Ultrazvuk na zlepšenie narušenia a extrakcie buniek rias

Riasy, makro- a mikroriasy, obsahujú mnoho cenných zlúčenín, ktoré sa používajú ako výživné potraviny, prídavné látky v potravinách alebo ako palivo alebo palivová surovina. Na uvoľnenie cieľových látok z bunky rias je potrebná účinná a účinná technika narušenia buniek. Ultrazvukové extraktory sú vysoko účinné a spoľahlivé, pokiaľ ide o extrakciu bioaktívnych zlúčenín z rastlín, rias a húb. Ultrazvukové extraktory Hielscher, ktoré sú k dispozícii v laboratórnom, stolovom a priemyselnom meradle, sú zavedené na výrobu extraktov získaných z buniek v potravinárskom, farmaceutickom a biopalivovom výrobe.

Riasy ako cenný zdroj výživy a paliva

Bunky rias sú všestranným zdrojom bioaktívnych a energeticky bohatých zlúčenín, ako sú bielkoviny, sacharidy, lipidy a ďalšie bioaktívne látky, ako aj alkány. Vďaka tomu sú riasy zdrojom potravy a výživových zlúčenín, ako aj paliva.
Mikroriasy sú cenným zdrojom lipidov, ktoré sa používajú na výživu a ako surovina pre biopalivá (napr. bionafta). Kmene morského fytoplanktónu Dicrateria, ako je Dicrateria rotunda, sú známe ako riasy produkujúce benzín, ktoré dokážu syntetizovať sériu nasýtených uhľovodíkov (n-alkánov) z C₁₀H₂₂ po C₃₈H₇₈, ktoré sú kategorizované ako benzín (C10 – C15), motorová nafta (C16 – C20) a vykurovacie oleje (C21 – C38).
Due their nutritional value, algae are used as “Funkčné potraviny” alebo “nutraceutiká”. Important micro-nutrients extracted from algae include the carotenoids astaxanthin, fucoxanthin and zeaxantin, fucoidan, laminari and other glucans amongst numerous other bioactive substances are used as nutritional supplements and pharmceuticals. Carrageenan, alginate and other hydrocolloids are used as food additives. Algae lipids are used as vegan omega-3 source and also used as fuel or as feedstock for the production of biodiesel.

Narušenie a extrakcia buniek rias pomocou výkonového ultrazvuku

Ultrazvukové extraktory alebo jednoducho ultrazvukové prístroje sa používajú na extrakciu cenných zlúčenín z malých vzoriek v laboratóriu, ako aj na výrobu vo veľkom komerčnom meradle.
Bunky rias sú chránené komplexnými matricami bunkovej steny, ktoré sa skladajú z lipidov, celulózy, proteínov, glykoproteínov a polysacharidov. Základňa väčšiny bunkových stien rias je postavená z mikrofibrilárnej siete v gélovitej proteínovej matrici; Niektoré mikroriasy sú však vybavené anorganickou tuhou stenou zloženou z opálových kremičitých frustúl alebo uhličitanu vápenatého. Na získanie bioaktívnych zlúčenín z biomasy rias je potrebná účinná technika narušenia buniek. Okrem technologických extrakčných faktorov (t. j. metóda a vybavenie extrakcie) je účinnosť narušenia a extrakcie buniek rias silne ovplyvnená aj rôznymi faktormi závislými od rias, ako je zloženie bunkovej steny, umiestnenie požadovanej biomolekuly v bunkách mikrorias a fáza rastu mikrorias počas zberu.

Ako funguje narušenie a extrakcia buniek ultrazvukových rias?

Keď sú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou spojené cez ultrazvukovú sondu (tiež známu ako ultrazvukový roh alebo sonotroda) do kvapaliny alebo suspenzie, zvukové vlny prechádzajú kvapalinou a vytvárajú tak striedajúce sa vysokotlakové / nízkotlakové cykly. Počas týchto vysokotlakových / nízkotlakových cyklov sa vyskytujú drobné vákuové bubliny alebo dutiny. Kavitačné bubliny vznikajú, keď miestny tlak klesne počas nízkotlakových cyklov dostatočne hlboko pod tlak nasýtených pár, čo je hodnota daná pevnosťou kvapaliny v ťahu pri určitej teplote. Ktoré rastú počas niekoľkých cyklov. Keď tieto vákuové bubliny dosiahnu veľkosť, kde nemôžu absorbovať viac energie, bublina sa počas vysokotlakového cyklu prudko zrúti. Implózia kavitačných bublín je prudký, energeticky hustý proces, ktorý vytvára intenzívne rázové vlny, turbulencie a mikroprúdy v tekutine. Okrem toho sa vytvárajú lokalizované veľmi vysoké tlaky a veľmi vysoké teploty. Tieto extrémne podmienky sú ľahko schopné narušiť bunkové steny a membrány a uvoľňovať intracelulárne zlúčeniny účinným, účinným a rýchlym spôsobom. Intracelulárne zlúčeniny, ako sú bielkoviny, polysacharidy, lipidy, vitamíny, minerály a antioxidanty, sa tak môžu účinne extrahovať pomocou výkonových ultrazvukov.

Ultrazvuková kavitácia na narušenie a extrakciu buniek

Pri vystavení intenzívnej ultrazvukovej energii je stena alebo membrána akéhokoľvek druhu bunky (vrátane botanickej, cicavčej, riasovej, plesňovej, bakteriálnej atď.) narušená a bunka je roztrhaná na menšie fragmenty mechanickými silami energeticky hustej ultrazvukovej kavitácie. Keď je bunková stena porušená, bunkové metabolity, ako sú proteíny, lipidy, nukleová kyselina a chlorofyl, sa uvoľnia z matrice bunkovej steny, ako aj z vnútra bunky a prenesú sa do okolitého kultivačného média alebo rozpúšťadla.
Vyššie opísaný mechanizmus ultrazvukovej / akustickej kavitácie vážne narúša celé bunky rias alebo plynové a kvapalné vakuoly v bunkách. Ultrazvuková kavitácia, vibrácie, turbulencie a mikroprúdenie podporujú prenos hmoty medzi vnútrom bunky a okolitým rozpúšťadlom, takže biomolekuly (t. j. metabolity) sú účinné a rýchlo sa uvoľňujú. Pretože sonikácia je čisto mechanické ošetrenie, ktoré nevyžaduje drsné, toxické a/alebo drahé chemikálie.
Vysokointenzívny, nízkofrekvenčný ultrazvuk vytvára extrémne energeticky husté podmienky s vysokými tlakmi, teplotami a vysokými šmykovými silami. Tieto fyzikálne sily podporujú narušenie bunkových štruktúr s cieľom uvoľniť intracelulárne zlúčeniny do média. Preto sa nízkofrekvenčný ultrazvuk vo veľkej miere používa na extrakciu bioaktívnych látok a palív z rias. V porovnaní s konvenčnými extrakčnými metódami, ako je extrakcia rozpúšťadlom, guľôčkové mletie alebo vysokotlaková homogenizácia, ultrazvuková extrakcia vyniká uvoľňovaním väčšiny bioaktívnych zlúčenín (ako sú lipidy, proteíny, polysacharidy a mikroživiny) zo sonoporovanej a narušenej bunky. Pri použití správnych podmienok procesu poskytuje ultrazvuková extrakcia vynikajúce výťažky extrakcie vo veľmi krátkom trvaní procesu. Napríklad vysokovýkonné ultrazvukové extraktory vykazujú vynikajúci extrakčný výkon z rias, ak sa používajú s vhodným rozpúšťadlom. V kyslom alebo zásaditom prostredí sa bunková stena rias stáva pórovitou a zvrásnenou, čo vedie k zvýšeniu výťažkov pri nízkej teplote (pod 60 °C) v krátkom čase sonikácie (menej ako 3 hodiny). Krátke trvanie extrakcie pri miernych teplotách zabraňuje degradácii fukoidánu, takže sa získa vysoko bioaktívny polysacharid.
Ultrazvuk je tiež metóda na transformáciu fukoidanu s vysokou molekulovou hmotnosťou na fucoidan s nízkou molekulovou hmotnosťou, ktorý je vďaka svojej rozvetvenej štruktúre výrazne bioaktívnejší. Vďaka svojej vysokej bioaktivite a biologickej dostupnosti je nízkomolekulárny fukoidan zaujímavou zlúčeninou pre farmaceutické výrobky a systémy podávania liekov.

Prípadové štúdie: Ultrazvuková extrakcia zlúčenín rias

Účinnosť ultrazvukovej extrakcie a optimalizácia parametrov ultrazvukovej extrakcie boli široko študované. Nižšie nájdete príkladné výsledky výsledkov extrakcie ultrazvukom z rôznych druhov rias.

Extrakcia proteínov zo spiruliny pomocou mano-termosonikácie

Výskumná skupina prof. Chemat (University of Avignon) skúmala účinky manotermosonikácie (MTS) na extrakciu proteínov (ako je fykocyanín) zo suchých siníc Arthrospira platensis (tiež známych ako spirulina). Mano-termo-sonikácia (MTS) je aplikácia ultrazvuku v kombinácii so zvýšenými tlakmi a teplotami s cieľom zintenzívniť proces ultrazvukovej extrakcie.
“According to experimental results, MTS promoted mass transfer (high effective diffusivity, De) and enabled to get 229% more proteins (28.42 ± 1.15 g/100 g DW) than conventional process without ultrasound (8.63 ± 1.15 g/100 g DW). With 28.42 g of proteins per 100 g of dry spirulina biomass in the extract, a protein recovery rate of 50% was achieved in 6 effective minutes with a continuous MTS process. Microscopic observations showed that acoustic cavitation impacted spirulina filaments by different mechanisms such as fragmentation, sonoporation, detexturation. These various phenomena make extraction, release and solubilization of spirulina bioactive compounds easier.” [Vernès et al., 2019]

Optické mikroskopické snímky celých vlákien spiuruliny podrobených MTS úprave v priebehu času. Mierka (obrázok A) = 50 μm pre všetky obrázky.
obrázok a štúdia: ©Vernès et al. 2019

Ultrazvuková extrakcia fukoidanu a glukánu z Laminaria digitata

Výskumná skupina TEAGASC Dr. Tiwariho skúmala extrakciu polysacharidov, t. j. fucoidanu, laminarínu a totálnych glukánov, z makrorias Laminaria digitata pomocou Ultrazvuk UIP500hdT. Študované parametre ultrazvukom asistovanej extrakcie (SAE) preukázali významný vplyv na hladiny fukózy, FRAP a DPPH. Hladiny 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde a 11,02 % boli získané pre fukózu, celkové glukány, FRAP a DPPH pri optimalizovaných podmienkach teploty (76 ° C), času (10 min) a ultrazvukovej amplitúdy (100 %) s použitím 0,1 M HCl ako rozpúšťadla. Opísané podmienky SAE sa potom úspešne aplikovali na ďalšie ekonomicky relevantné hnedé makroriasy (L. hyperborea a A. nodosum) na získanie extraktov bohatých na polysacharidy. Táto štúdia demonštruje použiteľnosť SAE na zlepšenie extrakcie bioaktívnych polysacharidov z rôznych druhov makrorias.

Ultrazvuková fytochemická extrakcia z F. vesiculosus a P. canaliculata

Výskumný tím García-Vaquero porovnal rôzne nové extrakčné techniky vrátane vysokovýkonnej ultrazvukovej extrakcie, ultrazvukovo-mikrovlnnej extrakcie, mikrovlnnej extrakcie, hydrotermálnej extrakcie a vysokotlakovej extrakcie s cieľom vyhodnotiť účinnosť extrakcie z hnedých mikrorias Fucus vesiculosus a Pelvetia canaliculata. Na ultrazvuk použili Ultrazvukový extraktor Hielscher UIP500hdT. Každá výťažkov extrakcie odhalila, že ultrazvuková extrakcia dosiahla najvyššie výťažky väčšiny fytochemikálií z oboch F. vesiculosus. To znamená, že najvyššie výťažky zlúčenín extrahovaných z F. vesiculosus pomocou ultrazvukový odsávač UIP500hdT boli: celkový obsah fenolov (445,0 ± 4,6 mg ekvivalentu kyseliny galovej/g), celkový obsah florotanínu (362,9 ± 3,7 mg ekvivalentov florolucinolu/g), celkový obsah flavonoidov (286,3 ± 7,8 mg ekvivalentov kvercetínu/g) a celkový obsah trieslovín (189,1 ± 4,4 mg ekvivalentov katechínov/g).
In their research study, the team concluded that the use of ultrasonically-assisted extraction “combined with 50% ethanolic solution as an extraction solvent could be a promising strategy targeting the extraction of TPC, TPhC, TFC and TTC, while reducing the co-extraction of undesirable carbohydrates from both F. vesiculosus and P. canaliculata, with promising applications when using these compounds as pharmaceuticals, nutraceuticals and cosmeceuticals.” [García-Vaquero et al., 2021]

Rozšírenie mano-termosonikácie na univerzite v Avignone pomocou ultrazvukových prístrojov Hielscher: z laboratórneho vybavenia UIP1000hdT A) na pilotné zariadenie UIP4000hdT (B, C & D). Na obrázku D je schematizovaný priečny rez ultrazvukovej prietokovej cely FC100K.
obrázok a štúdia: ©Vernès et al. 2019

Vysokovýkonné ultrazvukové extraktory na narušenie rias

Najmodernejšie ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher umožňujú plnú kontrolu nad parametrami procesu, ako je amplitúda, teplota, tlak a príkon energie.
Pri ultrazvukovej extrakcii je možné parametre, ako je veľkosť častíc suroviny, typ rozpúšťadla, pomer pevnej látky k rozpúšťadlu a čas extrakcie, meniť a optimalizovať, aby sa dosiahli najlepšie výsledky.
Keďže ultrazvuková extrakcia je netermická extrakčná metóda, zabráni sa tepelnej degradácii bioaktívnych zložiek prítomných v surovine, ako sú riasy.
Celkovo výhody, ako je vysoký výťažok, krátky čas extrakcie, nízka teplota extrakcie a malé množstvo rozpúšťadla, robia zo sonikácie vynikajúcu metódu extrakcie.

Ultrazvuková extrakcia: Zavedená v laboratóriu a priemysle

Ultrazvuková extrakcia je široko používaná na extrakciu akéhokoľvek druhu bioaktívnej zlúčeniny z rastlín, rias, baktérií a cicavčích buniek. Ultrazvuková extrakcia bola etablovaná ako jednoduchá, nákladovo efektívna a vysoko efektívna, ktorá vyniká inými tradičnými extrakčnými technikami vyššími výťažkami extrakcie a kratším trvaním spracovania.
Vďaka ľahko dostupným laboratórnym, stolovým a plne priemyselným ultrazvukovým systémom je ultrazvuková extrakcia v súčasnosti dobre zavedenou a dôveryhodnou technológiou. Ultrazvukové extraktory Hielscher sú inštalované po celom svete v priemyselných spracovateľských zariadeniach, ktoré vyrábajú bioaktívne zlúčeniny potravinárskej a farmaceutickej kvality.

Štandardizácia procesov pomocou Hielscher Ultrasonics

Algae-derived extracts, which are used in food, pharmaceuticals or cosmetics, must be produced in accordance to Good Manufacturing Practices (GMP) and under standardised processing specifications. Hielscher Ultrasonics’ digital extraction systems come with intelligent software, which makes it easy to set and control the sonication process precisely. Automatic data recording writes all ultrasonic process parameters such as ultrasound energy (total and net energy), amplitude, temperature, pressure (when temp and pressure sensors are mounted) with date and time stamp on the built-in SD-card. This allows you to revise each ultrasonically processed lot. At the same time, reproducibility and continuously high product quality are ensured.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: