Extracția ultrasonică a algelor pentru suplimente nutritive
Extracția ultrasonică este metoda superioară pentru dezintegrarea eficientă și rapidă a celulelor de alge. Sonicarea poate elibera întreaga cantitate de compuși bioactivi, ceea ce face ca tehnica ultrasonică să fie foarte eficientă.
Cum se extrag proteinele, lipidele și compușii fenolici din alge cu ultrasunete
Speciile de alge și microalge sunt bogate în compuși biologic activi, cum ar fi proteine, lipide, carotenoide, pigmenți (de ex., ficocianine, astaxantină etc.), compuși fenolici și polizaharide (de ex., caragenani). Acest lucru le face un material natural utilizat pe scară largă pentru producerea de extracte pentru alimente și suplimente alimentare. Speciile de alge utilizate frecvent pentru suplimente nutritive sunt Arthrospira maxima și (cunoscută și ca spirulină), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis și Ulva spp. Algele sunt cunoscute ca o sursă bună de proteine de înaltă calitate, lipide, PUFA cu lanț lung (adică omega-3), polizaharide (de ex. alginat, caragenan, β-glucani), vitamine și antioxidanți.
Spirulina este un tip de alge utilizat frecvent, bogat în compuși bioactivi de mare valoare, cum ar fi proteinele (cu 50–70% din masa uscată). Deoarece spirulina este aprobată de FDA (Administrația pentru Alimente și Medicamente a Statelor Unite) ca GRAS (general recunoscut ca sigur), spirulina și extractele de spirulină pot fi utilizate în alimente comercializate sau ca suplimente alimentare.
Avantajele extracției ultrasonice a algelor
Extracția ultrasonică depășește metodele alternative de extracție în numeroase privințe, cum ar fi randamentul ridicat, fiabilitatea, siguranța, simplitatea și respectarea mediului.
Randament complet de extracție
Ultrasonicatoarele de înaltă performanță deschid și dezintegrează celulele de alge, astfel încât materialul intracelular este eliberat. Extracția ultrasonică eliberează astfel întregul spectru de compuși bioactivi, cum ar fi ficobiliproteinele, carotenoidele, lipidele și compușii fenolici.
Ficobiliproteinele pot fi diferențiate în trei grupe principale, și anume cloro-ficocianine, aloficocianine și ficoeritrine. C-ficocianina este un pigment albastru natural, utilizat pe scară largă în produsele alimentare și farmaceutice. Extracția ultrasonică eliberează întregul spectru de proteine.
SonoStation – un sistem ultrasonic cu 2x ultrasonicatoare de 2kW, rezervor cu agitare și pompă – este un sistem ușor de utilizat pentru extracție.
Eficiență ridicată a extracției
Duangsee et al. (2009) au testat două metode diferite de extracție (extracția cu solvent asistată de ultrasunete și extracția prin congelare și decongelare repetată) a compușilor bioactivi din biomasa de Arthospira și au constatat că extracția ultrasonică cu solvent a dus la o eficiență de extracție mai mare (22,1%) decât congelarea și decongelarea (15,6%). Comparația ruperii celulelor între sonicare și congelarea și decongelarea repetată arată că sonicarea este mai eficientă. Cavitația ultrasonică dezintegrează celulele de alge rapid și eficient, ceea ce duce la o dezintegrare mai mare a celulelor în comparație cu celulele de spirulină tratate prin congelare și decongelare repetată.
Sonicarea a fost mai eficientă în ruperea învelișului celular în comparație cu congelarea și decongelarea repetată. Randamentul de extracție al ficocianinei a arătat că temperatura de procesare a influențat eficiența extracției.
Proces de extracție rapid
Sistemele ultrasonice de înaltă performanță pot aplica o putere ultrasonică ridicată prin amplitudini mari în suspensia de alge. Acest lucru face din extracția ultrasonică o metodă de procesare foarte rapidă.
Controlul temperaturii
Ultrasonicarea este o tehnică de extracție netermică, pur mecanică. Temperatura de extracție poate fi controlată precis cu ajutorul unui senzor de temperatură conectabil, cablat la ultrasonicatorul digital Hielscher. Software-ul ultrasonicatoarelor digitale Hielscher permite setarea unor limite de temperatură, astfel încât omogenizatorul cu ultrasunete face o pauză când limita de temperatură este atinsă. Controlul precis al temperaturii permite prevenirea degradării termice a materialelor sensibile la căldură, cum ar fi ficobiliproteinele, vitaminele, polifenolii, polizaharidele, lipidele și alți compuși bioactivi.
Compatibilitate cu diverși solvenți
Ultrasonicarea este compatibilă cu aproape orice solvent. Extracția ultrasonică în combinație cu solvenți verzi, cum ar fi apa sau etanolul, produce extracte curate. Aceste extracte ultrasonice pot fi încorporate în siguranță în alimente, deoarece solvenții de extracție etanol și apă au statut GRAS (general recunoscut ca sigur).
Reproductibilitate și standardizarea procesului
Ultrasonicatoarele digitale Hielscher sunt dotate cu un software inteligent și o varietate elaborată de setări pentru parametrii ideali de extracție. Software-ul înregistrează toți parametrii procesului ultrasonic (de ex., amplitudinea, puterea netă, puterea totală, temperatura, presiunea, ora, data) și scrie datele de sonicare într-un fișier CSV pe cardul SD încorporat. Acest lucru vă permite să standardizați procesul de extracție și să monitorizați îndeaproape sonicarea și calitatea rezultatelor. Aceste funcții vă ajută să îndepliniți cerințele de standardizare a procesului, precum și Bunele Practici de Fabricație (GMP), ambele foarte importante atunci când extractele sunt produse pentru suplimente, alimente sau produse farmaceutice.
Protocol de extracție ultrasonică a ficocianinei
Mazumder et al. (2017) au investigat parametrii optimi de procesare pentru extracția ultrasonică a ficocianinei și a compușilor fenolici din Arthospira platensis. Randamentul maxim de ficocianină (29,9 mg/g) și de compuși fenolici totali (2,4 mg/g) a fost obținut la o concentrație de etanol de 40% și o temperatură de extracție de 34,9°C, folosind ultrasonicatorul UP50H (50 wați, 30kHz) la o amplitudine de 95%, pentru un timp de extracție de 104,7 sec.
Vernès et al. (2019) au utilizat un ultrasonicator UIP1000hdT (1000W, 20kHz) pentru a extrage proteine din spirulină. Ultrasonicatorul a fost echipat cu o sonotrodă BS2d34 și un reactor ultrasonic cu flux (vedeți imaginea de mai jos pentru configurația exactă de extracție ultrasonică cu celulă de flux și pompă Seepex).
UIP1000hdT – configurație pentru manotermosonicare (MTS) și extracția noastră de proteine din spirulină la scară de laborator
sursa: Vernes et al. 2019
Rezultatele cercetării arată că condițiile de extracție ultrasonică optimizate pentru randamentul de proteine implică temperatură și presiune ușor crescute (așa-numita manotermosonicare MTS). MTS favorizează transferul de masă și permite obținerea cu 229% mai multe proteine (28,42 ± 1,15 g/100 g masă uscată) decât procesul convențional fără ultrasunete (8,63 ± 1,15 g/100 g masă uscată).
Cu 28,42 g de proteine obținute la 100 g de biomasă uscată de spirulină în extract, s-a atins o rată de recuperare a proteinelor de 50% în doar 6 minute, într-un proces de sonicare continuu. Imagistica microscopică arată că cavitația acustică afectează filamentele de spirulină prin diferite mecanisme, cum ar fi fragmentarea, sonoporarea, detexturarea. Aceste efecte diverse fac extracția, eliberarea și solubilizarea compușilor bioactivi din spirulină mai ușoare și mai eficiente, ceea ce duce la un randament ridicat de proteine de înaltă calitate.
În ceea ce privește calitatea proteinelor extrase cu ultrasunete, aminoacizii nu au fost degradați de tratamentul cu ultrasunete, ci sunt prezenți într-o cantitate mai mare în cazul sonicării, comparativ cu extracția convențională.
Când se compară manotermosonicarea și extracția ultrasonică fără presiune și temperatură crescute, diferența în randamentul și eficiența extracției este doar minimă. Prin urmare, ultrasunetele singure sunt considerate tehnica cea mai economică și cea mai simplă pentru a produce un extract de înaltă calitate, bogat în proteine de spirulină. Extracția ultrasonică este o tehnică de extracție verde, ecologică, potrivită pentru extracția proteinelor din spirulină la scară de laborator, care poate fi ușor extinsă la scară pilot și industrială. (cf. Vernès et al. 2019)
UP400St pentru extracția ultrasonică a algelor într-un lot de 8L
Extractoare ultrasonice de înaltă performanță
Toate rezultatele de extracție obținute la scară mică pot fi scalate liniar la capacități de producție mai mari. Portofoliul vast de produse Hielscher Ultrasonics, de la sisteme de extracție de laborator la sisteme industriale, include ultrasonicatorul cel mai potrivit pentru capacitatea de proces pe care o aveți în vedere. Personalul nostru cu experiență îndelungată vă va asista de la testele de fezabilitate și optimizarea procesului până la instalarea sistemului ultrasonic la nivelul final de producție.
Hielscher Ultrasonics – echipamente de extracție sofisticate
Portofoliul de produse Hielscher Ultrasonics acoperă întreaga gamă de extractoare ultrasonice de înaltă performanță, de la scară mică la scară mare. Accesoriile suplimentare permit asamblarea ușoară a celei mai potrivite configurații de dispozitiv ultrasonic pentru procesul dumneavoastră. Configurația ultrasonică optimă depinde de capacitatea avută în vedere, de volum, de materia primă, de procesul în loturi sau în linie și de calendar. Robustețea echipamentelor ultrasonice Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim intensiv și în medii solicitante. Scalabilitatea liniară a proceselor de extracție ultrasonică permite creșterea simplă și fiabilă a producției. Aflați mai multe despre scalarea liniară a proceselor de extracție ultrasonică!
Alegeți dintre diverse accesorii, cum ar fi:
- sonotrode de diverse dimensiuni, diametre și forme
- sonotrode pentru amplitudini mari de 200µm și mai mult
- reactoare cu celulă de flux de diverse volume și geometrii
- numeroase boostere pentru creșterea sau reducerea amplificării
- configurații complete de sonicare, cum ar fi SonoStation, care includ extractorul ultrasonic, rezervorul, agitatorul și pompa
- senzori de temperatură conectabili
- senzori de presiune conectabili
Personalul nostru bine instruit și cu experiență îndelungată vă va consilia și vă va recomanda sistemul ultrasonic cel mai potrivit pentru cerințele procesului dumneavoastră de extracție!
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volumul lotului | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500mL | 10 până la 200mL/min | UP100H |
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000 |
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Omogenizatoare cu ultrasunete de mare putere, de la scara de laborator la scara pilot și industrială .
Literatură / Referințe
- Anupriya Mazumder; P. Prabuthas; Hari Niwas Mishra (2017): Optimization of ultrasound-assisted solvent extraction of phycocyanin and phenolics from Arthospira platensis var. ‘lonor’ biomass. Nutrafoods (2017) 16:231-239.
- Vernès L., Abert-Vian M., El Maâtaoui M., Tao Y., Bornard I., Chemat F. (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019. 48-60.
- Merlyn Sujatha Rajakumar and Karuppan Muthukumar (2018): Influence of pre-soaking conditions on ultrasonic extraction of Spirulina platensis proteins and its recovery using aqueous biphasic system. Separation Science and Technology 2018.
- Smriti Kana Pyne, Paramita Bhattacharjee, Prem Prakash Srivastav (2020): Process optimization of ultrasonication-assisted extraction to obtain antioxidant-rich extract from Spirulina platensis. Sustainability, Agri, Food and Environmental Research 8(4), 2020.
- Zhou, Jianjun; Min Wang, Francisco J. Barba, Zhenzhou Zhu, Nabil Grimi (2023):
A combined ultrasound + membrane ultrafiltration (USN-UF) process for enhancing saccharides separation from Spirulina (Arthrospira platensis). Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 85, 2023. - Rachen Duangsee, Natapas Phoopat, Suwayd Ningsanond (2009): Phycocyanin extraction from Spirulina platensis and extract stability under various pH and temperature. Asian Journal of Food and Agro-Industry 2009, 2(04), 819-826.
Informații utile
Ce este spirulina?
Spirulina, care este o bacterie procariotă, este bogată în pigmenți precum carotenoidele, clorofila și ficocianina. Carotenoidele (de ex., β-caroten, un pigment galben-portocaliu), clorofila și ficocianina se găsesc în proporție de 0,4, 1,0 și, respectiv, 14% din masa uscată. Ficocianina este o proteină albastru-verde, așa-numita biliproteină, care se află în lamelele fotosintetice din membrana citoplasmatică a cianobacteriilor.
Este utilizată ca aditiv alimentar și colorant alimentar, ca supliment nutritiv și pentru aplicații imunodiagnostice.
Cum se utilizează sonicarea în procesarea algelor?
Ultrasonicarea facilitează recoltarea algelor prin favorizarea sedimentării. Prin sonicarea biomasei de alge, vacuolele gazoase din interiorul celulei algale, care favorizează flotația algelor, sunt distruse și golite. Cu vacuolele degazate, celulele algale sedimentează pe fund, facilitând concentrarea și separarea biomasei algale. Aflați mai multe despre recoltarea ultrasonică a algelor!
În etapa ulterioară a procesului, sonicarea este o tehnică consacrată și foarte eficientă pentru extracția nutrienților și a compușilor bioactivi din alge. Aflați mai multe despre extracția ultrasonică a algelor!