Обработка ультразвуком для улучшения разрушения клеток водорослей и экстракции

Водоросли, включая макро- и микроводоросли, содержат множество ценных соединений, которые используются в качестве питательных пищевых продуктов, пищевых добавок, топлива или сырья для его производства. Для высвобождения целевых веществ из клетки водоросли необходим мощный и эффективный метод разрушения клеток. Ультразвуковые экстракторы высокоэффективны и надёжны при извлечении биоактивных соединений из растительного сырья, водорослей и грибов. Ультразвуковые экстракторы Hielscher, доступные в лабораторном, настольном и промышленном исполнении, прочно зарекомендовали себя в получении клеточных экстрактов при производстве пищевых продуктов, фармацевтических препаратов и биотоплива.

Водоросли как ценный ресурс для питания и производства топлива

Клетки водорослей являются универсальным источником биоактивных и богатых энергией соединений, таких как белки, углеводы, липиды и другие биоактивные вещества, а также алканы. Это делает водоросли источником пищевых продуктов и питательных соединений, а также топлива.
Микроводоросли являются ценным источником липидов, используемых для питания и в качестве сырья для биотоплива (например, биодизеля). Штаммы морского фитопланктона Dicrateria, такие как Dicrateria rotunda, известны как водоросли, производящие бензин, которые способны синтезировать ряд насыщенных углеводородов (n-алканов) от C₁₀H₂₂ до C₃₈H₇₈, которые классифицируются как бензин (C10–C15), дизельное топливо (C16–C20) и топочные топлива (C21–C38).
Благодаря своей питательной ценности водоросли используются как «функциональные пищевые продукты» или «нутрицевтики». К важным микронутриентам, извлекаемым из водорослей, относятся каротиноиды астаксантин, фукоксантин и зеаксантин, фукоидан, laminari и другие глюканы, которые наряду с многочисленными другими биоактивными веществами используются в качестве добавок к питанию и фармацевтических препаратов. Каррагинан, альгинат и другие гидроколлоиды используются в качестве пищевых добавок. Липиды водорослей используются как веганский источник омега-3, а также как топливо или сырьё для производства биодизеля.

Разрушение клеток водорослей и экстракция с помощью мощного ультразвука

Ультразвуковые экстракторы, или просто ультразвуковые аппараты, используются для извлечения ценных соединений как из небольших образцов в лаборатории, так и при крупномасштабном промышленном производстве.
Клетки водорослей защищены сложными матрицами клеточных стенок, состоящими из липидов, целлюлозы, белков, гликопротеинов и полисахаридов. Основу большинства клеточных стенок водорослей составляет микрофибриллярная сеть внутри гелеобразной белковой матрицы; однако некоторые микроводоросли имеют жёсткую неорганическую стенку, состоящую из панцирей из опалового кремнезёма или карбоната кальция. Для получения биоактивных соединений из биомассы водорослей необходим эффективный метод разрушения клеток. Помимо технологических факторов экстракции (то есть метода экстракции и оборудования), на эффективность разрушения клеток водорослей и экстракции также сильно влияют различные факторы, зависящие от водорослей, такие как состав клеточной стенки, расположение целевой биомолекулы в клетках микроводорослей и стадия роста микроводорослей во время сбора.

Как происходят ультразвуковое разрушение клеток водорослей и экстракция?

Когда ультразвуковые волны высокой интенсивности передаются в жидкость или суспензию через ультразвуковой зонд (также известный как ультразвуковой рупор или сонотрод), звуковые волны распространяются в жидкости, создавая чередующиеся циклы высокого и низкого давления. Во время этих циклов высокого и низкого давления возникают мельчайшие вакуумные пузырьки или полости. Кавитационные пузырьки возникают, когда локальное давление в циклах низкого давления падает достаточно далеко ниже давления насыщенного пара – величины, определяемой прочностью жидкости на растяжение при определённой температуре. Эти пузырьки растут на протяжении нескольких циклов. Когда вакуумные пузырьки достигают размера, при котором они больше не могут поглощать энергию, они резко схлопываются во время цикла высокого давления. Схлопывание кавитационных пузырьков – это бурный процесс с высокой плотностью энергии, который создаёт в жидкости интенсивные ударные волны, турбулентность и микроструи. Кроме того, локально возникают очень высокие давления и очень высокие температуры. Эти экстремальные условия легко позволяют разрушать клеточные стенки и мембраны и эффективно, результативно и быстро высвобождать внутриклеточные соединения. Таким образом, внутриклеточные соединения, такие как белки, полисахариды, липиды, витамины, минералы и антиоксиданты, могут эффективно извлекаться с помощью мощного ультразвука.

Ультразвуковая кавитация для разрушения клеток и экстракции

При воздействии интенсивной ультразвуковой энергии стенка или мембрана клеток любого типа (включая клетки растений, млекопитающих, водорослей, грибов, бактерий и т. д.) разрушается, а клетка разрывается на более мелкие фрагменты механическими силами ультразвуковой кавитации с высокой плотностью энергии. При разрушении клеточной стенки клеточные метаболиты, такие как белки, липиды, нуклеиновые кислоты и хлорофилл, высвобождаются как из матрицы клеточной стенки, так и из внутреннего содержимого клетки и переходят в окружающую культуральную среду или растворитель.
Описанный выше механизм ультразвуковой / акустической кавитации вызывает сильное разрушение целых клеток водорослей или газовых и жидкостных вакуолей внутри клеток. Ультразвуковая кавитация, вибрация, турбулентность и микропотоки способствуют массопереносу между внутренним содержимым клетки и окружающим растворителем, благодаря чему биомолекулы (то есть метаболиты) высвобождаются эффективно и быстро, поскольку обработка ультразвуком представляет собой исключительно механическое воздействие, которое не требует агрессивных, токсичных и/или дорогостоящих химических веществ.
Низкочастотный ультразвук высокой интенсивности создаёт экстремальные условия с высокой плотностью энергии, характеризующиеся высокими давлениями, температурами и большими силами сдвига. Эти физические силы способствуют разрушению клеточных структур для высвобождения внутриклеточных соединений в среду. Поэтому низкочастотный ультразвук широко используется для извлечения биоактивных веществ и топлива из водорослей. По сравнению с традиционными методами экстракции, такими как экстракция растворителем, измельчение в бисерной мельнице или гомогенизация под высоким давлением, ультразвуковая экстракция превосходит их, высвобождая большую часть биоактивных соединений (таких как липиды, белки, полисахариды и микронутриенты) из клетки, подвергнутой сонопорации и разрушению. При правильных условиях процесса ультразвуковая экстракция обеспечивает превосходный выход экстракции за очень короткое время. Например, высокопроизводительные ультразвуковые экстракторы демонстрируют отличные результаты экстракции из водорослей при использовании подходящего растворителя. В кислой или щелочной среде клеточная стенка водоросли становится пористой и сморщенной, что приводит к увеличению выхода при низкой температуре (ниже 60°C) за короткое время обработки ультразвуком (менее 3 часов). Короткая продолжительность экстракции при умеренных температурах предотвращает разложение фукоидана, благодаря чему получается полисахарид с высокой биоактивностью.
Обработка ультразвуком также является методом превращения высокомолекулярного фукоидана в низкомолекулярный фукоидан, который обладает значительно более высокой биоактивностью благодаря своей структуре с удалёнными ответвлениями. Благодаря высокой биоактивности и биодоступности для всасывания низкомолекулярный фукоидан представляет интерес для фармацевтических препаратов и систем доставки лекарств.

Примеры исследований: ультразвуковая экстракция соединений из водорослей

Эффективность ультразвуковой экстракции и оптимизация её параметров широко исследовались. Ниже приведены примеры результатов извлечения соединений из различных видов водорослей посредством обработки ультразвуком.

Экстракция белков из спирулины с помощью манотермосоникации

Исследовательская группа профессора Chemat (Авиньонский университет) изучила влияние манотермосоникации (MTS) на извлечение белков (таких как фикоцианин) из сухих цианобактерий Arthrospira platensis (также известных как спирулина). Манотермосоникация (MTS) представляет собой применение ультразвука в сочетании с повышенными давлениями и температурами для интенсификации процесса ультразвуковой экстракции.
«Согласно экспериментальным результатам, MTS способствовала массопереносу (высокий эффективный коэффициент диффузии, De) и позволила получить на 229% больше белков (28,42 ± 1,15 g/100 g DW), чем традиционный процесс без ультразвука (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). При содержании в экстракте 28,42 g белков на 100 g сухой биомассы спирулины степень извлечения белка 50% была достигнута за 6 минут эффективной обработки при непрерывном процессе MTS. Микроскопические наблюдения показали, что акустическая кавитация воздействовала на нити спирулины посредством различных механизмов, таких как фрагментация, сонопорация и разрушение текстуры. Эти различные явления облегчают экстракцию, высвобождение и солюбилизацию биоактивных соединений спирулины». [Vernès et al., 2019]

Изображения целых нитей спирулины, полученные методом оптической микроскопии, показывающие изменения во времени при обработке MTS. Масштабная линейка (изображение A) = 50 μm для всех изображений.
изображение и исследование: ©Vernès et al. 2019

Ультразвуковая экстракция фукоидана и глюканов из Laminaria digitata

Исследовательская группа доктора Tiwari из TEAGASC изучила извлечение полисахаридов, а именно фукоидана, ламинарина и общего количества глюканов, из макроводоросли Laminaria digitata с помощью ультразвукового аппарата UIP500hdT. Изученные параметры экстракции с применением ультразвука (UAE) показали значительное влияние на уровни фукозы, FRAP и DPPH. Значения 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM тролокса/mg fde и 11,02% были получены для фукозы, общего количества глюканов, FRAP и DPPH соответственно при оптимизированных условиях температуры (76◦C), времени (10 min) и ультразвуковой амплитуды (100%) с использованием 0,1 M HCl в качестве растворителя. Описанные условия UAE затем были успешно применены к другим экономически значимым бурым макроводорослям (L. hyperborea и A. nodosum) для получения экстрактов, богатых полисахаридами. Это исследование демонстрирует применимость UAE для улучшения извлечения биоактивных полисахаридов из различных видов макроводорослей.

Ультразвуковая экстракция фитохимических соединений из F. vesiculosus и P. canaliculata

Исследовательская группа García-Vaquero сравнила различные новые методы экстракции, включая высокопроизводительную ультразвуковую экстракцию, ультразвуково-микроволновую экстракцию, микроволновую экстракцию, экстракцию с гидротермальным воздействием и экстракцию с применением высокого давления, для оценки эффективности извлечения соединений из бурых микроводорослей видов Fucus vesiculosus и Pelvetia canaliculata. Для обработки ультразвуком использовали ультразвуковой экстрактор Hielscher UIP500hdT. Анализ выходов экстракции показал, что ультразвуковая экстракция обеспечила наивысшие выходы большинства фитохимических соединений из обоих F. vesiculosus. Это означает, что наивысшие выходы соединений, извлечённых из F. vesiculosus с помощью ультразвукового экстрактора UIP500hdT , составили: общее содержание фенольных соединений (445,0 ± 4,6 mg эквивалентов галловой кислоты/g), общее содержание флоротаннинов (362,9 ± 3,7 mg эквивалентов флороглюцина/g), общее содержание флавоноидов (286,3 ± 7,8 mg эквивалентов кверцетина/g) и общее содержание таннинов (189,1 ± 4,4 mg эквивалентов катехина/g).
В своём исследовании группа пришла к выводу, что применение экстракции с ультразвуковым воздействием «в сочетании с 50% раствором этанола в качестве экстракционного растворителя могло бы стать перспективной стратегией, направленной на извлечение TPC, TPhC, TFC и TTC при одновременном уменьшении совместной экстракции нежелательных углеводов из обоих видов, F. vesiculosus и P. canaliculata, с перспективами применения этих соединений в качестве фармацевтических препаратов, нутрицевтиков и космецевтиков». [García-Vaquero et al., 2021]

Масштабирование манотермосоникации в Авиньонском университете с использованием ультразвуковых аппаратов Hielscher: от лабораторного оборудования UIP1000hdT (A) до оборудования пилотного масштаба UIP4000hdT (B, C и D). На изображении D схематически представлен поперечный разрез ультразвуковой проточной ячейки FC100K.
изображение и исследование: ©Vernès et al. 2019

Высокопроизводительные ультразвуковые экстракторы для разрушения клеток водорослей

Современное ультразвуковое оборудование Hielscher позволяет полностью контролировать параметры процесса, такие как амплитуда, температура, давление и подводимая энергия.
При ультразвуковой экстракции такие параметры, как размер частиц сырья, тип растворителя, соотношение твёрдого материала и растворителя и время экстракции, можно изменять и оптимизировать для достижения наилучших результатов.
Поскольку ультразвуковая экстракция является нетермическим методом экстракции, термического разложения биоактивных компонентов, присутствующих в сырье, таком как водоросли, удаётся избежать.
В целом такие преимущества, как высокий выход, короткое время экстракции, низкая температура экстракции и небольшие количества растворителя, делают обработку ультразвуком превосходящим другие методом экстракции.

Ультразвуковая экстракция: проверенная технология в лаборатории и промышленности

Ультразвуковая экстракция широко применяется для извлечения любых видов биоактивных соединений из растительного сырья, водорослей, бактерий и клеток млекопитающих. Ультразвуковая экстракция зарекомендовала себя как простой, экономичный и высокоэффективный метод, который превосходит другие традиционные методы экстракции благодаря более высокому выходу экстракции и меньшей продолжительности обработки.
Благодаря доступности лабораторных, настольных и полностью промышленных ультразвуковых систем ультразвуковая экстракция сегодня является хорошо зарекомендовавшей себя и надёжной технологией. Ультразвуковые экстракторы Hielscher установлены по всему миру на промышленных перерабатывающих предприятиях, производящих биоактивные соединения пищевого и фармацевтического качества.

Стандартизация процесса с Hielscher Ultrasonics

Экстракты из водорослей, используемые в пищевых продуктах, фармацевтических препаратах или косметике, должны производиться в соответствии с надлежащей производственной практикой (GMP) и стандартизированными технологическими требованиями. Цифровые экстракционные системы Hielscher Ultrasonics оснащены интеллектуальным программным обеспечением, которое позволяет легко и точно задавать и контролировать процесс обработки ультразвуком. Автоматическая регистрация данных записывает все параметры ультразвукового процесса, такие как энергия ультразвука (общая и полезная энергия), амплитуда, температура и давление (при установленных датчиках температуры и давления), с отметками даты и времени на встроенную SD-карту. Это позволяет проверять каждую партию, обработанную ультразвуком. При этом обеспечиваются воспроизводимость и стабильно высокое качество продукции.

Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: