Ultrazvočna ekstrakcija antocianinov

Antocianini se pogosto uporabljajo kot naravno barvilo in prehranski dodatek v živilih. Ultrazvočna ekstrakcija je zelo učinkovita in preprosta tehnika pridobivanja visokokakovostnih antocianinov. Uporaba sonikatorjev s sondo spodbuja sproščanje visokokakovostnih antocianinov iz rastlin, kar omogoča večje izkoristke in hiter postopek. Hkrati je sonikacija blaga, zelena in učinkovita tehnika za industrijsko proizvodnjo antocianinov živilske in farmacevtske kakovosti.

Antocianini – kako s sonikatorjem ekstrahirati visokokakovostne antocianine

Antocianini se pogosto uporabljajo kot naravna barvila v živilski industriji. Imajo širok spekter barvnih odtenkov, od oranžne prek rdeče do vijolične in modre, odvisno od molekulske strukture in vrednosti pH. Zanimanje za antocianine ne temelji le na njihovem barvilnem učinku, temveč tudi na njihovih zdravju koristnih lastnostih. Zaradi vse večje zaskrbljenosti glede vpliva sintetičnih barvil na okolje in zdravje so naravna barvila odlična alternativa kot okolju prijazna barvila za živilsko in farmacevtsko industrijo.

Z ultrazvokom izboljšana ekstrakcija antocianinov

Kako ekstrahirati antocianine z ultrazvokom? – Študije primerov

Ultrazvočna ekstrakcija antocianinov iz vijoličnega riža Oryza Sativa L.

Vijolični riž seva Oryza Sativa (znan tudi kot Violet Nori ali vijolični riž) je izjemno bogat s fenolnimi spojinami, kot je flavonoidna skupina antocianinov. Turrini et al. (2018) so uporabili ultrazvočno ekstrakcijo za izolacijo polifenolnih spojin, kot so antocianini in antioksidanti, iz zrn (v celi, rjavi in predkuhani obliki) in listov vijoličnega riža. Ultrazvočno ekstrakcijo so izvedli z napravo Hielscher UP200St (200W, 26kHz, slika levo) in 60% etanolom kot topilom.
Da bi ohranili celovitost antocianinov, so ultrazvočne ekstrakte shranjevali pri −20°C, kar je omogočilo njihovo shranjevanje vsaj do treh mesecev.
Cyanidin-3 glucoside (znan tudi kot krizantemin) je bil daleč najpomembnejši zaznani antocianin v kultivarjih ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ in ‘Nerone’, preučenih v študiji Turrini et al., medtem ko sta bila peonidin-3-glucoside in cyanidin-3-rutinoside (tudi antirinin) prisotna v manjših količinah.
Vijolični listi Oryza Sativa so odličen vir antocianinov in skupne vsebnosti fenolov (TPC). S približno 2–3-krat večjo količino kot v rižu in moki so listi Oryza poceni surovina za ekstrakcijo antocianinov. Ocenjeni izkoristek približno 4 kg antocianinov/t svežih listov je bistveno večji od izkoristka 1 kg antocianinov/t riža, izračunanega na podlagi povprečnih količin antocianinov, zaznanih v rižu ‘Violet Nori’ (1300 µg/g riža, izraženo kot cyanidin-3-glucoside), pri pridelku približno 68 kg riža iz 100 kg neoluščenega riža.

Ultrazvočna ekstrakcija antocianinov iz rdečega zelja

Ravanfar et al. (2015) so preučevali učinkovitost ultrazvočne ekstrakcije antocianinov iz rdečega zelja. Poskuse ultrazvočne ekstrakcije so izvedli z ultrazvočnim sistemom UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotrodo MS10 (premer konice 10mm) so vstavili v sredino steklene čaše s plaščem in nadzorovano temperaturo.

Za ta poskus so uporabili sveže narezane kose rdečega zelja velikosti 5mm (kockaste oblike) z vsebnostjo vlage 92,11 ± 0,45 %. Stekleno čašo s plaščem (prostornina: 200ml) so napolnili s 100ml destilirane vode in 2g kosov rdečega zelja. Čašo so prekrili z aluminijasto folijo, da bi med postopkom preprečili izgubo topila (vode) zaradi izhlapevanja. Pri vseh poskusih so temperaturo v čaši vzdrževali s termostatskim regulatorjem. Na koncu so vzorce odvzeli, filtrirali in centrifugirali pri 4000rpm, supernatante pa uporabili za določitev izkoristka antocianinov. Ekstrakcijo v vodni kopeli so izvedli kot kontrolni poskus.
Optimalni izkoristek antocianinov iz rdečega zelja so določili pri moči 100 W, času 30 min in temperaturi 15°C, pri čemer je izkoristek antocianinov znašal približno 21 mg/L.
Zaradi spreminjanja barve glede na vrednost pH in intenzivnega obarvanja se barvilo iz rdečega zelja uporablja kot indikator pH v farmacevtskih formulacijah oziroma kot antioksidant in barvilo v živilskih sistemih.

Ultrazvok bistveno okrepi ekstrakcijo antocianinov iz rastlinskega materiala.
vir: Ravanfar et al. 2015

 
Druge študije dokazujejo uspešno ultrazvočno ekstrakcijo antocianinov med drugim iz borovnic, robid, grozdja, češenj, jagod in vijoličnega sladkega krompirja.

Visokozmogljivi ultrazvočni ekstraktorji

Hielscher Ultrasonics je specializiran za proizvodnjo visokozmogljivih ultrazvočnih procesorjev za pridobivanje visokokakovostnih ekstraktov iz rastlinskih surovin.
Širok nabor sonikatorjev Hielscher sega od majhnih, zmogljivih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do robustnih namiznih in povsem industrijskih sistemov, ki zagotavljajo ultrazvok visoke intenzivnosti za učinkovito ekstrakcijo in izolacijo bioaktivnih snovi (npr. antocianinov, gingerola, piperina, kurkumina itd.).
Vse ultrazvočne naprave od 200W do 16.000W imajo barvni zaslon na dotik za digitalno upravljanje, vgrajeno kartico SD za samodejno beleženje podatkov, daljinsko upravljanje prek brskalnika in številne druge uporabniku prijazne funkcije. Sonotrode in pretočne celice (deli, ki so v stiku z medijem) je mogoče avtoklavirati in jih je preprosto čistiti.
Sonikatorji Hielscher so zelo robustni in izdelani za delovanje 24/7 pri polni obremenitvi, hkrati pa zahtevajo malo vzdrževanja ter omogočajo preprosto in varno upravljanje. Digitalni barvni zaslon omogoča uporabniku prijazno upravljanje ultrazvočne naprave.
Naši sistemi lahko zagotavljajo amplitude od nizkih do zelo visokih. Za ekstrakcijo kanabinoidov in terpenov ponujamo posebne ultrazvočne sonotrode (znane tudi kot ultrazvočne sonde ali rogovi), ki so optimizirane za nežno izolacijo visokokakovostnih učinkovin. Vse naše sisteme je mogoče uporabiti za ekstrakcijo in naknadno emulgiranje kanabinoidov. Robustnost sonikatorjev Hielscher omogoča neprekinjeno delovanje (24/7) pri veliki obremenitvi in v zahtevnih okoljih.

Natančen nadzor parametrov ultrazvočnega procesa zagotavlja ponovljivost in standardizacijo procesa.
 

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Literatura / Reference

• 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.

Koristna dejstva

Kako deluje ekstrakcija s pomočjo ultrazvoka?

Uporaba intenzivnih ultrazvočnih valov v tekočem mediju povzroči kavitacijo. Pojav kavitacije v mediju lokalno povzroči ekstremne temperature, tlake, hitrosti segrevanja/ohlajanja, tlačne razlike in velike strižne sile. Ko kavitacijski mehurčki implodirajo na površini trdnih snovi (kot so delci, rastlinske celice, tkiva itd.), mikrocurki in trki med delci povzročijo učinke, kot so luščenje površine, erozija in drobljenje delcev. Poleg tega implozija kavitacijskih mehurčkov v tekočih medijih povzroči makroturbulenco in mikromešanje.
Ultrazvočno obsevanje rastlinskega materiala razdrobi matriks rastlinskih celic in izboljša njegovo hidratacijo. Chemat et al (2015) ugotavljajo, da je ultrazvočna ekstrakcija bioaktivnih spojin iz rastlinskih surovin rezultat različnih neodvisnih ali kombiniranih mehanizmov, vključno z drobljenjem, erozijo, kapilarnostjo, razgradnjo strukture in sonoporacijo. Ti učinki porušijo celično steno, izboljšajo prenos snovi s potiskanjem topila v celico in izsesavanjem topila, ki vsebuje rastlinske spojine, iz nje ter z mikromešanjem zagotavljajo gibanje tekočine.

Ultrazvočna ekstrakcija temelji na akustični kavitaciji in njenih hidrodinamičnih strižnih silah

Ultrazvočno obsevanje rastlinskega materiala razdrobi matriks rastlinskih celic in izboljša njegovo hidratacijo. Chemat et al. (2015) ugotavljajo, da je ultrazvočna ekstrakcija bioaktivnih spojin iz rastlinskih surovin rezultat različnih neodvisnih ali kombiniranih mehanizmov, vključno z drobljenjem, erozijo, kapilarnostjo, razgradnjo strukture in sonoporacijo. Ti učinki porušijo celično steno, izboljšajo prenos snovi s potiskanjem topila v celico in izsesavanjem topila, ki vsebuje rastlinske spojine, iz nje ter z mikromešanjem zagotavljajo gibanje tekočine.
Ultrazvočna ekstrakcija omogoča zelo hitro izolacijo spojin – običajne metode ekstrakcije prekaša s krajšim časom obdelave, večjim izkoristkom in nižjimi temperaturami. Kot blaga mehanska obdelava ekstrakcija s pomočjo ultrazvoka preprečuje termično razgradnjo bioaktivnih sestavin in je boljša v primerjavi z drugimi tehnikami, kot so običajna ekstrakcija s topili, hidrodestilacija ali ekstrakcija po Soxhletu, za katere je znano, da uničujejo molekule, občutljive na toploto. Zaradi teh prednosti je ultrazvočna ekstrakcija prednostna tehnika za sproščanje temperaturno občutljivih bioaktivnih spojin iz rastlinskih surovin.

Ultrazvočna ekstrakcija iz rastlinskih celic: mikroskopski prečni prerez (TS) prikazuje mehanizem delovanja med ultrazvočno ekstrakcijo iz celic (povečava 2000x) [vir: Vilkhu et al. 2011]

Antocianin – dragoceno rastlinsko barvilo

Antocianini so vakuolarna rastlinska barvila, ki so lahko rdeča, vijolična, modra ali črna. Barva vodotopnih antocianinskih barvil je odvisna od njihove vrednosti pH. Antocianini se nahajajo v celični vakuoli, predvsem v cvetovih in plodovih, pa tudi v listih, steblih in koreninah, kjer so večinoma v zunanjih celičnih plasteh, kot so povrhnjica in periferne celice mezofila.
V naravi se najpogosteje pojavljajo glikozidi cianidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina in petunidina.
Med izrazite primere rastlin, bogatih z antocianini, sodijo vrste rodu vaccinium, kot so ameriške borovnice, brusnice in navadne borovnice; jagodičevje rodu Rubus, vključno s črnimi malinami, rdečimi malinami in robidami; črni ribez, češnje, jajčevci, črni riž, ube, okinavski sladki krompir, grozdje Concord, muškatno grozdje vrste muscadine, rdeče zelje in cvetni listi vijolic. Breskve in jabolka z rdečim mesom vsebujejo antocianine. Antocianini so manj zastopani v bananah, špargljih, grahu, koromaču, hruškah in krompirju, pri nekaterih kultivarjih zelenih kosmulj pa so lahko povsem odsotni.

Struktura glavnih antocianinov

Antocianini so odlična alternativa za nadomestitev sintetičnih barvil v živilih. Antocianini so odobreni za uporabo kot živilska barvila v Evropski uniji, Avstraliji in Novi Zelandiji ter imajo oznako barvila E163. Antocianini se nahajajo v sadju in zelenjavi in jih lahko opišemo kot vrsto vodotopnih rastlinskih barvil. Kemično so antocianini glikozidi antocianidinov, ki temeljijo na strukturi 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Obstaja več kot 200 različnih fitokemikalij, ki sodijo v kategorijo antocianinov. Ker so antocianini glavno barvilo v divjih plodovih in jagodičevju, obstaja veliko virov, iz katerih jih je mogoče ekstrahirati. Pomemben vir antocianinov je grozdna kožica. Antocianinska barvila v grozdni kožici sestavljajo predvsem diglukozidi, monoglukozid, acilirani monoglukozidi ter acilirani diglukozidi peonidina, malvidina, cianidina, petunidina in delfinidina. Vsebnost antocianinov v grozdju se giblje od 30–750mg/100g.
Najpomembnejši antocianini so cianidin, delfinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin in petunidin.
V vijoličnem sladkem krompirju se na primer nahajajo antocianini peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside in cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside.

Antocianini – koristi za zdravje

Poleg njihove odlične sposobnosti delovanja kot naravno živilsko barvilo so antocianini zelo cenjeni zaradi svojih antioksidativnih učinkov. Zato imajo antocianini številne pozitivne učinke na zdravje. Raziskave so pokazale, da antocianini lahko zavirajo poškodbe DNA v rakavih celicah, zavirajo prebavne encime, sprožijo proizvodnjo inzulina v izoliranih celicah trebušne slinavke, zmanjšajo vnetne odzive, ščitijo pred starostnim upadanjem možganskih funkcij, izboljšajo neprepustnost kapilarnih krvnih žil in preprečijo agregacijo trombocitov.