Ultrassom para melhorar a rutura e extração de células de algas

As algas, macro e microalgas, contêm muitos compostos valiosos, que são utilizados como alimentos nutritivos, aditivos alimentares ou como combustível ou matéria-prima para combustível. Para libertar as substâncias-alvo das células das algas, é necessária uma técnica de rutura celular potente e eficiente. Os extractores de ultra-sons são altamente eficientes e fiáveis quando se trata da extração de compostos bioactivos de plantas, algas e fungos. Disponível em laboratório, bancada e escala industrial, os extractores de ultra-sons Hielscher estão estabelecidos na produção de extractos derivados de células na produção de alimentos, produtos farmacêuticos e biocombustíveis.

As algas como um recurso valioso para a nutrição e o combustível

As células das algas são uma fonte versátil de compostos bioactivos e ricos em energia, tais como proteínas, hidratos de carbono, lípidos e outras substâncias bioactivas, bem como alcanos. Isto faz das algas uma fonte de alimentos e compostos nutricionais, bem como de combustíveis.
As microalgas são uma fonte valiosa de lípidos, que são utilizados na alimentação e como matéria-prima para biocombustíveis (por exemplo, biodiesel). As estirpes do fitoplâncton marinho Dicrateria, como a Dicrateria rotunda, são conhecidas como algas produtoras de gasolina, que podem sintetizar uma série de hidrocarbonetos saturados (n-alcanos) a partir de C₁₀H₂₂ para C₃₈H₇₈que se classificam em gasolina (C10-C15), gasóleo (C16-C20) e fuelóleo (C21-C38).
Devido ao seu valor nutricional, as algas são utilizadas como “alimentos funcionais” OU “Nutracêuticos”. Os micronutrientes importantes extraídos das algas incluem os carotenóides astaxantina, fucoxantina e zeaxantina, fucoidan, laminari e outros glucanos, entre numerosas outras substâncias bioactivas, que são utilizadas como suplementos nutricionais e produtos farmacêuticos. A carragenina, o alginato e outros hidrocolóides são utilizados como aditivos alimentares. Os lípidos de algas são utilizados como fonte vegana de ómega 3 e também como combustível ou como matéria-prima para a produção de biodiesel.

Extração e rutura de células de algas por ultra-sons de potência

Os extractores de ultra-sons ou simplesmente ultrasonicadores são utilizados para extrair compostos valiosos de pequenas amostras no laboratório, bem como para a produção em grande escala comercial.
As células das algas estão protegidas por matrizes complexas de paredes celulares, compostas por lípidos, celulose, proteínas, glicoproteínas e polissacáridos. A base da maioria das paredes celulares das algas é constituída por uma rede de microfibrilhas no interior de uma matriz proteica semelhante a um gel; no entanto, algumas microalgas estão equipadas com uma parede rígida inorgânica composta por frústulas de sílica opalina ou carbonato de cálcio. A fim de obter compostos bioactivos a partir da biomassa de algas, é necessária uma técnica eficiente de rutura celular. Para além dos factores tecnológicos de extração (ou seja, método e equipamento de extração), a eficiência da rutura e extração das células das algas é também fortemente influenciada por vários factores dependentes das algas, como a composição da parede celular, a localização da biomolécula desejada nas células das microalgas e a fase de crescimento das microalgas durante a colheita.

Como funciona a extração e o rompimento de células de algas por ultra-sons?

Quando ondas de ultra-sons de alta intensidade são acopladas através de uma sonda ultra-sónica (também conhecida como corneta ultra-sónica ou sonotrodo) a um líquido ou lama, as ondas sonoras viajam através do líquido e criam assim ciclos alternados de alta pressão/baixa pressão. Durante estes ciclos de alta pressão / baixa pressão, ocorrem bolhas de vácuo ou cavidades minúsculas. As bolhas de cavitação ocorrem quando a pressão local desce, durante os ciclos de baixa pressão, suficientemente abaixo da pressão de vapor saturado, um valor dado pela resistência à tração do líquido a uma determinada temperatura. Estas bolhas crescem ao longo de vários ciclos. Quando estas bolhas de vácuo atingem um tamanho que não lhes permite absorver mais energia, a bolha implode violentamente durante um ciclo de alta pressão. A implosão das bolhas de cavitação é um processo violento e denso em energia que gera intensas ondas de choque, turbulências e microjactos no fluido. Para além disso, são criadas pressões muito elevadas e temperaturas muito elevadas localizadas. Estas condições extremas são facilmente capazes de romper as paredes e membranas celulares e de libertar compostos intracelulares de uma forma eficaz, eficiente e rápida. Os compostos intracelulares, tais como proteínas, polissacáridos, lípidos, vitaminas, minerais e antioxidantes podem, assim, ser eficazmente extraídos utilizando ultra-sons de potência.

Cavitação ultra-sónica para a rutura e extração de células

Quando exposta a uma energia ultra-sónica intensa, a parede ou membrana de qualquer tipo de célula (incluindo botânica, mamífera, algal, fúngica, bacteriana, etc.) é rompida e a célula é dividida em fragmentos mais pequenos pelas forças mecânicas da cavitação ultra-sónica de alta energia. Quando a parede celular é quebrada, os metabolitos celulares, tais como proteínas, lípidos, ácidos nucleicos e clorofila, são libertados da matriz da parede celular, bem como do interior da célula, e são transferidos para o meio de cultura ou solvente circundante.
O mecanismo de cavitação ultra-sónica/acústica acima descrito perturba gravemente as células de algas inteiras ou os vacúolos de gás e de líquido no interior das células. A cavitação ultra-sónica, a vibração, as turbulências e a micro-corrente promovem a transferência de massa entre o interior da célula e o solvente circundante, de modo a que as biomoléculas (ou seja, os metabolitos) sejam eficientes e rapidamente libertadas. Uma vez que a sonicação é um tratamento puramente mecânico que não necessita de produtos químicos agressivos, tóxicos e/ou dispendiosos.
Os ultra-sons de alta intensidade e baixa frequência criam condições de extrema densidade energética, com altas pressões, temperaturas e forças de cisalhamento elevadas. Estas forças físicas promovem a rutura das estruturas celulares de modo a libertar compostos intracelulares para o meio. Por conseguinte, os ultra-sons de baixa frequência são largamente utilizados para a extração de substâncias bioactivas e combustíveis das algas. Quando comparado com os métodos de extração convencionais, tais como extração com solvente, moagem de esferas ou homogeneização de alta pressão, extração de ultra-sons destaca-se pela libertação da maioria dos compostos bioactivos (tais como lípidos, proteínas, polissacáridos e micro-nutrientes) a partir da célula sonoporated e interrompido. Aplicando as condições de processo corretas, a extração por ultra-sons proporciona rendimentos de extração superiores numa duração de processo muito curta. Por exemplo, os extractores de ultra-sons de alto desempenho mostram um excelente desempenho de extração de algas, quando utilizado com um solvente adequado. Num meio ácido ou alcalino, a parede celular das algas fica porosa e enrugada, levando a um aumento dos rendimentos a baixa temperatura (abaixo de 60 ° C) num curto período de sonicação (menos de 3 horas). A curta duração da extração a temperaturas amenas impede a degradação do fucoidano, pelo que se obtém um polissacárido altamente bioativo.
A ultrassonografia é também um método para transformar o fucoidano de alto peso molecular em fucoidano de baixo peso molecular, que é significativamente mais bioativo devido à sua estrutura desramificada. Com sua alta bioatividade e bioacessibilidade, o fucoidan de baixo peso molecular é um composto interessante para produtos farmacêuticos e sistemas de entrega de medicamentos.

Estudos de caso: Extração ultra-sónica de compostos de algas

A eficiência da extração ultra-sónica e a otimização dos parâmetros de extração ultra-sónica têm sido amplamente estudadas. Abaixo, você pode encontrar resultados exemplares para os resultados de extração via ultrassom de várias espécies de algas.

Extração de proteínas da Spirulina utilizando Mano-Thermo-Sonication

O grupo de pesquisa do Prof. Chemat (Universidade de Avignon) investigou os efeitos da manothermosonication (MTS) na extração de proteínas (como a ficocianina) da cianobactéria Arthrospira platensis seca (também conhecida como spirulina). Mano-Thermo-Sonication (MTS) é a aplicação de ultra-sons combinados com pressões e temperaturas elevadas, a fim de intensificar o processo de extração de ultra-sons.
“De acordo com os resultados experimentais, o MTS promoveu a transferência de massa (elevada difusividade efectiva, De) e permitiu obter 229% mais proteínas (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) do que o processo convencional sem ultra-sons (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Com 28,42 g de proteínas por 100 g de biomassa seca de spirulina no extrato, foi alcançada uma taxa de recuperação de proteínas de 50% em 6 minutos efectivos com um processo MTS contínuo. As observações microscópicas mostraram que a cavitação acústica afectou os filamentos de spirulina através de diferentes mecanismos, como a fragmentação, a sonoporação e a detexturação. Estes vários fenómenos facilitam a extração, a libertação e a solubilização dos compostos bioactivos da spirulina.” [Vernès et al., 2019]

Imagens de microscopia ótica de filamentos inteiros de spiurulina submetidos ao tratamento com MTS ao longo do tempo. Barra de escala (figura A) = 50 μm para todas as imagens.
imagem e estudo: ©Vernès et al. 2019

Extração ultra-sônica de Fucoidan e Glucan de Laminaria digitata

O grupo de investigação TEAGASC do Dr. Tiwari investigou a extração de polissacáridos, ou seja, fucoidan, laminarina e glucanos totais, da macroalga Laminaria digitata utilizando a Ultrassom UIP500hdT. Os parâmetros de extração assistida por ultra-sons (EAU) estudados mostraram uma influência significativa nos níveis de fucose, FRAP e DPPH. Níveis de 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde e 11,02% foram obtidos para fucose, glucanos totais, FRAP e DPPH, respetivamente, em condições optimizadas de temperatura (76◦C), tempo (10 min) e amplitude ultra-sônica (100%) usando 0,1 M HCl como solvente. As condições UAE descritas foram então aplicadas com sucesso a outras macroalgas marrons economicamente relevantes (L. hyperborea e A. nodosum) para obter extratos ricos em polissacarídeos. Este estudo demonstra a aplicabilidade da EAU para melhorar a extração de polissacáridos bioactivos de várias espécies de macroalgas.

Extração fitoquímica ultra-sônica de F. vesiculosus e P. canaliculata

A equipa de investigação de García-Vaquero comparou várias novas técnicas de extração, incluindo extração ultra-sónica de alto desempenho, extração por ultra-sons-micro-ondas, extração por micro-ondas, extração assistida por hidrotérmica e extração assistida por alta pressão, a fim de avaliar a eficiência da extração das espécies de microalgas castanhas Fucus vesiculosus e Pelvetia canaliculata. Para a ultrassonografia, utilizaram o Extrator de ultra-sons Hielscher UIP500hdT. A análise dos rendimentos de extração revelou que a extração ultra-sónica alcançou os rendimentos mais elevados da maioria dos fitoquímicos de ambos os F. vesiculosus. Isto significa que os rendimentos mais elevados de compostos extraídos de F. vesiculosus usando o extrator ultrassónico UIP500hdT foram: teor de fenólicos totais (445,0 ± 4,6 mg equivalentes de ácido gálico/g), teor de florotaninos totais (362,9 ± 3,7 mg equivalentes de floroglucinol/g), teor de flavonóides totais (286,3 ± 7,8 mg equivalentes de quercetina/g) e teor de taninos totais (189,1 ± 4,4 mg equivalentes de catequina/g).
No seu estudo de investigação, a equipa concluiu que a utilização da extração assistida por ultra-sons “combinada com uma solução etanólica a 50% como solvente de extração pode ser uma estratégia promissora para a extração de TPC, TPhC, TFC e TTC, reduzindo simultaneamente a co-extração de hidratos de carbono indesejáveis de F. vesiculosus e P. canaliculata, com aplicações promissoras na utilização destes compostos como produtos farmacêuticos, nutracêuticos e cosmecêuticos.” [García-Vaquero et al., 2021]

Aumento da escala da mano-termo-sonicação na Universidade de Avignon com ultrassons Hielscher: do equipamento de laboratório UIP1000hdt (A) para equipamento à escala-piloto UIP4000hdt (B, C & D). Na figura D está esquematizada uma secção transversal da célula de fluxo ultra-sónica FC100K.
imagem e estudo: ©Vernès et al. 2019

Extractores ultra-sónicos de elevado desempenho para a eliminação de algas

O equipamento ultrassónico de última geração da Hielscher permite o controlo total dos parâmetros do processo, como a amplitude, a temperatura, a pressão e a entrada de energia.
Para a extração por ultra-sons, parâmetros como o tamanho das partículas da matéria-prima, o tipo de solvente, a relação sólido-solvente e o tempo de extração podem ser variados e optimizados para obter os melhores resultados.
Uma vez que a extração ultra-sónica é um método de extração não térmico, evita-se a degradação térmica dos ingredientes bioactivos presentes na matéria-prima, como as algas.
Em geral, as vantagens como o elevado rendimento, o curto tempo de extração, a baixa temperatura de extração e as pequenas quantidades de solvente fazem da sonicação o método de extração superior.

Extração por ultra-sons: Estabelecido em laboratório e na indústria

A extração por ultra-sons é amplamente aplicada para a extração de qualquer tipo de composto bioativo de plantas, algas, bactérias e células de mamíferos. A extração ultra-sônica foi estabelecida como um simples, rentável e altamente eficiente que supera outras técnicas de extração tradicionais por rendimentos de extração mais elevados e duração de processamento mais curta.
Com sistemas de ultra-sons de laboratório, de bancada e totalmente industriais prontamente disponíveis, a extração por ultra-sons é hoje em dia uma tecnologia bem estabelecida e de confiança. Os extractores de ultra-sons Hielscher estão instalados em todo o mundo em instalações de processamento industrial que produzem compostos bioactivos de qualidade alimentar e farmacêutica.

Padronização de processos com a Hielscher Ultrasonics

Os extractos derivados de algas, que são utilizados em produtos alimentares, farmacêuticos ou cosméticos, devem ser produzidos de acordo com as Boas Práticas de Fabrico (BPF) e com especificações de processamento normalizadas. Hielscher Ultrasonics’ Os sistemas de extração digital são fornecidos com software inteligente, o que facilita a definição e o controlo preciso do processo de sonicação. O registo automático de dados grava todos os parâmetros do processo de ultra-sons, tais como a energia dos ultra-sons (energia total e líquida), a amplitude, a temperatura, a pressão (quando os sensores de temperatura e pressão estão montados) com carimbo de data e hora no cartão SD incorporado. Isto permite-lhe rever cada lote processado por ultra-sons. Ao mesmo tempo, é garantida a reprodutibilidade e a alta qualidade contínua do produto.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: