Ультразвуковая экстракция антоцианов

Антоцианы широко используются в качестве натурального красителя и пищевой добавки в пищевых продуктах. Ультразвуковая экстракция является высокоэффективной и простой методикой получения высококачественных антоцианов. Использование ультразвуковых аппаратов зондового типа способствует высвобождению высококачественных антоцианов из растений, что приводит к повышению урожайности и быстрому процессу. В то же время, ультразвук является мягким, экологичным и эффективным методом промышленного производства антоцианов пищевого и фармацевтического качества.

Антоцианы – Как извлечь высококачественные антоцианы с помощью ультразвуковой терапии

Антоцианы широко используются в качестве натуральных красителей в пищевой промышленности. Они имеют широкий спектр цветовых оттенков, начиная от оранжевого через красный, до фиолетового и синего, в зависимости от молекулярной структуры и значения pH. Интерес к антоцианам основан не только на их красящем эффекте, но и на их полезных для здоровья свойствах. В связи с растущими проблемами окружающей среды и здоровья в отношении синтетических красителей, натуральные красители являются отличной альтернативой в качестве экологически чистого красителя для пищевой и фармацевтической промышленности.

Улучшенная ультразвуковая экстракция антоцианов

Как извлечь антоцианины с помощью ультразвука? – Тематические исследования

Ультразвуковая экстракция антоцианов из фиолетового риса Oryza Sativa L.

Фиолетовый рис сорта Oryza Sativa (также известный как фиолетовый нори или фиолетовый рис) необычайно богат фенольными соединениями, такими как фавоноидная группа антоцианов. Turrini et al. (2018) использовали ультразвуковую экстракцию для выделения полифенольных соединений, таких как антоцианы и антиоксиданты, из зерновки (в цельной, коричневой и пропаренной форме) и листьев фиолетового риса. Ультразвуковая экстракция проводилась с помощью аппарата Хильшера UP200St (200 Вт, 26 кГц, Рис. слева) и этанол 60% в виде растворителя.
Для сохранения целостности антоцианов ультразвуковые экстракты хранили при температуре −20°С, что позволяло хранить их не менее трех месяцев.
Цианидин-3 глюкозид (также известный как хризантеин) был основным обнаруженным антоцианом в сортах 'Violet Nori', 'Artemide' и 'Nerone', исследованных в исследовании Turrini et al., в то время как пеонидин-3-глюкозид и цианидин-3-рутинозид (также антирринин) были обнаружены в меньших количествах.
Листья фиалки Oryza Sativa являются отличным источником антоцианов и общего содержания фенолов (TPC). При содержании примерно в 2–3 раза большем, чем в рисе и муке, листья оризы представляют собой недорогое сырье для извлечения антоцианов. Расчетный урожай около 4 кг антоцианов/т свежих листьев значительно выше, чем урожайность 1 кг антоциана/т риса, рассчитанная на основе среднего количества антоцианов, обнаруженных в рисе 'Violet Nori' (1300 мкг/г риса, в виде цианидин-3-глюкозида) при выходе около 68 кг риса из 100 кг риса-сырца.

Ультразвуковая экстракция антоцианов из краснокочанной капусты

Ravanfar et al. (2015) исследовали эффективность ультразвуковой экстракции антоцианов из краснокочанной капусты. Эксперименты по ультразвуковой экстракции проводились с использованием ультразвуковой системы UP100H (ультразвук Hielscher, 30 кГц, 100 Вт). Сонотрод MS10 (диаметр наконечника 10 мм) был вставлен в центр стеклянного стакана с регулируемой температурой.

Для эксперимента использовались свежесрезанные кусочки краснокочанной капусты размером 5 мм (кубической формы) и влажностью 92,11 ± 0,45 %. Стеклянный стакан в рубашке (объем: 200 мл) был наполнен 100 мл дистиллированной воды и 2 г кусочков красной капусты. Стакан был покрыт алюминиевой фольгой, чтобы предотвратить потерю растворителя (воды) из-за испарения во время процесса. Во всех экспериментах температура в стакане поддерживалась с помощью термостатического регулятора. Образцы были окончательно собраны, отфильтрованы и центрифугированы при 4000 об/мин, а для определения выхода антоциана использовались надосадочные жидкости. Экстракцию в водяной бане проводили в качестве контрольного эксперимента.
Определяли оптимальный выход антоциана из краснокочанной капусты при мощности 100 Вт, времени 30 мин и температуре 15°С, в результате чего выход антоциана составил около 21 мг/л.
Из-за изменения цвета в зависимости от значения pH и интенсивного окрашивания, краситель краснокочанной капусты используется в качестве индикатора pH в фармацевтических рецептурах или в качестве антиоксидантов и красителей в пищевых системах, соответственно.

Ультразвук значительно интенсифицирует экстракцию антоцианов из растительного сырья.
источник: Ravanfar et al. 2015

 
Другие исследования демонстрируют успешную ультразвуковую экстракцию антоцианов из черники, ежевики, винограда, вишни, клубники и фиолетового сладкого картофеля.

Высокопроизводительные ультразвуковые экстракторы

Hielscher Ultrasonics специализируется на производстве высокопроизводительных ультразвуковых процессоров для производства высококачественных экстрактов из растительных компонентов.
Широкий ассортимент ультразвуковых аппаратов Hielscher варьируется от небольших, мощных лабораторных ультразвуковых аппаратов до надежных настольных и полностью промышленных систем, которые обеспечивают ультразвук высокой интенсивности для эффективного извлечения и выделения биологически активных веществ (например, антоцианов, гингерол, Пиперин, Куркумин и т.д.).
Все ультразвуковые аппараты от 200 Вт Кому 16 000 Вт оснащены цветным сенсорным дисплеем для цифрового управления, встроенной SD-картой для автоматической записи данных, дистанционным управлением через браузер и многими другими удобными функциями. Сонотроды и проточные ячейки (части, которые контактируют со средой) могут быть автоклавированы и легко чистятся.
Ультразвуковые аппараты Hielscher очень надежны и рассчитаны на работу в режиме 24/7 при полной нагрузке, при этом не требуют особого обслуживания и просты и безопасны в эксплуатации. Цифровой цветной дисплей обеспечивает удобное управление ультразвуковым аппаратом.
Наши системы способны работать как с низкими, так и с очень высокими амплитудами. Для экстракции каннабиноидов и терпенов мы предлагаем специальные ультразвуковые сонотроды (также известные как ультразвуковые зонды или рога), которые оптимизированы для чувствительного выделения высококачественных активных веществ. Все наши системы могут быть использованы для экстракции и последующей эмульгирования каннабиноидов. Надежность ультразвуковых аппаратов Hielscher обеспечивает непрерывную работу (24/7) в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях.

Точный контроль параметров ультразвукового процесса обеспечивает воспроизводимость и стандартизацию процесса.
 

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Литература / Литература

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Факты, которые стоит знать

Как работает ультразвуковая экстракция?

Воздействие интенсивных ультразвуковых волн на жидкую среду приводит к кавитации. Феномен кавитация локально приводит к экстремальным температурам, давлениям, скоростям нагрева/охлаждения, перепадам давления и высоким поперечным силам в среде. Когда кавитационные пузырьки схлопываются на поверхности твердых тел (таких как частицы, растительные клетки, ткани и т. д.), микроструи и межчастичные столкновения вызывают такие эффекты, как отслаивание поверхности, эрозия и разрушение частиц. Кроме того, схлопывание кавитационных пузырьков в жидких средах создает макротурбулентность и микроперемешивание.
Ультразвуковая облучение растительного материала фрагментирует матрицу растительных клеток и усиливает их гидратацию. Chemat et al (2015) пришли к выводу, что ультразвуковая экстракция биологически активных соединений из растительных компонентов является результатом различных независимых или комбинированных механизмов, включая фрагментацию, эрозию, капиллярность, детекстурацию и сонопорацию. Эти эффекты разрушают клеточную стенку, улучшают массоперенос за счет проталкивания растворителя в клетку и высасывания растворителя, наполненного фитосоединением, а также обеспечивают движение жидкости путем микросмешивания.

Ультразвуковая экстракция основана на акустической кавитации и ее гидродинамических силах сдвига

Ультразвуковая облучение растительного материала фрагментирует матрицу растительных клеток и усиливает их гидратацию. Chemat et al. (2015) пришли к выводу, что ультразвуковая экстракция биологически активных соединений из растительных компонентов является результатом различных независимых или комбинированных механизмов, включая фрагментацию, эрозию, капиллярность, детекстурацию и сонопорацию. Эти эффекты разрушают клеточную стенку, улучшают массоперенос за счет проталкивания растворителя в клетку и высасывания растворителя, наполненного фитосоединением, а также обеспечивают движение жидкости путем микросмешивания.
Ультразвуковая экстракция обеспечивает очень быстрое выделение соединений, превосходя традиционные методы экстракции при более коротком времени процесса, более высоком выходе и более низких температурах. Будучи мягкой механической обработкой, ультразвуковая экстракция позволяет избежать термического разложения биологически активных компонентов и превосходит другие методы, такие как традиционная экстракция растворителем, гидродистилляция или экстракция Сокслета, которые, как известно, разрушают термочувствительные молекулы. Благодаря этим преимуществам, ультразвуковая экстракция является предпочтительным методом высвобождения чувствительных к температуре биоактивных соединений из растительных компонентов.

Ультразвуковая экстракция из растительных клеток: микроскопический поперечный срез (ТС) показывает механизм действий при ультразвуковой экстракции из клеток (увеличение 2000x) [источник: Vilkhu et al. 2011]

антоцианы – Ценный растительный пигмент

Антоцианы представляют собой вакуолярные растительные пигменты, которые могут казаться красными, фиолетовыми, синими или черными. Цветовая выразительность водорастворимых антоциановых пигментов зависит от значения их pH. Антоцианы содержатся в клеточной вакуольной системе, в основном в цветах и плодах, а также в листьях, стеблях и корнях, где они обнаруживаются в основном во внешних клеточных слоях, таких как эпидермис и клетки периферического мезофилла.
Наиболее часто встречающиеся в природе гликозиды цианидин, дельфинидин, мальвидин, пеларгонидин, пеонидин и петунидин.
Выдающиеся примеры растений, богатых антоцианами, включают виды vaccinium, такие как черника, клюква и черника; Ягоды рубуса, в том числе черная малина, красная малина и ежевика; черная смородина, вишня, баклажаны, черный рис, убе, окинавский сладкий картофель, виноград Конкорд, мускатный виноград, красная капуста и лепестки фиалки. Персики и яблоки с красной мякотью содержат антоцианы. Антоцианы менее распространены в бананах, спарже, горохе, фенхеле, груше и картофеле и могут полностью отсутствовать в некоторых сортах зеленого крыжовника.

Строение основных антоцианов

Антоцианы являются прекрасной альтернативой замене синтетических красителей в пищевых продуктах. Антоцианы одобрены для использования в качестве пищевых красителей в Европейском Союзе, Австралии и Новой Зеландии с кодом красителя E163. Антоцианы содержатся во фруктах и овощах и могут быть описаны как тип водорастворимых растительных пигментов. Химически антоцианы являются гликозидами антоцианидинов на основе структуры 2-фенилбензофирилия (флавилия). Существует более 200 различных фитохимических веществ, которые попадают в категорию антоцианов. В качестве основного цветного пигмента в диких фруктах и ягодах существует множество источников, из которых можно извлечь антоцианы. Важным источником антоцианов является кожица винограда. Антоциановые пигменты в кожице винограда состоят в основном из диглюкозидов, моноглюкозида, ацилированных моноглюкозидов, а также ацилированных диглюкозидов пеонидина, мальвидина, цианидина, петунидина и дельфинидина. Содержание антоцианов в винограде колеблется в пределах 30-750 мг/100 г.
Наиболее известными антоцианами являются цианидин, дельфинидин, пеларгонидин, пеонидин, мальвидин и петунидин.
Например, антоцианы пеонидин-3-кофеоил--гидроксибензоил софорозид-5-глюкозид, пеонидин-3-(6"-кофеоил-6'''-ферулоил софорозид)-5-глюкозид и цианидин-3-кофеоил--гидроксибензоил софорозид-5-глюкозид обнаружены в фиолетовом сладком картофеле.

Антоцианы – Польза для здоровья

Помимо своей большой способности действовать как натуральный пищевой краситель, антоцианы высоко ценятся за их антиоксидантное действие. Таким образом, антоцианы оказывают множество положительных эффектов для здоровья. Исследования показали, что антоцианы могут ингибировать повреждение ДНК в раковых клетках, ингибировать пищеварительные ферменты, индуцировать выработку инсулина в изолированных клетках поджелудочной железы, уменьшать воспалительные реакции, защищать от возрастного снижения функции мозга, улучшать герметичность капиллярных кровеносных сосудов и предотвращать агрегацию тромбоцитов.