Ultrasonication za izboljšanje motenj in ekstrakcije celic alg

Alge, makro- in mikroalge, vsebujejo veliko dragocenih spojin, ki se uporabljajo kot prehranska živila, aditivi za živila ali kot gorivo ali surovina za gorivo. Za sproščanje ciljnih snovi iz celic alg je potrebna močna in učinkovita tehnika motenj celic. Ultrazvočni ekstraktorji so zelo učinkoviti in zanesljivi, ko gre za ekstrakcijo bioaktivnih spojin iz rastlin, alg in gliv. Ultrazvočni ekstraktorji Hielscher, ki so na voljo v laboratoriju, na mizi, in industrijskem merilu, so vzpostavljeni v proizvodnji celičnih izvlečkov v proizvodnji hrane, farmacije in biogoriv.

Alge kot dragocen vir za prehrano in gorivo

Celice alg so vsestranski vir bioaktivnih in energetsko bogatih spojin, kot so beljakovine, ogljikovi hidrati, lipidi in druge bioaktivne snovi ter alkani. Zaradi tega so alge vir hrane in hranilnih spojin ter goriv.
Mikroalge so dragocen vir lipidov, ki se uporabljajo za prehrano in kot surovina za biogoriva (npr. biodizel). Sevi morskega fitoplanktona Dicrateria, kot je Dicrateria rotunda, so znani kot alge, ki proizvajajo bencin in lahko sintetizirajo vrsto nasičenih ogljikovodikov (n-alkanov) iz C₁₀H₂₂ do C₃₈H₇₈, ki so razvrščene kot bencin (C10–C15), dizelsko gorivo (C16–C20) in kurilna olja (C21–C38).
Zaradi svoje hranilne vrednosti se alge uporabljajo kot "funkcionalna živila" ali "nutracevtiki". Pomembna mikrohranila, pridobljena iz alg, vključujejo karotenoide astaksantin, fukoksantin in zeaksantin, fukoidan, laminari in druge glukane ter številne druge bioaktivne snovi, ki se uporabljajo kot prehranska dopolnila in farmcevtiki. Karagenan, alginat in drugi hidrokoloidi se uporabljajo kot aditivi za živila. Lipidi iz alg se uporabljajo kot veganski vir omega-3 in se uporabljajo tudi kot gorivo ali kot surovina za proizvodnjo biodizla.

Motnje in ekstrakcija celic alg z močnim ultrazvokom

Ultrazvočni ekstraktorji ali preprosto ultrazvočni aparati se uporabljajo za pridobivanje dragocenih spojin iz majhnih vzorcev v laboratoriju in za proizvodnjo v velikem komercialnem obsegu.
Celice alg so zaščitene s kompleksnimi matrikami celične stene, ki so sestavljene iz lipidov, celuloze, beljakovin, glikoproteinov in polisaharidov. Osnova večine celičnih sten alg je zgrajena iz mikrofibrilarne mreže v gelu podobni beljakovinski matrici; Vendar pa so nekatere mikroalge opremljene z anorgansko togo steno, sestavljeno iz opalin silicijevih frustul ali kalcijevega karbonata. Za pridobitev bioaktivnih spojin iz biomase alg je potrebna učinkovita tehnika celičnih motenj. Poleg tehnoloških dejavnikov ekstrakcije (tj. Metoda in oprema ekstrakcije) na učinkovitost motenj in ekstrakcije celic alg močno vplivajo tudi različni dejavniki, odvisni od alg, kot so sestava celične stene, lokacija želene biomolekule v celicah mikroalg in stopnja rasti mikroalg med nabiranjem.

Kako deluje ultrazvočna motnja in ekstrakcija celic alg?

Ko se ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti povežejo z ultrazvočno sondo (znano tudi kot ultrazvočni rog ali sonotrode) v tekočino ali gnojevko, zvočni valovi potujejo skozi tekočino in s tem ustvarjajo izmenične visokotlačne / nizkotlačne cikle. Med temi visokotlačnimi / nizkotlačnimi cikli se pojavijo drobni vakuumski mehurčki ali votline. Kavitacijski mehurčki nastanejo, ko lokalni tlak med nizkotlačnimi cikli pade dovolj daleč pod tlak nasičenih par, ki je vrednost, ki jo daje natezna trdnost tekočine pri določeni temperaturi. Tisti, ki rastejo v več ciklih. Ko ti vakuumski mehurčki dosežejo velikost, kjer ne morejo absorbirati več energije, mehurček med ciklom visokega tlaka silovito implodira. Implozija kavitacijskih mehurčkov je nasilen, energijsko gost proces, ki ustvarja intenzivne udarne valove, turbulence in mikro-curke v tekočini. Poleg tega se ustvarijo lokalizirani zelo visoki tlaki in zelo visoke temperature. Ti ekstremni pogoji zlahka motijo celične stene in membrane ter sproščajo znotrajcelične spojine na učinkovit, učinkovit in hiter način. Znotrajcelične spojine, kot so beljakovine, polisaharidi, lipidi, vitamini, minerali in antioksidanti, se lahko tako učinkovito ekstrahirajo z uporabo ultrazvočne moči.

Ultrazvočna kavitacija za motnje in ekstrakcijo celic

Ko je izpostavljena intenzivni ultrazvočni energiji, je stena ali membrana katere koli celice (vključno z botaničnimi, sesalci, algami, glivičnimi, bakterijskimi itd.) motena in celica je raztrgana na manjše delce z mehanskimi silami energijsko goste ultrazvočne kavitacije. Ko je celična stena zlomljena, se celični metaboliti, kot so beljakovine, lipidi, nukleinska kislina in klorofil, sproščajo iz matriksa celične stene in iz notranjosti celice in se prenesejo v okoliški medij ali topilo.
Zgoraj opisani mehanizem ultrazvočne / akustične kavitacije močno moti cele celice alg ali plinske in tekoče vakuole v celicah. Ultrazvočna kavitacija, vibracije, turbulence in mikro-pretok spodbujajo prenos mase med notranjostjo celice in okoliškim topilom, tako da so biomolekule (tj. metaboliti) učinkoviti in hitro sproščeni. Ker je ultrazvočno razbijanje povsem mehansko zdravljenje, ki ne zahteva ostrih, strupenih in / ali dragih kemikalij.
Visokointenzivni, nizkofrekvenčni ultrazvok ustvarja ekstremne energetsko goste pogoje, ki imajo visoke tlake, temperature in visoke strižne sile. Te fizikalne sile spodbujajo motnje celičnih struktur, da bi sprostile znotrajcelične spojine v medij. Zato se nizkofrekvenčni ultrazvok v veliki meri uporablja za ekstrakcijo bioaktivnih snovi in goriv iz alg. V primerjavi s konvencionalnimi metodami ekstrakcije, kot so ekstrakcija s topilom, mletje kroglic ali visokotlačna homogenizacija, ultrazvočna ekstrakcija odlikuje sproščanje večine bioaktivnih spojin (kot so lipidi, beljakovine, polisaharidi in mikrohranila) iz sonoporirane in motene celice. Z uporabo pravih procesnih pogojev ultrazvočna ekstrakcija daje vrhunske donose ekstrakcije v zelo kratkem trajanju procesa. Na primer, visoko zmogljivi ultrazvočni ekstraktorji kažejo odlične zmogljivosti ekstrakcije iz alg, kadar se uporabljajo z ustreznim topilom. V kislem ali alkalnem mediju postane celična stena alg porozna in nagubana, kar vodi do povečanega donosa pri nizki temperaturi (pod 60 ° C) v kratkem času ultrazvočnega razbijanja (manj kot 3 ure). Kratko trajanje ekstrakcije pri blagih temperaturah preprečuje razgradnjo fukoida, tako da dobimo visoko bioaktivni polisaharid.
Ultrasonication je tudi metoda za pretvorbo fukoidana z visoko molekulsko maso v fucoidan z nizko molekulsko maso, ki je zaradi svoje razvejane strukture bistveno bolj bioaktiven. S svojo visoko bioaktivnostjo in biodostopnostjo je fukoidan z nizko molekulsko maso zanimiva spojina za farmacevtske izdelke in sisteme za dostavo zdravil.

Študije primerov: Ultrazvočna ekstrakcija spojin alg

Učinkovitost ultrazvočne ekstrakcije in optimizacija parametrov ultrazvočne ekstrakcije sta bila široko raziskana. Spodaj lahko najdete zgledne rezultate za rezultate ekstrakcije z ultrazvokom iz različnih vrst alg.

Ekstrakcija beljakovin iz spiruline z uporabo mano-termo-sonication

Raziskovalna skupina prof. Chemata (Univerza v Avignonu) je raziskala učinke manotermosonication (MTS) na ekstrakcijo beljakovin (kot je fikocianin) iz suhih cianobakterij Arthrospira platensis (znanih tudi kot spirulina). Mano-termo-sonication (MTS) je uporaba ultrazvoka v kombinaciji s povišanimi tlaki in temperaturami, da bi okrepili postopek ultrazvočne ekstrakcije.
"Glede na eksperimentalne rezultate je MTS spodbujal prenos mase (visoka učinkovita difuzivnost, De) in omogočil pridobivanje 229% več beljakovin (28,42 ± 1,15 g / 100 g DW) kot običajni postopek brez ultrazvoka (8,63 ± 1,15 g / 100 g DW). Z 28,42 g beljakovin na 100 g suhe biomase spiruline v ekstraktu je bila dosežena 50-odstotna stopnja predelave beljakovin v 6 učinkovitih minutah z neprekinjenim MTS procesom. Mikroskopska opazovanja so pokazala, da je akustična kavitacija vplivala na spiruline z različnimi mehanizmi, kot so fragmentacija, sonoporacija, deteksturacija. Ti različni pojavi olajšajo ekstrakcijo, sproščanje in raztapljanje bioaktivnih spojin spiruline. [Vernès et al., 2019]

Optične mikroskopske slike celih filamentov spiurule, ki so bili sčasoma obdelani z MTS. Merilo (slika A) = 50 μm za vse slike.
slika in študija: ©Vernès et al. 2019

Ultrazvočna ekstrakcija Fucoidana in glukana iz Laminaria digitata

Raziskovalna skupina TEAGASC dr. Tiwarija je raziskala ekstrakcijo polisaharidov, tj. fucoidana, laminarina in skupnih glukanov, iz makroalg Laminaria digitata z uporabo Ultrazvočni aparat UIP500hdT. Preučevani parametri ultrazvočno podprte ekstrakcije (ZAE) so pokazali pomemben vpliv na ravni fukoze, FRAP in DPPH. Ravni 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde in 11,02% so bile pridobljene za fukozo, skupne glukane, FRAP in DPPH pri optimiziranih pogojih temperature (76 ° C), časa (10 min) in ultrazvočne amplitude (100 %) z uporabo 0,1 M HCl kot topila. Opisani pogoji ZAE so bili nato uspešno uporabljeni za druge ekonomsko pomembne rjave makroalge (L. hyperborea in A. nodosum), da bi dobili izvlečke, bogate s polisaharidi. Ta študija dokazuje uporabnost ZAE za izboljšanje ekstrakcije bioaktivnih polisaharidov iz različnih vrst makroalg.

Ultrazvočna fitokemična ekstrakcija iz F. vesiculosus in P. canaliculata

Raziskovalna skupina García-Vaquero je primerjala različne nove tehnike ekstrakcije, vključno z visoko zmogljivo ultrazvočno ekstrakcijo, ultrazvočno-mikrovalovno ekstrakcijo, mikrovalovno ekstrakcijo, hidrotermalno ekstrakcijo in visokotlačno ekstrakcijo, da bi ocenila učinkovitost ekstrakcije iz rjavih mikroalg Fucus vesiculosus in Pelvetia canaliculata. Za ultrasonication so uporabili Hielscher UIP500hdT ultrazvočni ekstraktor. Anylsis ekstrakcijskih donosov je pokazal, da je ultrazvočna ekstrakcija dosegla najvišje donose večine fitokemikalij iz obeh F. vesiculosus. To pomeni, da so najvišji deleži spojin, ekstrahiranih iz F. vesiculosus z uporabo ultrazvočni ekstraktor UIP500hdT so bile: skupna vsebnost fenolov (445,0 ± 4,6 mg ekvivalenta galne kisline/g), skupna vsebnost florotanina (362,9 ± 3,7 mg ekvivalenta florolucinola/g), skupna vsebnost flavonoidov (286,3 ± 7,8 mg ekvivalenta kvercetina/g) in skupna vsebnost tanina (189,1 ± 4,4 mg ekvivalenta katehinov/g).
V svoji raziskovalni študiji je ekipa ugotovila, da bi lahko bila uporaba ultrazvočno podprte ekstrakcije "v kombinaciji s 50% raztopino etanola kot topila za ekstrakcijo obetavna strategija, usmerjena v ekstrakcijo TPC, TPhC, TFC in TTC, hkrati pa zmanjšuje soekstrakcijo nezaželenih ogljikovih hidratov iz F. vesiculosus in P. canaliculata, z obetavnimi aplikacijami pri uporabi teh spojin kot farmacevtskih izdelkov, nutracevtiki in kozmecevtiki." [García-Vaquero et al., 2021]

Povečanje mano-termo-ultrazvočne razbijanje na Univerzi v Avignonu z uporabo Hielscherjevih ultrazvočnih aparatov: iz laboratorijske opreme UIP1000hdT (A) za pilotno opremo UIP4000hdT (B, C & D). Na sliki D je shematiziran prečni prerez ultrazvočne pretočne celice FC100K.
slika in študija: ©Vernès et al. 2019

Visoko zmogljivi ultrazvočni ekstraktorji za motnje alg

Hielscherjeva najsodobnejša ultrazvočna oprema omogoča popoln nadzor nad procesnimi parametri, kot so amplituda, temperatura, tlak in vnos energije.
Za ultrazvočno ekstrakcijo se lahko parametri, kot so velikost delcev surovine, vrsta topila, razmerje med trdnimi snovmi in topili ter čas ekstrakcije, spreminjajo in optimizirajo za najboljše rezultate.
Ker je ultrazvočna ekstrakcija metoda netermične ekstrakcije, se izognemo toplotni razgradnji bioaktivnih sestavin, ki so prisotne v surovinah, kot so alge.
Na splošno prednosti, kot so visok donos, kratek čas ekstrakcije, nizka temperatura ekstrakcije in majhne količine topila, naredijo ultrazvočno razbijanje vrhunsko metodo ekstrakcije.

Ultrazvočna ekstrakcija: ustanovljena v laboratoriju in industriji

Ultrazvočna ekstrakcija se pogosto uporablja za ekstrakcijo vseh vrst bioaktivnih spojin iz rastlin, alg, bakterij in celic sesalcev. Ultrazvočna ekstrakcija je bila uveljavljena kot preprosta, stroškovno učinkovita in zelo učinkovita, ki odlikuje druge tradicionalne tehnike ekstrakcije z višjimi donosi ekstrakcije in krajšim trajanjem obdelave.
Z laboratorijskimi, mizičnimi in popolnoma industrijskimi ultrazvočnimi sistemi, ki so na voljo, je ultrazvočna ekstrakcija danes dobro uveljavljena in zaupanja vredna tehnologija. Hielscher ultrazvočni ekstraktorji so nameščeni po vsem svetu v industrijskih predelovalnih obratih, ki proizvajajo bioaktivne spojine za živila in farmacevtske izdelke.

Standardizacija procesov s Hielscher Ultrasonics

Izvlečki iz alg, ki se uporabljajo v živilskih, farmacevtskih ali kozmetičnih izdelkih, morajo biti proizvedeni v skladu z dobro proizvodno prakso (GMP) in v skladu s standardiziranimi specifikacijami predelave. Digitalni sistemi za ekstrakcijo Hielscher Ultrasonics so opremljeni z inteligentno programsko opremo, ki omogoča enostavno nastavitev in natančno krmiljenje postopka ultrazvočnega razbijanja. Samodejno snemanje podatkov zapiše vse ultrazvočne procesne parametre, kot so ultrazvočna energija (skupna in neto energija), amplituda, temperatura, tlak (ko so nameščeni senzorji temperature in tlaka) z datumom in časovnim žigom na vgrajeni SD kartici. To vam omogoča, da pregledate vsako ultrazvočno obdelano serijo. Hkrati je zagotovljena ponovljivost in stalno visoka kakovost izdelkov.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: