrakty ze spiruliny mogą być stosowane w żywności dostępnej w handlu lub jako suplementy diety.

Zalety ultradźwiękowej ekstrakcji alg

Ekstrakcja ultradźwiękowa przewyższa alternatywne metody ekstrakcji pod wieloma względami, takimi jak wysoka wydajność, niezawodność, bezpieczeństwo, prostota i przyjazność dla środowiska.

Pełna wydajność ekstrakcji

Wysokowydajne sonikatory otwierają i rozbijają komórki alg, uwalniając materiał wewnątrzkomórkowy. Ekstrakcja ultradźwiękowa uwalnia w ten sposób pełne spektrum związków bioaktywnych, takich jak fikobiliproteiny, karotenoidy, lipidy i związki fenolowe.
Fikobiliproteiny można podzielić na trzy główne grupy: chlorofikocyjaniny, allofikocyjaniny i fikoerytryny. C-fikocyjanina jest naturalnym niebieskim barwnikiem szeroko stosowanym w produktach spożywczych i farmaceutycznych. Ekstrakcja ultradźwiękowa uwalnia pełne spektrum białek.

Wysoka efektywność ekstrakcji

Duangsee i współpracownicy (2009) przetestowali dwie różne metody ekstrakcji związków bioaktywnych z biomasy Arthospira (ekstrakcję rozpuszczalnikową wspomaganą ultradźwiękami oraz ekstrakcję poprzez wielokrotne zamrażanie i rozmrażanie) i stwierdzili, że ultradźwiękowa ekstrakcja rozpuszczalnikowa zapewniała wyższą efektywność ekstrakcji (22,1%) niż zamrażanie i rozmrażanie (15,6%). Porównanie rozrywania komórek podczas sonikacji i wielokrotnego zamrażania i rozmrażania wykazuje, że sonikacja jest skuteczniejsza. Kawitacja ultradźwiękowa szybko i skutecznie rozbija komórki alg, co prowadzi do większego stopnia rozbicia komórek w porównaniu z komórkami spiruliny poddawanymi wielokrotnemu zamrażaniu i rozmrażaniu.
Sonikacja była skuteczniejsza w rozbijaniu osłony komórkowej niż wielokrotne zamrażanie i rozmrażanie. Wydajność ekstrakcji fikocyjaniny wykazała, że temperatura przetwarzania wpływała na efektywność ekstrakcji.

Szybki proces ekstrakcji

Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe mogą wprowadzać dużą moc ultradźwięków do zawiesiny alg dzięki wysokim amplitudom. Dzięki temu ekstrakcja ultradźwiękowa jest bardzo szybką metodą przetwarzania.

Kontrola temperatury

Sonikacja jest nietermiczną, czysto mechaniczną techniką ekstrakcji. Temperaturę ekstrakcji można precyzyjnie kontrolować za pomocą podłączanego czujnika temperatury, połączonego przewodem z cyfrowym sonikatorem Hielscher. Oprogramowanie cyfrowych sonikatorów Hielscher umożliwia ustawianie granicznych wartości temperatury, tak aby homogenizator ultradźwiękowy wstrzymywał pracę po osiągnięciu granicznej temperatury. Precyzyjna kontrola temperatury pozwala zapobiegać termicznej degradacji materiałów wrażliwych na ciepło, takich jak fikobiliproteiny, witaminy, polifenole, polisacharydy, lipidy i inne związki bioaktywne.

Kompatybilność z różnymi rozpuszczalnikami

Sonikacja jest kompatybilna z niemal każdym rozpuszczalnikiem. Ekstrakcja ultradźwiękowa w połączeniu z ekologicznymi rozpuszczalnikami, takimi jak woda lub etanol, pozwala uzyskać czyste ekstrakty. Te ekstrakty ultradźwiękowe można bezpiecznie dodawać do żywności, ponieważ rozpuszczalniki ekstrakcyjne, etanol i woda, mają status GRAS (ogólnie uznawane za bezpieczne).

Odtwarzalność i standaryzacja procesu

Cyfrowe sonikatory Hielscher są wyposażone w inteligentne oprogramowanie i rozbudowany zestaw ustawień umożliwiających dobór idealnych parametrów ekstrakcji. Oprogramowanie rejestruje wszystkie parametry procesu ultradźwiękowego (np. amplitudę, moc netto, moc całkowitą, temperaturę, ciśnienie, czas, datę) i zapisuje dane sonikacji w pliku CSV na wbudowanej karcie SD. Pozwala to standaryzować proces ekstrakcji oraz ściśle monitorować sonikację i jakość uzyskiwanego produktu. Funkcje te pomagają spełniać wymagania dotyczące standaryzacji procesu oraz Dobrej Praktyki Wytwarzania (GMP), które mają ogromne znaczenie przy produkcji ekstraktów do suplementów, żywności lub produktów farmaceutycznych.

Protokół ultradźwiękowej ekstrakcji fikocyjaniny

Mazumder i współpracownicy (2017) badali optymalne parametry procesu ultradźwiękowej ekstrakcji fikocyjaniny i związków fenolowych z Arthospira platensis. Maksymalną wydajność ekstrakcji fikocyjaniny (29,9 mg/g) i całkowitych związków fenolowych (2,4 mg/g) uzyskano przy stężeniu etanolu 40% i temperaturze ekstrakcji 34,9°C, stosując sonikator UP50H (50 watów, 30kHz) przy amplitudzie 95% przez czas ekstrakcji wynoszący 104,7 sek.

Vernès i współpracownicy (2019) użyli sonikatora UIP1000hdT (1000W, 20kHz) do ekstrakcji białek ze spiruliny. Sonikator był wyposażony w sonotrodę BS2d34 i ultradźwiękowy reaktor przepływowy (dokładny układ ekstrakcji ultradźwiękowej z komorą przepływową i pompą Seepex przedstawiono na ilustracji poniżej).

UIP1000hdT – układ do manotermosonikacji (MTS) i nasza ekstrakcja białek ze spiruliny w skali laboratoryjnej
źródło: Vernes i współpracownicy 2019

Wyniki badań pokazują, że warunki ekstrakcji ultradźwiękowej zoptymalizowane pod kątem wydajności ekstrakcji białek obejmują nieznacznie podwyższoną temperaturę i ciśnienie (tzw. manotermosonikację MTS). MTS wspomaga transport masy i umożliwia uzyskanie o 229% więcej białek (28,42 ± 1,15 g/100 g suchej masy) niż konwencjonalny proces bez ultradźwięków (8,63 ± 1,15 g/100 g suchej masy).
Przy uzyskaniu w ekstrakcie 28,42 g białek na 100 g suchej biomasy spiruliny osiągnięto stopień odzysku białek wynoszący 50% w ciągu zaledwie 6 minut ciągłego procesu sonikacji. Obrazowanie mikroskopowe ujawnia, że kawitacja akustyczna oddziałuje na nici spiruliny poprzez różne mechanizmy, takie jak fragmentacja, sonoporacja i niszczenie struktury. Te różne efekty ułatwiają ekstrakcję, uwalnianie i solubilizację związków bioaktywnych spiruliny oraz zwiększają skuteczność tych procesów, co prowadzi do wysokiej wydajności ekstrakcji białek wysokiej jakości.
Jeśli chodzi o jakość białek ekstrahowanych ultradźwiękowo, aminokwasy nie ulegały degradacji wskutek obróbki ultradźwiękowej, a w przypadku sonikacji występują w większej ilości niż przy ekstrakcji konwencjonalnej.
Przy porównaniu manotermosonikacji i ekstrakcji ultradźwiękowej bez podwyższonego ciśnienia i temperatury różnica w wydajności i efektywności ekstrakcji jest jedynie minimalna. Dlatego stosowanie samych ultradźwięków uważa się za najbardziej ekonomiczną i najłatwiejszą technikę wytwarzania wysokiej jakości ekstraktu bogatego w białka spiruliny. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest ekologiczną, przyjazną dla środowiska techniką odpowiednią do ekstrakcji białek ze spiruliny w skali laboratoryjnej, którą można łatwo skalować do skali pilotażowej i przemysłowej. (por. Vernès i współpracownicy 2019)

Wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe

Wszystkie wyniki ekstrakcji uzyskane w małej skali można liniowo skalować do większych zdolności produkcyjnych. Szerokie portfolio produktów Hielscher Ultrasonics, obejmujące systemy ekstrakcji od laboratoryjnych po przemysłowe, oferuje sonikator najlepiej dopasowany do planowanej wydajności procesu. Nasz personel z wieloletnim doświadczeniem pomoże Państwu na każdym etapie, od badań wykonalności i optymalizacji procesu po instalację systemu ultradźwiękowego na docelowym poziomie produkcji.

Hielscher Ultrasonics – zaawansowane urządzenia do ekstrakcji

Portfolio produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełny zakres wysokowydajnych ekstraktorów ultradźwiękowych do pracy od małej do dużej skali. Dodatkowe akcesoria umożliwiają łatwe zmontowanie konfiguracji urządzenia ultradźwiękowego najlepiej dopasowanej do Państwa procesu. Optymalny układ ultradźwiękowy zależy od planowanej wydajności, objętości, surowca, trybu pracy wsadowej lub w linii oraz harmonogramu. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach. Liniowa skalowalność procesów ekstrakcji ultradźwiękowej pozwala na proste i niezawodne zwiększanie produkcji. Dowiedz się więcej o liniowym zwiększaniu skali procesów ekstrakcji ultradźwiękowej!

Wybierz spośród różnych akcesoriów, takich jak:

• sonotrody o różnych rozmiarach, średnicach i kształtach
• sonotrody do pracy z wysoką amplitudą 200µm i większą
• reaktory z komorą przepływową o różnych objętościach i geometriach
• liczne wzmacniacze mechaniczne do zwiększania lub zmniejszania współczynnika wzmocnienia amplitudy
• kompletne układy sonikacji, takie jak SonoStation, obejmujące ekstraktor ultradźwiękowy, zbiornik, mieszadło i pompę
• podłączane czujniki temperatury
• podłączane czujniki ciśnienia

Nasz dobrze wyszkolony personel z wieloletnim doświadczeniem doradzi Państwu i poleci system ultradźwiękowy najlepiej dopasowany do wymagań Państwa procesu ekstrakcji!

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: