Extração ultrassónica de algas para suplementos nutricionais

A extração ultrassónica é o método superior para romper as células das algas de forma eficaz e rápida. A sonicação pode libertar a totalidade dos compostos bioativos, o que torna a técnica ultrassónica altamente eficiente.

Como extrair proteínas, lípidos e compostos fenólicos de algas com ultrassons

As espécies de algas e microalgas são ricas em compostos biologicamente ativos, como proteínas, lípidos, carotenoides, pigmentos (por exemplo, ficocianinas, astaxantina, etc.), compostos fenólicos e polissacáridos (por exemplo, carrageninas). Isto torna-as uma matéria-prima natural amplamente utilizada para produzir extratos destinados a alimentos e suplementos alimentares. As espécies de algas habitualmente utilizadas em suplementos nutricionais são Arthrospira maxima e (também conhecida como espirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis e Ulva spp. As algas são conhecidas por serem uma boa fonte de proteínas de elevada qualidade, lípidos, PUFAs de cadeia longa (isto é, ómega-3), polissacáridos (por exemplo, alginato, carragenina, β-glucanos), vitaminas e antioxidantes.
A espirulina é um tipo de alga habitualmente utilizado, rico em compostos bioativos de elevado valor, como proteínas (com 50–70% da massa seca). Uma vez que a espirulina é aprovada pela FDA (Administração de Alimentos e Medicamentos dos Estados Unidos) como GRAS (geralmente reconhecida como segura), a espirulina e os seus extratos podem ser utilizados em alimentos comercializados ou como suplementos alimentares.

Vantagens da extração ultrassónica de algas

A extração ultrassónica supera os métodos de extração alternativos em múltiplos aspetos, como o elevado rendimento, a fiabilidade, a segurança, a simplicidade e o respeito pelo ambiente.

Rendimento de extração completo

Os sonicadores de elevado desempenho abrem e rompem as células das algas, libertando o material intracelular. A extração ultrassónica liberta, assim, todo o espetro de compostos bioativos, como ficobiliproteínas, carotenoides, lípidos e compostos fenólicos.
As ficobiliproteínas podem ser divididas em três grupos principais, nomeadamente cloroficocianinas, aloficocianinas e ficoeritrinas. A C-ficocianina é um pigmento azul natural amplamente utilizado em alimentos e produtos farmacêuticos. A extração ultrassónica liberta todo o espetro de proteínas.

Elevada eficiência de extração

Duangsee et al. (2009) testaram dois métodos diferentes de extração de compostos bioativos da biomassa de Arthospira (extração com solvente assistida por ultrassons e extração por congelação e descongelação repetidas) e verificaram que a extração com solvente por ultrassons resultou numa eficiência de extração superior (22,1%) à da congelação e descongelação (15,6%). A comparação da rutura celular entre a sonicação e a congelação e descongelação repetidas mostra que a sonicação é mais eficaz. A cavitação ultrassónica rompe as células das algas de forma rápida e eficaz, o que resulta numa maior rutura celular em comparação com as células de espirulina tratadas por congelação e descongelação repetidas.
A sonicação foi mais eficaz na rutura do invólucro celular do que a congelação e descongelação repetidas. O rendimento da extração de ficocianina mostrou que a temperatura de processamento influenciava a eficiência da extração.

Processo de extração rápido

Os sistemas ultrassónicos de elevado desempenho podem aplicar elevada potência ultrassónica à suspensão de algas através de amplitudes elevadas. Isto torna a extração ultrassónica um método de processamento muito rápido.

Controlo da temperatura

A sonicação é uma técnica de extração não térmica e puramente mecânica. A temperatura de extração pode ser controlada com precisão através de um sensor de temperatura conectável, ligado por cabo ao sonicador digital Hielscher. O software dos sonicadores digitais da Hielscher permite definir limites de temperatura, de modo que o homogeneizador ultrassónico interrompa o funcionamento quando o limite de temperatura é atingido. O controlo preciso da temperatura permite evitar a degradação térmica de materiais termossensíveis, como ficobiliproteínas, vitaminas, polifenóis, polissacáridos, lípidos e outros compostos bioativos.

Compatível com vários solventes

A sonicação é compatível com praticamente qualquer solvente. A extração ultrassónica em combinação com solventes ecológicos, como água ou etanol, produz extratos limpos. Estes extratos ultrassónicos podem ser incorporados com segurança em alimentos, uma vez que os solventes de extração etanol e água têm o estatuto GRAS (geralmente reconhecidos como seguros).

Reprodutibilidade e normalização do processo

Os sonicadores digitais da Hielscher incluem software inteligente e uma variedade elaborada de definições para os parâmetros de extração ideais. O software regista todos os parâmetros do processo ultrassónico (por exemplo, amplitude, potência líquida, potência total, temperatura, pressão, hora, data) e grava os dados de sonicação num ficheiro CSV no cartão SD integrado. Isto permite normalizar o processo de extração e monitorizar de perto a sonicação e a qualidade dos resultados. Estas funcionalidades ajudam a cumprir os requisitos de normalização do processo, bem como as Boas Práticas de Fabrico (GMP), ambos de elevada importância quando os extratos são produzidos para suplementos, alimentos ou produtos farmacêuticos.

Protocolo de extração ultrassónica de ficocianina

Mazumder et al. (2017) investigaram os parâmetros de processamento ótimos para a extração ultrassónica de ficocianina e compostos fenólicos de Arthospira platensis. O rendimento máximo de ficocianina (29,9 mg/g) e de compostos fenólicos totais (2,4 mg/g) foi obtido com uma concentração de etanol de 40% e uma temperatura de extração de 34,9°C, utilizando o sonicador UP50H (50 watts, 30kHz) a uma amplitude de 95%, durante um tempo de extração de 104,7 sec.

Vernès et al. (2019) utilizaram um sonicador UIP1000hdT (1000W, 20kHz) para extrair proteínas de espirulina. O sonicador estava equipado com um sonotrodo BS2d34 e um reator ultrassónico de fluxo (ver a imagem abaixo para a configuração exata de extração ultrassónica com célula de fluxo e bomba Seepex).

UIP1000hdT – configuração de manotermossonicação (MTS) e a nossa extração de proteínas de espirulina à escala laboratorial
fonte: Vernes et al. 2019

Os resultados da investigação mostram que as condições de extração ultrassónica otimizadas para o rendimento de proteínas envolvem temperatura e pressão ligeiramente elevadas (a chamada manotermossonicação, MTS). A MTS promove a transferência de massa e permite obter mais 229% de proteínas (28,42 ± 1,15 g/100 g de massa seca) do que o processo convencional sem ultrassons (8,63 ± 1,15 g/100 g de massa seca).
Com 28,42 g de proteínas obtidos no extrato por cada 100 g de biomassa seca de espirulina, foi alcançada uma taxa de recuperação de proteínas de 50% em apenas 6 minutos num processo de sonicação contínua. As imagens de microscopia revelam que a cavitação acústica afeta os filamentos de espirulina através de diferentes mecanismos, como fragmentação, sonoporação e desestruturação. Estes diversos efeitos tornam a extração, a libertação e a solubilização dos compostos bioativos da espirulina mais fáceis e eficazes, resultando num elevado rendimento de proteínas de elevada qualidade.
Quanto à qualidade das proteínas extraídas por ultrassons, os aminoácidos não foram degradados pelo tratamento ultrassónico, mas estão presentes em maior quantidade no caso da sonicação em comparação com a extração convencional.
Quando se comparam a manotermossonicação e a extração ultrassónica sem pressão e temperatura elevadas, a diferença no rendimento e na eficiência da extração é apenas mínima. Por isso, os ultrassons por si só são considerados a técnica mais económica e mais fácil para produzir um extrato de elevada qualidade rico em proteínas de espirulina. A extração ultrassónica é uma técnica de extração ecológica e respeitadora do ambiente, adequada à extração de proteínas de espirulina à escala laboratorial, que pode facilmente ser ampliada para as escalas piloto e industrial. (cf. Vernès et al. 2019)

Extratores ultrassónicos de elevado desempenho

Todos os resultados de extração obtidos em pequena escala podem ser ampliados linearmente para maiores capacidades de produção. O vasto portefólio de produtos da Hielscher Ultrasonics, desde sistemas de extração laboratoriais até industriais, inclui o sonicador mais adequado à capacidade de processamento prevista. A nossa equipa com muitos anos de experiência irá prestar-lhe assistência desde os testes de viabilidade e a otimização do processo até à instalação do seu sistema ultrassónico à escala de produção final.

Hielscher Ultrasonics – Equipamento de extração sofisticado

O portefólio de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange toda a gama de extratores ultrassónicos de elevado desempenho, desde a pequena até à grande escala. Os acessórios adicionais permitem montar facilmente a configuração de equipamento ultrassónico mais adequada ao seu processo. A configuração ultrassónica ótima depende da capacidade prevista, do volume, da matéria-prima, do processo por lotes ou em linha e do cronograma. A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em regime intensivo e em ambientes exigentes. A capacidade de ampliação linear dos processos de extração ultrassónica permite aumentar a produção de forma simples e fiável. Saiba mais sobre a ampliação linear dos processos de extração ultrassónica!

Escolha entre vários acessórios, como:

• sonotrodos de vários tamanhos, diâmetros e formas
• sonotrodos para amplitudes elevadas de 200µm ou superiores
• reatores de célula de fluxo com vários volumes e geometrias
• numerosas cornetas amplificadoras para aumentar ou diminuir os ganhos
• configurações completas de sonicação, como a SonoStation, que incluem extrator ultrassónico, tanque, agitador e bomba
• sensores de temperatura conectáveis
• sensores de pressão conectáveis

A nossa equipa bem formada e com muitos anos de experiência irá aconselhá-lo e recomendar-lhe o sistema ultrassónico mais adequado aos requisitos do seu processo de extração!

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: