Ultrasonication pentru a îmbunătăți perturbarea celulelor algelor și extracția

Algele, macro- și microalgele, conțin mulți compuși valoroși, care sunt utilizați ca alimente nutritive, aditivi alimentari sau ca materie primă pentru combustibil sau combustibil. Pentru a elibera substanțele țintă din celula algelor, este necesară o tehnică puternică și eficientă de întrerupere celulară. Extractoare cu ultrasunete sunt extrem de eficiente și fiabile atunci când vine vorba de extracția compușilor bioactivi din botanice, alge și ciuperci. Disponibil la laborator, banc-top și scară industrială, extractoare cu ultrasunete Hielscher sunt stabilite în producția de extracte derivate din celule în producția de alimente, farmaceutice și biocombustibil.

Algele ca resursă valoroasă pentru nutriție și combustibil

Celulele algelor sunt o sursă versatilă de compuși bioactivi și bogați în energie, cum ar fi proteinele, carbohidrații, lipidele și alte substanțe bioactive, precum și alcanii. Acest lucru face ca algele să fie o sursă de alimente și compuși nutriționali, precum și pentru combustibili.
Microalgele sunt o sursă valoroasă de lipide, care sunt utilizate pentru nutriție și ca materie primă pentru biocombustibili (de exemplu, biodiesel). Tulpinile de fitoplancton marin Dicrateria, cum ar fi Dicrateria rotunda, sunt cunoscute sub numele de alge producătoare de petrol, care pot sintetiza o serie de hidrocarburi saturate (n-alcani) din C₁₀H₂₂ până la C₃₈H₇₈, care sunt clasificate în benzină (C10-C15), motorină (C16-C20) și păcură (C21-C38).
Datorită valorii lor nutritive, algele sunt folosite ca "alimente funcționale" sau "nutraceutice". Micronutrienții importanți extrași din alge includ carotenoidele astaxantină, fucoxantină și zeaxantină, fucoidan, laminari și alți glucani, printre numeroase alte substanțe bioactive, care sunt utilizate ca suplimente nutritive și farmaceutice. Caragenanul, alginatul și alți hidrocoloizi sunt utilizați ca aditivi alimentari. Lipidele algelor sunt utilizate ca sursă vegană de omega-3 și, de asemenea, utilizate ca combustibil sau ca materie primă pentru producția de biodiesel.

Întreruperea celulelor algelor și extracția prin ultrasunete de putere

Extractoare cu ultrasunete sau pur și simplu ultrasonicators sunt utilizate pentru a extrage compuși valoroși din probe mici în laborator, precum și pentru producția la scară comercială mare.
Celulele algelor sunt protejate de matrice complexe ale peretelui celular, care sunt compuse din lipide, celuloză, proteine, glicoproteine și polizaharide. Baza majorității pereților celulari ai algelor este construită dintr-o rețea microfibrilară într-o matrice proteică asemănătoare gelului; Cu toate acestea, unele microalge sunt echipate cu un perete rigid anorganic compus din frustule de siliciu opaline sau carbonat de calciu. Pentru a obține compuși bioactivi din biomasa algelor, este necesară o tehnică eficientă de întrerupere celulară. Pe lângă factorii tehnologici de extracție (adică metoda și echipamentul de extracție), eficiența întreruperii și extracției celulelor algelor este, de asemenea, puternic influențată de diferiți factori dependenți de alge, cum ar fi compoziția peretelui celular, localizarea biomoleculei dorite în celulele microalgelor și stadiul de creștere a microalgelor în timpul recoltării.

Cum funcționează întreruperea și extracția celulelor algelor cu ultrasunete?

Atunci când undele cu ultrasunete de înaltă intensitate sunt cuplate printr-o sondă cu ultrasunete (cunoscută și sub numele de corn ultrasonic sau sonotrode) într-un lichid sau suspensie, undele sonore călătoresc prin lichid și creează astfel cicluri alternative de înaltă presiune / joasă presiune. În timpul acestor cicluri de înaltă presiune / joasă presiune, apar bule de vid sau cavități minuscule. Bulele de cavitație apar atunci când presiunea locală scade în timpul ciclurilor de joasă presiune suficient de mult sub presiunea saturată a vaporilor, o valoare dată de rezistența la tracțiune a lichidului la o anumită temperatură. Care cresc pe parcursul mai multor cicluri. Când aceste bule de vid ajung la o dimensiune în care nu pot absorbi mai multă energie, bula implodează violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Implozia bulelor de cavitație este un proces violent, dens din punct de vedere energetic, care generează unde de șoc intense, turbulențe și micro-jeturi în fluid. În plus, se creează presiuni foarte ridicate localizate și temperaturi foarte ridicate. Aceste condiții extreme sunt ușor capabile să perturbe pereții celulari și membranele și să elibereze compuși intracelulari într-un mod eficient, eficient și rapid. Compușii intracelulari, ar fi proteinele, polizaharidele, lipidele, vitaminele, mineralele și antioxidanții pot fi astfel extrași eficient folosind ultrasunete de putere.

Cavitație cu ultrasunete pentru întreruperea celulelor și extracție

Atunci când este expus la energie ultrasonică intensă, peretele sau membrana oricărui tip de celulă (inclusiv botanice, mamifere, algal, fungice, bacteriene etc.) este perturbat și celula este ruptă în fragmente mai mici de forțele mecanice de cavitație cu ultrasunete densă energetic. Când peretele celular este rupt, metaboliții celulari, cum ar fi proteinele, lipidele, acidul nucleic și clorofila, sunt eliberați din matricea peretelui celular, precum și din interiorul celulei și sunt transferați în mediul de cultură sau solventul înconjurător.
Mecanismul descris mai sus de cavitație cu ultrasunete / acustică perturbă celulele algelor întregi sau vacuolele de gaz și lichid din celule sever. Cavitația cu ultrasunete, vibrațiile, turbulențele și micro-streamingul promovează transferul de masă între interiorul celulei și solventul înconjurător, astfel încât biomoleculele (adică metaboliții) sunt eficiente și eliberate rapid. Deoarece sonicare este un tratament pur mecanic care nu necesită substanțe chimice dure, toxice și / sau scumpe.
Ultrasunetele de înaltă intensitate, de joasă frecvență, creează condiții extreme de densitate a energiei, prezentând presiuni ridicate, temperaturi și forțe mari de forfecare. Aceste forțe fizice promovează perturbarea structurilor celulare pentru a elibera compuși intracelulari în mediu. Prin urmare, ultrasunetele de joasă frecvență sunt utilizate pe scară largă pentru extracția substanțelor bioactive și a combustibililor din alge. În comparație cu metodele convenționale de extracție, ar fi extracția cu solvent, măcinarea mărgelelor sau omogenizarea la presiune înaltă, extracția cu ultrasunete excelează prin eliberarea majorității compușilor bioactivi (ar fi lipidele, proteinele, polizaharidele și micronutrienții) din celula sonoperată și perturbată. Aplicând condițiile corecte de proces, extracția cu ultrasunete oferă randamente superioare de extracție într-o durată foarte scurtă a procesului. De exemplu, extractoare cu ultrasunete de înaltă performanță arată performanțe excelente de extracție din alge, atunci când sunt utilizate cu un solvent adecvat. Într-un mediu acid sau alcalin, peretele celular al algelor devine poros și încrețit, ceea ce duce la randamente crescute la temperatură scăzută (sub 60 ° C) într-un timp scurt de sonicare (mai puțin de 3 ore). Durata scurtă de extracție la temperaturi ușoare previne degradarea fucoidanului, astfel încât se obține o polizaharidă foarte bioactivă.
Ultrasonication este, de asemenea, o metodă de transformare a fucoidanului cu greutate moleculară mare în fucoidan cu greutate moleculară mică, care este semnificativ mai bioactiv datorită structurii sale ramificate. Cu bioactivitatea și bioaccesibilitatea sa ridicată, fucoidanul cu greutate moleculară mică este un compus interesant pentru produsele farmaceutice și sistemele de livrare a medicamentelor.

Studii de caz: Extracția cu ultrasunete a compușilor algelor

Eficiența extracției cu ultrasunete și optimizarea parametrilor de extracție cu ultrasunete au fost studiate pe scară largă. Mai jos, puteți găsi rezultate exemplare pentru rezultatele extracției prin ultrasonication din diferite specii de alge.

Extracția proteinelor din Spirulina folosind Mano-Thermo-Sonication

Grupul de cercetare al Prof. Chemat (Universitatea din Avignon) a investigat efectele manothermosonication (MTS) asupra extracției proteinelor (cum ar fi ficocianina) din cianobacteriile uscate Arthrospira platensis (cunoscute și sub numele de spirulină). Mano-Thermo-Sonication (MTS) este aplicarea de ultrasunete combinate cu presiuni ridicate și temperaturi, în scopul de a intensifica procesul de extracție cu ultrasunete.
"Conform rezultatelor experimentale, MTS a promovat transferul de masă (difuzivitate efectivă ridicată, De) și a permis obținerea a 229% mai multe proteine (28,42 ± 1,15 g / 100 g DW) decât procesul convențional fără ultrasunete (8,63 ± 1,15 g / 100 g DW). Cu 28,42 g de proteine la 100 g de biomasă uscată de spirulină în extract, o rată de recuperare a proteinelor de 50% a fost atinsă în 6 minute eficiente cu un proces MTS continuu. Observațiile microscopice au arătat că cavitația acustică a afectat filamentele de spirulină prin diferite mecanisme, cum ar fi fragmentarea, sonoporarea, detexturarea. Aceste fenomene diferite facilitează extracția, eliberarea și solubilizarea compușilor bioactivi ai spirulinei. [Vernès și colab., 2019]

Imagini microscopice optice ale filamentelor întregi de spiurulină supuse tratamentului MTS în timp. Bară scalară (imaginea A) = 50 μm pentru toate imaginile.
imagine și studiu: ©Vernès et al. 2019

Extracție cu ultrasunete Fucoidan și glucan din Laminaria digitata

Grupul de cercetare TEAGASC al Dr. Tiwari a investigat extracția polizaharidelor, adică fucoidan, laminarin și glucani totali, din macroalgele Laminaria digitata folosind Ultrasonicator UIP500hdT. Extracția ultrasonically asistată (EAU) parametrii studiați au arătat o influență semnificativă asupra nivelurilor de fucoză, FRAP și DPPH. Niveluri de 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde și 11,02% au fost obținute pentru fucoză, glucani totali, FRAP și DPPH respectiv în condiții optimizate de temperatură (76◦C), timp (10 min) și amplitudine ultrasonică (100%) folosind 0,1 M HCl ca solvent. Condițiile EAU descrise au fost apoi aplicate cu succes altor macroalge brune relevante din punct de vedere economic (L. hyperborea și A. nodosum) pentru a obține extracte bogate în polizaharide. Acest studiu demonstrează aplicabilitatea EAU pentru a spori extracția polizaharidelor bioactive din diferite specii de macroalge.

Extracție fitochimică cu ultrasunete din F. veziculos și P. canaliculata

Echipa de cercetare García-Vaquero a comparat diferite tehnici noi de extracție, inclusiv extracția cu ultrasunete de înaltă performanță, extracția cu ultrasunete-microunde, extracția cu microunde, extracția asistată hidrotermal și extracția asistată de înaltă presiune pentru a evalua eficiența extracției din speciile de microalge brune Fucus vesiculosus și Pelvetia canaliculata. Pentru ultrasonication, au folosit Hielscher UIP500hdT extractor cu ultrasunete. Anylsis a randamentelor de extracție a arătat că extracția cu ultrasunete a obținut cele mai mari randamente de cele mai multe fitochimicale din ambele F. vesiculosus. Aceasta înseamnă că cele mai mari producții de compuși extrași din F. vesiculosus folosind extractor cu ultrasunete UIP500hdT au fost: conținutul fenolic total (445,0 ± 4,6 mg echivalenți acid galic/g), conținutul total de florotanină (362,9 ± 3,7 mg echivalenți floroglucinol/g), conținutul total de flavonoide (286,3 ± 7,8 mg echivalent quercetină/g) și conținutul total de tanin (189,1 ± 4,4 mg echivalenți catechine/g).
În studiul lor de cercetare, echipa a concluzionat că utilizarea extracției ultrasonically asistate "combinată cu 50% soluție etanolică ca solvent de extracție ar putea fi o strategie promițătoare care vizează extracția TPC, TPhC, TFC și TTC, reducând în același timp co-extracția carbohidraților nedoriți atât din F. vesiculosus și P. canaliculata, cu aplicații promițătoare atunci când se utilizează acești compuși ca produse farmaceutice, nutraceutice și cosmeceutice." [García-Vaquero și colab., 2021]

Scalarea mano-termo-sonicare la Universitatea din Avignon folosind ultrasonicators Hielscher: de la echipamente de laborator UIP1000hdT (A) să piloteze echipamente la scară UIP4000hdT (B, C & D). În imaginea D este schematizată o secțiune transversală a celulei de flux cu ultrasunete FC100K.
imagine și studiu: ©Vernès et al. 2019

Extractoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru perturbarea algelor

Hielscher de ultimă oră echipamente cu ultrasunete permite un control deplin asupra parametrilor procesului, ar fi amplitudinea, temperatura, presiunea și aportul de energie.
Pentru extracția cu ultrasunete, parametrii ar fi dimensiunea particulelor materiei prime, tipul solventului, raportul solid-solvent și timpul de extracție pot fi variate și optimizate pentru cele mai bune rezultate.
Deoarece extracția cu ultrasunete este o metodă de extracție non-termică, se evită degradarea termică a ingredientelor bioactive prezente în materia primă, ar fi algele.
În general, avantaje, cum ar fi randament ridicat, timp scurt de extracție, temperatură scăzută de extracție, și cantități mici de solvent face sonicare metoda superioară de extracție.

Extracție cu ultrasunete: Stabilit în laborator și industrie

Extracția cu ultrasunete este aplicată pe scară largă pentru extracția oricărui tip de compus bioactiv din botanice, alge, bacterii și celule de mamifere. Extracția cu ultrasunete a fost stabilită ca un simplu, rentabil și extrem de eficient, care excelează alte tehnici tradiționale de extracție prin randamente mai mari de extracție și durată de procesare mai scurtă.
Cu laborator, banc-top și sisteme cu ultrasunete complet industriale disponibile, extracția cu ultrasunete este în zilele noastre o tehnologie bine stabilită și de încredere. Hielscher extractoare cu ultrasunete sunt instalate în întreaga lume în instalații industriale de prelucrare care produc compuși bioactivi de calitate alimentară și farmaceutică.

Procesul de standardizare cu Hielscher Ultrasonics

Extractele derivate din alge, care sunt utilizate în alimente, produse farmaceutice sau cosmetice, trebuie să fie produse în conformitate cu bunele practici de fabricație (BPF) și în conformitate cu specificațiile standardizate de prelucrare. Hielscher Ultrasonics' sisteme digitale de extracție vin cu software inteligent, ceea ce face ușor pentru a seta și controla procesul sonicare cu precizie. Înregistrarea automată a datelor scrie toți parametrii procesului cu ultrasunete, ar fi energia cu ultrasunete (energia totală și netă), amplitudinea, temperatura, presiunea (când senzorii de temperatură și presiune sunt montați) cu ștampila de dată și oră pe cardul SD încorporat. Acest lucru vă permite să revizuiți fiecare lot ultrasonically prelucrat. În același timp, sunt asigurate reproductibilitatea și calitatea continuă ridicată a produselor.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: