Ультразвуковая экстракция водорослей для пищевых добавок

Ультразвуковая экстракция – превосходный метод эффективного и быстрого разрушения клеток водорослей. Обработка ультразвуком может высвободить всё количество биоактивных соединений, что делает ультразвуковой метод высокоэффективным.

Как извлекать белки, липиды и фенольные соединения из водорослей с помощью ультразвука

Виды водорослей и микроводорослей богаты биологически активными соединениями, такими как белки, липиды, каротиноиды, пигменты (например, фикоцианины, астаксантин и т. д.), фенольные соединения и полисахариды (например, каррагинаны). Поэтому они широко используются в качестве природного сырья для получения экстрактов для пищевых продуктов и пищевых добавок. Для пищевых добавок обычно используют такие виды водорослей, как Arthrospira maxima и (также известная как спирулина), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis и Ulva spp. Известно, что водоросли являются хорошим источником высококачественных белков, липидов, длинноцепочечных полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК, т. е. омега-3), полисахаридов (например, альгината, каррагинана, β-глюканов), витаминов и антиоксидантов.
Спирулина – широко используемый вид водорослей, богатый ценными биоактивными соединениями, такими как белки (содержание которых составляет 50–70% сухой массы). Поскольку спирулина одобрена FDA (Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США) как GRAS (общепризнанно безопасная), спирулину и её экстракты можно использовать в пищевых продуктах, выпускаемых для продажи, или в качестве пищевых добавок.

Преимущества ультразвуковой экстракции водорослей

Ультразвуковая экстракция превосходит альтернативные методы экстракции по многим показателям, таким как высокий выход, надёжность, безопасность, простота и экологичность.

Полный выход при экстракции

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты вскрывают и разрушают клетки водорослей, высвобождая внутриклеточное содержимое. При этом ультразвуковая экстракция высвобождает весь спектр биоактивных соединений, таких как фикобилипротеины, каротиноиды, липиды и фенольные соединения.
Фикобилипротеины можно разделить на три основные группы: хлорофикоцианины, аллофикоцианины и фикоэритрины. C-фикоцианин – природный синий пигмент, широко используемый в пищевой и фармацевтической продукции. Ультразвуковая экстракция высвобождает весь спектр белков.

Высокая эффективность экстракции

Duangsee et al. (2009) испытали два разных метода извлечения биоактивных соединений из биомассы Arthospira (экстракцию растворителем с применением ультразвука и экстракцию путём многократного замораживания и оттаивания) и установили, что ультразвуковая экстракция растворителем обеспечивала более высокую эффективность экстракции (22,1%), чем замораживание и оттаивание (15,6%). Сравнение разрыва клеток при обработке ультразвуком и многократном замораживании и оттаивании показывает, что обработка ультразвуком более эффективна. Ультразвуковая кавитация быстро и эффективно разрушает клетки водорослей, обеспечивая более высокую степень разрушения клеток по сравнению с клетками спирулины, подвергнутыми многократному замораживанию и оттаиванию.
Обработка ультразвуком эффективнее разрушала клеточную оболочку, чем многократное замораживание и оттаивание. Выход фикоцианина при экстракции показал, что температура обработки влияет на эффективность экстракции.

Быстрый процесс экстракции

Высокопроизводительные ультразвуковые системы могут передавать в суспензию водорослей высокую мощность ультразвука за счёт высоких амплитуд. Это делает ультразвуковую экстракцию очень быстрым методом обработки.

Контроль температуры

Обработка ультразвуком – нетермический, исключительно механический метод экстракции. Температуру экстракции можно точно контролировать с помощью подключаемого датчика температуры, который соединяется проводом с цифровым ультразвуковым аппаратом Hielscher. Программное обеспечение цифровых ультразвуковых аппаратов Hielscher позволяет задавать предельные значения температуры, при достижении которых ультразвуковой гомогенизатор приостанавливает работу. Точный контроль температуры позволяет предотвращать термическое разложение термочувствительных веществ, таких как фикобилипротеины, витамины, полифенолы, полисахариды, липиды и другие биоактивные соединения.

Совместимость с различными растворителями

Обработка ультразвуком совместима практически с любым растворителем. Ультразвуковая экстракция в сочетании с экологичными растворителями, такими как вода или этанол, позволяет получать чистые экстракты. Эти ультразвуковые экстракты можно безопасно вводить в пищевые продукты, поскольку экстракционные растворители этанол и вода имеют статус GRAS (общепризнанно безопасных).

Воспроизводимость и стандартизация процесса

Цифровые ультразвуковые аппараты Hielscher оснащены интеллектуальным программным обеспечением и продуманным набором настроек для выбора идеальных параметров экстракции. Программное обеспечение протоколирует все параметры ультразвукового процесса (например, амплитуду, полезную мощность, общую мощность, температуру, давление, время, дату) и записывает данные обработки ультразвуком в CSV-файл на встроенной SD-карте. Это позволяет стандартизировать процесс экстракции и тщательно контролировать обработку ультразвуком и качество получаемой продукции. Эти функции помогают выполнять требования к стандартизации процесса, а также требования надлежащей производственной практики (GMP), которые имеют большое значение при производстве экстрактов для добавок, пищевой или фармацевтической продукции.

Протокол ультразвуковой экстракции фикоцианина

Mazumder et al. (2017) исследовали оптимальные параметры процесса ультразвуковой экстракции фикоцианина и фенольных соединений из Arthospira platensis. Максимальный выход фикоцианина (29,9 mg/g) и суммарных фенольных соединений (2,4 mg/g) был получен при концентрации этанола 40% и температуре экстракции 34,9°C с использованием ультразвукового аппарата UP50H (50 ватт, 30kHz) при амплитуде 95% и времени экстракции 104,7 сек.

Vernès et al. (2019) использовали ультразвуковой аппарат UIP1000hdT (1000W, 20kHz) для извлечения белков из спирулины. Ультразвуковой аппарат был оснащён сонотродом BS2d34 и ультразвуковым проточным реактором (точная конфигурация установки для ультразвуковой экстракции с проточной ячейкой и насосом Seepex показана на изображении ниже).

UIP1000hdT – установка для манотермической обработки ультразвуком (MTS) и наше извлечение белков из спирулины в лабораторном масштабе
источник: Vernes et al. 2019

Результаты исследований показывают, что условия ультразвуковой экстракции, оптимизированные для выхода белка, предусматривают слегка повышенные температуру и давление (так называемую манотермическую обработку ультразвуком, MTS). MTS способствует массопереносу и позволяет получить на 229% больше белков (28,42 ± 1,15 g/100 g сухой массы), чем традиционный процесс без ультразвука (8,63 ± 1,15 g/100 g сухой массы).
При получении в экстракте 28,42 g белков на 100 g сухой биомассы спирулины степень извлечения белка 50% была достигнута всего за 6 минут в непрерывном процессе обработки ультразвуком. Микроскопические изображения показывают, что акустическая кавитация воздействует на нити спирулины посредством различных механизмов, таких как фрагментация, сонопорация и разрушение текстуры. Эти различные эффекты делают извлечение, высвобождение и солюбилизацию биоактивных соединений спирулины проще и эффективнее, обеспечивая высокий выход высококачественного белка.
Что касается качества белков, извлечённых ультразвуком, аминокислоты не разрушались при обработке ультразвуком, а их количество при обработке ультразвуком было больше, чем при традиционной экстракции.
При сравнении манотермической обработки ультразвуком и ультразвуковой экстракции без повышения давления и температуры различие в выходе и эффективности экстракции лишь минимально. Поэтому использование одного только ультразвука считается самым экономичным и простым методом получения высококачественного экстракта, богатого белками спирулины. Ультразвуковая экстракция – экологичный метод, подходящий для извлечения белков из спирулины в лабораторном масштабе, который можно легко масштабировать до пилотного и промышленного уровня. (См. Vernès et al. 2019)

Высокопроизводительные ультразвуковые экстракторы

Все результаты экстракции, достигнутые в малом масштабе, можно линейно масштабировать до более высоких производственных мощностей. Широкий ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics, от лабораторных до промышленных систем экстракции, включает ультразвуковой аппарат, наиболее подходящий для намеченной производительности вашего процесса. Наши сотрудники с многолетним опытом помогут вам на всех этапах: от испытаний осуществимости процесса и его оптимизации до установки вашей ультразвуковой системы на конечном производственном уровне.

Hielscher Ultrasonics – совершенное оборудование для экстракции

Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics охватывает весь диапазон высокопроизводительных ультразвуковых экстракторов – от малого до крупного масштаба. Дополнительные принадлежности позволяют легко собрать наиболее подходящую для вашего процесса конфигурацию ультразвукового устройства. Оптимальная ультразвуковая установка зависит от планируемой производительности, объёма, сырья, периодического или поточного режима процесса и сроков. Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать круглосуточно, 24/7, при высоких нагрузках и в сложных условиях. Линейная масштабируемость процессов ультразвуковой экстракции позволяет просто и надёжно увеличивать объём производства. Подробнее о линейном масштабировании процессов ультразвуковой экстракции!

Выбирайте различные принадлежности, такие как:

• сонотроды различных размеров, диаметров и форм
• сонотроды для высокой амплитуды 200µm и выше
• реакторы с проточными ячейками различных объёмов и геометрии
• многочисленные бустерные волноводы для увеличения или уменьшения коэффициентов усиления амплитуды
• комплектные установки для обработки ультразвуком, такие как SonoStation, включающие ультразвуковой экстрактор, ёмкость, мешалку и насос
• подключаемые датчики температуры
• подключаемые датчики давления

Наши квалифицированные сотрудники с многолетним опытом проконсультируют вас и порекомендуют ультразвуковую систему, наиболее подходящую для требований вашего процесса экстракции!

В приведённой ниже таблице указана приблизительная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: