Ultradźwiękowa ekstrakcja astaksantyny zapewniająca wyższą wydajność
- Astaksantyna jest przeciwutleniaczem o bardzo silnym działaniu, stosowanym w produktach farmaceutycznych i suplementach diety.
- Aby uzyskać wysokiej jakości astaksantynę ze źródeł naturalnych, takich jak glony, konieczna jest wysoce wydajna technika ekstrakcji.
- Ekstrakcja ultradźwiękowa jest procesem mechanicznym, który zapewnia wysoką wydajność ekstrakcji astaksantyny w bardzo krótkim czasie.
Sonikatory o wysokiej wydajności do uzyskiwania wysokiej jakości ekstraktów astaksantyny
Ekstrakcja ultradźwiękowa jest wysoce wydajną techniką ekstrakcji, która wykorzystuje intensywne fale ultradźwiękowe do pozyskiwania astaksantyny ze źródeł naturalnych, takich jak mikroglony, kryl czy skorupiaki. Astaksantyna jest naturalnie występującym barwnikiem karotenoidowym, znanym z silnych właściwości przeciwutleniających i różnych korzyści zdrowotnych. Jest powszechnie stosowana jako suplement diety i barwnik spożywczy. Dowiedz się, jak sonikacja pomaga usprawnić proces ekstrakcji astaksantyny!
MultiSonoReactor do usprawnionej ekstrakcji astaksantyny z wykorzystaniem ultradźwięków o dużej mocy
Ultradźwiękowa ekstrakcja astaksantyny z mikroglonów
Astaksantynę do suplementów diety, które ludzie i zwierzęta spożywają ze względu na korzyści zdrowotne, pozyskuje się z owoców morza lub ekstrahuje z glonów H. pluvialis. Haematococcus pluvialis jest zielonym mikroglonem, który wytwarza duże ilości astaksantyny w warunkach stresowych, takich jak wysokie zasolenie, niedobór azotu, wysoka temperatura i światło. Dzięki zawartości astaksantyny wynoszącej do 9,2mg/g na komórkę glonu (= do 3,8% suchej masy H. pluvialis) Haematococcus pluvialis gromadzi bardzo duże ilości naturalnej astaksantyny i dlatego jest preferowanym organizmem do jej produkcji.
Aby uwolnić astaksantynę z zielonych mikroglonów, należy rozbić ich komórki. Sonikacja jest dobrze ugruntowaną metodą rozbijania komórek, lizy i izolacji związków bioaktywnych, takich jak lipidy, przeciwutleniacze, polifenole i naturalne barwniki. Ultradźwięki o wysokiej wydajności wytwarzają siły o charakterze wyłącznie mechanicznym, które rozbijają ściany komórkowe poprzez ścinanie i powodują uwalnianie substancji bioaktywnych, takich jak astaksantyna.
Ultradźwiękowa ekstrakcja astaksantyny z drożdży
Phaffia rhodozyma to drożdże bogate w astaksantynę. Jednak gruba ściana komórkowa P. rhodozyma, zbudowana głównie z glukanu i odpowiadająca za sztywność komórki, sprawia, że rozbijanie komórek i izolacja astaksantyny są wymagającym zadaniem. Badacze (Gogate et al. 2015) stwierdzili, że ekstrakcja ultradźwiękowa w połączeniu z kwasem mlekowym intensyfikuje rozbijanie komórek i sprawia, że ekstrakcja astaksantyny z P. rhodozyma staje się procesem bardziej ekologicznym i przyjaźniejszym dla środowiska. Jako medium do rozbijania komórek zastosowali kwas mlekowy, a jako rozpuszczalnik do ekstrakcji – etanol. Maksymalną wydajność ekstrakcji astaksantyny (90%) uzyskano metodą ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami z użyciem kwasu mlekowego o stężeniu 3 M i przy czasie rozbijania komórek wynoszącym 15 min. Ekstraktory ultradźwiękowe o dużej mocy, takie jak UIP4000hd (4kW, zob. zdjęcie po lewej), w połączeniu z reaktorem przepływowym przystosowanym do pracy pod ciśnieniem umożliwiają wytwarzanie bardzo intensywnej kawitacji. Siły ścinające wywołane kawitacją rozbijają ściany komórkowe drożdży i wspomagają transport masy między wnętrzem komórki a rozpuszczalnikiem.
- Wyższa wydajność
- Szybka ekstrakcja – w ciągu kilku minut
- Wysokiej jakości ekstrakty – łagodny proces nietermiczny
- Ekologiczne rozpuszczalniki (np. woda/etanol)
- Opłacalność
- Łatwa i bezpieczna obsługa
- Niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne
- Praca 24/7 przy dużym obciążeniu
- Ekologiczna metoda przyjazna dla środowiska
Ultradźwiękowa ekstrakcja astaksantyny – w trybie okresowym lub przy ciągłym przepływie
Astaksantyna jest związkiem lipofilowym i może być rozpuszczana w rozpuszczalnikach (np. 48,0% etanolu w octanie etylu) oraz olejach (np. oleju sojowym).
Tryb okresowy: Procesy ekstrakcji ultradźwiękowej można prowadzić jako proste procesy okresowe lub jako obróbkę w linii, podczas której medium jest stale przepuszczane przez ultradźwiękowy reaktor przepływowy.
Przetwarzanie okresowe jest prostą procedurą, w której ekstrakcję przeprowadza się kolejno dla poszczególnych partii. Hielscher Ultrasonics oferuje procesory ultradźwiękowe do małych i dużych partii, tj. od 1L do 120L.
Do przetwarzania partii od 5 do 10L zalecamy UP400ST z sonotrodą S24d22L2D (zob. zdjęcie po lewej).
Do przetwarzania partii o objętości ok. 120L zalecamy sonikator UIP2000hdT z sonotrodą RS4d40L4.
Tryb przepływowy: W przypadku większych objętości i ekstrakcji komercyjnej na pełną skalę ciągły strumień cieczy jest przepuszczany przez reaktor ultradźwiękowy, w którym zawiesina materiału roślinnego w rozpuszczalniku jest poddawana intensywnej sonikacji.
Dla objętości ok. 8L/min. zalecamy UIP4000hdT z sonotrodą RS4d40L3 i komorą przepływową FC130L4-3G0 przystosowaną do pracy pod ciśnieniem
UIP2000hdT (2kW) do ekstrakcji okresowej na dużą skalę
Sonikatory o wysokiej wydajności do ekstrakcji
Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w produkcji sonikatorów o wysokiej wydajności do uzyskiwania wysokiej jakości ekstraktów z roślin, drożdży i komórek. Szeroka oferta produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje zarówno małe sonikatory laboratoryjne o dużej mocy, jak i wytrzymałe urządzenia stołowe oraz systemy w pełni przemysłowe, które dostarczają ultradźwięki o wysokiej intensywności do wydajnej ekstrakcji i izolacji składników bioaktywnych, takich jak astaksantyna, kwercetyna, kofeina, kurkumina, terpeny itp. Wszystkie cyfrowe sonikatory o mocy od 200W do 16 000W są wyposażone w intuicyjne menu z programowalnymi ustawieniami, kolorowy wyświetlacz dotykowy zapewniający wygodną obsługę, zintegrowaną kartę SD do automatycznego zapisu danych, zdalne sterowanie przez przeglądarkę oraz wiele innych funkcji przyjaznych dla użytkownika. Sonotrody i komory przepływowe (części mające kontakt z medium) można sterylizować w autoklawie i łatwo czyścić. Wszystkie nasze sonikatory są przystosowane do pracy 24/7, wymagają niewielu czynności konserwacyjnych oraz są łatwe i bezpieczne w obsłudze.
Cyfrowy kolorowy wyświetlacz umożliwia przyjazne dla użytkownika sterowanie urządzeniami ultradźwiękowymi. Nasze systemy mogą zapewniać amplitudy od niskich po bardzo wysokie. Do ekstrakcji związków chemicznych, takich jak astaksantyna, oferujemy specjalne sonotrody ultradźwiękowe (znane również jako sondy lub rogi ultradźwiękowe), zoptymalizowane do ostrożnej izolacji wysokiej jakości substancji czynnych. Hielscher oferuje specjalne sonotrody do pracy przy wysokich amplitudach w połączeniu z komorami przepływowymi przystosowanymi do pracy pod ciśnieniem, które mogą wytwarzać ekstremalne siły ścinające wywołane kawitacją, rozbijające nawet bardzo wytrzymałe komórki drożdży. Solidność urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Precyzyjna kontrola parametrów procesu ultradźwiękowego zapewnia powtarzalność i standaryzację procesu. Zautomatyzowane systemy ekstrakcji ultradźwiękowej Hielscher na skalę przemysłową są zaprojektowane tak, aby zapewniać wysoką wydajność produkcji ekstraktów najwyższej jakości, jednocześnie ograniczając nakład pracy, koszty i zużycie energii.
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / Źródła
- B. Brands and M. Kleinke (2022): Astaxanthin production in Xanthophyllomyces dendrorhous grown in medium containing watery extracts from vegetable residue streams. IOP Conference Series: Earth Environ. Sci. 1034, 2022.
- Chougle, J.A.; Singha, R.S.; Baik, O.-D.(2014): Recovery of Astaxanthin from Paracoccus NBRC 101723 using Ultrasound-Assisted Three Phase Partitioning (UA-TPP). Separation Science and Technology, 49, 2014.
- Gogate et al. (2015): Ultrasound-assisted Intensification of Extraction of Astaxanthin from Phaffia rhodozyma. Indian Chemical Engineer 2015, 57:3-4, 240-255.
- Zou et al. (2013): Response Surface Methodology for Ultrasound-Assisted Extraction of Astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Marine Drugs 2013, 11, 1644-1655.
- Farid Chemat, Natacha Rombaut, Anne-Gaëlle Sicaire, Alice Meullemiestre, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier, Maryline Abert-Vian (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 34, 2017. 540-560.
Fakty, które warto znać
Sonoekstrakcja
Ekstrakcja ultradźwiękowa, czyli sonoekstrakcja, opiera się na zasadzie kawitacji akustycznej.
Gdy na układy ciekłe oddziałują intensywne fale ultradźwiękowe, występuje kawitacja akustyczna, czyli zjawisko powstawania, wzrostu i ostatecznego zapadania się pęcherzyków próżniowych (zob. ilustrację poniżej). Podczas rozchodzenia się fal ultradźwiękowych pęcherzyki próżniowe oscylują i rosną, aż osiągną punkt, w którym nie mogą pochłonąć więcej energii. W momencie maksymalnego wzrostu gwałtownie się zapadają, co powoduje lokalne efekty termiczne, mechaniczne i chemiczne. Efekty mechaniczne obejmują wysokie ciśnienia sięgające 1000atm, turbulencje oraz intensywne siły ścinające. Siły te rozbijają ściany komórkowe i wspomagają transport masy między wnętrzem komórki a rozpuszczalnikiem, uwalniając związki bioaktywne do otaczającej cieczy (tj. rozpuszczalnika).
Kawitacja akustyczna, generowana przez ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości, wytwarza intensywne siły ścinające oraz lokalnie występujące duże różnice ciśnienia i temperatury, które zapewniają oddziaływanie niezbędne do rozbijania komórek, intensywnego mieszania i transportu masy. Te ultradźwiękowe siły ścinające są z powodzeniem wykorzystywane do ekstrakcji z konopi.
Ekstrakcja ultradźwiękowa związków z materiału roślinnego i tkanki komórkowej została dobrze zbadana. Zastosowanie fal ultradźwiękowych o bardzo wysokiej intensywności znacząco wspomaga procesy ekstrakcji. Oprócz intensyfikacji procesu – która skutkuje wyższą wydajnością i krótszym czasem ekstrakcji – zapobiega się degradacji termicznej i utracie składników wrażliwych na temperaturę, ponieważ sonikacja jest procesem nietermicznym. Ponadto ekstrakcja ultradźwiękowa wiąże się z niskimi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi, ogranicza zużycie rozpuszczalników i/lub pozwala stosować bardziej ekologiczne rozpuszczalniki, co czyni ją ekonomiczną i przyjazną dla środowiska techniką ekstrakcji. Przewyższająca konwencjonalne metody ekstrakcji ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (UAE) została przejęta z przemysłu spożywczego w celu wytwarzania związków bioaktywnych z korzyściami ekonomicznymi.
Fale ultradźwiękowe o dużej mocy rozbijają matrycę komórkową struktur biologicznych i uwalniają związki bioaktywne. Transport masy między materiałem roślinnym a rozpuszczalnikiem zostaje zintensyfikowany. Dzięki tym mechanizmom ekstrakcja ultradźwiękowa jest wysoce wydajna w ekstrakcji z konopi.
Astaksantyna
Astaksantyna wyróżnia się głęboką czerwoną barwą. Jest rozpuszczalnym w tłuszczach barwnikiem występującym w glonach (np. Haematococcus pluvialis, Chlorella zofingiensis, Chlorococcum), drożdżach (np. Phaffia rhodozyma), łososiu, pstrągu, krylu, krewetkach i rakach. Astaksantyna jest uznawana za superprzeciwutleniacz, ponieważ jej działanie przeciwutleniające jest od dziesięciu do dwudziestu razy silniejsze niż działanie wielu innych karotenoidów, takich jak beta-karoten, luteina i zeaksantyna, oraz sto razy silniejsze niż działanie alfa-tokoferolu (witaminy E).
Astaksantyna (3,3′-dihydroksy-β, β′-karoten-4,4′-dion) jest ketokarotenoidem i należy do szerszej klasy związków chemicznych zwanych terpenami (jako tetraterpenoid), które składają się z pięciowęglowych prekursorów: difosforanu izopentenylu i difosforanu dimetyloallilu. Astaksantyna jest zaliczana do związków karotenoidowych zawierających grupy z tlenem, a mianowicie grupę hydroksylową (-OH) lub ketonową (C=O), podobnie jak zeaksantyna i kantaksantyna. Astaksantyna jest metabolitem zeaksantyny i/lub kantaksantyny, zawierającym zarówno hydroksylowe, jak i ketonowe grupy funkcyjne. Podobnie jak wiele karotenoidów, astaksantyna jest barwnikiem rozpuszczalnym w lipidach i wyróżnia się czerwoną barwą. Karotenoidy, w tym astaksantyna, są dobrze znane ze swojej zdolności przeciwutleniającej.
Astaksantyna jest czerwonym barwnikiem, który naturalnie powstaje w mikroglonach żyjących w wodzie deszczowej (Haematococcus pluvialis) i drożdżach o nazwie Xanthophyllomyces dendrorhous (znanych również jako Phaffia rhodozyma). Glony są poddawane stresowi poprzez jeden czynnik lub kombinację czynników, takich jak niedobór składników odżywczych, zwiększone zasolenie i nadmierne nasłonecznienie, aby wytwarzały astaksantynę. Gatunki spożywające te poddane stresowi mikroglony słodkowodne, takie jak łosoś, pstrąg czerwony, pagrus czerwony, flaming i skorupiaki (np. krewetki, kryl, kraby, homary, raki), odzwierciedlają tę pigmentację czerwono-pomarańczowymi odcieniami swojego wyglądu.
Jako suplement astaksantyna jest podawana ze względu na działanie prozdrowotne i lecznicze. Astaksantyna jest dobrze ugruntowanym nutraceutykiem podawanym w celu poprawy zdrowia skóry (np. zmniejszenia zmarszczek, uszkodzeń spowodowanych oparzeniami słonecznymi itp.).
Ponadto astaksantyna cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze względu na zastosowanie w leczeniu choroby Alzheimera, choroby Parkinsona, chorób układu sercowo-naczyniowego, wysokiego poziomu cholesterolu, chorób wątroby, zwyrodnienia plamki żółtej związanego z wiekiem oraz w zapobieganiu nowotworom.
Hielscher Ultrasonics produkuje homogenizatory ultradźwiękowe o wysokiej wydajności w rozmiarach od laboratoryjnych do przemysłowych.