Ultrazvočna ekstrakcija alg za prehranska dopolnila

Ultrazvočna ekstrakcija je najboljša metoda za učinkovito in hitro razgradnjo celic alg. Sonikacija lahko sprosti celotno količino bioaktivnih spojin, zaradi česar je ultrazvočna tehnika zelo učinkovita.

Kako z ultrazvokom ekstrahirati beljakovine, lipide in fenolne spojine iz alg

Vrste alg in mikroalg so bogate z biološko aktivnimi spojinami, kot so beljakovine, lipidi, karotenoidi, pigmenti (npr. fikocianini, astaksantin itd.), fenolne spojine in polisaharidi (npr. karagenani). Zato so široko uporabljana naravna surovina za proizvodnjo ekstraktov za živila in prehranska dopolnila. Vrste alg, ki se pogosto uporabljajo za prehranska dopolnila, so Arthrospira maxima in (znana tudi kot spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis in Ulva spp. Alge so znane kot dober vir visokokakovostnih beljakovin, lipidov, dolgoverižnih večkrat nenasičenih maščobnih kislin (PUFA, tj. omega-3), polisaharidov (npr. alginata, karagenana, β-glukanov), vitaminov in antioksidantov.
Spirulina je pogosto uporabljana vrsta alg, bogata z zelo cenjenimi bioaktivnimi spojinami, kot so beljakovine (ki predstavljajo 50–70% suhe mase). Ker je FDA (Uprava za hrano in zdravila Združenih držav Amerike) spirulino odobrila kot GRAS (splošno priznano kot varno), se lahko spirulina in ekstrakti spiruline uporabljajo v živilih na trgu ali kot prehranska dopolnila.

Prednosti ultrazvočne ekstrakcije alg

Ultrazvočna ekstrakcija prekaša druge metode ekstrakcije v številnih pogledih, kot so visok izkoristek, zanesljivost, varnost, preprostost in okoljska prijaznost.

Popoln izkoristek ekstrakcije

Visokozmogljivi ultrazvočni procesorji odprejo in razgradijo celice alg, tako da se sprosti znotrajcelični material. Ultrazvočna ekstrakcija tako sprosti celoten spekter bioaktivnih spojin, kot so fikobiliproteini, karotenoidi, lipidi in fenolne spojine.
Fikobiliproteine lahko razdelimo v tri glavne skupine, in sicer kloro-fikocianine, alofikocianine in fikoeritrine. C-fikocianin je naravni modri pigment, ki se široko uporablja v živilih in farmacevtskih izdelkih. Ultrazvočna ekstrakcija sprosti celoten spekter beljakovin.

Visoka učinkovitost ekstrakcije

Duangsee in sod. (2009) so preizkusili dve različni metodi ekstrakcije bioaktivnih spojin iz biomase Arthospira (ekstrakcijo s topilom ob pomoči ultrazvoka in ekstrakcijo s ponavljajočim se zamrzovanjem in odtajanjem) ter ugotovili, da je ultrazvočna ekstrakcija s topilom dosegla višjo učinkovitost ekstrakcije (22,1%) kot zamrzovanje in odtajanje (15,6%). Primerjava raztrganja celic pri sonikaciji in ponavljajočem se zamrzovanju in odtajanju kaže, da je sonikacija učinkovitejša. Ultrazvočna kavitacija hitro in učinkovito razgradi celice alg, kar povzroči večjo stopnjo razgradnje celic v primerjavi s celicami spiruline, obdelanimi s ponavljajočim se zamrzovanjem in odtajanjem.
Sonikacija je bila učinkovitejša pri razgradnji celične ovojnice kot ponavljajoče se zamrzovanje in odtajanje. Izkoristek ekstrakcije fikocianina je pokazal, da temperatura obdelave vpliva na učinkovitost ekstrakcije.

Hiter postopek ekstrakcije

Visokozmogljivi ultrazvočni sistemi lahko z visokimi amplitudami v suspenzijo alg vnašajo visoko ultrazvočno moč. Zato je ultrazvočna ekstrakcija zelo hitra metoda obdelave.

Nadzor temperature

Ultrazvočna obdelava je netoplotna, povsem mehanska tehnika ekstrakcije. Temperaturo ekstrakcije je mogoče natančno nadzorovati s priključljivim temperaturnim senzorjem, ki je s kablom povezan z digitalnim ultrazvočnim procesorjem Hielscher. Programska oprema digitalnih ultrazvočnih procesorjev Hielscher omogoča nastavitev temperaturnih mej, tako da ultrazvočni homogenizator začasno ustavi delovanje, ko je dosežena temperaturna meja. Natančen nadzor temperature omogoča preprečevanje toplotne razgradnje toplotno občutljivih snovi, kot so fikobiliproteini, vitamini, polifenoli, polisaharidi, lipidi in druge bioaktivne spojine.

Združljivost z različnimi topili

Ultrazvočna obdelava je združljiva s skoraj vsakim topilom. Ultrazvočna ekstrakcija v kombinaciji z okolju prijaznimi topili, kot sta voda ali etanol, daje čiste ekstrakte. Te ultrazvočne ekstrakte je mogoče varno vključiti v živila, saj imata ekstrakcijski topili etanol in voda status GRAS (splošno priznano kot varno).

Ponovljivost in standardizacija procesa

Digitalni ultrazvočni procesorji Hielscher so opremljeni z inteligentno programsko opremo in obsežnim naborom nastavitev za idealne ekstrakcijske parametre. Programska oprema beleži vse parametre ultrazvočnega procesa (npr. amplitudo, neto moč, skupno moč, temperaturo, tlak, čas, datum) in podatke o sonikaciji zapisuje v datoteko CSV na vgrajeni kartici SD. To vam omogoča standardizacijo postopka ekstrakcije ter natančno spremljanje sonikacije in kakovosti končnega izdelka. Te funkcije vam pomagajo izpolnjevati zahteve za standardizacijo procesa in zahteve dobre proizvodne prakse (GMP), ki so oboje zelo pomembne pri proizvodnji ekstraktov za dopolnila, živila ali farmacevtske izdelke.

Protokol ultrazvočne ekstrakcije fikocianina

Mazumder in sod. (2017) so raziskovali optimalne parametre obdelave za ultrazvočno ekstrakcijo fikocianina in fenolnih spojin iz Arthospira platensis. Največji izkoristek fikocianina (29,9 mg/g) in skupnih fenolnih spojin (2,4 mg/g) je bil dosežen pri 40% koncentraciji etanola in temperaturi ekstrakcije 34,9°C z uporabo ultrazvočnega procesorja UP50H (50 vatov, 30kHz) pri amplitudi 95% in času ekstrakcije 104,7 s.

Vernès in sod. (2019) so za ekstrakcijo beljakovin iz spiruline uporabili ultrazvočni procesor UIP1000hdT (1000W, 20kHz). Ultrazvočni procesor je bil opremljen s sonotrodo BS2d34 in ultrazvočnim pretočnim reaktorjem (glejte spodnjo sliko za natančno postavitev ultrazvočne ekstrakcije s pretočno celico in črpalko Seepex).

UIP1000hdT – postavitev za manotermosonikacijo (MTS) in naša ekstrakcija beljakovin iz spiruline v laboratorijskem merilu
vir: Vernes in sod. 2019

Rezultati raziskave kažejo, da pogoji ultrazvočne ekstrakcije, optimizirani za izkoristek beljakovin, vključujejo nekoliko povišana temperaturo in tlak (tako imenovana manotermosonikacija MTS). MTS spodbuja prenos snovi in omogoča pridobitev 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 v ekstraktu na 100 g suhe biomase spiruline, je bila v neprekinjenem procesu sonikacije v samo 6 minutah dosežena 50% stopnja pridobivanja beljakovin. Mikroskopsko slikanje razkriva, da akustična kavitacija vpliva na filamente spiruline z različnimi mehanizmi, kot so fragmentacija, sonoporacija in porušitev strukture. Ti različni učinki olajšajo ekstrakcijo, sproščanje in solubilizacijo bioaktivnih spojin spiruline ter povečajo njihovo učinkovitost, kar vodi do visokega izkoristka visokokakovostnih beljakovin.
Kar zadeva kakovost ultrazvočno ekstrahiranih beljakovin, ultrazvočna obdelava ni razgradila aminokislin, pri sonikaciji pa so te prisotne v večji količini kot pri običajni ekstrakciji.
Pri primerjavi manotermosonikacije in ultrazvočne ekstrakcije brez povišanega tlaka in temperature je razlika v izkoristku in učinkovitosti ekstrakcije le minimalna. Zato velja sam ultrazvok za najgospodarnejšo in najpreprostejšo 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 preprosto prenesti v pilotno in industrijsko merilo. (prim. Vernès in sod. 2019)

Visokozmogljivi ultrazvočni ekstraktorji

Vse rezultate ekstrakcije, dosežene v majhnem merilu, je mogoče linearno prenesti na večje proizvodne zmogljivosti. Obsežen nabor izdelkov Hielscher Ultrasonics, od laboratorijskih do industrijskih ekstrakcijskih sistemov, vključuje najprimernejši ultrazvočni procesor za vašo predvideno procesno zmogljivost. Naše osebje z dolgoletnimi izkušnjami vam bo pomagalo od preizkusov izvedljivosti in optimizacije procesa do namestitve vašega ultrazvočnega sistema na končni proizvodni ravni.

Hielscher Ultrasonics – napredna ekstrakcijska oprema

Nabor izdelkov Hielscher Ultrasonics obsega celoten razpon visokozmogljivih ultrazvočnih ekstraktorjev za majhno in veliko merilo. Dodatna oprema omogoča preprosto sestavo najprimernejše konfiguracije ultrazvočne naprave za vaš proces. Optimalna ultrazvočna postavitev je odvisna od predvidene zmogljivosti, prostornine, surovine, šaržnega ali pretočnega procesa in časovnega načrta. Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Linearna možnost povečanja merila ultrazvočnih ekstrakcijskih procesov omogoča preprosto in zanesljivo povečanje proizvodnje. Preberite več o linearnem povečanju merila ultrazvočnih ekstrakcijskih procesov!

Izbirajte med različnimi dodatki, kot so:

• sonotrode različnih velikosti, premerov in oblik
• sonotrode za visoke amplitude 200µm in več
• reaktorji s pretočnimi celicami različnih prostornin in geometrij
• številni ojačevalniki amplitude za povečanje ali zmanjšanje faktorjev ojačenja
• celovite postavitve za sonikacijo, kot je SonoStation, ki vključujejo ultrazvočni ekstraktor, rezervoar, mešalo in črpalko
• priključljivi temperaturni senzorji
• priključljivi tlačni senzorji

Naše dobro usposobljeno osebje z dolgoletnimi izkušnjami vam bo svetovalo in priporočilo najprimernejši ultrazvočni sistem za zahteve vašega ekstrakcijskega procesa!

Spodnja tabela prikazuje okvirno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih procesorjev: