Ultrasonicarea pentru îmbunătățirea dezintegrării celulelor de alge și a extracției

Algele, macro- și microalgele, conțin mulți compuși valoroși, care sunt utilizați ca alimente nutritive, aditivi alimentari sau drept combustibil ori materie primă pentru combustibili. Pentru a elibera substanțele țintă din celula de algă, este necesară o tehnică puternică și eficientă de dezintegrare a celulelor. Extractoarele cu ultrasunete sunt extrem de eficiente și fiabile atunci când vine vorba de extracția compușilor bioactivi din plante, alge și ciuperci. Disponibile la scară de laborator, de banc și industrială, extractoarele cu ultrasunete Hielscher sunt consacrate în producția de extracte celulare în industria alimentară, farmaceutică și în producția de biocombustibili.

Algele ca resursă valoroasă pentru nutriție și combustibil

Celulele de alge sunt o sursă versatilă de compuși bioactivi și bogați în energie, precum proteine, carbohidrați, lipide și alte substanțe bioactive, precum și alcani. Acest lucru face din alge o sursă de alimente și compuși nutritivi, dar și de combustibili.
Microalgele sunt o sursă apreciată de lipide, care sunt utilizate în nutriție și ca materie primă pentru biocombustibili (de exemplu, biodiesel). Tulpinile fitoplanctonului marin Dicrateria, precum Dicrateria rotunda, sunt cunoscute ca alge producătoare de benzină, care pot sintetiza o serie de hidrocarburi saturate (n‐alcani) de la C₁₀H₂₂ până la C₃₈H₇₈, care sunt clasificate drept benzină (C10–C15), motorine (C16–C20) și păcuri (C21–C38).
Datorită valorii lor nutritive, algele sunt utilizate ca „alimente funcționale” sau „nutraceutice”. Micronutrienții importanți extrași din alge includ carotenoidele astaxantină, fucoxantină și zeaxantină, fucoidanul, laminari și alți glucani, printre numeroase alte substanțe bioactive, care sunt utilizate ca suplimente nutritive și produse farmaceutice. Caragenanul, alginatul și alți hidrocoloizi sunt utilizați ca aditivi alimentari. Lipidele din alge sunt utilizate ca sursă vegană de omega-3 și, de asemenea, drept combustibil sau ca materie primă pentru producția de biodiesel.

Dezintegrarea celulelor de alge și extracția cu ultrasunete de putere

Extractoarele cu ultrasunete sau, simplu, ultrasonicatoarele sunt utilizate pentru extracția compușilor valoroși din probe mici în laborator, precum și pentru producția la scară comercială mare.
Celulele de alge sunt protejate de matrici complexe ale peretelui celular, compuse din lipide, celuloză, proteine, glicoproteine și polizaharide. Baza majorității pereților celulari ai algelor este formată dintr-o rețea microfibrilară într-o matrice proteică asemănătoare unui gel; cu toate acestea, unele microalge sunt prevăzute cu un perete rigid anorganic, compus din frustule de silice opalină sau din carbonat de calciu. Pentru a obține compuși bioactivi din biomasa algală, este necesară o tehnică eficientă de dezintegrare a celulelor. Pe lângă factorii tehnologici ai extracției (adică metoda și echipamentul de extracție), eficiența dezintegrării celulelor de alge și a extracției este puternic influențată și de diverși factori dependenți de alge, precum compoziția peretelui celular, localizarea biomoleculei dorite în celulele microalgelor și stadiul de creștere al microalgelor în momentul recoltării.

Cum funcționează dezintegrarea celulelor de alge și extracția cu ultrasunete?

Atunci când undele ultrasonice de intensitate ridicată sunt cuplate printr-o sondă ultrasonică (cunoscută și sub denumirea de sonotrodă ultrasonică sau sonotrodă) într-un lichid sau într-o suspensie, undele sonore se propagă prin lichid și creează astfel cicluri alternante de presiune înaltă / presiune joasă. În timpul acestor cicluri de presiune înaltă / presiune joasă apar bule de vid sau cavități minuscule. Bulele de cavitație apar atunci când presiunea locală scade, în timpul ciclurilor de presiune joasă, suficient de mult sub presiunea vaporilor saturați, o valoare dată de rezistența la tracțiune a lichidului la o anumită temperatură. Acestea cresc pe parcursul mai multor cicluri. Când aceste bule de vid ating o dimensiune la care nu mai pot absorbi energie, bula implodează violent în timpul unui ciclu de presiune înaltă. Implozia bulelor de cavitație este un proces violent, cu densitate energetică mare, care generează unde de șoc intense, turbulențe și microjeturi în fluid. În plus, se creează local presiuni foarte înalte și temperaturi foarte ridicate. Aceste condiții extreme sunt capabile cu ușurință să dezintegreze pereții și membranele celulare și să elibereze compușii intracelulari într-un mod eficient, eficace și rapid. Compușii intracelulari precum proteinele, polizaharidele, lipidele, vitaminele, mineralele și antioxidanții pot fi astfel extrași eficient cu ajutorul ultrasunetelor de putere.

Cavitația ultrasonică pentru dezintegrarea celulelor și extracție

Atunci când este expus la energie ultrasonică intensă, peretele sau membrana oricărui tip de celulă (inclusiv vegetală, de mamifer, algală, fungică, bacteriană etc.) este dezintegrat(ă), iar celula este ruptă în fragmente mai mici de forțele mecanice ale cavitației ultrasonice cu densitate energetică mare. Când peretele celular este rupt, metaboliții celulari precum proteinele, lipidele, acizii nucleici și clorofila sunt eliberați din matricea peretelui celular, precum și din interiorul celulei, și sunt transferați în mediul de cultură sau în solventul înconjurător.
Mecanismul cavitației ultrasonice / acustice descris mai sus dezintegrează sever celulele algale întregi sau vacuolele de gaz și de lichid din interiorul celulelor. Cavitația ultrasonică, vibrațiile, turbulențele și microcurenții favorizează transferul de masă între interiorul celulei și solventul înconjurător, astfel încât biomoleculele (adică metaboliții) sunt eliberate eficient și rapid. Sonicarea este un tratament pur mecanic, care nu necesită substanțe chimice agresive, toxice și/sau costisitoare.
Ultrasunetele de intensitate ridicată și frecvență joasă creează condiții extreme, cu densitate energetică mare, caracterizate prin presiuni și temperaturi ridicate și forțe de forfecare puternice. Aceste forțe fizice favorizează dezintegrarea structurilor celulare pentru a elibera compușii intracelulari în mediu. Prin urmare, ultrasunetele de frecvență joasă sunt utilizate pe scară largă pentru extracția substanțelor bioactive și a combustibililor din alge. În comparație cu metodele convenționale de extracție, precum extracția cu solvenți, măcinarea în moara cu bile sau omogenizarea la presiune înaltă, extracția cu ultrasunete excelează prin eliberarea majorității compușilor bioactivi (precum lipide, proteine, polizaharide și micronutrienți) din celula sonoporată și dezintegrată. Aplicând condițiile de proces potrivite, extracția cu ultrasunete oferă randamente de extracție superioare într-un timp de proces foarte scurt. De exemplu, extractoarele cu ultrasunete de înaltă performanță prezintă performanțe excelente de extracție din alge atunci când sunt utilizate cu un solvent adecvat. Într-un mediu acid sau alcalin, peretele celular algal 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 moderate previne degradarea fucoidanului, astfel încât se obține o polizaharidă cu bioactivitate ridicată.
Ultrasonicarea este, de asemenea, o metodă de transformare a fucoidanului cu masă moleculară mare în fucoidan cu masă moleculară mică, care este semnificativ mai bioactiv datorită structurii sale deramificate. Datorită bioactivității și bioaccesibilității sale ridicate, fucoidanul cu masă moleculară mică este un compus interesant pentru produsele farmaceutice și sistemele de administrare a medicamentelor.

Studii de caz: extracția cu ultrasunete a compușilor din alge

Eficiența extracției cu ultrasunete și optimizarea parametrilor de extracție cu ultrasunete au fost studiate pe larg. Mai jos puteți găsi rezultate exemplificative ale extracției prin ultrasonicare din diverse specii de alge.

Extracția proteinelor din spirulină prin mano-termo-sonicare

Grupul de cercetare al Prof. Chemat (Universitatea din Avignon) a investigat efectele manotermosonicării (MTS) asupra extracției proteinelor (precum ficocianina) din cianobacteriile uscate Arthrospira platensis (cunoscute și sub denumirea de spirulină). Mano-termo-sonicarea (MTS) reprezintă aplicarea ultrasunetelor în combinație cu presiuni și temperaturi ridicate, pentru a intensifica procesul de extracție cu ultrasunete.
„Conform rezultatelor experimentale, MTS a favorizat transferul de masă (difuzivitate efectivă ridicată, De) și a permis obținerea cu 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, s-a obținut o rată de recuperare a proteinelor de 50% în 6 minute efective, cu un proces MTS continuu. Observațiile microscopice au arătat că cavitația acustică a afectat filamentele de spirulină prin diferite mecanisme, precum fragmentarea, sonoporarea și detexturarea. Aceste fenomene diverse facilitează extracția, eliberarea și solubilizarea compușilor bioactivi din spirulină.” [Vernès et al., 2019]

Imagini de microscopie optică ale filamentelor întregi de spirulină supuse tratamentului MTS în timp. Bara de scală (imaginea A) = 50 μm pentru toate imaginile.
imagine și studiu: ©Vernès et al. 2019

Extracția cu ultrasunete a fucoidanului și a glucanilor din Laminaria digitata

Grupul de cercetare TEAGASC al Dr. Tiwari a investigat extracția polizaharidelor, adică fucoidan, laminarină și glucani totali, din macroalga Laminaria digitata, folosind ultrasonicatorul UIP500hdT. Parametrii studiați ai extracției asistate de ultrasunete (UAE) au arătat o influență semnificativă asupra nivelurilor de fucoză, FRAP și DPPH. Au fost obținute niveluri de 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde și 11,02% pentru fucoză, glucani totali, FRAP și, respectiv, DPPH, în condițiile optimizate de temperatură (76◦C), timp (10 min) și amplitudine ultrasonică (100%), folosind 0,1 M HCl ca solvent. Condițiile UAE 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 UAE pentru îmbunătățirea extracției polizaharidelor bioactive din diverse specii de macroalge.

Extracția cu ultrasunete a compușilor fitochimici din F. vesiculosus și P. canaliculata

Echipa de cercetare a lui García-Vaquero a comparat diverse tehnici noi de extracție, inclusiv extracția cu ultrasunete de înaltă performanță, extracția cu ultrasunete și microunde, extracția cu microunde, extracția asistată hidrotermal și extracția asistată de presiune înaltă, pentru a evalua eficiența extracției din speciile de microalge brune Fucus vesiculosus și Pelvetia canaliculata. Pentru ultrasonicare, au utilizat extractorul cu ultrasunete Hielscher UIP500hdT. Analiza randamentelor de extracție a arătat că extracția cu ultrasunete a obținut cele mai mari randamente pentru majoritatea compușilor fitochimici din ambele F. vesiculosus. Aceasta înseamnă că cele mai mari randamente ale compușilor extrași din F. vesiculosus folosind extractorul cu ultrasunete UIP500hdT au fost: conținutul total de fenoli (445,0 ± 4,6 mg echivalenți acid galic/g), conținutul total de florotanine (362,9 ± 3,7 mg echivalenți floroglucinol/g), conținutul total de flavonoide (286,3 ± 7,8 mg echivalenți quercetină/g) și conținutul total de tanin (189,1 ± 4,4 mg echivalenți catechină/g).
În studiul lor de cercetare, echipa a concluzionat că utilizarea extracției asistate de ultrasunete „combinată cu o soluție etanolică de 50% ca solvent de extracție ar putea fi o strategie promițătoare pentru extracția TPC, TPhC, TFC și TTC, reducând în același timp coextracția carbohidraților nedoriți atât din F. vesiculosus, cât și din P. canaliculata, cu aplicații promițătoare atunci când acești compuși sunt utilizați ca produse farmaceutice, nutraceutice și cosmeceutice.” [García-Vaquero et al., 2021]

Scalarea mano-termo-sonicării la Universitatea din Avignon cu ajutorul ultrasonicatoarelor Hielscher: de la echipamentul de laborator UIP1000hdT (A) la echipamentul la scară pilot UIP4000hdT (B, C și D). În imaginea D este schematizată o secțiune transversală a celulei de flux ultrasonice FC100K.
imagine și studiu: ©Vernès et al. 2019

Extractoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru dezintegrarea algelor

Echipamentele cu ultrasunete de ultimă generație ale Hielscher permit controlul complet al parametrilor de proces, precum amplitudinea, temperatura, presiunea și aportul de energie.
Pentru extracția cu ultrasunete, parametri precum dimensiunea particulelor materiei prime, tipul de solvent, raportul solid-solvent și timpul de extracție pot fi variați și optimizați pentru rezultate optime.
Deoarece extracția cu ultrasunete este o metodă de extracție netermică, degradarea termică a ingredientelor bioactive prezente în materia primă, precum algele, este evitată.
În ansamblu, avantaje precum randamentul ridicat, timpul scurt de extracție, temperatura scăzută de extracție și cantitățile mici de solvent fac din sonicare metoda de extracție superioară.

Extracția cu ultrasunete: consacrată în laborator și în industrie

Extracția cu ultrasunete este aplicată pe scară largă pentru extracția oricărui tip de compus bioactiv din plante, alge, bacterii și celule de mamifere. Extracția cu ultrasunete s-a consacrat ca o metodă simplă, rentabilă și extrem de eficientă, care depășește alte tehnici tradiționale de extracție prin randamente de extracție mai mari și durate de procesare mai scurte.
Cu sisteme cu ultrasunete de laborator, de banc și complet industriale ușor disponibile, extracția cu ultrasunete este în prezent o tehnologie bine consacrată și de încredere. Extractoarele cu ultrasunete Hielscher sunt instalate în întreaga lume în unități de procesare industrială care produc compuși bioactivi de calitate alimentară și farmaceutică.

Standardizarea proceselor cu Hielscher Ultrasonics

Extractele derivate din alge, care sunt utilizate în alimente, produse farmaceutice sau cosmetice, trebuie produse în conformitate cu Bunele Practici de Fabricație (GMP) și conform unor specificații de procesare standardizate. Sistemele digitale de extracție Hielscher Ultrasonics sunt dotate cu software inteligent, care facilitează setarea și controlul precis al procesului de sonicare. Înregistrarea automată a datelor scrie toți parametrii procesului ultrasonic, precum energia ultrasonică (energia totală și netă), amplitudinea, temperatura, presiunea (când sunt montați senzorii de temperatură și presiune), cu marcaj de dată și oră, pe cardul SD încorporat. Acest lucru vă permite să revizuiți fiecare lot procesat cu ultrasunete. În același timp, sunt asigurate reproductibilitatea și o calitate constant ridicată a produsului.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea de procesare aproximativă a ultrasonicatoarelor noastre: