Ultradźwięki w celu poprawy rozerwania i ekstrakcji komórek glonów

Glony, makro- i mikroalgi, zawierają wiele cennych związków, które są wykorzystywane jako żywność odżywcza, dodatki do żywności lub jako paliwo lub surowiec paliwowy. W celu uwolnienia substancji docelowych z komórek glonów wymagana jest silna i skuteczna technika rozbijania komórek. Ekstraktory ultradźwiękowe są wysoce wydajne i niezawodne, jeśli chodzi o ekstrakcję związków bioaktywnych z roślin, glonów i grzybów. Dostępne w skali laboratoryjnej, laboratoryjnej i przemysłowej, ekstraktory ultradźwiękowe Hielscher są stosowane w produkcji ekstraktów pochodzących z komórek w produkcji żywności, farmaceutyków i biopaliw.

Algi jako cenne źródło pożywienia i paliwa

Komórki alg są wszechstronnym źródłem bioaktywnych i bogatych w energię związków, takich jak białka, węglowodany, lipidy i inne substancje bioaktywne, a także alkany. Sprawia to, że algi są źródłem żywności i związków odżywczych, a także paliw.
Mikroalgi są cenionym źródłem lipidów, które są wykorzystywane do odżywiania i jako surowiec do produkcji biopaliw (np. biodiesla). Szczepy fitoplanktonu morskiego Dicrateria, takie jak Dicrateria rotunda, znane są jako algi produkujące benzynę, które mogą syntetyzować szereg nasyconych węglowodorów (n-alkanów) z C₁₀H₂₂ do C₃₈H₇₈, które są podzielone na benzyny (C10-C15), oleje napędowe (C16-C20) i oleje opałowe (C21-C38).
Ze względu na ich wartość odżywczą, algi są wykorzystywane jako "żywność funkcjonalna" lub "nutraceutyki". Ważne mikroskładniki odżywcze ekstrahowane z alg obejmują karotenoidy astaksantynę, fukoksantynę i zeaksantynę, fukoidan, laminari i inne glukany oraz wiele innych bioaktywnych substancji stosowanych jako suplementy diety i farmaceutyki. Karagen, alginian i inne hydrokoloidy są stosowane jako dodatki do żywności. Lipidy z alg są wykorzystywane jako wegańskie źródło omega-3, a także jako paliwo lub surowiec do produkcji biodiesla.

Zakłócenie i ekstrakcja komórek glonów za pomocą ultradźwięków mocy

Ekstraktory ultradźwiękowe lub po prostu ultradźwięki są używane do ekstrakcji cennych związków z małych próbek w laboratorium, a także do produkcji na dużą skalę komercyjną.
Komórki glonów są chronione przez złożone matryce ścian komórkowych, które składają się z lipidów, celulozy, białek, glikoprotein i polisacharydów. Podstawa większości ścian komórkowych alg zbudowana jest z mikrofibrylarnej sieci w żelopodobnej matrycy białkowej; jednak niektóre mikroalgi są wyposażone w nieorganiczną sztywną ścianę złożoną z opalizujących krzemionkowych osadów lub węglanu wapnia. Aby uzyskać związki bioaktywne z biomasy glonów, konieczna jest skuteczna technika rozbijania komórek. Poza technologicznymi czynnikami ekstrakcji (tj. metodą ekstrakcji i sprzętem), na skuteczność rozbijania komórek glonów i ekstrakcji silnie wpływają również różne czynniki zależne od glonów, takie jak skład ściany komórkowej, lokalizacja pożądanej biomolekuły w komórkach mikroalg oraz etap wzrostu mikroalg podczas zbioru.

Jak działa ultradźwiękowe rozbijanie i ekstrakcja komórek glonów?

Gdy fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności są sprzężone za pomocą sondy ultradźwiękowej (znanej również jako róg ultradźwiękowy lub sonotroda) do cieczy lub zawiesiny, fale dźwiękowe przemieszczają się przez ciecz i tworzą w ten sposób naprzemienne cykle wysokiego / niskiego ciśnienia. Podczas tych cykli wysokociśnieniowych / niskociśnieniowych pojawiają się drobne pęcherzyki próżniowe lub wnęki. Pęcherzyki kawitacyjne pojawiają się, gdy lokalne ciśnienie spada podczas cykli niskiego ciśnienia znacznie poniżej ciśnienia pary nasyconej, wartości określonej przez wytrzymałość cieczy na rozciąganie w określonej temperaturze. Pęcherzyki rosną przez kilka cykli. Gdy te pęcherzyki próżniowe osiągną rozmiar, w którym nie mogą absorbować więcej energii, pęcherzyk imploduje gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Implozja pęcherzyków kawitacyjnych jest gwałtownym, energochłonnym procesem, który generuje intensywne fale uderzeniowe, turbulencje i mikrostrumienie w płynie. Dodatkowo powstają lokalne bardzo wysokie ciśnienia i bardzo wysokie temperatury. Te ekstremalne warunki są w stanie z łatwością uszkodzić ściany komórkowe i błony oraz uwolnić związki wewnątrzkomórkowe w skuteczny, wydajny i szybki sposób. Związki wewnątrzkomórkowe, takie jak białka, polisacharydy, lipidy, witaminy, minerały i przeciwutleniacze, można w ten sposób skutecznie ekstrahować za pomocą ultradźwięków mocy.

Kawitacja ultradźwiękowa do rozbijania i ekstrakcji komórek

Po wystawieniu na działanie intensywnej energii ultradźwiękowej ściana lub błona dowolnego rodzaju komórki (w tym botanicznej, ssaków, glonów, grzybów, bakterii itp.) zostaje przerwana, a komórka zostaje rozerwana na mniejsze fragmenty przez siły mechaniczne kawitacji ultradźwiękowej o dużej gęstości energii. Kiedy ściana komórkowa zostaje przerwana, metabolity komórkowe, takie jak białko, lipid, kwas nukleinowy i chlorofil są uwalniane z matrycy ściany komórkowej, jak również z wnętrza komórki i są przenoszone do otaczającego podłoża hodowlanego lub rozpuszczalnika.
Opisany powyżej mechanizm kawitacji ultradźwiękowej / akustycznej poważnie zakłóca całe komórki glonów lub wakuole gazowe i płynne w komórkach. Kawitacja ultradźwiękowa, wibracje, turbulencje i mikrostrumienie sprzyjają przenoszeniu masy między wnętrzem komórki a otaczającym rozpuszczalnikiem, dzięki czemu biomolekuły (tj. metabolity) są wydajne i szybko uwalniane. Ponieważ sonikacja jest czysto mechaniczną obróbką, która nie wymaga ostrych, toksycznych i / lub drogich chemikaliów.
Ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości tworzą ekstremalne warunki o dużej gęstości energii, charakteryzujące się wysokim ciśnieniem, temperaturą i wysokimi siłami ścinającymi. Te siły fizyczne sprzyjają rozerwaniu struktur komórkowych w celu uwolnienia związków wewnątrzkomórkowych do pożywki. Dlatego też ultradźwięki o niskiej częstotliwości są w dużej mierze wykorzystywane do ekstrakcji substancji bioaktywnych i paliw z alg. W porównaniu z konwencjonalnymi metodami ekstrakcji, takimi jak ekstrakcja rozpuszczalnikowa, frezowanie kulek lub homogenizacja wysokociśnieniowa, ekstrakcja ultradźwiękowa wyróżnia się uwalnianiem większości związków bioaktywnych (takich jak lipidy, białka, polisacharydy i mikroskładniki odżywcze) z sonoporowanej i uszkodzonej komórki. Stosując odpowiednie warunki procesu, ekstrakcja ultradźwiękowa daje doskonałą wydajność ekstrakcji w bardzo krótkim czasie trwania procesu. Na przykład, wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe wykazują doskonałą wydajność ekstrakcji z alg, gdy są stosowane z odpowiednim rozpuszczalnikiem. W środowisku kwaśnym lub zasadowym ściana komórkowa glonów staje się porowata i pomarszczona, co prowadzi do zwiększenia wydajności w niskiej temperaturze (poniżej 60°C) w krótkim czasie sonikacji (mniej niż 3 godziny). Krótki czas trwania ekstrakcji w łagodnych temperaturach zapobiega degradacji fukoidanu, dzięki czemu uzyskuje się wysoce bioaktywny polisacharyd.
Ultradźwięki są również metodą przekształcania fukoidanu o wysokiej masie cząsteczkowej w fukoidan o niskiej masie cząsteczkowej, który jest znacznie bardziej bioaktywny ze względu na swoją rozdrobnioną strukturę. Dzięki wysokiej bioaktywności i biodostępności, fukoidan o niskiej masie cząsteczkowej jest interesującym związkiem dla farmaceutyków i systemów dostarczania leków.

Studia przypadków: Ultradźwiękowa ekstrakcja związków z alg

Wydajność ekstrakcji ultradźwiękowej i optymalizacja parametrów ekstrakcji ultradźwiękowej były szeroko badane. Poniżej można znaleźć przykładowe wyniki ekstrakcji za pomocą ultradźwięków z różnych gatunków glonów.

Ekstrakcja białek ze spiruliny przy użyciu Mano-Thermo-Sonikacji

Grupa badawcza prof. Chemata (Uniwersytet w Awinionie) zbadała wpływ manotermosonikacji (MTS) na ekstrakcję białek (takich jak fikocyjanina) z suchych cyjanobakterii Arthrospira platensis (znanych również jako spirulina). Mano-Thermo-Sonication (MTS) to zastosowanie ultradźwięków w połączeniu z podwyższonym ciśnieniem i temperaturą w celu zintensyfikowania procesu ekstrakcji ultradźwiękowej.
"Zgodnie z wynikami eksperymentów, MTS promował transfer masy (wysoka efektywna dyfuzyjność, De) i umożliwił uzyskanie 229% więcej białek (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) niż konwencjonalny proces bez ultradźwięków (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Przy 28,42 g białka na 100 g suchej biomasy spiruliny w ekstrakcie, wskaźnik odzysku białka 50% został osiągnięty w ciągu 6 efektywnych minut w ciągłym procesie MTS. Obserwacje mikroskopowe wykazały, że kawitacja akustyczna wpływa na włókna spiruliny poprzez różne mechanizmy, takie jak fragmentacja, sonoporacja, detekcja. Te różne zjawiska ułatwiają ekstrakcję, uwalnianie i solubilizację bioaktywnych związków spiruliny". [Vernès et al., 2019].

Obrazy mikroskopii optycznej całych włókien spiuruliny poddanych działaniu MTS w czasie. Pasek skali (zdjęcie A) = 50 μm dla wszystkich zdjęć.
zdjęcie i opracowanie: ©Vernès et al. 2019

Ultradźwiękowa ekstrakcja fukoidanu i glukanu z Laminaria digitata

Grupa badawcza TEAGASC dr Tiwari badała ekstrakcję polisacharydów, tj. fukoidanu, laminaryny i całkowitej ilości glukanów, z makroalg Laminaria digitata przy użyciu metody Ultradźwiękowiec UIP500hdT. Badane parametry ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami (UAE) wykazały znaczący wpływ na poziomy fukozy, FRAP i DPPH. Poziomy 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde i 11,02% uzyskano dla fukozy, całkowitych glukanów, FRAP i DPPH odpowiednio w zoptymalizowanych warunkach temperatury (76◦C), czasu (10 min) i amplitudy ultradźwiękowej (100%) przy użyciu 0,1 M HCl jako rozpuszczalnika. Opisane warunki UAE zostały następnie z powodzeniem zastosowane do innych ekonomicznie istotnych makroalg brunatnych (L. hyperborea i A. nodosum) w celu uzyskania ekstraktów bogatych w polisacharydy. Badanie to pokazuje możliwość zastosowania UAE w celu zwiększenia ekstrakcji bioaktywnych polisacharydów z różnych gatunków makroalg.

Ultradźwiękowa ekstrakcja fitochemiczna z F. vesiculosus i P. canaliculata

Zespół badawczy García-Vaquero porównał różne nowe techniki ekstrakcji, w tym wysokowydajną ekstrakcję ultradźwiękową, ekstrakcję ultradźwiękowo-mikrofalową, ekstrakcję mikrofalową, ekstrakcję wspomaganą hydrotermalnie i ekstrakcję wspomaganą wysokim ciśnieniem w celu oceny wydajności ekstrakcji z brązowych gatunków mikroalg Fucus vesiculosus i Pelvetia canaliculata. Do ultradźwięków użyto Ekstraktor ultradźwiękowy Hielscher UIP500hdT. Analiza wydajności ekstrakcji wykazała, że ekstrakcja ultradźwiękowa osiągnęła najwyższą wydajność większości fitochemikaliów z obu F. vesiculosus. Oznacza to, że najwyższe wydajności związków wyekstrahowanych z F. vesiculosus przy użyciu ekstrakcji ultradźwiękowej. Ekstraktor ultradźwiękowy UIP500hdT były: całkowita zawartość fenoli (445,0 ± 4,6 mg równoważników kwasu galusowego/g), całkowita zawartość florotanin (362,9 ± 3,7 mg równoważników floroglucynolu/g), całkowita zawartość flawonoidów (286,3 ± 7,8 mg równoważników kwercetyny/g) i całkowita zawartość tanin (189,1 ± 4,4 mg równoważników katechiny/g).
W swoim badaniu zespół doszedł do wniosku, że zastosowanie ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami "w połączeniu z 50% roztworem etanolowym jako rozpuszczalnikiem ekstrakcyjnym może być obiecującą strategią ukierunkowaną na ekstrakcję TPC, TPhC, TFC i TTC, przy jednoczesnym zmniejszeniu współekstrakcji niepożądanych węglowodanów zarówno z F. vesiculosus, jak i P. canaliculata, z obiecującymi zastosowaniami przy stosowaniu tych związków jako farmaceutyków, nutraceutyków i kosmeceutyków". [García-Vaquero et al., 2021].

Zwiększenie skali mano-termo-sonikacji na Uniwersytecie w Awinionie przy użyciu ultrasonografów Hielscher: od sprzętu laboratoryjnego UIP1000hdT (A) do urządzeń w skali pilotażowej UIP4000hdT (B, C & D). Na rysunku D przedstawiono przekrój poprzeczny ultradźwiękowej komory przepływowej FC100K.
zdjęcie i opracowanie: ©Vernès et al. 2019

Wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe do usuwania glonów

Najnowocześniejszy sprzęt ultradźwiękowy firmy Hielscher umożliwia pełną kontrolę nad parametrami procesu, takimi jak amplituda, temperatura, ciśnienie i pobór energii.
W przypadku ekstrakcji ultradźwiękowej parametry takie jak wielkość cząstek surowca, rodzaj rozpuszczalnika, stosunek ciała stałego do rozpuszczalnika i czas ekstrakcji mogą być zmieniane i optymalizowane w celu uzyskania najlepszych wyników.
Ponieważ ekstrakcja ultradźwiękowa jest metodą ekstrakcji nietermicznej, unika się degradacji termicznej składników bioaktywnych obecnych w surowcu, takich jak algi.
Ogólnie rzecz biorąc, zalety takie jak wysoka wydajność, krótki czas ekstrakcji, niska temperatura ekstrakcji i niewielkie ilości rozpuszczalnika sprawiają, że sonikacja jest lepszą metodą ekstrakcji.

Ekstrakcja ultradźwiękowa: Ustanowiony w laboratorium i przemyśle

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest szeroko stosowana do ekstrakcji wszelkiego rodzaju związków bioaktywnych z roślin, alg, bakterii i komórek ssaków. Ekstrakcja ultradźwiękowa została uznana za prostą, opłacalną i wysoce wydajną, która przewyższa inne tradycyjne techniki ekstrakcji dzięki wyższej wydajności ekstrakcji i krótszemu czasowi przetwarzania.
Dzięki łatwo dostępnym laboratoryjnym, stołowym i w pełni przemysłowym systemom ultradźwiękowym, ekstrakcja ultradźwiękowa jest obecnie dobrze ugruntowaną i zaufaną technologią. Ekstraktory ultradźwiękowe Hielscher są instalowane na całym świecie w przemysłowych zakładach przetwórczych, które produkują bioaktywne związki o jakości spożywczej i farmaceutycznej.

Standaryzacja procesów dzięki Hielscher Ultrasonics

Ekstrakty pochodzące z alg, które są stosowane w żywności, farmaceutykach lub kosmetykach, muszą być produkowane zgodnie z Dobrymi Praktykami Wytwarzania (GMP) i zgodnie ze znormalizowanymi specyfikacjami przetwarzania. Cyfrowe systemy ekstrakcji firmy Hielscher Ultrasonics są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, które ułatwia precyzyjne ustawianie i sterowanie procesem sonikacji. Automatyczne rejestrowanie danych zapisuje wszystkie parametry procesu ultradźwiękowego, takie jak energia ultradźwiękowa (energia całkowita i netto), amplituda, temperatura, ciśnienie (gdy zamontowane są czujniki temperatury i ciśnienia) z datą i godziną na wbudowanej karcie SD. Pozwala to na rewizję każdej ultradźwiękowo przetworzonej partii. Jednocześnie zapewniona jest powtarzalność i stale wysoka jakość produktu.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: