Ultrazvočna ekstrakcija alg za prehranska dopolnila
Ultrazvočna ekstrakcija je vrhunska metoda za učinkovito in hitro motenje celic alg. Sonication lahko sprosti celotno količino bioaktivnih spojin, zaradi česar je ultrazvočna tehnika zelo učinkovita.
Kako ekstrahirati beljakovine, lipide in fenole iz alg z ultrazvokom
Vrste alg in mikroalg so bogate z biološko aktivnimi spojinami, kot so beljakovine, lipidi, karotenoidi, pigmenti (npr. Fikocianini, astaksantin itd.), fenoli in polisaharidi (npr. Karagenani). Zaradi tega so široko uporabljeni naravni material za proizvodnjo izvlečkov za živila in prehranska dopolnila. Pogosto uporabljene vrste alg za prehranska dopolnila so Arthrospira maxima in (znana tudi kot spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis in Ulva spp. Znano je, da so alge dober vir visokokakovostnih beljakovin, lipidov, dolgoverižnih PUFA (tj. Omega-3), polisaharidov (npr. alginat, karagenan, β-glukanov), vitaminov in antioksidantov.
Spirulina je pogosto uporabljena vrsta alg, ki je bogata z visoko cenjenimi bioaktivnimi spojinami, kot so beljakovine (s 50–70% suhe mase). Ker je Spirulina odobrena s strani FDA (Food Drug Administration of the United States) kot GRAS (splošno priznana kot varna), se spirulina in izvlečki spiruline lahko uporabljajo v komercializiranih živilih ali kot prehranska dopolnila.
Prednosti ultrazvočne ekstrakcije alg
Ultrazvočna ekstrakcija odlikuje alternativne metode ekstrakcije v različnih točkah, kot so visok donos, zanesljivost, varnost, preprostost in prijaznost do okolja.
Popoln donos ekstrakcije
Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati razbijejo celice alg in jih motijo, tako da se sprosti znotrajcelični material. Ultrazvočna ekstrakcija s tem sprosti celoten spekter bioaktivnih spojin, kot so fikobiliproteini, karotenoidi in lipidi ter fenoli.
Fikobiliproteine lahko ločimo v tri glavne skupine, in sicer kloro-fikocianine, alofikocijanine in fikoeritrine. C-fikocianin je naravni modri pigment, ki se pogosto uporablja v živilskih in farmacevtskih izdelkih. Ultrazvočna ekstrakcija sprosti celoten spekter beljakovin.
Postaja SonoStation – ultrazvočni sistem z 2x 2kW ultrazvočnimi aparati, mešanim rezervoarjem in črpalko – je uporabniku prijazen sistem za ekstrakcijo.
Visoka učinkovitost ekstrakcije
Duangsee et al. (2009) so testirali dve različni metodi ekstrakcije (ultrazvočno podprta ekstrakcija s topilom in ekstrakcija s ponavljajočim se zamrzovanjem in odmrzovanjem) bioaktivnih spojin iz biomase Arthospira in ugotovili, da je ultrazvočna ekstrakcija topila povzročila večjo učinkovitost ekstrakcije (22,1%) kot zamrzovanje in odmrzovanje (15,6%). Primerjava rupture celic med ultrazvočnim razbijanjem in ponavljajočim se zamrzovanjem in odmrzovanjem kaže, da je ultrazvočno razbijanje učinkovitejše. Ultrazvočna kavitacija hitro in učinkovito moti celice alg, kar ima za posledico večjo motnjo celic v primerjavi s celicami spiruline, obdelanimi s ponavljajočim se zamrzovanjem in odmrzovanjem.
Sonication je bil učinkovitejši pri razbijanju celične ovojnice v primerjavi s ponavljajočim se zamrzovanjem in odmrzovanjem. Izkoristek ekstrakcije fikocijanina je pokazal, da je temperatura obdelave vplivala na učinkovitost ekstrakcije.
Hiter postopek ekstrakcije
Visoko zmogljivi ultrazvočni sistemi lahko uporabljajo visoko ultrazvočno moč z visokimi amplitudami v suspenzijo alg. Zaradi tega je ultrazvočna ekstrakcija zelo hitra metoda obdelave.
Nadzor temperature
Ultrasonication je netoplotna, čisto mehanska tehnika ekstrakcije. Temperaturo ekstrakcije je mogoče natančno nadzorovati z vtičnim temperaturnim senzorjem, ki je povezan z digitalnim Hielscherjevim ultrazvočnim senzorjem. Programska oprema Hielscherjevih digitalnih ultrazvočnih aparatov omogoča nastavitev temperaturnih meja, tako da se ultrazvočni homogenizator ustavi, ko je dosežena temperaturna meja. Natančna regulacija temperature omogoča preprečevanje toplotne razgradnje toplotno občutljivih materialov, kot so fikobiliproteini, vitamini, polifenoli, polisaharidi, lipidi in druge bioaktivne spojine.
Združljiv z različnimi topili
Ultrasonication je združljiv s skoraj vsakim topilom. Ultrazvočna ekstrakcija v kombinaciji z zelenimi topili, kot sta voda ali etanol, proizvaja čiste izvlečke. Ti ultrazvočni izvlečki se lahko varno vključijo v živila, saj imajo ekstrakcijska topila etanol in voda status GRAS (splošno priznan kot varen).
Obnovljivost in standardizacija procesov
Hielscherjevi digitalni ultrazvočni aparati so opremljeni z inteligentno programsko opremo in izdelanimi različnimi nastavitvami za idealne parametre ekstrakcije. Programska oprema protokolira vse ultrazvočne procesne parametre (npr. amplitudo, neto moč, skupno moč, temperaturo, tlak, čas, datum) in zapisuje podatke o ultrazvočni obdelavi v datoteko CSV na vgrajeni kartici SD. To vam omogoča, da standardizirate postopek ekstrakcije in natančno spremljate ultrazvočno razbijanje in kakovost izhoda. Te funkcije vam pomagajo izpolnjevati zahteve za stadandizacijo procesov in dobro proizvodno prakso (GMP), ki sta zelo pomembni pri proizvodnji ekstraktov za prehranska dopolnila, živila ali farmacevtske izdelke.
Ultrazvočni protokol za ekstrakcijo fikocijanina
(2017) so raziskali optimalne procesne parametre za ultrazvočno ekstrakcijo fikocijanina in fenolov iz Arthospira platensis. Največji izkoristek fikocijanina (29,9 mg/g) in skupnih fenolov (2,4 mg/g) je bil dosežen pri 40% koncentraciji etanola, pri temperaturi ekstrakcije 34,9 °C z ultrazvočnim aparatom UP50H (50 vatov, 30 kHz) pri amplitudi 95% za čas ekstrakcije 104,7 sekunde.
Vernès et al. (2019) so uporabili ultrazvočni aparat UIP1000hdT (1000W, 20kHz) za ekstrakcijo beljakovin iz spiruline. Ultrazvočni aparat je bil opremljen s sonotrodo BS2d34 in ultrazvočnim pretočnim reaktorjem (glej spodnjo sliko za natančno nastavitev ultrazvočne ekstrakcije s pretočno celico in črpalko Seepex).
UIP1000hdT – Nastavitev manotermosonication (MTS) in naša ekstrakcija beljakovin iz spiruline v laboratorijski ravni
vir: Vernes et al. 2019
Rezultati raziskav kažejo, da ultrazvočni ekstrakcijski pogoji, optimizirani za donos beljakovin, vključujejo rahlo povišano temperaturo in tlak (tako imenovana manotermosonication MTS). MTS spodbuja prenos mase in omogoča pridobivanje 229% več beljakovin (28,42 ± 1,15 g/100 g suhe mase) kot običajni postopek brez ultrazvoka (8,63 ± 1,15 g/100 g suhe mase).
Z 28,42 g beljakovin, pridobljenih na 100 g suhe biomase spiruline v ekstraktu, je bila stopnja izterjave beljakovin 50% dosežena v samo 6 minutah v neprekinjenem procesu ultrazvočnega razbijanja. Mikroskopsko slikanje razkriva, da akustična kavitacija vpliva na filamente spiruline z različnimi mehanizmi, kot so fragmentacija, sonoporacija, deteksturacija. Ti različni učinki olajšajo in povečajo učinkovitost ekstrakcije, sproščanja in raztapljanja bioaktivnih spojin spiruline, kar ima za posledico visok donos beljakovin visoke kakovosti.
Kar zadeva kakovost ultrazvočno ekstrahiranih beljakovin, aminokisline niso bile razgrajene z ultrazvočno obdelavo, vendar so prisotne v večji količini v primeru ultrazvočne ekstrakcije v primerjavi s konvencionalno ekstrakcijo.
Pri primerjavi manotermosonication in ultrazvočne ekstrakcije brez povišanega tlaka in temperature je razlika v donosu in učinkovitosti ekstrakcije le minimalna. Zato se samo ultrazvok šteje za najbolj ekonomično in najlažjo tehniko za proizvodnjo visokokakovostnega ekstrakta, bogatega z beljakovinami spiruline. Ultrazvočna ekstrakcija je zelena, okolju prijazna tehnika ekstrakcije, primerna za ekstrakcijo beljakovin iz spiruline v laboratorijskem merilu, ki jo je mogoče zlahka prilagoditi pilotnemu in industrijskemu obsegu. (prim. Vernès et al. 2019)
UP400St za ultrazvočno ekstrakcijo alg v seriji 8L
Visoko zmogljivi ultrazvočni ekstraktorji
Vsi rezultati ekstrakcije, doseženi v majhnem obsegu, se lahko linearno prilagodijo večjim proizvodnim zmogljivostim. Hielscher Ultrasonics velik portfelj izdelkov, od laboratorijskih do industrijskih ekstrakcijskih sistemov, ima najprimernejši ultrazvočni aparat za vašo predvideno procesno zmogljivost. Naše dolgoletno izkušeno osebje vam bo pomagalo od preskusov izvedljivosti in optimizacije procesa do namestitve vašega ultrazvočnega sistema na končni proizvodni ravni.
Hielscher Ultrasonics – Prefinjena oprema za ekstrakcijo
Portfelj izdelkov Hielscher Ultrasonics zajema celoten nabor visoko zmogljivih ultrazvočnih ekstraktorjev od majhnih do velikih. Dodatni dodatki omogočajo enostavno sestavljanje najprimernejše konfiguracije ultrazvočne naprave za vaš proces. Optimalna ultrazvočna nastavitev je odvisna od predvidene zmogljivosti, prostornine, surovine, šaržnega ali inline procesa in časovnice. Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Linearna razširljivost ultrazvočnih ekstrakcijskih procesov omogoča enostavno in zanesljivo povečanje proizvodnje. Preberite več o linearnem povečanju ultrazvočnih ekstrakcijskih procesov!
Izbirate lahko med različnimi dodatki, kot so:
- sonotrode različnih velikosti, premerov in oblik
- sonotrode za visoko amplitudo 200 μm in več
- reaktorji pretočnih celic z različnimi prostorninami in geometrijami
- številni spodbujevalni rogovi za povečanje ali zmanjšanje dobička
- popolne ultrazvočne nastavitve, kot je SonoStation, ki vključujejo ultrazvočni ekstraktor, rezervoar, mešalo in črpalko
- Vtični temperaturni senzorji
- Vtični senzorji tlaka
Naše dobro usposobljeno, dolgoletno izkušeno osebje se bo posvetovalo z vami in vam priporočilo najprimernejši ultrazvočni sistem za vaše zahteve procesa ekstrakcije!
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Ultrazvočni homogenizatorji visoke moči iz laboratorij k Pilot in industrijska lestvica.
Literatura / Reference
- 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.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Spirulina
Spirulina, ki je prokariontska bakterija, je bogata s pigmenti, kot so karotenoidi, klorofil in fikocianin. Karotenoidi (npr. β-karoten, oranžno-rumeni pigment), klorofil in fikocianin se nahajajo pri 0,4, 1,0 in 14% suhe mase. Fikocianin je modro-zelena beljakovina, tako imenovani biliprotein, ki se nahaja v fotosintetičnih lamelah v citoplazmatski membrani cianobakterij.
Uporablja se kot aditiv za živila in barvilo za živila, prehransko dopolnilo in za imunodiagnostično uporabo.