Ekstrakcja ultradźwiękowa jest doskonałą metodą skutecznego i szybkiego niszczenia komórek glonów. Ekstrakcja ultradźwiękowa może uwolnić pełną ilość związków bioaktywnych, co sprawia, że technika ultradźwiękowa jest bardzo skuteczna.

Jak wydobywać białka, lipidy i fenole z alg za pomocą ultrasoników

Gatunki glonów i mikroglonów są bogate w związki biologicznie czynne, takie jak białka, lipidy, karotenoidy, pigmenty (np. fikocyjaniny, astaksantyny itp.), fenole i polisacharydy (np. karageny). Sprawia to, że są one szeroko stosowanym materiałem naturalnym do produkcji ekstraktów do żywności i suplementów diety. Powszechnie stosowanymi gatunkami alg w suplementach diety są Arthrospira maxima i (znana również jako spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis i Ulva spp. Algi są dobrym źródłem wysokiej jakości białka, lipidów, długołańcuchowych PUFA (tj. omega-3), polisacharydów (np. alginianu, karagenu, β-glukanów), witamin i przeciwutleniaczy.
Spirulina to powszechnie stosowany rodzaj alg, który jest bogaty w cenne związki bioaktywne, takie jak białka (50-70% suchej masy). Ponieważ Spirulina została zatwierdzona przez FDA (Food Drug Administration of the United States) jako GRAS (Generally Recognized As Safe), spirulina i wyciągi ze spiruliny mogą być stosowane w komercyjnej żywności lub jako suplementy diety.

Zalety Ultradźwiękowego Odciągu Alg

Ekstrakcja ultradźwiękowa wyróżnia alternatywne metody ekstrakcji w różnych miejscach, takie jak wysoka wydajność, niezawodność, bezpieczeństwo, prostota i przyjazność dla środowiska.

Pełna wydajność ekstrakcji

Wysokowydajne ultrasonografy rozbijają otwarte komórki glonów i rozbijają je tak, że materiał wewnątrzkomórkowy zostaje uwolniony. Ekstrakcja ultradźwiękowa uwalnia w ten sposób pełne spektrum związków bioaktywnych, takich jak fykobiliproteiny, karotenoidy i lipidy oraz fenole.
Fykobiliproteiny można rozróżnić na trzy główne grupy, a mianowicie chloro-fitocyaniny, alfa-fitocyaniny i fitoerytyryny. C-Phycocyanina jest naturalnym niebieskim pigmentem, który jest szeroko stosowany w żywności i produktach farmaceutycznych. Ekstrakcja ultradźwiękowa uwalnia pełne spektrum białek.

Wysoka wydajność ekstrakcji

Duangsee et al. (2009) przetestowali dwie różne metody ekstrakcji (ultradźwiękową ekstrakcję rozpuszczalnikową i ekstrakcję poprzez wielokrotne zamrażanie i rozmrażanie) bioaktywnych związków z biomasy Arthospira i stwierdzili, że ultradźwiękowa ekstrakcja rozpuszczalnikowa daje wyższą wydajność ekstrakcji (22,1%) niż zamrażanie i rozmrażanie (15,6%). Porównanie rozerwania komórek pomiędzy soniką a wielokrotnym zamrażaniem i rozmrażaniem pokazuje, że sonikacja jest bardziej efektywna. Kawitacja ultradźwiękowa powoduje gwałtowne i skuteczne rozerwanie komórek glonów, co powoduje większe ich rozerwanie w porównaniu z komórkami spiruliny leczonymi poprzez wielokrotne zamrażanie i rozmrażanie.
Sonikacja była skuteczniejsza w rozbijaniu koperty komórkowej w porównaniu do wielokrotnego zamrażania i rozmrażania. Wydajność ekstrakcji fitocyjanów wykazała, że temperatura przetwarzania wpływa na wydajność ekstrakcji.

Szybki proces ekstrakcji

Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe mogą za pomocą wysokiej amplitudy aplikować wysoką moc ultradźwiękową na zawieszenie glonów. Dzięki temu ekstrakcja ultradźwiękowa jest bardzo szybką metodą obróbki.

kontrola temperatury

Ultrasonizacja jest nietermiczną, czysto mechaniczną techniką ekstrakcji. Temperatura ekstrakcji może być precyzyjnie regulowana za pomocą podłączanego czujnika temperatury, który jest podłączony do cyfrowego ultrasonografu firmy Hielscher. Oprogramowanie cyfrowych ultrasonografów firmy Hielscher pozwala na ustawienie limitów temperatury, dzięki czemu homogenizator ultradźwiękowy zatrzymuje się po osiągnięciu limitu temperatury. Precyzyjna regulacja temperatury pozwala na zapobieganie degradacji termicznej materiałów wrażliwych na ciepło, takich jak fikobiliproteiny, witaminy, polifenole, polisacharydy, lipidy i inne związki bioaktywne.

Kompatybilny z różnymi rozpuszczalnikami

Ultrasonizacja jest kompatybilna z prawie każdym rozpuszczalnikiem. Ekstrakcja ultradźwiękowa w połączeniu z zielonymi rozpuszczalnikami, takimi jak woda lub etanol, daje czyste ekstrakty. Ekstrakty ultradźwiękowe mogą być bezpiecznie włączone do żywności, ponieważ rozpuszczalniki do ekstrakcji etanolu i wody posiadają status GRAS (Generally Recognized As Safe).

Powtarzalność i standaryzacja procesu

Ultradźwięki cyfrowe firmy Hielscher są wyposażone w inteligentne oprogramowanie i rozbudowane ustawienia idealnych parametrów ekstrakcji. Oprogramowanie protokołuje wszystkie parametry procesu ultradźwiękowego (np. amplitudę, moc netto, moc całkowitą, temperaturę, ciśnienie, czas, datę) i zapisuje dane sonacji do pliku CSV na wbudowanej karcie SD. Pozwala to na standaryzację procesu ekstrakcji i dokładne monitorowanie dźwięku i jakości danych wyjściowych. Funkcje te pomagają w spełnieniu wymagań stadardyzacji procesu, a także Dobrych Praktyk Wytwarzania (GMP), które są bardzo ważne podczas produkcji ekstraktów dla suplementów, żywności lub produktów farmaceutycznych.

Ultrasoniczny protokół ekstrakcji fikocyniny

Mazumder i wsp. (2017) badali optymalne parametry przetwarzania dla ultradźwiękowej ekstrakcji fitocyjanów i fenoliki z Arthospira platensis. Maksymalną wydajność fitocyjanów (29,9 mg/g) i fenoliki ogółem (2,4 mg/g) uzyskano przy 40% stężeniu etanolu, w temperaturze ekstrakcji 34,9°C za pomocą ultrasonografu UP50H (50 watów, 30kHz) o amplitudzie 95% przez czas ekstrakcji 104,7 sek.

Vernès i in. (2019) użyli ultradźwiękowego urządzenia UIP1000hdT (1000W, 20kHz) do ekstrakcji białek ze spiruliny. Ultradźwiękowiec był wyposażony w sonotrodę BS2d34 i przepływowy reaktor ultradźwiękowy (na poniższym zdjęciu przedstawiono dokładny zestaw do ekstrakcji ultradźwiękowej z celą przepływową i pompą Seepex).

UIP1000hdT – Zestaw do manotermosonizacji (MTS) i ekstrakcji białka z spiruliny w skali laboratoryjnej
źródło: Vernes et al. 2019

Wyniki badań wskazują, że warunki ekstrakcji ultradźwiękowej zoptymalizowane pod kątem wydajności białka obejmują nieznacznie podwyższoną temperaturę i ciśnienie (tzw. manotermosonication MTS). MTS sprzyja przenoszeniu masy i umożliwia uzyskanie o 229% więcej białka (28,42 ± 1,15 g/100 g suchej masy) niż w konwencjonalnym procesie bez ultradźwięków (8,63 ± 1,15 g/100 g suchej masy).
Przy 28,42 g białka otrzymanego na 100 g suchej biomasy spiruliny w ekstrakcie, w ciągłym procesie sonikacji osiągnięto wskaźnik odzysku białka na poziomie 50% w ciągu zaledwie 6 minut. Obrazowanie mikroskopowe wykazuje, że kawitacja akustyczna wpływa na włókna spiruliny poprzez różne mechanizmy, takie jak fragmentacja, sonoporekcja, detekcja. Te różne efekty sprawiają, że ekstrakcja, uwalnianie i rozpuszczanie związków bioaktywnych spiruliny jest łatwiejsze i bardziej efektywne, co skutkuje wysoką wydajnością białka o wysokiej jakości.
Jeśli chodzi o jakość białek ekstrahowanych ultradźwiękami, to aminokwasy nie uległy degradacji w wyniku leczenia ultradźwiękami, lecz są obecne w większej ilości w przypadku sonikacji w porównaniu z ekstrakcją konwencjonalną.
Kiedy porównuje się manotermosonikację i ekstrakcję ultradźwiękową bez podwyższonego ciśnienia i temperatury, różnica w wydajności i skuteczności ekstrakcji jest minimalna. Dlatego też, ultradźwięki są uważane za najbardziej ekonomiczną i najłatwiejszą technikę do produkcji wysokiej jakości ekstraktu bogatego w białka spiruliny. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest ekologiczną, przyjazną dla środowiska techniką ekstrakcji, odpowiednią do ekstrakcji białek ze spiruliny w skali laboratoryjnej, która może być łatwo skalowana do skali pilotażowej i przemysłowej. (por. Vernès et al. 2019)

Wysokowydajne wyciągi ultradźwiękowe

Wszystkie wyniki ekstrakcji osiągnięte na małą skalę, mogą być liniowo skalowane do większych zdolności produkcyjnych. Hielscher Ultrasonics posiada w swojej ofercie szeroką gamę produktów, od laboratoryjnych po przemysłowe systemy ekstrakcyjne, które są najbardziej odpowiednie dla przewidywanej wydajności procesu. Nasi długoletni doświadczeni pracownicy pomogą Państwu począwszy od testów wykonalności i optymalizacji procesu aż do instalacji systemu ultradźwiękowego na końcowym poziomie produkcji.

Hielscher Ultrasonics – Wyrafinowane urządzenia ekstrakcyjne

Portfolio produktów firmy Hielscher Ultrasonics obejmuje pełen zakres wysokowydajnych ekstraktorów ultradźwiękowych od małej do dużej skali. Dodatkowe akcesoria pozwalają na łatwy montaż najbardziej odpowiedniej konfiguracji urządzenia ultradźwiękowego dla danego procesu. Optymalna konfiguracja ultradźwiękowa zależy od przewidywanej wydajności, objętości, surowca, procesu wsadowego lub liniowego oraz czasu trwania. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach. Liniowa skalowalność ultradźwiękowych procesów ekstrakcji umożliwia proste i niezawodne zwiększanie produkcji. Dowiedz się więcej o liniowym zwiększaniu skali procesów ekstrakcji ultradźwiękowej!

Wybieraj spośród różnych akcesoriów, takich jak:

• sonotrody o różnych rozmiarach, średnicach i kształtach
• sonotrody o wysokiej amplitudzie 200µm i większej
• reaktory z ogniwami przepływowymi o różnych pojemnościach i geometriach
• liczne rogi wzmacniające, które zwiększają lub zmniejszają zyski
• kompletne zestawy soniczne, takie jak SonoStation, które obejmują ekstraktor ultradźwiękowy, zbiornik, mieszadło i pompę
• wtykane czujniki temperatury
• wtykane czujniki ciśnienia

Nasz dobrze wyszkolony, doświadczony personel skonsultuje się z Tobą i poleci Ci najbardziej odpowiedni system ultradźwiękowy dla Twoich wymagań procesu ekstrakcji!

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: