Ультразвуковое исследование для улучшения разрушения клеток водорослей и экстракции

Водоросли, макро- и микроводоросли, содержат много ценных соединений, которые используются в качестве питательных продуктов питания, пищевых добавок или в качестве топлива или топливного сырья. Для того, чтобы высвободить целевые вещества из клетки водоросли, требуется мощный и эффективный метод разрушения клеток. Ультразвуковые экстракторы отличаются высокой эффективностью и надежностью, когда речь идет об извлечении биологически активных соединений из растительных компонентов, водорослей и грибов. Ультразвуковые экстракторы Hielscher, доступные в лабораторных, настольных и промышленных масштабах, используются в производстве клеточных экстрактов в пищевой, фармацевтической и биотопливной промышленности.

Водоросли как ценный ресурс для питания и топлива

Клетки водорослей являются универсальным источником биологически активных и богатых энергией соединений, таких как белки, углеводы, липиды и другие биологически активные вещества, а также алканы. Это делает водоросли источником пищи и питательных соединений, а также топливом.
Микроводоросли являются ценным источником липидов, которые используются для питания и в качестве сырья для биотоплива (например, биодизеля). Штаммы морского фитопланктона Dicrateria, такие как Dicrateria rotunda, известны как водоросли, производящие нефть, которые могут синтезировать ряд насыщенных углеводородов (n-алканов) из C₁₀H₂₂ до C₃₈H₇₈, которые подразделяются на бензин (C10–C15), дизельное топливо (C16–C20) и мазут (C21–C38).
Благодаря своей питательной ценности водоросли используются в качестве «функциональных продуктов питания» или «нутрицевтиков». Важные микроэлементы, извлеченные из водорослей, включают каротиноиды астаксантин, фукоксантин и зеаксантин, фукоидан, ламинари и другие глюканы, а также многие другие биологически активные вещества, которые используются в качестве пищевых добавок и фармацевтических средств. В качестве пищевых добавок используются каррагинан, альгинат и другие гидроколлоиды. Липиды водорослей используются в качестве веганского источника омега-3, а также используются в качестве топлива или сырья для производства биодизеля.

Разрушение клеток водорослей и экстракция с помощью ультразвука

Ультразвуковые экстракторы или просто ультразвуковые аппараты используются для извлечения ценных соединений из небольших образцов в лаборатории, а также для производства в больших промышленных масштабах.
Клетки водорослей защищены сложными матрицами клеточной стенки, которые состоят из липидов, целлюлозы, белков, гликопротеинов и полисахаридов. Основание клеточных стенок большинства водорослей построено из микрофибриллярной сети внутри гелеобразной белковой матрицы; Тем не менее, некоторые микроводоросли оснащены неорганической жесткой стенкой, состоящей из опаловых панцирей кремнезема или карбоната кальция. Для получения биологически активных соединений из биомассы водорослей необходим эффективный метод разрушения клеток. Помимо технологических факторов экстракции (т.е. метода экстракции и оборудования), на эффективность разрушения и экстракции клеток водорослей также сильно влияют различные факторы, зависящие от водорослей, такие как состав клеточной стенки, расположение желаемой биомолекулы в клетках микроводорослей и стадия роста микроводорослей во время сбора.

Как работает ультразвуковое разрушение клеток водорослей и экстракция?

Когда ультразвуковые волны высокой интенсивности связываются с помощью ультразвукового зонда (также известного как ультразвуковой рупор или сонотрод) в жидкость или суспензию, звуковые волны проходят через жидкость и тем самым создают чередование циклов высокого и низкого давления. Во время этих циклов высокого / низкого давления возникают мельчайшие вакуумные пузырьки или полости. Кавитационные пузырьки возникают, когда местное давление падает во время циклов низкого давления достаточно сильно ниже давления насыщенных паров, величины, определяемой прочностью жидкости на разрыв при определенной температуре. Которые растут в течение нескольких циклов. Когда эти вакуумные пузырьки достигают размера, при котором они не могут поглощать больше энергии, пузырь сильно взрывается во время цикла высокого давления. Имплозия кавитационных пузырьков — это жестокий, энергоемкий процесс, который генерирует интенсивные ударные волны, турбулентности и микроструи в жидкости. Кроме того, создаются локализованные очень высокие давления и очень высокие температуры. Эти экстремальные условия легко способны разрушать клеточные стенки и мембраны и высвобождать внутриклеточные соединения эффективным, действенным и быстрым образом. Таким образом, внутриклеточные соединения, такие как белки, полисахариды, липиды, витамины, минералы и антиоксиданты, могут быть эффективно экстрагированы с помощью силового ультразвука.

Ультразвуковая кавитация для разрушения и экстракции клеток

При воздействии интенсивной ультразвуковой энергии стенка или мембрана любого вида клеток (включая ботанические, млекопитающие, водорослевые, грибковые, бактериальные и т.д.) разрушается, и клетка разрывается на более мелкие фрагменты под действием механических сил энергоемкой ультразвуковой кавитации. Когда клеточная стенка разрушается, клеточные метаболиты, такие как белок, липид, нуклеиновая кислота и хлорофилл, высвобождаются из матрицы клеточной стенки, а также из внутренней части клетки и переносятся в окружающую культуральную среду или растворитель.
Описанный выше механизм ультразвуковой/акустической кавитации сильно разрушает целые клетки водорослей или газовые и жидкие вакуоли внутри клеток. Ультразвуковая кавитация, вибрация, турбулентность и микропотоки способствуют массопереносу между внутренней частью клетки и окружающим растворителем, так что биомолекулы (т.е. метаболиты) эффективны и быстро высвобождаются. Поскольку ультразвуковая обработка является чисто механической обработкой, которая не требует жестких, токсичных и/или дорогостоящих химикатов.
Высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук создает экстремально энергоемкие условия с высоким давлением, температурой и высокой силой сдвига. Эти физические силы способствуют разрушению клеточных структур с целью высвобождения внутриклеточных соединений в среду. Поэтому низкочастотный ультразвук в основном используется для извлечения биологически активных веществ и топлива из водорослей. По сравнению с традиционными методами экстракции, такими как экстракция растворителем, измельчение бусин или гомогенизация под высоким давлением, ультразвуковая экстракция отличается высвобождением большей части биологически активных соединений (таких как липиды, белки, полисахариды и микроэлементы) из сонопорированной и разрушенной клетки. Применяя правильные технологические условия, ультразвуковая экстракция обеспечивает превосходный выход экстракции в течение очень короткого технологического процесса. Например, высокопроизводительные ультразвуковые экстракторы демонстрируют отличные характеристики экстракции из водорослей при использовании с подходящим растворителем. В кислой или щелочной среде клеточная стенка водорослей становится пористой и морщинистой, что приводит к увеличению выхода при низкой температуре (ниже 60°C) за короткое время ультразвука (менее 3 часов). Короткая продолжительность экстракции при умеренных температурах предотвращает деградацию фукоидана, благодаря чему получается высокобиологически активный полисахарид.
Ультразвуковая технология также является методом преобразования высокомолекулярного фукоидана в низкомолекулярный фукоидан, который значительно более биоактивен благодаря своей разветвленной структуре. Обладая высокой биологической активностью и биодоступностью, низкомолекулярный фукоидан является интересным соединением для фармацевтики и систем доставки лекарств.

Тематические исследования: ультразвуковая экстракция соединений водорослей

Эффективность ультразвуковой экстракции и оптимизация параметров ультразвуковой экстракции широко изучены. Ниже приведены примерные результаты экстракции с помощью ультразвука различных видов водорослей.

Экстракция белка из спирулины с помощью мано-термоультразвуковой обработки

Исследовательская группа профессора Чемата (Авиньонский университет) исследовала влияние мотермосионирования (MTS) на экстракцию белков (таких как фикоцианин) из сухих цианобактерий Arthrospira platensis (также известных как спирулина). Манотермоультразвуковая обработка (MTS) – это применение ультразвука в сочетании с повышенным давлением и температурой для интенсификации процесса ультразвуковой экстракции.
«Согласно экспериментальным результатам, MTS способствовала массопереносу (высокая эффективная диффузия, De) и позволила получить на 229% больше белков (28,42 ± 1,15 г/100 г DW), чем при традиционном процессе без ультразвука (8,63 ± 1,15 г/100 г DW). При соотношении 28,42 г белков на 100 г сухой биомассы спирулины в экстракте скорость восстановления белка 50% была достигнута за 6 эффективных минут при непрерывном процессе MTS. Микроскопические наблюдения показали, что акустическая кавитация воздействует на нити спирулины различными механизмами, такими как фрагментация, сонопорация, детекстурация. Эти различные явления облегчают экстракцию, высвобождение и солюбилизацию биологически активных соединений спирулины». [Vernès et al., 2019]

Оптические микроскопические изображения целых нитей спирулины, подвергшихся лечению MTS с течением времени. Масштабная линейка (рисунок А) = 50 мкм для всех изображений.
фото и исследование: ©Vernès et al. 2019

Ультразвуковая экстракция фукоидана и глюкана из Ламинария пальчатая

Исследовательская группа TEAGASC доктора Тивари исследовала экстракцию полисахаридов, т.е. фукоидана, ламинарина и общих глюканов, из макроводоросли Laminaria digitata с использованием Ультразвуковой аппарат UIP500hdT. Изученные параметры ультразвуковой экстракции (ЭМА) показали существенное влияние на уровни фукозы, FRAP и DPPH. Уровни 1060,75 мг/100 г суточной нормы, 968,57 мг/100 г суточной нормы, 8,70 мкМ тролокса/мг суп.д. и 11,02% соответственно были получены для фукозы, общих глюканов, FRAP и DPPH соответственно при оптимизированных условиях температуры (76°С), времени (10 мин) и амплитуды ультразвука (100%) с использованием 0,1 М HCl в качестве растворителя. Описанные условия ОАЭ были затем успешно применены к другим экономически значимым бурым макроводорослям (L. hyperborea и A. nodosum) для получения экстрактов, богатых полисахаридами. Это исследование демонстрирует применимость ОАЭ для улучшения экстракции биоактивных полисахаридов из различных видов макроводорослей.

Ультразвуковая фитохимическая экстракция из F. vesiculosus и P. canaliculata

Исследовательская группа García-Vaquero сравнила различные новые методы экстракции, включая высокоэффективную ультразвуковую экстракцию, ультразвуковую микроволновую экстракцию, микроволновую экстракцию, гидротермальную экстракцию и экстракцию под высоким давлением, чтобы оценить эффективность экстракции из видов коричневых микроводорослей Fucus vesiculosus и Pelvetia canaliculata. Для ультразвуковой обработки они использовали Ультразвуковой экстрактор Hielscher UIP500hdT. Анализ выходов экстракции показал, что ультразвуковая экстракция показала самые высокие выходы из большинства фитохимических веществ как F. vesiculosus. Это означает, что наибольшие выходы соединений экстрагируются из F. vesiculosus с использованием ультразвуковой экстрактор UIP500hdT Общее содержание фенолов (445,0 ± 4,6 мг эквивалента галловой кислоты/г), общее содержание флоротанина (362,9 ± 3,7 мг эквивалента флороглюцинола/г), общее содержание флавоноидов (286,3 ± 7,8 мг эквивалента кверцетина/г) и общее содержание танинов (189,1 ± 4,4 мг эквивалента катехина/г).
В своем исследовании команда пришла к выводу, что использование ультразвуковой экстракции «в сочетании с 50% этанольным раствором в качестве растворителя экстракции может быть перспективной стратегией, направленной на экстракцию TPC, TPhC, TFC и TTC, при одновременном снижении совместной экстракции нежелательных углеводов как из F. vesiculosus, так и из P. canaliculata, с перспективным применением при использовании этих соединений в качестве фармацевтических препаратов». нутрицевтики и космецевтики». [Гарсия-Вакеро и др., 2021]

Масштабирование манотермоультразвуковой обработки в Авиньонском университете с использованием ультразвуковых аппаратов Хильшера: от лабораторного оборудования УИП1000HDT (А) к опытному оборудованию УИП4000HDT (В, В & D). На рисунке D схематизирован поперечный разрез ультразвуковой проточной ячейки ФК100К.
фото и исследование: ©Vernès et al. 2019

Высокопроизводительные ультразвуковые экстракторы для борьбы с водорослями

Современное ультразвуковое оборудование Hielscher позволяет полностью контролировать параметры процесса, такие как амплитуда, температура, давление и потребляемая энергия.
Для ультразвуковой экстракции такие параметры, как размер частиц сырья, тип растворителя, соотношение твердых частиц и растворителя и время экстракции, могут быть изменены и оптимизированы для достижения наилучших результатов.
Поскольку ультразвуковая экстракция является нетермическим методом экстракции, это позволяет избежать термического разложения биологически активных ингредиентов, присутствующих в сырье, таких как водоросли.
В целом, такие преимущества, как высокий выход, короткое время экстракции, низкая температура экстракции и небольшое количество растворителя, делают ультразвуковую обработку превосходным методом экстракции.

Ультразвуковая экстракция: зарекомендовала себя в лаборатории и промышленности

Ультразвуковая экстракция широко применяется для извлечения любого вида биологически активных соединений из растительных компонентов, водорослей, бактерий и клеток млекопитающих. Ультразвуковая экстракция зарекомендовала себя как простая, экономичная и высокоэффективная система, которая превосходит другие традиционные методы экстракции более высоким выходом экстракции и более короткой продолжительностью обработки.
Благодаря наличию лабораторных, настольных и полностью промышленных ультразвуковых систем, ультразвуковая экстракция в настоящее время является хорошо зарекомендовавшей себя и надежной технологией. Ультразвуковые экстракторы Hielscher установлены по всему миру на промышленных предприятиях, производящих пищевые и фармацевтические биологически активные соединения.

Стандартизация процессов с помощью Hielscher Ultrasonics

Экстракты, полученные из водорослей, которые используются в продуктах питания, фармацевтике или косметике, должны производиться в соответствии с надлежащей производственной практикой (GMP) и стандартизированными спецификациями обработки. Цифровые вытяжные системы Hielscher Ultrasonics поставляются с интеллектуальным программным обеспечением, которое позволяет легко настраивать и точно контролировать процесс ультразвуковой обработки. Автоматическая запись данных записывает все ультразвуковые параметры процесса, такие как энергия ультразвука (общая и полезная энергия), амплитуда, температура, давление (при установке датчиков температуры и давления) с отметкой даты и времени на встроенную SD-карту. Это позволяет пересмотреть каждую партию, прошедшую ультразвуковую обработку. В то же время обеспечивается воспроизводимость и неизменно высокое качество продукции.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: