Ультразвуковая экстракция антоцианов

Антоцианы широко используются в пищевых продуктах в качестве натурального красителя и питательной добавки. Ультразвуковая экстракция – высокоэффективный и простой метод получения высококачественных антоцианов. Использование ультразвуковых устройств зондового типа способствует высвобождению высококачественных антоцианов из растений, обеспечивая более высокий выход и быстрое протекание процесса. При этом обработка ультразвуком представляет собой щадящий, экологичный и эффективный метод промышленного производства антоцианов пищевого и фармацевтического качества.

Антоцианы – как извлечь высококачественные антоцианы с помощью ультразвукового устройства

Антоцианы широко используются в пищевой промышленности в качестве натуральных красителей. Они обладают широким спектром цветовых оттенков – от оранжевого через красный до фиолетового и синего – в зависимости от молекулярной структуры и значения pH. Интерес к антоцианам обусловлен не только их окрашивающим действием, но и полезными для здоровья свойствами. В связи с растущей обеспокоенностью по поводу воздействия синтетических красителей на окружающую среду и здоровье натуральные красители представляют собой отличную альтернативу в качестве экологичных красителей для пищевой и фармацевтической промышленности.

Экстракция антоцианов, улучшенная с помощью ультразвука

Как извлечь антоцианы с помощью ультразвука? – Примеры исследований

Ультразвуковая экстракция антоцианов из фиолетового риса Oryza Sativa L.

Фиолетовый рис разновидности Oryza Sativa (также известный как Violet Nori или фиолетовый рис) чрезвычайно богат фенольными соединениями, такими как антоцианы, относящиеся к группе флавоноидов. Turrini et al. (2018) использовали ультразвуковую экстракцию для выделения полифенольных соединений, таких как антоцианы и антиоксиданты, из зерновок (в цельном, нешлифованном и пропаренном виде) и листьев фиолетового риса. Ультразвуковую экстракцию проводили с использованием устройства Hielscher UP200St (200W, 26kHz, см. фото слева) и этанола 60% в качестве растворителя.
Для сохранения целостности антоцианов ультразвуковые экстракты хранили при −20°C, что позволяло хранить их как минимум до трёх месяцев.
Cyanidin-3 glucoside (также известный как хризантемин) был с большим отрывом основным обнаруженным антоцианом в сортах ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ и ‘Nerone’, исследованных в работе Turrini et al., тогда как peonidin-3-glucoside и cyanidin-3-rutinoside (также известный как антирринин) обнаруживались в меньших количествах.
Фиолетовые листья Oryza Sativa являются превосходным источником антоцианов и общего содержания фенольных соединений (TPC). Благодаря содержанию, приблизительно в 2–3 раза превышающему содержание в рисе и муке, листья Oryza представляют собой недорогое сырьё для экстракции антоцианов. Расчётный выход около 4 kg антоцианов/t свежих листьев значительно превышает показатель 1 kg антоцианов/t риса, рассчитанный на основе средних количеств антоцианов, обнаруженных в рисе ‘Violet Nori’ (1300 µg/g риса, в пересчёте на cyanidin-3-glucoside), при выходе около 68 kg риса из 100 kg риса-сырца.

Ультразвуковая экстракция антоцианов из краснокочанной капусты

Ravanfar et al. (2015) исследовали эффективность ультразвуковой экстракции антоцианов из краснокочанной капусты. Эксперименты по ультразвуковой экстракции проводили с использованием ультразвуковой системы UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Сонотрод MS10 (диаметр наконечника 10mm) вводили в центр стеклянного стакана с рубашкой и регулированием температуры.

Для этого эксперимента использовали свеженарезанные кусочки краснокочанной капусты размером 5mm (кубической формы) с содержанием влаги 92,11 ± 0,45 %. Стеклянный стакан с рубашкой (объём: 200ml) заполняли 100ml дистиллированной воды и 2g кусочков краснокочанной капусты. Стакан накрывали алюминиевой фольгой, чтобы предотвратить потери растворителя (воды) вследствие испарения во время процесса. Во всех экспериментах температуру в стакане поддерживали с помощью термостатического регулятора. В конце образцы отбирали, фильтровали и центрифугировали при 4000rpm, а надосадочные жидкости использовали для определения выхода антоцианов. Экстракцию в водяной бане проводили в качестве контрольного эксперимента.
Оптимальный выход антоцианов из краснокочанной капусты был установлен при мощности 100 W, времени 30 min и температуре 15°C, что обеспечило выход антоцианов около 21 mg/L.
Благодаря изменению цвета в зависимости от значения pH и интенсивному окрашиванию краситель краснокочанной капусты использовался в качестве индикатора pH в фармацевтических препаратах или в качестве антиоксиданта и красителя в пищевых системах соответственно.

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

 
Другие исследования демонстрируют успешную ультразвуковую экстракцию антоцианов, в частности, из голубики, ежевики, винограда, вишни, клубники и фиолетового батата.

Высокопроизводительные ультразвуковые экстракторы

Hielscher Ultrasonics специализируется на производстве высокопроизводительных ультразвуковых процессоров для получения высококачественных экстрактов из растительного сырья.
Широкий ассортимент ультразвуковых устройств Hielscher охватывает небольшие мощные лабораторные устройства, надёжные настольные и полностью промышленные системы, которые обеспечивают высокоинтенсивный ультразвук для эффективной экстракции и выделения биоактивных веществ (например, антоцианов, гингерола, пиперина, куркумина и т. д.).
Все ультразвуковые устройства мощностью от 200W до 16 000W 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 (детали, контактирующие со средой) можно автоклавировать, и они легко очищаются.
Ультразвуковые устройства Hielscher очень надёжны и рассчитаны на работу 24/7 при полной нагрузке, при этом требуют минимального технического обслуживания и просты и безопасны в эксплуатации. Цифровой цветной дисплей обеспечивает удобное управление ультразвуковым устройством.
Наши системы способны обеспечивать амплитуды от низких до очень высоких. Для экстракции каннабиноидов и терпенов мы предлагаем специальные ультразвуковые сонотроды (также известные как ультразвуковые зонды или рупоры), оптимизированные для щадящего выделения высококачественных активных веществ. Все наши системы можно использовать для экстракции и последующего эмульгирования каннабиноидов. Надёжность ультразвуковых устройств Hielscher позволяет работать непрерывно (24/7) при высокой нагрузке и в сложных условиях.

Точный контроль параметров ультразвукового процесса обеспечивает воспроизводимость и стандартизацию процесса.
 

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых устройств:

Литература / Ссылки

• 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.

Полезные сведения

Как работает экстракция с помощью ультразвука?

Воздействие интенсивных ультразвуковых волн на жидкую среду приводит к кавитации. Явление кавитации локально создаёт в среде экстремальные температуры, давления, скорости нагрева/охлаждения, перепады давления и высокие силы сдвига. Когда кавитационные пузырьки схлопываются на поверхности твёрдых тел (таких как частицы, растительные клетки, ткани и т. д.), микроструи и столкновения между частицами вызывают такие эффекты, как отслаивание поверхностного слоя, эрозия и разрушение частиц. Кроме того, схлопывание кавитационных пузырьков в жидких средах создаёт макротурбулентность и микроперемешивание.
Ультразвуковое облучение растительного материала фрагментирует матрицу растительных клеток и усиливает её гидратацию. Chemat et al (2015) приходят к выводу, что ультразвуковая экстракция биоактивных соединений из растительного сырья является результатом действия различных независимых или комбинированных механизмов, включая фрагментацию, эрозию, капиллярные явления, деструктурирование и сонопорацию. Эти эффекты разрушают клеточную стенку, улучшают массоперенос за счёт нагнетания растворителя в клетку и извлечения из неё растворителя, содержащего растительные соединения, а также обеспечивают движение жидкости посредством микроперемешивания.

Ультразвуковая экстракция основана на акустической кавитации и создаваемых ею гидродинамических силах сдвига

Ультразвуковое облучение растительного материала фрагментирует матрицу растительных клеток и усиливает её гидратацию. Chemat et al. (2015) приходят к выводу, что ультразвуковая экстракция биоактивных соединений из растительного сырья является результатом действия различных независимых или комбинированных механизмов, включая фрагментацию, эрозию, капиллярные явления, деструктурирование и сонопорацию. Эти эффекты разрушают клеточную стенку, улучшают массоперенос за счёт нагнетания растворителя в клетку и извлечения из неё растворителя, содержащего растительные соединения, а также обеспечивают движение жидкости посредством микроперемешивания.
Ультразвуковая экстракция обеспечивает очень быстрое выделение соединений – превосходя традиционные методы экстракции благодаря меньшей продолжительности процесса, более высокому выходу и более низким температурам. Будучи щадящей механической обработкой, экстракция с помощью ультразвука позволяет избежать термического разложения биоактивных компонентов и превосходит другие методы, такие как традиционная экстракция растворителем, гидродистилляция или экстракция в аппарате Сокслета, которые, как известно, разрушают термочувствительные молекулы. Благодаря этим преимуществам ультразвуковая экстракция является предпочтительным методом высвобождения термочувствительных биоактивных соединений из растительного сырья.

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

Антоциан – ценный растительный пигмент

Антоцианы – вакуолярные растительные пигменты, которые могут иметь красную, фиолетовую, синюю или чёрную окраску. Цвет водорастворимых антоциановых пигментов зависит от их значения pH. Антоцианы находятся в клеточной вакуоли, главным образом в цветках и плодах, но также в листьях, стеблях и корнях, где они встречаются преимущественно в наружных слоях клеток, таких как эпидермис и периферические клетки мезофилла.
Наиболее часто в природе встречаются гликозиды цианидина, дельфинидина, мальвидина, пеларгонидина, пеонидина и петунидина.
Характерные примеры растений, богатых антоцианами, включают виды рода Vaccinium, такие как голубика, клюква и черника; ягоды рода Rubus, включая чёрную малину, красную малину и ежевику; чёрную смородину, вишню, баклажан, чёрный рис, убе, окинавский батат, виноград Concord, мускатный виноград, краснокочанную капусту и лепестки фиалки. Персики и яблоки с красной мякотью содержат антоцианы. В бананах, спарже, горохе, фенхеле, грушах и картофеле антоцианов меньше, а в некоторых сортах зелёного крыжовника они могут полностью отсутствовать.

Структура основных антоцианов

Антоцианы представляют собой отличную альтернативу для замены синтетических красителей в пищевых продуктах. Антоцианы разрешены к использованию в качестве пищевых красителей в Европейском союзе, Австралии и Новой Зеландии и имеют код красителя E163. Антоцианы содержатся во фруктах и овощах и могут быть описаны как разновидность водорастворимых растительных пигментов. С химической точки зрения антоцианы являются гликозидами антоцианидинов на основе структуры 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). К категории антоцианов относятся более 200 различных фитохимических соединений. Поскольку антоцианы являются основным цветовым пигментом дикорастущих плодов и ягод, существует множество источников, из которых их можно извлечь. Одним из важных источников антоцианов является кожица винограда. Антоциановые пигменты в кожице винограда состоят главным образом из диглюкозидов, моноглюкозида, ацилированных моноглюкозидов, а также ацилированных диглюкозидов пеонидина, мальвидина, цианидина, петунидина и дельфинидина. Содержание антоцианов в винограде варьируется в пределах 30–750mg/100g.
Наиболее распространёнными антоцианами являются цианидин, дельфинидин, пеларгонидин, пеонидин, мальвидин и петунидин.
Например, в фиолетовом батате встречаются антоцианы peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside и cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside.

Антоцианы – польза для здоровья

Помимо превосходной способности служить натуральным пищевым красителем, антоцианы высоко ценятся за своё антиоксидантное действие. Поэтому антоцианы оказывают множество положительных воздействий на здоровье. Исследования показали, что антоцианы могут подавлять повреждение ДНК в раковых клетках, ингибировать пищеварительные ферменты, стимулировать выработку инсулина в изолированных клетках поджелудочной железы, уменьшать воспалительные реакции, защищать от возрастного снижения функций мозга, уменьшать проницаемость капиллярных кровеносных сосудов и предотвращать агрегацию тромбоцитов.