Ultrassonicação para melhorar a rutura celular e a extração de algas

As algas, macroalgas e microalgas, contêm muitos compostos valiosos, que são utilizados como alimentos nutritivos, aditivos alimentares, combustíveis ou matérias-primas para combustíveis. Para libertar as substâncias pretendidas das células das algas, é necessária uma técnica de rutura celular potente e eficiente. Os extratores ultrassónicos são altamente eficientes e fiáveis na extração de compostos bioativos de matérias vegetais, algas e fungos. Disponíveis à escala laboratorial, de bancada e industrial, os extratores ultrassónicos Hielscher estão consolidados na produção de extratos derivados de células para a produção alimentar, farmacêutica e de biocombustíveis.

Algas como recurso valioso para a nutrição e os combustíveis

As células das algas são uma fonte versátil de compostos bioativos e ricos em energia, como proteínas, hidratos de carbono, lípidos e outras substâncias bioativas, bem como alcanos. Isto faz das algas uma fonte de alimentos e compostos nutritivos, bem como de combustíveis.
As microalgas são uma fonte valorizada de lípidos, utilizados na nutrição e como matéria-prima para biocombustíveis (por exemplo, biodiesel). As estirpes do fitoplâncton marinho Dicrateria, como Dicrateria rotunda, são conhecidas como algas produtoras de gasolina, capazes de sintetizar uma série de hidrocarbonetos saturados (n-alcanos) de C₁₀H₂₂ a C₃₈H₇₈, classificados como gasolina (C10–C15), gasóleos (C16–C20) e fuelóleos (C21–C38).
Devido ao seu valor nutricional, as algas são utilizadas como “alimentos funcionais” ou “nutracêuticos”. Entre os micronutrientes importantes extraídos das algas encontram-se os carotenoides astaxantina, fucoxantina e zeaxantina, o fucoidano, laminari e outros glucanos, que, juntamente com numerosas outras substâncias bioativas, são utilizados como suplementos nutricionais e produtos farmacêuticos. A carragenina, o alginato e outros hidrocoloides são utilizados como aditivos alimentares. Os lípidos das algas são utilizados como fonte vegana de ómega-3 e também como combustível ou como matéria-prima para a produção de biodiesel.

Rutura celular e extração de algas por ultrassons de potência

Os extratores ultrassónicos, ou simplesmente sonicadores, são utilizados para extrair compostos valiosos de pequenas amostras no laboratório, bem como para a produção comercial em grande escala.
As células das algas são protegidas por matrizes complexas da parede celular, compostas por lípidos, celulose, proteínas, glicoproteínas e polissacáridos. A base da maioria das paredes celulares das algas é constituída por uma rede microfibrilar numa matriz proteica semelhante a um gel; contudo, algumas microalgas possuem uma parede inorgânica rígida composta por frústulas de sílica opalina ou carbonato de cálcio. Para obter compostos bioativos da biomassa de algas, é necessária uma técnica eficiente de rutura celular. Além dos fatores tecnológicos de extração (isto é, método e equipamento de extração), a eficiência da rutura celular e da extração de algas é também fortemente influenciada por vários fatores dependentes das algas, como a composição da parede celular, a localização da biomolécula pretendida nas células das microalgas e a fase de crescimento das microalgas durante a colheita.

Como funcionam a rutura celular e a extração ultrassónicas de algas?

Quando ondas ultrassónicas de alta intensidade são acopladas a um líquido ou a uma suspensão através de uma sonda ultrassónica (também conhecida como corneta ultrassónica ou sonotrodo), as ondas sonoras propagam-se pelo líquido e criam ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão. Durante estes ciclos de alta pressão / baixa pressão, formam-se minúsculas bolhas de vácuo ou cavidades. As bolhas de cavitação formam-se quando a pressão local desce, durante os ciclos de baixa pressão, suficientemente abaixo da pressão de vapor saturado, um valor determinado 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 em que já não conseguem absorver mais energia, a bolha implode violentamente durante um ciclo de alta pressão. A implosão das bolhas de cavitação é um processo violento, de elevada densidade energética, que gera ondas de choque intensas, turbulências e microjatos no fluido. Além disso, são criadas pressões e temperaturas localizadas muito elevadas. Estas condições extremas conseguem facilmente romper paredes e membranas celulares e libertar compostos intracelulares de forma efetiva, eficaz e rápida. Os compostos intracelulares, como proteínas, polissacáridos, lípidos, vitaminas, minerais e antioxidantes, podem assim ser extraídos eficazmente utilizando ultrassons de potência.

Cavitação ultrassónica para rutura celular e extração

Quando exposta a energia ultrassónica intensa, a parede ou membrana de qualquer tipo de célula (incluindo células vegetais, de mamíferos, de algas, de fungos, bacterianas, etc.) sofre rutura e a célula é rasgada em fragmentos mais pequenos pelas forças mecânicas da cavitação ultrassónica de elevada densidade energética. Quando a parede celular é rompida, os metabolitos celulares, como proteínas, lípidos, ácidos nucleicos e clorofila, são libertados tanto da matriz da parede celular como do interior da célula e transferidos para o meio de cultura ou solvente circundante.
O mecanismo de cavitação ultrassónica / acústica acima descrito provoca uma rutura intensa de células inteiras de algas ou dos vacúolos gasosos e líquidos no interior das células. A cavitação ultrassónica, a vibração, as turbulências e os microescoamentos promovem a transferência de massa entre o interior da célula e o solvente circundante, de modo que as biomoléculas (isto é, os metabolitos) são libertadas de forma eficiente e rápida. A sonicação é um tratamento puramente mecânico que não requer produtos químicos agressivos, tóxicos e/ou dispendiosos.
Os ultrassons de alta intensidade e baixa frequência criam condições extremas de elevada densidade energética, caracterizadas por pressões e temperaturas elevadas e fortes forças de cisalhamento. Estas forças físicas promovem a rutura das estruturas celulares para libertar compostos intracelulares no meio. Por conseguinte, os ultrassons de baixa frequência são amplamente utilizados para a extração de substâncias bioativas e combustíveis de algas. Comparada com métodos convencionais de extração, como a extração por solventes, a moagem em moinho de esferas ou a homogeneização a alta pressão, a extração ultrassónica destaca-se por libertar a maior parte dos compostos bioativos (como lípidos, proteínas, polissacáridos e micronutrientes) da célula sonoporada e rompida. Aplicando as condições de processo adequadas, a extração ultrassónica proporciona rendimentos de extração superiores num período de processamento muito curto. Por exemplo, os extratores ultrassónicos de elevado desempenho apresentam um excelente desempenho na extração de algas quando utilizados com um solvente adequado. Num meio ácido ou alcalino, a parede celular das algas torna-se porosa e enrugada, conduzindo a rendimentos mais elevados a baixa temperatura (inferior a 60°C) num curto tempo de sonicação (menos de 3 horas). A curta duração da extração a temperaturas moderadas impede a degradação do fucoidano, permitindo obter um polissacárido altamente bioativo.
A ultrassonicação é também um método para transformar fucoidano de elevada massa molecular em fucoidano de baixa massa molecular, significativamente mais bioativo devido à sua estrutura desramificada. Com a sua elevada bioatividade e bioacessibilidade, o fucoidano de baixa massa molecular é um composto interessante para produtos farmacêuticos e sistemas de administração de fármacos.

Estudos de caso: extração ultrassónica de compostos de algas

A eficiência da extração ultrassónica e a otimização dos seus parâmetros têm sido amplamente estudadas. Abaixo, pode encontrar exemplos de resultados de extração por ultrassonicação de várias espécies de algas.

Extração de proteínas de Spirulina por manotermosonicação

O grupo de investigação do Prof. Chemat (Universidade de Avignon) investigou os efeitos da manotermosonicação (MTS) na extração de proteínas (como a ficocianina) de cianobactérias Arthrospira platensis secas (também conhecidas como spirulina). A manotermosonicação (MTS) consiste na aplicação de ultrassons combinados com pressões e temperaturas elevadas para intensificar o processo de extração ultrassónica.
“De acordo com os resultados experimentais, a MTS promoveu a transferência de massa (elevada difusividade efetiva, De) e permitiu obter mais 229% de proteínas (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) do que o processo convencional sem ultrassons (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 efetivos com um processo contínuo de MTS. As observações microscópicas mostraram que a cavitação acústica afetou os filamentos de spirulina através de diferentes mecanismos, como fragmentação, sonoporação e desestruturação da textura. Estes diversos fenómenos facilitam a extração, a libertação e a solubilização dos compostos bioativos da spirulina.” [Vernès et al., 2019]

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

Extração ultrassónica de fucoidano e glucanos de Laminaria digitata

O grupo de investigação TEAGASC do Dr. Tiwari investigou a extração de polissacáridos, isto é, fucoidano, laminarina e glucanos totais, da macroalga Laminaria digitata utilizando o sonicador UIP500hdT. Os parâmetros estudados da extração assistida por ultrassons (UAE) mostraram uma influência significativa nos níveis de fucose, FRAP e DPPH. Foram obtidos níveis de 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde e 11,02% para fucose, glucanos totais, FRAP e DPPH, respetivamente, em condições otimizadas de temperatura (76◦C), tempo (10 min) e amplitude ultrassónica (100%), utilizando 0,1 M HCl como solvente. As condições de UAE descritas foram depois aplicadas com sucesso a outras macroalgas castanhas economicamente relevantes (L. hyperborea e A. nodosum) para obter extratos ricos em polissacáridos. Este estudo demonstra a aplicabilidade da UAE para melhorar a extração de polissacáridos bioativos de várias espécies de macroalgas.

Extração ultrassónica de compostos fitoquímicos de F. vesiculosus e P. canaliculata

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

Aumento de escala da manotermosonicação na Universidade de Avignon utilizando sonicadores Hielscher: do equipamento laboratorial UIP1000hdT (A) ao equipamento à escala piloto UIP4000hdT (B, C e D). Na imagem D encontra-se esquematizada uma secção transversal da célula de fluxo ultrassónica FC100K.
imagem e estudo: ©Vernès et al. 2019

Extratores ultrassónicos de elevado desempenho para rutura de algas

O equipamento ultrassónico de última geração da Hielscher permite um controlo total dos parâmetros do processo, como amplitude, temperatura, pressão e energia fornecida.
Na extração ultrassónica, parâmetros como o tamanho das partículas da matéria-prima, o tipo de solvente, a relação sólido/solvente e o tempo de extração podem ser alterados e otimizados para obter os melhores resultados.
Uma vez que a extração ultrassónica é um método de extração não térmico, evita-se a degradação térmica dos ingredientes bioativos presentes na matéria-prima, como as algas.
De um modo geral, 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 ultrassónica: consolidada no laboratório e na indústria

A extração ultrassónica é amplamente utilizada para extrair qualquer tipo de composto bioativo de matérias vegetais, algas, bactérias e células de mamíferos. A extração ultrassónica consolidou-se como uma técnica simples, económica e altamente eficiente, que supera outras técnicas tradicionais de extração graças aos rendimentos de extração mais elevados e à menor duração do processamento.
Com sistemas ultrassónicos laboratoriais, de bancada e totalmente industriais prontamente disponíveis, a extração ultrassónica é atualmente uma tecnologia bem consolidada e de confiança. Os extratores ultrassónicos Hielscher estão instalados em todo o mundo em unidades de processamento industrial que produzem compostos bioativos de grau alimentar e farmacêutico.

Normalização do processo com Hielscher Ultrasonics

Os extratos derivados de algas utilizados em alimentos, produtos farmacêuticos ou cosméticos devem ser produzidos de acordo com as Boas Práticas de Fabrico (GMP) e segundo especificações de processamento normalizadas. Os sistemas digitais de extração da Hielscher Ultrasonics incluem software inteligente, que facilita a configuração e o controlo preciso do processo de sonicação. O registo automático de dados grava todos os parâmetros do processo ultrassónico, como energia ultrassónica (energia total e líquida), amplitude, temperatura e pressão (quando estão instalados sensores de temperatura e pressão), com indicação de data e hora no cartão SD integrado. Isto permite rever cada lote processado por ultrassons. Ao mesmo tempo, são asseguradas a reprodutibilidade e uma qualidade de produto continuamente elevada.

A tabela abaixo indica a capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: