Ultradźwiękowa ekstrakcja alg dla suplementów diety

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

Jak ekstrahować białka, lipidy i fenole z glonów za pomocą ultradźwięków?

Gatunki alg i mikroalg są bogate w związki biologicznie czynne, takie jak białka, lipidy, karotenoidy, pigmenty (np. fikocyjany, astaksantyna itp.), fenole i polisacharydy (np. karageny). To sprawia, że są one szeroko stosowanym naturalnym materiałem 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 znane jako dobre źródło wysokiej jakości białek, 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 ekstrakty ze spiruliny mogą być stosowane w komercyjnych produktach spożywczych lub jako suplementy diety.

Zalety ultradźwiękowej ekstrakcji glonów

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

Pełna wydajność ekstrakcji

Wysokowydajne ultradźwięki rozbijają komórki alg i rozbijają je tak, że uwalniany jest materiał wewnątrzkomórkowy. Ekstrakcja ultradźwiękowa uwalnia w ten sposób pełne spektrum związków bioaktywnych, takich jak fitobiliproteiny, karotenoidy, lipidy i fenole.
Fikobiliproteiny można podzielić na trzy główne grupy, a mianowicie chloro-fiocyjaniny, allofiocyjaniny i fikoerytryny. C-Fykocyjanina jest naturalnym niebieskim pigmentem, który jest szeroko stosowany w produktach spożywczych i farmaceutycznych. Ekstrakcja ultradźwiękowa uwalnia pełne spektrum białek.

Wysoka wydajność ekstrakcji

Duangsee et al. (2009) przetestowali dwie różne metody ekstrakcji (ekstrakcja rozpuszczalnikiem wspomagana ultradźwiękami i ekstrakcja przez wielokrotne zamrażanie i rozmrażanie) związków bioaktywnych z biomasy Arthospira i stwierdzili, że ekstrakcja rozpuszczalnikiem ultradźwiękowym spowodowała wyższą wydajność ekstrakcji (22,1%) niż zamrażanie i rozmrażanie (15,6%). Porównanie pęknięcia komórek między sonikacją a wielokrotnym zamrażaniem i rozmrażaniem pokazuje, że sonikacja jest bardziej skuteczna. Kawitacja ultradźwiękowa szybko i skutecznie rozbija komórki glonów, co powoduje większe rozerwanie komórek w porównaniu z komórkami spiruliny poddawanymi wielokrotnemu zamrażaniu i rozmrażaniu.
Sonikacja była bardziej skuteczna w rozbijaniu otoczki komórkowej w porównaniu do wielokrotnego zamrażania i rozmrażania. Wydajność ekstrakcji fikocyjaniny wykazała, że temperatura przetwarzania miała wpływ na wydajność ekstrakcji.

Szybki proces ekstrakcji

Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe mogą stosować wysoką moc ultradźwięków poprzez wysokie amplitudy w zawiesinie glonów. To sprawia, że ekstrakcja ultradźwiękowa jest bardzo szybką metodą przetwarzania.

kontrola temperatury

Ultradźwięki to nietermiczna, czysto mechaniczna technika ekstrakcji. Temperaturę ekstrakcji można precyzyjnie kontrolować za pomocą podłączanego czujnika temperatury, który jest podłączony do cyfrowego ultrasonografu Hielscher. Oprogramowanie cyfrowych ultrasonografów firmy Hielscher umożliwia ustawienie limitów temperatury, dzięki czemu homogenizator ultradźwiękowy zatrzymuje się po osiągnięciu limitu temperatury. Precyzyjna kontrola temperatury pozwala zapobiec degradacji termicznej materiałów wrażliwych na ciepło, takich jak fitobiliproteiny, witaminy, polifenole, polisacharydy, lipidy i inne związki bioaktywne.

Kompatybilny z różnymi rozpuszczalnikami

Ultradźwięki są kompatybilne z prawie każdym rozpuszczalnikiem. Ekstrakcja ultradźwiękowa w połączeniu z zielonymi rozpuszczalnikami, takimi jak woda lub etanol, pozwala uzyskać czyste ekstrakty. Te ultradźwiękowe ekstrakty mogą być bezpiecznie włączone do żywności, ponieważ rozpuszczalniki ekstrakcyjne etanol i woda mają status GRAS (Generally Recognized As Safe).

Powtarzalność i standaryzacja procesów

Cyfrowe ultrasonografy firmy Hielscher są wyposażone w inteligentne oprogramowanie i opracowaną różnorodność ustawień dla idealnych parametrów ekstrakcji. Oprogramowanie protokołuje 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 na standaryzację procesu ekstrakcji oraz dokładne monitorowanie sonikacji i jakości wyników. Funkcje te pomagają spełnić wymagania standaryzacji procesu, a także Dobre Praktyki Produkcyjne (GMP), które są bardzo ważne, gdy ekstrakty są produkowane dla suplementów, żywności lub produktów farmaceutycznych.

Ultradźwiękowy protokół ekstrakcji fikocyjaniny

Mazumder et al. (2017) zbadali optymalne parametry przetwarzania dla ultradźwiękowej ekstrakcji fikocyjaniny i fenoli z Arthospira platensis. Maksymalną wydajność fikocyjaniny (29,9 mg/g) i fenoli ogółem (2,4 mg/g) uzyskano przy 40% stężeniu etanolu, temperaturze ekstrakcji 34,9°C przy użyciu ultrasonografu UP50H (50 watów, 30 kHz) przy amplitudzie 95% przez czas ekstrakcji 104,7 sekundy.

Vernès et al. (2019) użyli ultrasonografu UIP1000hdT (1000W, 20kHz) do ekstrakcji białek ze spiruliny. Ultradźwiękowy został wyposażony w sonotrodę BS2d34 i ultradźwiękowy reaktor przepływowy (patrz zdjęcie poniżej, aby zobaczyć dokładną konfigurację ekstrakcji ultradźwiękowej z komorą przepływową i pompą Seepex).

UIP1000hdT – Konfiguracja manotermosonikacji (MTS) i nasza ekstrakcja białek ze spiruliny w skali laboratoryjnej
źródło: Vernes et al. 2019

Wyniki badań pokazują, że warunki ekstrakcji ultradźwiękowej zoptymalizowane pod kątem wydajności białka obejmują nieznacznie podwyższoną temperaturę i ciśnienie (tzw. manotermosonikacja MTS). MTS promuje przenoszenie masy i umożliwia uzyskanie 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 28,42 g białek uzyskanych na 100 g suchej biomasy spiruliny w ekstrakcie, wskaźnik odzysku białka 50% został osiągnięty w ciągu zaledwie 6 minut w ciągłym procesie sonikacji. Obrazowanie mikroskopowe ujawnia, że kawitacja akustyczna wpływa na włókna spiruliny poprzez różne mechanizmy, takie jak fragmentacja, sonoporacja, detekcja. Te różne efekty sprawiają, że ekstrakcja, uwalnianie i solubilizacja bioaktywnych związków spiruliny jest łatwiejsza i bardziej skuteczna, co skutkuje wysoką wydajnością białka o wysokiej jakości.
Jeśli chodzi o jakość ultradźwiękowo ekstrahowanych białek, aminokwasy nie zostały zdegradowane przez obróbkę ultradźwiękową, ale są one obecne w większej ilości w przypadku sonikacji w porównaniu do konwencjonalnej ekstrakcji.
Kiedy porównuje się manotermosonikację i ekstrakcję ultradźwiękową bez podwyższonego ciśnienia i temperatury, różnica w wydajności i efektywności ekstrakcji jest minimalna. Dlatego też same ultradźwięki są uważane za najbardziej ekonomiczną i najłatwiejszą technikę produkcji wysokiej jakości ekstraktu bogatego w białka spiruliny. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest zieloną, przyjazną dla środowiska techniką ekstrakcji odpowiednią do ekstrakcji białka ze spiruliny w skali laboratoryjnej, którą można łatwo skalować do skali pilotażowej i przemysłowej. (por. Vernès et al. 2019)

Wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe

Wszystkie wyniki ekstrakcji osiągnięte na małą skalę, mogą być liniowo skalowane do większych zdolności produkcyjnych. Hielscher Ultrasonics duże portfolio produktów z laboratorium do przemysłowych systemów ekstrakcji ma najbardziej odpowiedni ultrasonicator dla przewidywanej wydajności procesu. Nasz długoletni doświadczony personel pomoże Ci od testów wykonalności i optymalizacji procesu do instalacji systemu ultradźwiękowego na końcowym poziomie produkcji.

Hielscher Ultrasonics – Zaawansowany sprzęt do ekstrakcji

Portfolio produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełną gamę 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 i osi czasu. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach. Liniowa skalowalność procesów ekstrakcji ultradźwiękowej pozwala na prosty i niezawodny wzrost produkcji. Dowiedz się więcej o liniowym skalowaniu procesów ekstrakcji ultradźwiękowej!

Wybierz spośród różnych akcesoriów, takich jak

• sonotrody o różnych rozmiarach, średnicach i kształtach
• sonotrody o wysokiej amplitudzie 200 µm i wyższej
• reaktory przepływowe o różnych objętościach i geometriach
• Liczne rogi zwiększające lub zmniejszające przyrosty
• kompletne zestawy do sonikacji, takie jak SonoStation, które obejmują ekstraktor ultradźwiękowy, zbiornik, mieszadło i pompę
• podłączane czujniki temperatury
• podłączane 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 przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: