Alge, makro- in mikroalge, vsebujejo številne dragocene spojine, ki se uporabljajo kot prehranska živila, aditivi za živila ali kot surovine za gorivo ali gorivo. Za sprostitev ciljnih snovi iz celice alg je potrebna močna in učinkovita tehnika motenj celic. Ultrazvočni ekstraktorji so zelo učinkoviti in zanesljivi, ko gre za ekstrakcijo bioaktivnih spojin iz botanike, alg in gliv. Hielscher ultrazvočni ekstraktorji, ki so na voljo v laboratoriju, na vrhu klopi in industrijski lestvici, so vzpostavljeni pri proizvodnji celičnih ekstraktov v proizvodnji hrane, farme in biogoriva.

Alge kot dragocen vir za prehrano in gorivo

Alge so vsestranski vir bioaktivnih in energijsko bogatih spojin, kot so beljakovine, ogljikovi hidrati, lipidi in druge bioaktivne snovi, pa tudi alkani. Zaradi tega so alge vir hrane in prehranskih spojin kot tudi za goriva.
Mikroalge so cenjeni vir lipidov, ki se uporabljajo za prehrano in kot krma za biogoriva (npr. biodizel). Sevi morskega fitoplanktona Dicrateria, kot je Dicrateria rotunda, so znani kot alge, ki proizvajajo bencin, ki lahko sintetizirajo vrsto nasičenih ogljikovodikov (n-alkanov) iz C₁₀H₂₂ do C₃₈H₇₈, ki so kategorizirana kot bencin (C10–C15), dizelska olja (C16–C20) in kurilna olja (C21–C38).
Zaradi hranilne vrednosti se alge uporabljajo kot "funkcionalna živila" ali "nutraceutikals". Pomembna mikrohranil, ki se izvlečejo iz alg, vključujejo karotenoide astaksantin, fukoksantin in zeaksantin, fukoidan, laminari in druge glukane med številnimi drugimi bioaktivnimi snovmi, ki se uporabljajo kot prehranska dopolnila in farmacevtiki. Karagenan, alginat in drugi hidrokoloidi se uporabljajo kot aditivi za živila. Lipidi alg se uporabljajo kot vir veganske omega-3 in se uporabljajo tudi kot gorivo ali kot surovina za proizvodnjo biodizla.

Alge celice motnje in ekstrakcija z moč ultrazvok

Ultrazvočni ekstraktorji ali preprosto ultrasonicatorji se uporabljajo za pridobivanje dragocenih spojin iz majhnih vzorcev v laboratoriju, kot tudi za proizvodnjo v velikem komercialnem obsegu.
Celice alg so zaščitene s kompleksnimi celični stenski matricami, ki so sestavljene iz lipidov, celuloze, beljakovin, glikoproteinov in polisaharidov. Osnova večine alg celičnih sten je zgrajena iz mikrofibrilarnega omrežja znotraj gelu podobne beljakovinske matrike; vendar so nekatere mikroalge opremljene z anorgansko togo steno, sestavljeno iz frustulov opalin silika ali kalcijevega karbonat. Za pridobivanje bioaktivnih spojin iz algalne biomase je potrebna učinkovita tehnika motenj celic. Poleg tehnoloških faktorjev ekstrakcije (npr. metode ekstrakcije in opreme) na učinkovitost motenj in ekstrakcije alg močno vplivajo tudi različni dejavniki, odvisni od alg, kot so sestava celične stene, lokacija želene biomolekule v mikroalgih celicah in stopnja rasti mikroalg med spravilom.

Kako ultrazvočne alge motnje in ekstrakcijo deluje?

Ko se ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti spojijo preko ultrazvočne sonde (znane tudi kot ultrazvočni rog ali sonotrode) v tekočino ali slurry, zvočni valovi potujejo skozi tekočino in s tem ustvarjajo izmenično visokotlačne / nizkotlačne cikle. Med temi visokotlačni / nizkotlačni cikli se pojavijo minutni vakumski mehurčki ali votline. Mehurčki kavitacije se pojavijo, ko lokalni tlak pade med nizkotlačni cikli dovolj daleč pod nasičenim parnim tlakom, kar je vrednost, ki jo daje natezna trdnost tekočine pri določeni temperaturi. Ki rastejo v več ciklih. Ko ti vakumski mehurčki dosežejo velikost, kjer ne morejo absorbirati več energije, mehurček med visokotlačno ciklom nasilno implodira. Implozija kavitacijskih mehurčkov je nasilen, energijsko gost proces, ki ustvarja intenzivne udarne valove, turbulence in mikro-letala v tekočini. Poleg tega se ustvarjajo lokalizirani zelo visoki pritiski in zelo visoke temperature. Te ekstremne razmere so zlahka zmožne motiti celične stene in membrane ter sprostiti znotrajcelične spojine na učinkovit, učinkovit in hiter način. Znotrajčelične spojine, kot so beljakovine, polisaharidi, lipidi, vitamini, minerali in antioksidanti, lahko s tem učinkovito ekstrahiv z ultrazvočno močjo.

Ultrazvočna kavitacija za motnje in ekstrakcijo celic

Ko so izpostavljeni intenzivni ultrazvočni energiji, je stena ali membrana kakršne koli vrste celic (vključno s botanično, sesalsko, algalno, glivično, bakterijsko itd.) moti in celica je raztrgana v manjše delce z mehanskimi silami energijsko goste ultrazvočne kavitacije. Ko je celična stena zlomljena, se celični presnovki, kot so beljakovine, lipid, jedrska kislina in klorofil, sprostijo iz celične stenske matrice, kot tudi iz celične notranjosti in se prenesejo v medij ali topilo okoliških kultur.
Zgoraj opisan mehanizem ultrazvočne / akustične kavitacije moti cele algalne celice ali plin in tekoče vakuole znotraj celic močno. Ultrazvočna kavitacija, vibracije, turbulence in mikro streaming spodbujajo prenos mase med celično notranjostjo in okoliškim topilom, tako da so biomolekule (torej presnovki) učinkovite in hitro sproščene. Ker je sonication povsem mehanska obdelava, ki ne zahteva krutih, strupenih in/ali dragih kemikalij.
Ultrazvok z visoko intenzivnostjo, nizko frekvenco ustvarja ekstremne energijsko gostote, ki vključuje visoke pritiske, temperature in visoke skice. Te fizične sile spodbujajo motnje celičnih struktur, da bi sprostili znotrajcelične spojine v medij. Zato se nizko frekvenčni ultrazvok v veliki meri uporablja za ekstrakcijo bioaktivnih snovi in goriv iz alg. V primerjavi s konvencionalnimi metodami ekstrakcije, kot so ekstrakcija topila, glodanje ali visokotlačna homogenizacija, ultrazvočno ekstrakcijo se odlično izpusti večina bioaktivnih spojin (kot so lipidi, beljakovine, polysaharidi in mikrohranilne snovi) iz sonoporirane in zmotljene celice. Uporaba pravih procesnih pogojev, ultrazvočno ekstrakcijo daje vrhunske donose ekstrakcije v zelo kratkem trajanju procesa. Na primer, visoko zmogljivi ultrazvočni ekstraktorji kažejo odlično ekstrakcijo iz alg, ko se uporabljajo s primernim topilom. V kislem ali alkalnem mediju se stena algnih celic v kratkem času sonikacije (manj kot 3 ure) poveča pri nizki temperaturi (pod 60 °C). Kratko trajanje ekstrakcije pri blagih temperaturah preprečuje razgradnja fukoidov, tako da se pridobi zelo bioaktiven polisaharid.
Ultrasonication je tudi metoda za preoblikovanje fukoidana visoke molekulske teže v fukoidan z nizko molekulsko težo, ki je zaradi svoje debranhirane strukture bistveno bolj bioaktiven. Z visoko bioaktivnostjo in biološko dostopnostjo je fukoidan z nizko molekulsko maso zanimiv spojin za farmacevtike in sisteme za dostavo zdravil.

Študije primera: Ultrazvočno ekstrakcijo algnih spojin

Ultrazvočna učinkovitost ekstrakcije in optimizacija ultrazvočnih parametrov ekstrakcije so bili splošno raziskani. Spodaj lahko najdete vzorne rezultate za rezultate ekstrakcije preko ultrasonication iz različnih vrst alg.

Ekstrakcija beljakovin iz spirulina z mano-termo-sonication

Raziskovalna skupina prof. Chemat (Univerza v Avignonu) je raziskovala učinke manotermosonikacije (MTS) na ekstrakcijo beljakovin (kot je na primer fizijanin) iz suhih Arthrospira platensis cyanobacteria (znan tudi kot spirulina). Mano-Thermo-Sonication (MTS) je uporaba ultrazvočnih v kombinaciji s povišanimi tlaki in temperaturami, da bi se še intenzivneje ultrazvočni ekstrakcijo proces.
"Glede na poskusne rezultate je MTS spodbujal prenos mase (visoka učinkovita difusivity, De) in omogočil 229% več beljakovin (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) kot običajni proces brez ultrazvoka (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). S 28,42 g beljakovin na 100 g biomase suhe spiruline v ekstraktu je bila v 6 učinkovitih minutah dosežena 50-odstotna stopnja regeneracije beljakovin s stalnim procesom MTS. Mikroskopska opazovanja so pokazala, da je akustična kavitacija vplivala na filamente spirulina z različnimi mehanizmi, kot so razdrobljenost, sonoporacija, detekturacija. Ti različni pojavi olajšajo ekstrakcijo, sproščanje in topljivost bioaktivnih spojin spirulina." [Vernès et al., 2019]

Optične mikroskopske slike celih spiurulina filamentov, ki so bili predmet zdravljenja MTS skozi čas. Merilna vrstica (slika A) = 50 μm za vse slike.
slika in študija: ©Vernès et al. 2019

Ultrazvočni Fucoidan in glukan ekstrakcija iz Laminaria digitata

Raziskovalna skupina dr. Tiwarija je raziskovala ekstrakcijo polisaharidov, to je fukoidov, laminarina in skupnih glukanih, iz makroalg Laminaria digitata z uporabo ultrazvočni uIP500hdT. Preučevani parametri ultrazvočno podprtega ekstrakcije (UAE) so pokazali pomemben vpliv na ravni fukoze, FRAP in DPPH. 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde i 11,02% se dobilo za fukoze, totalne glukane, FRAP i DPPH, tj. u optimiziranim temperaturama (76-C), času (10 min) i ultrazvočnim amplitudama (100%) uz uporabo 0,1 M HCl kot otapa. Opisani pogoji ZAE so se nato uspešno uporabljali za druge ekonomsko pomembne rjave makroalge (L. hyperborea in A. nodosum) za pridobitev polisaharidnih bogatih ekstraktov. Ta študija dokazuje, da je za povečanje ekstrakcije bioaktivnih polisaharidov iz različnih makroagalnih vrst uporabnost ZEE.

Ultrazvočna fitokemična ekstrakcija iz F. vesiculosus in P. canaliculata

Raziskovalna skupina garcía-Vaquero je primerjala različne nove tehnike ekstrakcije, vključno z ultrazvočnim ekstrakcijo visokih zmogljivosti, Ekstrakcija ultrazvučne mikrovalne, mikrovalna ekstrakcija, ekstrakcija uz hidrotermalno pomaganje i ekstrakcija pod visokim pritiskom kako bi se ocenila učinkovitost ekstrakcije iz smedjih mikroalga vrsta Fucus vesiculosus i Pelvetia canaliculata. Za ultrasonikacijo so uporabili Hielscher UIP500hdT ultrazvočni ekstraktor. Anylsis ekstrakcijo prinaša pokazala, da ultrazvočni ekstrakcija dosegla najvišje donose večine fitokemikalov iz obeh F. vesiculosus. To pomeni, najvišji donosi spojin, ki se izvlečejo iz F. vesiculosus z uporabo ultrazvočni ekstraktor UIP500hdT bili: skupna vsebnost fenola (445,0 ± 4,6 mg ekvivalentov galske kisline/g), skupna vsebnost klorotannina (362,9 ± 3,7 mg ekvivalentov kloroglicinola/g), totalni vsebnost flavonoida (286,3 ± 7,8 mg ekvivalenta kvorcetina/g) i totalni vsebnost tanina (189,1 ± 4,4 mg ekvivalenta/g katehina).
Skupina je v svoji raziskovalni študiji zaključila, da je uporaba ultrazvočno podprtega ekstrakcije "v kombinaciji s 50% etanolsko raztopino kot ekstrakcijo topila lahko obetavna strategija, usmerjena v ekstrakcijo TPC, TPhC, TFC i TTC, uz zmanjšanje su-ekstrakcije nepoželjnih ogljikovih hidrata i iz F. vesiculosusa i P. canaliculata, s perspektivnim aplikacijama pri uporabi teh jedinjenja kot farmaceutika, nutraceutikami in kozmetičnimi izdelki." [García-Vaquero et al., 2021]

Lestvica mano-termo-sonication na Univerzi v Avignonu z uporabo Hielscher ultrasonicators: iz laboratorijske opreme UIP1000hdT (A) na opremo pilotne lestvice UIP4000hdT (B, C & D). Na sliki D je shematiziran prečni del ultrazvočne pretokne celice FC100K.
slika in študija: ©Vernès et al. 2019

Ultrazvočni ekstraktorji visoke zmogljivosti za motnje alg

Hielscherjeva najsodobnejša ultrazvočna oprema omogoča popoln nadzor nad procesnimi parametri, kot so amplituda, temperatura, tlak in vnos energije.
Za ultrazvočno ekstrakcijo je mogoče parametre, kot so velikost delcev surovin, tip topila, razmerje med trdnimi in topili, čas ekstrakcije pa se lahko spreminja in optimizira za najboljše rezultate.
Ker je ultrazvočna ekstrakcija metoda netermalne ekstrakcije, se toplotna razgradnja bioaktivnih sestavin, prisotnih v surovini, kot so alge, izogiba.
Na splošno, prednosti, kot so visok donos, kratek čas ekstrakcije, nizka temperatura ekstrakcije, in majhne količine topila naredi sonication vrhunsko ekstrakcijo metodo.

Ultrazvočno ekstrakcijo: ustanovljena v laboratoriju in industriji

Ultrazvočno ekstrakcijo se široko uporablja za ekstrakcijo vseh vrst bioaktivnih spojin iz botaničnih, alg, bakterij in sesalcev celic. Ultrazvočna ekstrakcija je bila vzpostavljena kot preprosta, stroškovno učinkovita in zelo učinkovita, ki se odlično odlikuje od drugih tradicionalnih tehnik ekstrakcije z višjimi donosi ekstrakcije in krajšim trajanjem obdelave.
Z laboratorijem, bench-top in popolnoma industrijskimi ultrazvočnimi sistemi, ki so lahko na voljo, je ultrazvočna ekstrakcija dandanes dobro uveljavljena in zaupanja tehnološka. Hielscher ultrazvočni ekstraktorji so nameščeni po vsem svetu v industrijskih predelovalnih obratih, ki proizvajajo živila- in farmacevtske bioaktivne spojine.

Proces standardizacije z Hielscher Ultrazvočna

Izvlečke, pridobljene iz alg, ki se uporabljajo v hrani, farmacevtiki ali kozmetiki, je treba proizvajati v skladu z dobro proizvodno prakso (GMP) in standardiziranimi specifikacijami za predelavo. Hielscher Ultrasonics digitalni sistemi za ekstrakcijo prihajajo z inteligentno programsko opremo, ki omogoča enostavno nastavitev in nadzor proces sonication natančno. Avtomatsko snemanje podatkov piše vse ultrazvočne procesne parametre, kot so ultrazvočna energija (skupna in neto energija), amplitude, temperature, tlaka (ko so vgrajeni senzorji tempa in tlaka) z datumom in časovnim žigom na vgrajeni SD-kartici. To vam omogoča, da revidirate vsako ultrazvočno obdelano lot. Hkrati sta zagotovljeni razmnoževanje in nenehno visoka kakovost izdelkov.

V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators: