Ultrazvuková extrakcia rias pre výživové doplnky
Ultrazvuková extrakcia je vynikajúcou metódou na efektívne a rýchle narušenie buniek rias. Sonikácia môže uvoľniť celé množstvo bioaktívnych zlúčenín, vďaka čomu je ultrazvuková technika vysoko účinná.
Ako extrahovať bielkoviny, lipidy a fenoly z rias pomocou ultrazvuku
Druhy rias a mikrorias sú bohaté na biologicky aktívne zlúčeniny, ako sú bielkoviny, lipidy, karotenoidy, pigmenty (napr. fykocyány, astaxantín atď.), fenoly a polysacharidy (napr. karagény). Vďaka tomu sú široko používaným prírodným materiálom na výrobu extraktov do potravín a doplnkov stravy. Bežne používané druhy rias na výživové doplnky sú Arthrospira maxima a (tiež známa ako spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis a Ulva spp. Riasy sú známe ako dobrý zdroj vysokokvalitných bielkovín, lipidov, PUFA s dlhým reťazcom (t. j. omega-3), polysacharidov (napr. alginát, karagénan, β-glukány), vitamínov a antioxidantov.
Spirulina je bežne používaný druh rias, ktorý je bohatý na vysoko cenné bioaktívne zlúčeniny, ako sú bielkoviny (s 50–70 % suchej hmotnosti). Keďže spirulina je schválená FDA (Food Drug Administration of the United States) ako GRAS (všeobecne uznávaná ako bezpečná), spirulina a extrakty zo spiruliny sa môžu používať v komerčných potravinách alebo ako doplnky stravy.
Výhody ultrazvukovej extrakcie rias
Ultrazvuková extrakcia vyniká alternatívnymi metódami extrakcie v rôznych bodoch, ako je vysoká výťažnosť, spoľahlivosť, bezpečnosť, jednoduchosť a šetrnosť k životnému prostrediu.
Plný výťažok extrakcie
Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje rozbíjajú bunky rias a narušujú ich, takže sa uvoľňuje intracelulárny materiál. Ultrazvuková extrakcia tak uvoľňuje celé spektrum bioaktívnych zlúčenín, ako sú fykobiliproteíny, karotenoidy a lipidy a fenoly.
Fykobiliproteíny možno rozlíšiť do troch hlavných skupín, a to chlórfykokyaníny, alofykocyány a fykoerytríny. C-fykocyanín je prírodný modrý pigment, ktorý je široko používaný v potravinárskych a farmaceutických výrobkoch. Ultrazvuková extrakcia uvoľňuje celé spektrum proteínov.
SonoStation – ultrazvukový systém s 2x 2kW ultrazvukom, miešanou nádržou a čerpadlom – je užívateľsky prívetivý systém na odsávanie.
Vysoká účinnosť odsávania
Duangsee et al. (2009) testovali dve rôzne metódy extrakcie (ultrazvukom asistovaná extrakcia rozpúšťadlom a extrakcia opakovaným zmrazovaním a rozmrazovaním) bioaktívnych zlúčenín z biomasy Arthospira a zistili, že extrakcia ultrazvukovým rozpúšťadlom viedla k vyššej účinnosti extrakcie (22,1 %) ako zmrazovanie a rozmrazovanie (15,6 %). Porovnanie prasknutia buniek medzi sonikáciou a opakovaným zmrazovaním a rozmrazovaním ukazuje, že sonikácia je účinnejšia. Ultrazvuková kavitácia rýchlo a efektívne narúša bunky rias, čo má za následok vyššie narušenie buniek v porovnaní s bunkami spiruliny ošetrenými opakovaným zmrazovaním a rozmrazovaním.
Sonikácia bola účinnejšia pri rozbíjaní bunkového obalu v porovnaní s opakovaným zmrazovaním a rozmrazovaním. Extrakcia fykocyanínu ukázala, že teplota spracovania ovplyvnila účinnosť extrakcie.
Rýchly proces extrakcie
Vysokovýkonné ultrazvukové systémy môžu aplikovať vysoký ultrazvukový výkon prostredníctvom vysokých amplitúd do suspenzie rias. Vďaka tomu je ultrazvuková extrakcia veľmi rýchlou metódou spracovania.
regulácia teploty
Ultrazvuk je netepelná, čisto mechanická extrakčná technika. Teplotu odsávania je možné presne regulovať pomocou zásuvného snímača teploty, ktorý je pripojený k digitálnemu ultrazvuku Hielscher. Softvér digitálnych ultrazvukových prístrojov Hielscher umožňuje nastaviť teplotné limity tak, aby sa ultrazvukový homogenizátor po dosiahnutí teplotného limitu pozastavil. Presná regulácia teploty umožňuje zabrániť tepelnej degradácii materiálov citlivých na teplo, ako sú fykobiliproteíny, vitamíny, polyfenoly, polysacharidy, lipidy a ďalšie bioaktívne zlúčeniny.
Kompatibilné s rôznymi rozpúšťadlami
Ultrazvuk je kompatibilný s takmer akýmkoľvek rozpúšťadlom. Ultrazvuková extrakcia v kombinácii so zelenými rozpúšťadlami, ako je voda alebo etanol, vytvára čisté extrakty. Tieto ultrazvukové extrakty je možné bezpečne začleniť do potravín, pretože extrakčné rozpúšťadlá etanol a voda majú status GRAS (všeobecne uznávaný ako bezpečný).
Reprodukovateľnosť a štandardizácia procesov
Digitálne ultrazvukové prístroje Hielscher prichádzajú s inteligentným softvérom a prepracovanou škálou nastavení pre ideálne parametre extrakcie. Softvér protokoluje všetky parametre ultrazvukového procesu (napr. amplitúdu, čistý výkon, celkový výkon, teplotu, tlak, čas, dátum) a zapisuje údaje o sonikácii do súboru CSV na vstavanej SD karte. To vám umožní štandardizovať proces extrakcie a pozorne monitorovať sonikáciu a kvalitu výstupu. Tieto funkcie vám pomôžu splniť požiadavky na štadizáciu procesov, ako aj správnu výrobnú prax (GMP), ktoré sú veľmi dôležité pri výrobe extraktov pre doplnky, potraviny alebo farmaceutické výrobky.
Ultrazvukový protokol extrakcie fykocyanínu
Mazumder et al. (2017) skúmali optimálne parametre spracovania pre ultrazvukovú extrakciu fykocyanínu a fenolov z Arthospira platensis. Maximálny výťažok fykocyanínu (29,9 mg/g) a celkových fenolov (2,4 mg/g) bol dosiahnutý pri 40% koncentrácii etanolu, 34,9 °C pri extrakcii pomocou ultrazvuku UP50H (50 wattov, 30 kHz) pri amplitúde 95 % pri extrakcii 104,7 sekundy.
Vernès et al. (2019) použili ultrazvuk UIP1000hdT (1000W, 20kHz) na extrakciu proteínov zo spiruliny. Ultrazvuk bol vybavený sonotródou BS2d34 a ultrazvukovým prietokovým reaktorom (presné nastavenie ultrazvukovej extrakcie s prietokovým článkom a čerpadlom Seepex nájdete na obrázku nižšie).
UIP1000hdT – Nastavenie manotermosonikácie (MTS) a extrakcia proteínov zo spiruliny v laboratórnom meradle
zdroj: Vernes et al. 2019
Výsledky výskumu ukazujú, že podmienky ultrazvukovej extrakcie optimalizované pre výťažok bielkovín zahŕňajú mierne zvýšenú teplotu a tlak (tzv. manotermosonikácia MTS). MTS podporuje prenos hmoty a umožňuje získať o 229% viac bielkovín (28,42 ± 1,15 g/100 g suchej hmotnosti) ako konvenčný proces bez ultrazvuku (8,63 ± 1,15 g/100 g suchej hmotnosti).
S 28,42 g proteínov získaných na 100 g suchej biomasy spiruliny v extrakte sa dosiahla miera regenerácie bielkovín 50 % len za 6 minút v nepretržitom procese sonikácie. Mikroskopické zobrazovanie odhaľuje, že akustická kavitácia ovplyvňuje vlákna spiruliny rôznymi mechanizmami, ako je fragmentácia, sonoporácia, detexturácia. Tieto rôzne účinky uľahčujú a zefektívňujú extrakciu, uvoľňovanie a solubilizáciu bioaktívnych zlúčenín spiruliny, čo má za následok vysoký výťažok bielkovín vysokej kvality.
Čo sa týka kvality ultrazvukovo extrahovaných proteínov, aminokyseliny neboli ultrazvukovou úpravou degradované, ale v prípade sonikácie sú prítomné vo väčšom množstve v porovnaní s konvenčnou extrakciou.
Pri porovnaní manotermosonikácie a ultrazvukovej extrakcie bez zvýšeného tlaku a teploty je rozdiel vo výťažnosti a účinnosti extrakcie len minimálny. Preto sa samotný ultrazvuk považuje za najekonomickejšiu a najjednoduchšiu techniku na výrobu vysokokvalitného extraktu bohatého na proteíny spiruliny. Ultrazvuková extrakcia je zelená, ekologická extrakčná technika vhodná na extrakciu proteínov zo spiruliny v laboratórnom meradle, ktorú možno ľahko škálovať do pilotného a priemyselného meradla. (porovnaj Vernès a kol. 2019)
UP400St na ultrazvukovú extrakciu rias v 8L dávke
Vysokovýkonné ultrazvukové extraktory
Všetky výsledky extrakcie dosiahnuté v malom meradle je možné lineárne škálovať na väčšie výrobné kapacity. Veľké portfólio produktov Hielscher Ultrasonics od laboratórnych až po priemyselné odsávacie systémy má najvhodnejší ultrazvuk pre vašu predpokladanú procesnú kapacitu. Náš dlhoročný skúsený personál vám pomôže od testov uskutočniteľnosti a optimalizácie procesov až po inštaláciu vášho ultrazvukového systému na úrovni finálnej výroby.
Hielscher Ultrasonics – Sofistikované odsávacie zariadenia
Portfólio produktov Hielscher Ultrasonics pokrýva celý rad vysokovýkonných ultrazvukových extraktorov od malých až po veľké. Dodatočné príslušenstvo umožňuje jednoduchú montáž najvhodnejšej konfigurácie ultrazvukového zariadenia pre váš proces. Optimálne nastavenie ultrazvuku závisí od predpokladanej kapacity, objemu, suroviny, dávkového alebo inline procesu a časového harmonogramu. Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach. Lineárna škálovateľnosť ultrazvukových extrakčných procesov umožňuje jednoduché a spoľahlivé zvýšenie výroby. Prečítajte si viac o lineárnom škálovaní procesov ultrazvukovej extrakcie!
Vyberte si z rôznych doplnkov, ako napríklad:
- Sonotródy rôznych veľkostí, priemerov a tvarov
- Sonotródy pre vysokú amplitúdu 200 μm a vyššiu
- Reaktory s prietokovými bunkami s rôznymi objemami a geometriami
- početné posilňovacie klaksóny na zvýšenie alebo zníženie zisku
- kompletné nastavenia sonikácie, ako je SonoStation, ktoré zahŕňajú ultrazvukový odsávač, nádrž, miešadlo a čerpadlo
- zásuvné snímače teploty
- zásuvné snímače tlaku
Náš dobre vyškolený a dlhoročný personál s vami poradí a odporučí vám najvhodnejší ultrazvukový systém pre vaše požiadavky na extrakčný proces!
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do pilot a priemyselný stupnica.
Literatúra / Referencie
- Anupriya Mazumder; P. Prabuthas; Hari Niwas Mishra (2017): Optimization of ultrasound-assisted solvent extraction of phycocyanin and phenolics from Arthospira platensis var. ‘lonor’ biomass. Nutrafoods (2017) 16:231-239.
- Vernès L., Abert-Vian M., El Maâtaoui M., Tao Y., Bornard I., Chemat F. (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019. 48-60.
- Merlyn Sujatha Rajakumar and Karuppan Muthukumar (2018): Influence of pre-soaking conditions on ultrasonic extraction of Spirulina platensis proteins and its recovery using aqueous biphasic system. Separation Science and Technology 2018.
- Smriti Kana Pyne, Paramita Bhattacharjee, Prem Prakash Srivastav (2020): Process optimization of ultrasonication-assisted extraction to obtain antioxidant-rich extract from Spirulina platensis. Sustainability, Agri, Food and Environmental Research 8(4), 2020.
- Zhou, Jianjun; Min Wang, Francisco J. Barba, Zhenzhou Zhu, Nabil Grimi (2023):
A combined ultrasound + membrane ultrafiltration (USN-UF) process for enhancing saccharides separation from Spirulina (Arthrospira platensis). Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 85, 2023. - Rachen Duangsee, Natapas Phoopat, Suwayd Ningsanond (2009): Phycocyanin extraction from Spirulina platensis and extract stability under various pH and temperature. Asian Journal of Food and Agro-Industry 2009, 2(04), 819-826.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Spirulina
Spirulina, čo je prokaryotická baktéria, je bohatá na pigmenty, ako sú karotenoidy, chlorofyl a fykocyanín. Karotenoidy (napr. β-karotén, oranžovo-žltý pigment), chlorofyl a fykocyanín možno nájsť v 0,4, 1,0 a 14 % suchej hmotnosti. Fykocyanín je modrozelený proteín, takzvaný biliproteín, ktorý sa nachádza vo fotosyntetických lamelách v cytoplazmatickej membráne siníc.
Používa sa ako prídavná látka v potravinách a potravinárske farbivo, výživový doplnok a na imunodiagnostické aplikácie.