Ultrazvuková extrakcia antokyánov

Antokyány sa široko používajú ako prírodné farbivo a výživová prísada v potravinárskych výrobkoch. Ultrazvuková extrakcia je vysoko účinná a jednoduchá technika na získavanie vysokokvalitných antokyánov. Používanie sondových sonikátorov podporuje uvoľňovanie vysokokvalitných antokyánov z rastlín, čo vedie k vyšším výťažkom a rýchlemu procesu. Sonikácia je zároveň šetrná, ekologická a účinná technika na priemyselnú výrobu antokyánov potravinárskej a farmaceutickej kvality.

Antokyány – ako extrahovať vysokokvalitné antokyány pomocou sonikátora

Antokyány sa široko používajú ako prírodné farbivá v potravinárskom priemysle. Majú široké spektrum farebných odtieňov od oranžovej cez červenú až po fialovú a modrú v závislosti od molekulovej štruktúry a hodnoty pH. Záujem o antokyány vychádza nielen z ich farbiaceho účinku, ale aj z ich zdraviu prospešných vlastností. Vzhľadom na rastúce obavy z vplyvu syntetických farbív na životné prostredie a zdravie sú prírodné farbivá skvelou alternatívou ako ekologické farbivá pre potravinársky a farmaceutický priemysel.

Extrakcia antokyánov zlepšená ultrazvukom

Ako extrahovať antokyány ultrazvukom? – Prípadové štúdie

Ultrazvuková extrakcia antokyánov z fialovej ryže Oryza Sativa L.

Fialová ryža druhu Oryza Sativa (známa aj ako Violet Nori alebo fialová ryža) je mimoriadne bohatá na fenolové látky, ako sú antokyány zo skupiny flavonoidov. Turrini et al. (2018) použili ultrazvukovú extrakciu na izoláciu polyfenolových látok, ako sú antokyány a antioxidanty, z obiliek (v celej, hnedej a predvarenej forme) a listov fialovej ryže. Ultrazvuková extrakcia sa uskutočnila pomocou prístroja Hielscher UP200St (200W, 26kHz, obr. vľavo) a 60% etanolu ako rozpúšťadla.
Na zachovanie integrity antokyánov sa ultrazvukové extrakty skladovali pri −20°C, čo umožnilo ich skladovanie najmenej až tri mesiace.
Kyanidín-3-glukozid (známy aj ako chryzantemín) bol zďaleka hlavným detegovaným antokyánom v kultivaroch ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ a ‘Nerone’ skúmaných v štúdii Turrini et al., zatiaľ čo peonidín-3-glukozid a kyanidín-3-rutinozid (tiež antirrhinín) sa našli v menších množstvách.
Fialové listy Oryza Sativa sú vynikajúcim zdrojom antokyánov a celkových fenolových látok (TPC). Vďaka približne 2–3-násobne vyššiemu obsahu v porovnaní s ryžou a múkou predstavujú listy Oryza lacnú surovinu na extrakciu antokyánov. Odhadovaný výťažok približne 4 kg antokyánov/t čerstvých listov je výrazne vyšší než výťažok 1 kg antokyánov/t ryže, vypočítaný na základe priemerného množstva antokyánov zisteného v ryži ‘Violet Nori’ (1300 µg/g ryže, vyjadrené ako kyanidín-3-glukozid) pri výťažku približne 68 kg ryže zo 100 kg nelúpanej ryže.

Ultrazvuková extrakcia antokyánov z červenej kapusty

Ravanfar et al. (2015) skúmali účinnosť ultrazvukovej extrakcie antokyánov z červenej kapusty. Experimenty s ultrazvukovou extrakciou sa uskutočnili pomocou ultrazvukového systému UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotróda MS10 (priemer hrotu 10mm) sa vložila do stredu sklenenej kadičky s plášťom a regulovanou teplotou.

Na tento experiment sa použili čerstvo nakrájané kúsky červenej kapusty s rozmerom 5mm (v tvare kocky) a obsahom vlhkosti 92,11 ± 0,45 %. Sklenená kadička s plášťom (objem: 200ml) sa naplnila 100ml destilovanej vody a 2g kúskov červenej kapusty. Kadička sa zakryla hliníkovou fóliou, aby sa počas procesu zabránilo strate rozpúšťadla (vody) odparovaním. Pri všetkých experimentoch sa teplota v kadičke udržiavala pomocou termostatického regulátora. Vzorky sa napokon odobrali, prefiltrovali a centrifugovali pri 4000rpm a supernatanty sa použili na stanovenie výťažku antokyánov. Ako kontrolný experiment sa vykonala extrakcia vo vodnom kúpeli.
Optimálny výťažok antokyánov z červenej kapusty sa stanovil pri výkone 100 W, čase 30 min a teplote 15°C, čo viedlo k výťažku antokyánov približne 21 mg/L.
Vďaka zmenám farby v závislosti od hodnoty pH a intenzívnemu sfarbeniu sa farbivo z červenej kapusty používa ako indikátor pH vo farmaceutických prípravkoch alebo ako antioxidant a farbivo v potravinových systémoch.

Ultrazvuk výrazne zintenzívňuje extrakciu antokyánov z rastlinného materiálu.
zdroj: Ravanfar et al. 2015

 
Ďalšie štúdie preukazujú úspešnú ultrazvukovú extrakciu antokyánov okrem iného z čučoriedok, černíc, hrozna, čerešní, jahôd a fialových sladkých zemiakov.

Vysokovýkonné ultrazvukové extraktory

Hielscher Ultrasonics sa špecializuje na výrobu vysokovýkonných ultrazvukových procesorov na výrobu vysokokvalitných extraktov z rastlinných surovín.
Široké portfólio sonikátorov Hielscher siaha od malých výkonných laboratórnych ultrazvukových prístrojov až po robustné stolové a plne priemyselné systémy, ktoré poskytujú ultrazvuk s vysokou intenzitou na účinnú extrakciu a izoláciu bioaktívnych látok (napr. antokyánov, gingerolu, piperínu, kurkumínu atď.).
Všetky ultrazvukové prístroje od 200W do 16 000W sú vybavené farebným dotykovým displejom na digitálne ovládanie, integrovanou kartou SD na automatické zaznamenávanie údajov, diaľkovým ovládaním cez prehliadač a mnohými ďalšími používateľsky prívetivými funkciami. Sonotródy a prietokové cely (časti, ktoré sú v kontakte s médiom) možno sterilizovať v autokláve a ľahko sa čistia.
Sonikátory Hielscher sú veľmi robustné a skonštruované na prevádzku 24/7 pri plnom zaťažení, pričom vyžadujú len nenáročnú údržbu a ich obsluha je jednoduchá a bezpečná. Digitálny farebný displej umožňuje používateľsky prívetivé ovládanie ultrazvukového prístroja.
Naše systémy dokážu poskytovať amplitúdy od nízkych až po veľmi vysoké. Na extrakciu kanabinoidov a terpénov ponúkame špeciálne ultrazvukové sonotródy (známe aj ako ultrazvukové sondy alebo rohy), ktoré sú optimalizované na šetrnú izoláciu vysokokvalitných účinných látok. Všetky naše systémy možno použiť na extrakciu a následnú emulgáciu kanabinoidov. Robustnosť sonikátorov Hielscher umožňuje nepretržitú prevádzku (24/7) pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.

Presné riadenie parametrov ultrazvukového procesu zabezpečuje reprodukovateľnosť a štandardizáciu procesu.
 

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

Literatúra / Referencie

• 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.

Užitočné informácie

Ako funguje ultrazvukom podporovaná extrakcia?

Pôsobenie intenzívnych ultrazvukových vĺn na kvapalné médium vedie ku kavitácii. Jav kavitácie vedie lokálne k extrémnym teplotám, tlakom, rýchlostiam ohrevu a chladenia, tlakovým rozdielom a vysokým šmykovým silám v médiu. Keď kavitačné bubliny implodujú na povrchu pevných látok (ako sú častice, rastlinné bunky, tkanivá atď.), mikroprúdy a zrážky medzi časticami vyvolávajú účinky, ako sú odlupovanie povrchu, erózia a rozpad častíc. Implózia kavitačných bublín v kvapalných médiách navyše vytvára makroturbulencie a mikromiešanie.
Pôsobenie ultrazvuku na rastlinný materiál fragmentuje matricu rastlinných buniek a zvyšuje jej hydratáciu. Chemat et al (2015) dospeli k záveru, že ultrazvuková extrakcia bioaktívnych zlúčenín z rastlinných surovín je výsledkom rôznych nezávislých alebo kombinovaných mechanizmov vrátane fragmentácie, erózie, kapilarity, narušenia textúry a sonoporácie. Tieto účinky narúšajú bunkovú stenu, zlepšujú prenos hmoty vtláčaním rozpúšťadla do bunky a odsávaním rozpúšťadla obsahujúceho rastlinné zlúčeniny z bunky a zabezpečujú pohyb kvapaliny prostredníctvom mikromiešania.

Ultrazvuková extrakcia je založená na akustickej kavitácii a jej hydrodynamických šmykových silách

Pôsobenie ultrazvuku na rastlinný materiál fragmentuje matricu rastlinných buniek a zvyšuje jej hydratáciu. Chemat et al. (2015) dospeli k záveru, že ultrazvuková extrakcia bioaktívnych zlúčenín z rastlinných surovín je výsledkom rôznych nezávislých alebo kombinovaných mechanizmov vrátane fragmentácie, erózie, kapilarity, narušenia textúry a sonoporácie. Tieto účinky narúšajú bunkovú stenu, zlepšujú prenos hmoty vtláčaním rozpúšťadla do bunky a odsávaním rozpúšťadla obsahujúceho rastlinné zlúčeniny z bunky a zabezpečujú pohyb kvapaliny prostredníctvom mikromiešania.
Ultrazvuková extrakcia umožňuje veľmi rýchlu izoláciu zlúčenín – prekonáva konvenčné extrakčné metódy kratším časom spracovania, vyšším výťažkom a nižšími teplotami. Ako šetrné mechanické spracovanie zabraňuje extrakcia podporovaná ultrazvukom tepelnej degradácii bioaktívnych zložiek a vyniká v porovnaní s inými technikami, ako sú konvenčná extrakcia rozpúšťadlom, hydrodestilácia alebo Soxhletova extrakcia, o ktorých je známe, že ničia molekuly citlivé na teplo. Vďaka týmto výhodám je ultrazvuková extrakcia preferovanou technikou na uvoľňovanie bioaktívnych zlúčenín citlivých na teplotu z rastlinných surovín.

Ultrazvuková extrakcia z rastlinných buniek: mikroskopický priečny rez (TS) znázorňuje mechanizmus pôsobenia počas ultrazvukovej extrakcie z buniek (zväčšenie 2000x) [zdroj: Vilkhu et al. 2011]

Anthokyán – cenný rastlinný pigment

Anthokyány sú vakuolárne rastlinné pigmenty, ktoré môžu mať červenú, fialovú, modrú alebo čiernu farbu. Farebný prejav anthokyánových pigmentov rozpustných vo vode závisí od ich hodnoty pH. Anthokyány sa nachádzajú v bunkovej vakuole, predovšetkým v kvetoch a plodoch, ale aj v listoch, stonkách a koreňoch, kde sa vyskytujú najmä vo vonkajších bunkových vrstvách, ako sú epidermis a periférne bunky mezofylu.
V prírode sa najčastejšie vyskytujú glykozidy kyanidínu, delfinidínu, malvidínu, pelargonidínu, peonidínu a petunidínu.
Medzi významné príklady rastlín bohatých na anthokyány patria druhy rodu Vaccinium, ako sú čučoriedka veľkoplodá, kľukva a čučoriedka obyčajná; bobuľové ovocie rodu Rubus vrátane čiernych malín, červených malín a černíc; čierne ríbezle, čerešne, baklažán, čierna ryža, ube, okinavský batat, hrozno odrody Concord, muškadínové hrozno, červená kapusta a korunné lupienky fialiek. Broskyne a jablká s červenou dužinou obsahujú anthokyány. Anthokyány sa v menšom množstve vyskytujú v banáne, špargli, hrachu, fenikli, hruške a zemiaku a v niektorých kultivaroch zelených egrešov môžu úplne chýbať.

Štruktúra hlavných anthokyánov

Antokyány sú výbornou alternatívou na nahradenie syntetických farbív v potravinách. Antokyány sú schválené na použitie ako potravinárske farbivá v Európskej únii, Austrálii a na Novom Zélande s kódom farbiva E163. Antokyány sa nachádzajú v ovocí a zelenine a možno ich opísať ako druh rastlinných pigmentov rozpustných vo vode. Z chemického hľadiska sú antokyány glykozidy antokyanidínov založené na štruktúre 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Do kategórie antokyánov patrí viac ako 200 rôznych fytochemických látok. Keďže antokyány predstavujú hlavný farebný pigment vo voľne rastúcom ovocí a bobuľových plodoch, existuje mnoho zdrojov, z ktorých ich možno extrahovať. Významným zdrojom antokyánov je šupka hrozna. Antokyánové pigmenty v šupke hrozna pozostávajú najmä z diglukozidov, monoglukozidu, acylovaných monoglukozidov, ako aj acylovaných diglukozidov peonidínu, malvidínu, cyanidínu, petunidínu a delfinidínu. Obsah antokyánov v hrozne sa pohybuje v rozmedzí 30–750mg/100g.
Najvýznamnejšími antokyánmi sú cyanidín, delfinidín, pelargonidín, peonidín, malvidín a petunidín.
Napríklad vo fialových sladkých zemiakoch sa nachádzajú antokyány peonidín-3-kafeoyl-p-hydroxybenzoylsoforozid-5-glukozid, peonidín-3-(6″-kafeoyl-6‴-feruloylsoforozid)-5-glukozid a cyanidín-3-kafeoyl-p-hydroxybenzoylsoforozid-5-glukozid.

Antokyány – prínosy pre zdravie

Okrem svojej výbornej schopnosti pôsobiť ako prírodné potravinárske farbivo sú antokyány vysoko cenené pre svoje antioxidačné účinky. Antokyány preto vykazujú mnohé pozitívne účinky na zdravie. Výskum ukázal, že antokyány môžu inhibovať poškodenie DNA v rakovinových bunkách, inhibovať tráviace enzýmy, vyvolávať tvorbu inzulínu v izolovaných bunkách pankreasu, znižovať zápalové reakcie, chrániť pred poklesom mozgových funkcií súvisiacim s vekom, zlepšovať tesnosť krvných kapilár a zabraňovať agregácii trombocytov.