Ekstrakcja ultradźwiękowa astaksantyny dla uzyskania wyższych plonów
- Astaksantyna jest silnym przeciwutleniaczem stosowanym w farmaceutykach i suplementach diety.
- Do produkcji wysokiej jakości astaksantyny z naturalnych źródeł, takich jak algi, wymagana jest wysokowydajna technika ekstrakcyjna.
- Ekstrakcja ultradźwiękowa jest obróbką mechaniczną, która daje wysoką wydajność astaksantyny w bardzo krótkim czasie ekstrakcji.
Wysokowydajna ultrasonika do astaksantyny wysokiej jakości
Ekstrakcja ultradźwiękowa astaksantyny z mikroalg
Astaksantyna do suplementów diety, które są spożywane przez ludzi i zwierzęta dla ich korzyści zdrowotnych, astaksantyna jest otrzymywana z owoców morza lub ekstrahowana z alg H. pluvialis. Haematococcus pluvialis jest zielonym mikroalgiem, który wytwarza wysoką zawartość astaksantyny w warunkach stresowych, np. wysokie zasolenie, niedobór azotu, wysoka temperatura i światło. Przy zawartości astaksantyny do 9,2mg/g na komórkę glonów (= do 3,8% suchej masy H. pluvialis), Haematococcus pluvialis gromadzi bardzo wysoką zawartość naturalnej astaksantyny i dlatego jest preferowanym organizmem do produkcji astaksantyny.
Aby uwolnić astaksantynę z zielonych mikroalg, komórki alg muszą zostać zakłócone. Ultrasonizacja jest dobrze ugruntowana w celu zaburzenia funkcjonowania komórek, lizy i izolacji związków bioaktywnych, takich jak lipidy, przeciwutleniacze, polifenole i naturalne pigmenty. Wysokowydajna ultradźwięki wytwarzają czysto mechaniczne siły, które zakłócają ściany komórkowe przez siły ścinające i powodują uwalnianie substancji bioaktywnych, takich jak astaksantyna.
Ekstrakcja ultradźwiękowa astaksantyny z drożdży
Phaffia rhodozyma to drożdże bogate w astaksantynę. Jednak gruba ściana komórkowa P. rhodozymy, która składa się głównie z glukanu i jest odpowiedzialna za sztywność komórkową, sprawia, że rozerwanie komórek i izolacja astaksantyny jest zadaniem wymagającym. Naukowcy (Gogate et al. 2015) stwierdzili, że ekstrakcja ultradźwiękowa w połączeniu z kwasem mlekowym intensyfikuje zaburzenia komórek i sprawia, że ekstrakcja astaksantyny z P. rhodozyma jest procesem bardziej zielonym, przyjaznym dla środowiska. Wykorzystali kwas mlekowy jako medium zaburzeń i etanol jako rozpuszczalnik do ekstrakcji. Maksymalną wydajność astaksantyny (90%) uzyskano dla metody ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami w oparciu o zastosowanie kwasu mlekowego 3 M, czas przerwania 15 min. Wydajne procesory ultradźwiękowe, takie jak UIP4000hdT (4kW, patrz rys. po lewej) w połączeniu z ciśnieniowym reaktorem przepływowym umożliwiają wytwarzanie bardzo intensywnej kawitacji. Kawitacyjne siły tnące zakłócają ściany komórkowe drożdży i sprzyjają masowemu transferowi pomiędzy wnętrzem komórki a rozpuszczalnikiem.
- Najwyższa wydajność
- Szybki odciąg – w ciągu kilku minut
- Ekstrakty wysokiej jakości – Łagodne nietermicznej
- Zielone rozpuszczalniki (np. woda/etanol)
- opłacalny
- Łatwa i bezpieczna obsługa
- Niskie koszty inwestycyjne i operacyjne
- Praca 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu przy dużych obciążeniach
- Zielona, przyjazna dla środowiska metoda
Ekstrakcja ultradźwiękowa astaksantyny – w trybie wsadowym lub ciągłym przepływie (Continuous Flow Mode)
Astaksantyna jest związkiem lipofilowym i może być rozpuszczona w rozpuszczalnikach (np. 48,0% etanolu w octanie etylu) i olejach (np. olej sojowy).
Partia: Procesy ekstrakcji ultradźwiękowej mogą być realizowane w formie prostych procesów wsadowych lub obróbki w linii produkcyjnej, gdzie medium jest stale podawane przez reaktor przepływowy ultradźwiękowy.
Przetwarzanie partii jest prostą procedurą, w której ekstrakcja odbywa się partiami. Hielscher Ultrasonics oferuje procesory ultradźwiękowe dla małych i dużych partii, tj. od 1L do 120L.
Do przetwarzania partii od 5 do 10L zalecamy UP400St z sonotrodą S24d22L2D (patrz zdjęcie po lewej).
Do obróbki partii o objętości ok. 120 l zalecamy UIP2000hdT z sonotrodą RS4d40L4 (patrz zdjęcie w prawym górnym rogu).
Przepływ: W przypadku większych objętości i komercyjnej ekstrakcji na pełną skalę, ciągły strumień cieczy jest podawany przez reaktor ultradźwiękowy, w którym rozpuszczalnik/botanik jest intensywnie udźwiękowiony.
W przypadku objętości ok. 8L/min. zalecamy, aby UIP4000hdT z sonotrodem RS4d40L3 i ciśnieniową komórką przepływową FC130L4-3G0
UIP2000hdT (2kW) w przypadku ekstrakcji na dużą skalę
Wysokowydajne ultradźwięki do ekstrakcji
Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w produkcji wysokowydajnych procesorów ultradźwiękowych do produkcji wysokiej jakości ekstraktów z roślin.
Szeroki asortyment produktów firmy Hielscher obejmuje zarówno małe, wydajne ultradźwięki laboratoryjne, jak i solidne systemy stacjonarne i w pełni przemysłowe, które dostarczają wysokiej intensywności ultradźwięków do wydajnej ekstrakcji i izolacji komponentów bioaktywnych (np. kwercetyna, kofeina, Kurkumina, terpeny itp.). Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe od 200W do 16,000W posiadają kolorowy wyświetlacz do sterowania cyfrowego, zintegrowaną kartę SD do automatycznego zapisu danych, pilot zdalnego sterowania w przeglądarce i wiele innych przyjaznych dla użytkownika funkcji. Sonotrody i komórki przepływowe (części, które mają kontakt z medium) mogą być autoklawowane i są łatwe do czyszczenia. Wszystkie nasze ultradźwięki są zbudowane do pracy w trybie 24/7, wymagają niewielkiej konserwacji oraz są łatwe i bezpieczne w obsłudze.
Cyfrowy kolorowy wyświetlacz pozwala na łatwą obsługę urządzeń ultradźwiękowych. Nasze systemy są w stanie dostarczyć energię od niskich do bardzo wysokich amplitud. Do ekstrakcji związków chemicznych, takich jak astaksantyna, oferujemy specjalne sonotrody ultradźwiękowe (znane również jako sondy ultradźwiękowe lub rogi), które są zoptymalizowane pod kątem wrażliwej izolacji wysokiej jakości substancji czynnych. Specjalne sonotrody Hielschera dla dużych amplitud w połączeniu z komórkami o regulowanym przepływie generują ekstremalne siły ścinające, które zakłócają nawet bardzo mocne komórki drożdży. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Precyzyjna kontrola parametrów procesu ultradźwiękowego zapewnia powtarzalność i standaryzację procesu. Zautomatyzowane systemy ekstrakcji ultradźwiękowej na skalę przemysłową firmy Hielscher zostały zaprojektowane z myślą o dużych możliwościach produkcyjnych ekstraktów najwyższej jakości, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów pracy i energii.
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Wysokowydajne procesory ultradźwiękowe od laboratorium do skali pilotażowej i przemysłowej.
Literatura / Referencje
- Gogate et al. (2015): Wspomagana ultradźwiękami Intensyfikacja ekstrakcji astaksantyny z rodozymy Phaffia rhodozyma. Indian Chemical Engineer 2015, 57:3-4, 240-255.
- Zou et al. (2013): Metodologia powierzchni odpowiedzi na ultradźwięki - wspomagane ekstrakcja astaksantyny z Haematococcus pluvialis. Marine Drugs 2013, 11, 1644-1655.
Fakty Warto wiedzieć
Ekstrakcja dźwięków
Ekstrakcja ultradźwiękowa lub sono-ekstrakcja opiera się na zasadzie kawitacji akustycznej.
Kiedy intensywne fale ultradźwiękowe są stosowane w systemach płynnych, następuje kawitacja akustyczna, która jest zjawiskiem powstawania, wzrostu i ewentualnego załamania się pęcherzyków próżniowych (patrz zdjęcie poniżej). Podczas rozprzestrzeniania się fal ultradźwiękowych, bąbelki próżniowe oscylują i rosną, aż osiągną punkt, w którym nie są w stanie wchłonąć więcej energii. W szczycie wzrostu bąbelków gwałtownie się zapadają, co powoduje lokalne efekty termiczne, mechaniczne i chemiczne. Efekty mechaniczne obejmują wysokie ciśnienia do 1000atm, turbulencje i duże siły ścinające. Siły te zakłócają ściany komórkowe i sprzyjają masowemu transferowi pomiędzy wnętrzem komórki a rozpuszczalnikiem uwalniającym związki bioaktywne do otaczającej cieczy (tj. rozpuszczalnika).
Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej i jej hydrodynamicznych siłach ścinających.
Ultradźwiękowa ekstrakcja związków z botanicznych i tkanek komórkowych została dobrze zbadana. Zastosowanie wysoce intensywnych fal ultradźwiękowych znacznie wspomaga procesy ekstrakcyjne. Poza intensyfikacją procesu – co skutkuje większymi plonami i krótszym czasem ekstrakcji – zapobiega się degradacji termicznej i utracie składników wrażliwych na temperaturę, ponieważ sonizacja nie jest obróbką termiczną. Ponadto ekstrakcja ultradźwiękowa charakteryzuje się niskimi kosztami inwestycyjnymi i operacyjnymi, redukuje stosowanie rozpuszczalników i/lub pozwala na stosowanie rozpuszczalników bardziej ekologicznych, co czyni ją ekonomiczną i przyjazną dla środowiska techniką ekstrakcji. W porównaniu z konwencjonalnymi metodami ekstrakcji, ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (UAE) została przyjęta w przemyśle spożywczym do produkcji związków bioaktywnych z korzyścią ekonomiczną.
Ekstrakcja ultradźwiękowa z komórek roślinnych: mikroskopijny przekrój poprzeczny (TS) pokazuje mechanizm działania podczas ekstrakcji ultradźwiękowej z komórek (powiększenie 2000x) [źródło: Vilkhu et al. 2011].
Astaksantyna
Astaksantyna wyróżnia się głębokim czerwonym kolorem. Haematococcus pluvialis, Chlorella zofingiensis, Chlorococcum), drożdże (np. Phaffia rhodozyma), łosoś, pstrąg, kryl, krewetki i raki. Astaksantyna jest uważana za super-antyoksydant, ponieważ jej siła antyoksydacyjna jest dziesięć do dwudziestu razy silniejsza niż wielu innych karotenoidów, takich jak beta-karoten, luteina i zeaksantyna, a sto razy silniejsza niż alfa-tokoferol (witamina E).
Astaksantyna (3,3′-dihydroksy-β, β′-karoteno-4,4′-dion) jest keto-karotenoidem i należy do większej klasy związków chemicznych znanych jako terpeny (jako tetraterpenoid), które składają się z pięciu prekursorów węglowych, difosforanu izopentylowego i dimetylo-difosforanu. Astaksantyna jest klasyfikowana jako rodzaj związków karotenoidowych ze składnikami zawierającymi tlen, mianowicie hydroksyl (-OH) lub keton (C=O), takich jak zeaksantyna i kantaksantyna. Astaksantyna jest metabolitem zeaksantyny i/lub kantaksantyny, zawierającym zarówno grupy funkcyjne hydroksylowe, jak i ketonowe. Podobnie jak wiele karotenoidów, astaksantyna jest pigmentem rozpuszczalnym w tłuszczach i wyróżnia się czerwonym kolorem. Karotenoidy, w tym astaksantyna, są dobrze znane ze swojej zdolności przeciwutleniającej.
Astaksantyna jest czerwonym pigmentem i naturalnie wywodzi się z mikroalg wody deszczowej (Haematococcus pluvialis) oraz drożdży zwanych Xanthophyllomyces dendrorhous (znanych również jako Phaffia rhodozyma). Algi ulegają stresowi poprzez jeden lub połączenie różnych warunków, począwszy od braku składników odżywczych, zwiększonego zasolenia i nadmiernego nasłonecznienia, aby stworzyć astaksantynę. Gatunki spożywające te podkreślone mikroalgi słodkowodne, takie jak łosoś, pstrąg czerwony, leszcz morski czerwony, flamingo, skorupiaki (np. krewetki, kryl, krab, homar, rak), odzwierciedlają pigmentację odcieni czerwonopomarańczowych w ich wyglądzie.
Jako dodatek astaksantyna jest podawana w celu promowania zdrowia i leczenia chorób. Astaksantyna jest dobrze ugruntowaną nutraceutyką podawaną w celu poprawy stanu zdrowia skóry (np. redukcja zmarszczek, uszkodzeń spowodowanych oparzeniami słonecznymi itp.)
Ponadto astaksantyna jest coraz częściej stosowana w leczeniu choroby Alzheimera, choroby Parkinsona, chorób sercowo-naczyniowych, wysokiego cholesterolu, chorób wątroby, związanego z wiekiem zwyrodnienia plamki żółtej i zapobiegania nowotworom.