Ultrazvuková extrakcia rias na výrobu výživových doplnkov

Ultrazvuková extrakcia je najlepšou metódou na účinné a rýchle narušenie buniek rias. Sonikácia môže uvoľniť celé množstvo bioaktívnych zlúčenín, vďaka čomu je ultrazvuková technika vysoko účinná.

Ako extrahovať bielkoviny, lipidy a fenolové zlúčeniny z rias pomocou ultrazvuku

Druhy rias a mikrorias sú bohaté na biologicky aktívne zlúčeniny, ako sú bielkoviny, lipidy, karotenoidy, pigmenty (napr. fykocyaníny, astaxantín atď.), fenolové zlúčeniny a polysacharidy (napr. karagénany). Vďaka tomu sú široko používanou prírodnou surovinou na výrobu extraktov do potravín a výživových doplnkov. Medzi druhy rias bežne používané na výrobu výživových doplnkov patria Arthrospira maxima (známa aj ako spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis a Ulva spp. Riasy sú známe ako dobrý zdroj vysokokvalitných bielkovín, lipidov, polynenasýtených mastných kyselín s dlhým reťazcom (PUFA, t. j. omega-3), polysacharidov (napr. alginátu, karagénanu, β-glukánov), vitamínov a antioxidantov.
Spirulina je bežne používaný typ riasy, ktorý je bohatý na vysoko hodnotné bioaktívne zlúčeniny, ako sú bielkoviny (s obsahom 50–70% v sušine). Keďže FDA (Úrad pre potraviny a liečivá Spojených štátov amerických) schválil spirulinu ako GRAS (všeobecne uznávanú za bezpečnú), spirulina a extrakty zo spiruliny sa môžu používať v komerčne predávaných potravinách alebo ako výživové doplnky.

Výhody ultrazvukovej extrakcie rias

Ultrazvuková extrakcia prekonáva alternatívne extrakčné metódy v mnohých ohľadoch, ako sú vysoká výťažnosť, spoľahlivosť, bezpečnosť, jednoduchosť a šetrnosť k životnému prostrediu.

Úplná extrakčná výťažnosť

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje rozrušujú a narúšajú bunky rias tak, že sa uvoľní vnútrobunkový materiál. Ultrazvuková extrakcia tým uvoľňuje celé spektrum bioaktívnych zlúčenín, ako sú fykobiliproteíny, karotenoidy, lipidy a fenolové zlúčeniny.
Fykobiliproteíny možno rozdeliť do troch hlavných skupín, a to na chlórofykocyaníny, alofykocyaníny a fykoerytríny. C-fykocyanín je prírodný modrý pigment, ktorý sa široko používa v potravinách a farmaceutických výrobkoch. Ultrazvuková extrakcia uvoľňuje celé spektrum bielkovín.

Vysoká účinnosť extrakcie

Duangsee a kol. (2009) testovali dve rôzne metódy extrakcie bioaktívnych zlúčenín z biomasy Arthospira (ultrazvukom podporovanú extrakciu rozpúšťadlom a extrakciu opakovaným zmrazovaním a rozmrazovaním) a zistili, že ultrazvuková extrakcia rozpúšťadlom dosiahla vyššiu účinnosť extrakcie (22,1%) než zmrazovanie a rozmrazovanie (15,6%). Porovnanie rozrušenia buniek pri sonikácii a opakovanom zmrazovaní a rozmrazovaní ukazuje, že sonikácia je účinnejšia. Ultrazvuková kavitácia narúša bunky rias rýchlo a účinne, čo vedie k vyššej miere narušenia buniek v porovnaní s bunkami spiruliny ošetrenými opakovaným zmrazovaním a rozmrazovaním.
Sonikácia bola pri rozrušovaní bunkového obalu účinnejšia než opakované zmrazovanie a rozmrazovanie. Extrakčná výťažnosť fykocyanínu ukázala, že teplota spracovania ovplyvňovala účinnosť extrakcie.

Rýchly extrakčný proces

Vysokovýkonné ultrazvukové systémy môžu prostredníctvom vysokých amplitúd vnášať do suspenzie rias vysoký ultrazvukový výkon. Vďaka tomu je ultrazvuková extrakcia veľmi rýchlou metódou spracovania.

Regulácia teploty

Ultrazvukové spracovanie je netepelná, čisto mechanická extrakčná technika. Teplotu extrakcie možno presne regulovať pomocou pripojiteľného snímača teploty, ktorý je káblom pripojený k digitálnemu ultrazvukovému prístroju Hielscher. Softvér digitálnych ultrazvukových prístrojov Hielscher umožňuje nastaviť teplotné limity, takže ultrazvukový homogenizátor po dosiahnutí teplotného limitu pozastaví činnosť. Presná regulácia teploty umožňuje predchádzať tepelnej degradácii materiálov citlivých na teplo, ako sú fykobiliproteíny, vitamíny, polyfenoly, polysacharidy, lipidy a ďalšie bioaktívne zlúčeniny.

Kompatibilita s rôznymi rozpúšťadlami

Ultrazvukové spracovanie je kompatibilné s takmer akýmkoľvek rozpúšťadlom. Ultrazvuková extrakcia v kombinácii s ekologickými rozpúšťadlami, ako sú voda alebo etanol, poskytuje čisté extrakty. Tieto ultrazvukové extrakty možno bezpečne pridávať do potravín, pretože extrakčné rozpúšťadlá etanol a voda majú status GRAS (všeobecne považované za bezpečné).

Reprodukovateľnosť a štandardizácia procesu

Digitálne sonikátory Hielscher sú vybavené inteligentným softvérom a prepracovanou škálou nastavení na dosiahnutie ideálnych extrakčných parametrov. Softvér zaznamenáva všetky parametre ultrazvukového procesu (napr. amplitúdu, čistý výkon, celkový výkon, teplotu, tlak, čas, dátum) a zapisuje údaje o sonikácii do súboru CSV na zabudovanej karte SD. To vám umožňuje štandardizovať proces extrakcie a dôsledne monitorovať sonikáciu aj kvalitu výstupu. Tieto funkcie vám pomáhajú spĺňať požiadavky na štandardizáciu procesu aj správnu výrobnú prax (GMP), pričom oboje je veľmi dôležité pri výrobe extraktov pre výživové doplnky, potraviny alebo farmaceutické výrobky.

Protokol ultrazvukovej extrakcie fykocyanínu

Mazumder et al. (2017) skúmali optimálne parametre spracovania na ultrazvukovú extrakciu fykocyanínu a fenolových zlúčenín z Arthospira platensis. Maximálny výťažok fykocyanínu (29,9 mg/g) a celkových fenolových zlúčenín (2,4 mg/g) sa dosiahol pri koncentrácii etanolu 40%, extrakčnej teplote 34,9°C, s použitím sonikátora UP50H (50 wattov, 30kHz) pri amplitúde 95% a čase extrakcie 104,7 sekundy.

Vernès et al. (2019) použili sonikátor UIP1000hdT (1000W, 20kHz) na extrakciu bielkovín zo spiruliny. Sonikátor bol vybavený sonotródou BS2d34 a ultrazvukovým prietokovým reaktorom (presná zostava na ultrazvukovú extrakciu s prietokovou celou a čerpadlom Seepex je zobrazená na obrázku nižšie).

UIP1000hdT – zostava na manotermosonikáciu (MTS) a naša extrakcia bielkovín zo spiruliny v laboratórnom meradle
zdroj: Vernes et al. 2019

Výsledky výskumu ukazujú, že podmienky ultrazvukovej extrakcie optimalizované na výťažok bielkovín zahŕňajú mierne zvýšenú teplotu a tlak (takzvaná manotermosonikácia MTS). MTS podporuje prenos hmoty a umožňuje získať o 229% viac bielkovín (28,42 ± 1,15 g/100 g sušiny) než konvenčný proces bez ultrazvuku (8,63 ± 1,15 g/100 g sušiny).
Pri získaní 28,42 g bielkovín v extrakte na 100 g suchej biomasy spiruliny sa v kontinuálnom procese sonikácie dosiahla miera získania bielkovín 50% už za 6 minút. Mikroskopické zobrazovanie odhaľuje, že akustická kavitácia pôsobí na vlákna spiruliny rôznymi mechanizmami, ako sú fragmentácia, sonoporácia a narušenie textúry. Tieto rôzne účinky uľahčujú a zefektívňujú extrakciu, uvoľňovanie a solubilizáciu bioaktívnych zlúčenín spiruliny, čo vedie k vysokému výťažku vysokokvalitných bielkovín.
Pokiaľ ide o kvalitu ultrazvukovo extrahovaných bielkovín, aminokyseliny sa pri ultrazvukovom spracovaní nedegradovali a pri sonikácii sú prítomné vo väčšom množstve než pri konvenčnej extrakcii.
Pri porovnaní manotermosonikácie a ultrazvukovej extrakcie bez zvýšeného tlaku a teploty je rozdiel vo výťažku a účinnosti extrakcie len minimálny. Preto sa samotný ultrazvuk považuje za najhospodárnejšiu a najjednoduchšiu techniku na výrobu vysokokvalitného extraktu bohatého na bielkoviny spiruliny. Ultrazvuková extrakcia je ekologická extrakčná technika šetrná k životnému prostrediu, vhodná na extrakciu bielkovín zo spiruliny v laboratórnom meradle, ktorú možno ľahko preniesť do poloprevádzkového a priemyselného meradla. (porov. Vernès et al. 2019)

Vysokovýkonné ultrazvukové extraktory

Všetky výsledky extrakcie dosiahnuté v malom meradle možno lineárne preniesť na väčšie výrobné kapacity. Rozsiahle produktové portfólio spoločnosti Hielscher Ultrasonics, od laboratórnych až po priemyselné extrakčné systémy, ponúka najvhodnejší ultrazvukový prístroj pre plánovanú kapacitu vášho procesu. Naši pracovníci s dlhoročnými skúsenosťami vám pomôžu od skúšok uskutočniteľnosti a optimalizácie procesu až po inštaláciu vášho ultrazvukového systému v konečnej výrobnej prevádzke.

Hielscher Ultrasonics – Sofistikované extrakčné zariadenia

Produktové portfólio spoločnosti Hielscher Ultrasonics pokrýva celý rozsah vysokovýkonných ultrazvukových extraktorov od malého až po veľké meradlo. Doplnkové príslušenstvo umožňuje jednoducho zostaviť najvhodnejšiu konfiguráciu ultrazvukového zariadenia pre váš proces. Optimálna ultrazvuková zostava závisí od plánovanej kapacity, objemu, suroviny, vsádzkového alebo prietokového procesu a časového harmonogramu. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach. Lineárna škálovateľnosť ultrazvukových extrakčných procesov umožňuje jednoduché a spoľahlivé zvýšenie výroby. Prečítajte si viac o lineárnom zväčšovaní meradla ultrazvukových extrakčných procesov!

Vyberte si z rozmanitého príslušenstva, ako sú:

• sonotródy rôznych veľkostí, priemerov a tvarov
• sonotródy pre vysoké amplitúdy 200µm a vyššie
• reaktory s prietokovými celami rôznych objemov a geometrií
• početné zosilňovacie nadstavce na zvýšenie alebo zníženie zosilnenia amplitúdy
• kompletné sonikačné zostavy, ako je SonoStation, ktoré zahŕňajú ultrazvukový extraktor, nádrž, miešadlo a čerpadlo
• pripojiteľné snímače teploty
• pripojiteľné snímače tlaku

Naši dôkladne vyškolení pracovníci s dlhoročnými skúsenosťami vám poradia a odporučia najvhodnejší ultrazvukový systém podľa požiadaviek vášho extrakčného procesu!

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov: