Ультразвуковая экстракция водорослей для пищевых добавок

Ультразвуковая экстракция является превосходным методом эффективного и быстрого разрушения клеток водорослей. Ультразвуковая обработка может высвобождать все количество биологически активных соединений, что делает ультразвуковой метод очень эффективным.

Как извлечь белки, липиды и фенольные кислоты из водорослей с помощью ультразвука

Водоросли и микроводоросли богаты биологически активными соединениями, такими как белки, липиды, каротиноиды, пигменты (например, фикоцианины, астаксантин и т.д.), фенольные и полисахариды (например, каррагинаны). Это делает их широко используемым природным материалом для производства экстрактов для продуктов питания и биологически активных добавок. Обычно используемые виды водорослей для пищевых добавок - это Arthrospira maxima и (также известная как спирулина), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis и Ulva spp. Водоросли, как известно, являются хорошим источником высококачественных белков, липидов, длинноцепочечных ПНЖК (т.е. омега-3), полисахаридов (например, альгината, каррагинана, β-глюканов), витаминов и антиоксидантов.
Спирулина — это широко используемый тип водорослей, который богат ценными биологически активными соединениями, такими как белки (с 50–70% сухого веса). Поскольку спирулина одобрена FDA (Управление по контролю за продуктами и лекарствами США) как GRAS (общепризнанный безопасный), спирулину и экстракты спирулины можно использовать в коммерческих продуктах питания или в качестве пищевых добавок.

Преимущества ультразвуковой экстракции водорослей

Ультразвуковая экстракция превосходит альтернативные методы экстракции по различным параметрам, таким как высокая производительность, надежность, безопасность, простота и экологичность.

Полный выход экстракции

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты вскрывают клетки водорослей и разрушают их, так что внутриклеточный материал высвобождается. Таким образом, ультразвуковая экстракция высвобождает полный спектр биологически активных соединений, таких как фикобилипротеины, каротиноиды и липиды, а также фенольные соединения.
Фикобилипротеины можно дифференцировать на три большие группы, а именно: хлорофикоцианины, аллофикоцианины и фикоэритрины. С-фикоцианин – это натуральный синий пигмент, который широко используется в пищевых и фармацевтических продуктах. Ультразвуковая экстракция высвобождает полный спектр белков.

Высокая эффективность экстракции

Duangsee et al. (2009) протестировали два различных метода экстракции (ультразвуковая экстракция растворителем и экстракцию путем повторного замораживания и размораживания) биологически активных соединений из биомассы Arthospira и обнаружили, что ультразвуковая экстракция растворителем привела к более высокой эффективности экстракции (22,1%), чем замораживание и размораживание (15,6%). Сравнение разрыва клеток между ультразвуковой обработкой и повторным замораживанием и размораживанием показывает, что ультразвуковая обработка более эффективна. Ультразвуковая кавитация быстро и эффективно разрушает клетки водорослей, что приводит к более высокому разрушению клеток по сравнению с клетками спирулины, обработанными повторным замораживанием и размораживанием.
Ультразвуковая обработка была более эффективной в разрушении оболочки клетки по сравнению с повторным замораживанием и размораживанием. Выход фикоцианина показал, что температура обработки влияет на эффективность экстракции.

Быстрый процесс экстракции

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

Контроль температуры

Ультразвуковое исследование является нетермическим, чисто механическим методом экстракции. Температуру экстракции можно точно контролировать с помощью вставного датчика температуры, который подключен к цифровому ультразвуковому аппарату Hielscher. Программное обеспечение цифровых ультразвуковых аппаратов Hielscher позволяет устанавливать температурные пределы, так что ультразвуковой гомогенизатор делает паузу при достижении температурного предела. Точный контроль температуры позволяет предотвратить термическую деградацию термочувствительных материалов, таких как фикобилипротеины, витамины, полифенолы, полисахариды, липиды и другие биологически активные соединения.

Совместимость с различными растворителями

Ультразвук совместим практически с любым растворителем. Ультразвуковая экстракция в сочетании с зелеными растворителями, такими как вода или этанол, позволяет получить чистые экстракты. Эти ультразвуковые экстракты можно безопасно добавлять в пищевые продукты, так как экстракционные растворители этанол и вода имеют статус GRAS (Общепризнанно безопасный).

Воспроизводимость и стандартизация процессов

Цифровые ультразвуковые аппараты Hielscher поставляются с интеллектуальным программным обеспечением и тщательно разработанным набором настроек для идеальных параметров экстракции. Программное обеспечение протоколирует все параметры ультразвукового процесса (например, амплитуду, полезную мощность, общую мощность, температуру, давление, время, дату) и записывает данные ультразвуковой обработки в CSV-файл на встроенную SD-карту. Это позволяет стандартизировать процесс экстракции и тщательно контролировать ультразвук и качество выходного сигнала. Эти функции помогут вам выполнить требования к стаданизации процессов, а также надлежащую производственную практику (GMP), которые очень важны при производстве экстрактов для пищевых добавок, пищевых или фармацевтических продуктов.

Протокол ультразвуковой экстракции фикоцианина

Mazumder et al. (2017) исследовали оптимальные параметры обработки для ультразвуковой экстракции фикоцианина и фенольных соединений из Arthospira platensis. Максимальный выход фикоцианина (29,9 мг/г) и общих фенольных соединений (2,4 мг/г) получен при концентрации этанола 40%, температуре экстракции 34,9°С с помощью ультразвукового аппарата UP50H (50 Вт, 30 кГц) с амплитудой 95% при времени экстракции 104,7 сек.

Vernès et al. (2019) использовали ультразвуковой аппарат UIP1000hdT (1000 Вт, 20 кГц) для извлечения белков из спирулины. Ультразвуковой аппарат был оснащен сонотродом BS2d34 и ультразвуковым проточным реактором (точную схему ультразвуковой экстракции с проточной ячейкой и насосом Seepex см. на рисунке ниже).

УИП1000HDT – Установка метермосонирования (MTS) и экстракция белка из спирулины в лабораторных масштабах
источник: Vernes et al. 2019

Результаты исследований показывают, что условия ультразвуковой экстракции, оптимизированные по выходу белка, включают в себя несколько повышенную температуру и давление (так называемая мотермосионизация MTS). МТС способствует массопереносу и позволяет получить на 229% больше белков (28,42 ± 1,15 г/100 г сухого веса), чем при обычном процессе без ультразвука (8,63 ± 1,15 г/100 г сухого веса).
Благодаря получению 28,42 г белков на 100 г сухой биомассы спирулины в экстракте, скорость восстановления белка в 50% была достигнута всего за 6 минут в непрерывном процессе ультразвуковой обработки. Микроскопическая визуализация показывает, что акустическая кавитация воздействует на нити спирулины различными механизмами, такими как фрагментация, сонопорация, детекстурация. Эти различные эффекты делают экстракцию, высвобождение и солюбилизацию биоактивных соединений спирулины более простой и эффективной, что приводит к высокому выходу белка высокого качества.
Что касается качества белков, экстрагированных ультразвуком, аминокислоты не разрушались при ультразвуковой обработке, но они присутствуют в большем количестве в случае ультразвуковой обработки по сравнению с обычной экстракцией.
При сравнении метономосионирования и ультразвуковой экстракции без повышенного давления и температуры, разница в выходе и эффективности экстракции минимальна. Поэтому ультразвук сам по себе считается наиболее экономичным и простым методом получения высококачественного экстракта, богатого белками спирулины. Ультразвуковая экстракция — это экологичный, экологически чистый метод экстракции, подходящий для экстракции белка из спирулины в лабораторных масштабах, который может быть легко масштабирован до пилотного и промышленного масштаба. (ср. Vernès et al. 2019)

Высокопроизводительные ультразвуковые экстракторы

Все результаты экстракции, достигнутые в небольших масштабах, могут быть линейно масштабированы до больших производственных мощностей. Широкий ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics, от лабораторных до промышленных вытяжных систем, предлагает наиболее подходящий ультразвуковой аппарат для предполагаемой производственной мощности. Наши многолетние опытные сотрудники помогут вам от технико-экономических испытаний и оптимизации процесса до установки вашей ультразвуковой системы на конечном производственном уровне.

Hielscher Ultrasonics – Сложное оборудование для экстракции

Портфель продуктов Hielscher Ultrasonics охватывает весь спектр высокопроизводительных ультразвуковых экстракторов от малых до крупных масштабов. Дополнительные аксессуары позволяют легко собрать наиболее подходящую конфигурацию ультразвукового устройства для вашего технологического процесса. Оптимальная ультразвуковая установка зависит от предполагаемой производительности, объема, сырья, периодического или поточного процесса и сроков. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях. Линейная масштабируемость процессов ультразвуковой экстракции позволяет легко и надежно увеличить производительность. Узнайте больше о линейном масштабировании процессов ультразвуковой экстракции!

Выбирайте из различных аксессуаров, таких как:

• Сонотроды различных размеров, диаметров и форм
• Сонотроды для высокой амплитуды 200 мкм и выше
• проточные реакторы с различными объемами и геометриями
• многочисленные бустерные рожки для увеличения или уменьшения усиления
• комплексные установки ультразвуковой обработки, такие как SonoStation, которые включают в себя ультразвуковой экстрактор, резервуар, мешалку и насос
• Вставные датчики температуры
• Вставные датчики давления

Наш хорошо обученный и многолетний персонал проконсультирует вас и порекомендует наиболее подходящую ультразвуковую систему для ваших требований к процессу экстракции!

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: