Ultradźwiękowa ekstrakcja antocyjanów

Antocyjany są szeroko stosowane jako naturalne barwniki i dodatki odżywcze w produktach spożywczych. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest wysoce wydajną i prostą techniką pozyskiwania wysokiej jakości antocyjanów. Zastosowanie sonikatorów sondowych sprzyja uwalnianiu wysokiej jakości antocyjanów z roślin, zapewniając wyższy uzysk i szybki przebieg procesu. Jednocześnie sonikacja jest łagodną, ekologiczną i wydajną techniką przemysłowej produkcji antocyjanów o jakości spożywczej i farmaceutycznej.

Antocyjany – jak ekstrahować wysokiej jakości antocyjany za pomocą sonikatora

Antocyjany są szeroko stosowane jako naturalne barwniki w przemyśle spożywczym. Wykazują szerokie spektrum odcieni, od pomarańczowego przez czerwony po fioletowy i niebieski, w zależności od struktury cząsteczkowej i wartości pH. Zainteresowanie antocyjanami wynika nie tylko z ich właściwości barwiących, lecz także z właściwości korzystnych dla zdrowia. Ze względu na rosnące obawy dotyczące wpływu barwników syntetycznych na środowisko i zdrowie barwniki naturalne stanowią doskonałą alternatywę jako przyjazne dla środowiska środki barwiące dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego.

Ekstrakcja antocyjanów usprawniona ultradźwiękami

Jak ekstrahować antocyjany za pomocą ultradźwięków? – Studia przypadków

Ultradźwiękowa ekstrakcja antocyjanów z fioletowego ryżu Oryza Sativa L.

Fioletowy ryż Oryza Sativa (znany również jako Violet Nori lub ryż fioletowy) jest wyjątkowo bogaty w związki fenolowe, takie jak antocyjany należące do grupy flawonoidów. Turrini i wsp. (2018) zastosowali ekstrakcję ultradźwiękową do izolacji związków polifenolowych, takich jak antocyjany i przeciwutleniacze, z ziarniaków (w postaci całych ziaren, ryżu brązowego i ryżu parboiled) oraz liści fioletowego ryżu. Ekstrakcję ultradźwiękową przeprowadzono za pomocą urządzenia Hielscher UP200St (200W, 26kHz, zdj. po lewej), stosując etanol 60% jako rozpuszczalnik.
Aby zachować integralność antocyjanów, ekstrakty ultradźwiękowe przechowywano w temperaturze −20°C, co umożliwiało ich przechowywanie przez co najmniej do trzech miesięcy.
3-glukozyd cyjanidyny (znany również jako chryzantemina) był zdecydowanie dominującym antocyjanem wykrytym w odmianach ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ i ‘Nerone’ badanych przez Turrini i wsp., natomiast 3-glukozyd peonidyny i 3-rutynozyd cyjanidyny (również antirrynina) występowały w mniejszych ilościach.
Fioletowe liście Oryza Sativa są doskonałym źródłem antocyjanów i związków składających się na całkowitą zawartość związków fenolowych (TPC). Dzięki zawartości około 2–3-krotnie wyższej niż w ryżu i mące liście Oryza stanowią niedrogi surowiec do ekstrakcji antocyjanów. Szacowany uzysk około 4 kg antocyjanów/t świeżych liści jest znacznie wyższy niż uzysk 1 kg antocyjanów/t ryżu, obliczony na podstawie średniej zawartości antocyjanów wykrytej w ryżu ‘Violet Nori’ (1300 µg/g ryżu, w przeliczeniu na 3-glukozyd cyjanidyny) przy uzysku około 68 kg ryżu ze 100 kg ryżu niełuskanego.

Ultradźwiękowa ekstrakcja antocyjanów z czerwonej kapusty

Ravanfar i wsp. (2015) zbadali wydajność ultradźwiękowej ekstrakcji antocyjanów z czerwonej kapusty. Eksperymenty ekstrakcji ultradźwiękowej przeprowadzono z wykorzystaniem systemu ultradźwiękowego UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotrodę MS10 (średnica końcówki 10mm) umieszczono w środku szklanej zlewki z płaszczem i regulacją temperatury.

W eksperymencie wykorzystano świeżo pokrojone kawałki czerwonej kapusty o wymiarze 5mm (w kształcie sześcianów) i zawartości wilgoci 92,11 ± 0,45 %. Szklaną zlewkę z płaszczem (objętość: 200ml) napełniono 100ml wody destylowanej i 2g kawałków czerwonej kapusty. Zlewkę przykryto folią aluminiową, aby zapobiec utracie rozpuszczalnika (wody) wskutek parowania podczas procesu. We wszystkich eksperymentach temperaturę w zlewce utrzymywano za pomocą regulatora termostatycznego. Na koniec pobrano próbki, przefiltrowano je i odwirowano przy 4000rpm, a supernatanty wykorzystano do oznaczenia uzysku antocyjanów. Jako eksperyment kontrolny przeprowadzono ekstrakcję w łaźni wodnej.
Optymalny uzysk antocyjanów z czerwonej kapusty stwierdzono przy mocy 100 W, czasie 30 min i temperaturze 15°C, co dało uzysk antocyjanów wynoszący około 21 mg/L.
Ze względu na zmianę barwy w zależności od wartości pH oraz intensywne właściwości barwiące barwnik z czerwonej kapusty stosowano odpowiednio jako wskaźnik pH w formulacjach farmaceutycznych lub jako przeciwutleniacz i barwnik w układach spożywczych.

Ultradźwięki znacznie intensyfikują ekstrakcję antocyjanów z materiału roślinnego.
źródło: Ravanfar i wsp. 2015

 
Inne badania wykazują skuteczną ultradźwiękową ekstrakcję antocyjanów między innymi z borówek wysokich, jeżyn, winogron, wiśni, truskawek i fioletowych batatów.

Wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe

Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w produkcji wysokowydajnych procesorów ultradźwiękowych do wytwarzania wysokiej jakości ekstraktów z surowców roślinnych.
Szeroka oferta sonikatorów Hielscher obejmuje zarówno małe, wydajne sonikatory laboratoryjne, jak i solidne systemy stołowe oraz w pełni przemysłowe, które dostarczają ultradźwięki o wysokiej intensywności do wydajnej ekstrakcji i izolacji substancji bioaktywnych (np. antocyjanów, gingerolu, piperyny, kurkuminy itp.).
Wszystkie sonikatory o mocy od 200W do 16 000W są wyposażone w kolorowy wyświetlacz dotykowy do cyfrowego sterowania, zintegrowaną kartę SD do automatycznego zapisu danych, zdalne sterowanie przez przeglądarkę oraz wiele innych funkcji ułatwiających obsługę. Sonotrody i komory przepływowe (części mające kontakt z medium) można sterylizować w autoklawie i łatwo czyścić.
Sonikatory Hielscher są bardzo wytrzymałe i zaprojektowane do pracy 24/7 pod pełnym obciążeniem, a przy tym wymagają niewielkiej konserwacji oraz są łatwe i bezpieczne w obsłudze. Cyfrowy kolorowy wyświetlacz umożliwia wygodne sterowanie sonikatorem.
Nasze systemy mogą zapewniać amplitudy od niskich aż po bardzo wysokie. Do ekstrakcji kannabinoidów i terpenów oferujemy specjalne sonotrody ultradźwiękowe (znane również jako sondy lub rogi ultradźwiękowe), zoptymalizowane pod kątem łagodnej izolacji wysokiej jakości substancji czynnych. Wszystkie nasze systemy można stosować do ekstrakcji, a następnie emulgowania kannabinoidów. Wytrzymałość sonikatorów Hielscher umożliwia ciągłą pracę (24/7) przy dużych obciążeniach i w wymagających warunkach.

Precyzyjna kontrola parametrów procesu ultradźwiękowego zapewnia odtwarzalność i standaryzację procesu.
 

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Literatura / Źródła

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Warto wiedzieć

Jak działa ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami?

Zastosowanie fal ultradźwiękowych o wysokiej intensywności w ciekłym medium powoduje kawitację. Zjawisko kawitacji prowadzi lokalnie do ekstremalnych temperatur, ciśnień, szybkości ogrzewania i chłodzenia, różnic ciśnień oraz dużych sił ścinających w medium. Gdy pęcherzyki kawitacyjne implodują na powierzchni ciał stałych (takich jak cząstki, komórki roślinne, tkanki itp.), mikrostrugi i zderzenia między cząstkami wywołują efekty takie jak złuszczanie powierzchni, erozja i rozpad cząstek. Ponadto implozja pęcherzyków kawitacyjnych w ciekłych mediach powoduje makroturbulencje i mikromieszanie.
Oddziaływanie ultradźwięków na materiał roślinny rozdrabnia matrycę komórek roślinnych i zwiększa jej uwodnienie. Chemat i wsp. (2015) stwierdzają, że ultradźwiękowa ekstrakcja związków bioaktywnych z surowców roślinnych jest wynikiem różnych niezależnych lub połączonych mechanizmów, w tym fragmentacji, erozji, zjawisk kapilarnych, destrukturyzacji i sonoporacji. Efekty te rozbijają ścianę komórkową, poprawiają transport masy poprzez wtłaczanie rozpuszczalnika do komórki i zasysanie na zewnątrz rozpuszczalnika zawierającego związki roślinne oraz zapewniają ruch cieczy dzięki mikromieszaniu.

Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej i wywoływanych przez nią hydrodynamicznych siłach ścinających

Oddziaływanie ultradźwięków na materiał roślinny rozdrabnia matrycę komórek roślinnych i zwiększa jej uwodnienie. Chemat i wsp. (2015) stwierdzają, że ultradźwiękowa ekstrakcja związków bioaktywnych z surowców roślinnych jest wynikiem różnych niezależnych lub połączonych mechanizmów, w tym fragmentacji, erozji, zjawisk kapilarnych, destrukturyzacji i sonoporacji. Efekty te rozbijają ścianę komórkową, poprawiają transport masy poprzez wtłaczanie rozpuszczalnika do komórki i zasysanie na zewnątrz rozpuszczalnika zawierającego związki roślinne oraz zapewniają ruch cieczy dzięki mikromieszaniu.
Ekstrakcja ultradźwiękowa umożliwia bardzo szybką izolację związków – przewyższając konwencjonalne metody ekstrakcji pod względem krótszego czasu procesu, wyższego uzysku i niższych temperatur. Jako łagodna obróbka mechaniczna ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami pozwala uniknąć termicznej degradacji składników bioaktywnych i przewyższa inne techniki, takie jak konwencjonalna ekstrakcja rozpuszczalnikowa, hydrodestylacja lub ekstrakcja Soxhleta, o których wiadomo, że niszczą cząsteczki wrażliwe na ciepło. Dzięki tym zaletom ekstrakcja ultradźwiękowa jest preferowaną techniką uwalniania związków bioaktywnych wrażliwych na temperaturę z surowców roślinnych.

Ultradźwiękowa ekstrakcja z komórek roślinnych: mikroskopowy przekrój poprzeczny (TS) przedstawia mechanizm działania podczas ultradźwiękowej ekstrakcji z komórek (powiększenie 2000x) [źródło: Vilkhu i wsp. 2011]

Antocyjan – cenny barwnik roślinny

Antocyjany są wakuolarnymi barwnikami roślinnymi, które mogą przybierać barwę czerwoną, fioletową, niebieską lub czarną. Barwa rozpuszczalnych w wodzie barwników antocyjanowych zależy od ich wartości pH. Antocyjany występują w wakuoli komórkowej, głównie w kwiatach i owocach, ale także w liściach, łodygach i korzeniach, gdzie znajdują się przede wszystkim w zewnętrznych warstwach komórek, takich jak epiderma i obwodowe komórki mezofilu.
W przyrodzie najczęściej występują glikozydy cyjanidyny, delfinidyny, malwidyny, pelargonidyny, peonidyny i petunidyny.
Do znanych przykładów roślin bogatych w antocyjany należą gatunki z rodzaju Vaccinium, takie jak borówka wysoka, żurawina i borówka czarna; owoce roślin z rodzaju Rubus, w tym malina czarna, malina czerwona i jeżyna; czarna porzeczka, wiśnia, bakłażan, czarny ryż, ube, batat z Okinawy, winogrona Concord, winogrona muskadynowe, czerwona kapusta i płatki fiołka. Brzoskwinie i jabłka o czerwonym miąższu zawierają antocyjany. Antocyjany występują w mniejszych ilościach w bananach, szparagach, grochu, koprze włoskim, gruszkach i ziemniakach, a w niektórych odmianach zielonego agrestu mogą być całkowicie nieobecne.

Struktura głównych antocyjanów

Antocyjany stanowią doskonałą alternatywę dla syntetycznych środków barwiących w produktach spożywczych. Antocyjany są dopuszczone do stosowania jako barwniki spożywcze w Unii Europejskiej, Australii i Nowej Zelandii i mają kod barwnika E163. Antocyjany występują w owocach i warzywach i można je opisać jako rodzaj rozpuszczalnych w wodzie barwników roślinnych. Pod względem chemicznym antocyjany są glikozydami antocyjanidyn opartymi na strukturze 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Do kategorii antocyjanów należy ponad 200 różnych związków fitochemicznych. Ponieważ antocyjany są głównym barwnikiem dzikich owoców, w tym owoców jagodowych, istnieje wiele źródeł, z których można je ekstrahować. Ważnym źródłem antocyjanów jest skórka winogron. Barwniki antocyjanowe w skórce winogron składają się głównie z diglukozydów, monoglukozydu, acylowanych monoglukozydów oraz acylowanych diglukozydów peonidyny, malwidyny, cyjanidyny, petunidyny i delfinidyny. Zawartość antocyjanów w winogronach wynosi od 30–750mg/100g.
Najważniejsze antocyjany to cyjanidyna, delfinidyna, pelargonidyna, peonidyna, malwidyna i petunidyna.
Na przykład w fioletowych batatach występują antocyjany: 3-kawoilo-p-hydroksybenzoilosoforozyd-5-glukozyd peonidyny, 3-(6″-kawoilo-6‴-feruloilosoforozyd)-5-glukozyd peonidyny i 3-kawoilo-p-hydroksybenzoilosoforozyd-5-glukozyd cyjanidyny.

Antocyjany – korzyści zdrowotne

Oprócz dużej zdolności do pełnienia funkcji naturalnych barwników spożywczych antocyjany są wysoko cenione za działanie przeciwutleniające. Dlatego antocyjany wykazują wiele pozytywnych efektów zdrowotnych. Badania wykazały, że antocyjany mogą hamować uszkodzenia DNA w komórkach nowotworowych, hamować enzymy trawienne, indukować produkcję insuliny w izolowanych komórkach trzustki, ograniczać reakcje zapalne, chronić przed związanym z wiekiem pogorszeniem funkcji mózgu, poprawiać szczelność naczyń włosowatych i zapobiegać agregacji płytek krwi.