Ultratinguj për të përmirësuar ndërprerjen dhe nxjerrjen e qelizave të algave

Algat, makro- dhe mikroalgat, përmbajnë shumë komponime të vlefshme, të cilat përdoren si ushqime ushqyese, aditivë ushqimorë ose si lëndë djegëse ose lëndë djegëse. Për të çliruar substancat e synuara nga qeliza e algave kërkohet një teknikë e fuqishme dhe efikase e përçarjes së qelizave. Ekstraktuesit tejzanor janë shumë efikas dhe të besueshëm kur bëhet fjalë për nxjerrjen e përbërjeve bioaktive nga botanikët, algat dhe kërpudhat. Të disponueshëm në shkallë laboratorike, stoli dhe industriale, ekstraktorët tejzanor Hielscher janë krijuar në prodhimin e ekstrakteve me prejardhje nga qeliza në ushqime, farmaceutike dhe prodhimin e biokarburanteve.

Algat si një burim i vlefshëm për të ushqyerit dhe karburantin

Qelizat e algave janë një burim i gjithanshëm i komponimeve bioaktive dhe të pasura me energji, si proteinat, karbohidratet, lipidet dhe substanca të tjera bioaktive, si dhe alkanet. Kjo i bën algat një burim ushqimi dhe përbërjesh ushqyese, si dhe lëndë djegëse.
Mikroalgat janë një burim i çmuar i lipideve, të cilat përdoren për ushqim dhe si lëndë ushqyese për biokarburantet (p.sh. bionaftë). Llojet e fitoplanktonit detar Dicrateria, të tilla si Dicrateria rotunda, njihen si algat që prodhojnë benzinë, që mund të sintetizojnë një sërë hidrokarburesh të ngopura (n-alkane) nga C.₁₀H₂₂ te C₃₈H₇₈, të cilat kategorizohen si benzinë (C10-C15), vajra nafte (C16-C20) dhe vajra karburanti (C21-C38).
Për shkak të vlerës së tyre ushqyese, algat përdoren si "ushqime funksionale" ose "ushqime ushqimore". Mikro-ushqyes të rëndësishëm të nxjerrë nga algat përfshijnë karotenoidet astaxanthin, fucoxanthin dhe zeaxantin, fucoidan, laminari dhe glukane të tjera në mesin e shumë substancave të tjera bioaktive që përdoren si suplemente ushqimore dhe farmaceutike. Karragjenani, alginati dhe hidrokoloidet e tjera përdoren si aditivë ushqimorë. Lipidet e algave përdoren si burim vegan omega-3 dhe përdoren gjithashtu si lëndë djegëse ose si lëndë ushqyese për prodhimin e bionaftë.

Ndërprerja dhe nxjerrja e qelizave të algave me ultratinguj të energjisë

Ekstraktuesit tejzanor ose thjesht ultrasonikët përdoren për të nxjerrë përbërës të vlefshëm nga mostra të vogla në laborator, si dhe për prodhimin në shkallë të gjerë komerciale.
Qelizat e algave mbrohen nga matrica komplekse të murit qelizor, të cilat përbëhen nga lipide, celulozë, proteina, glikoproteina dhe polisaharide. Baza e shumicës së mureve qelizore të algave është e ndërtuar nga një rrjet mikrofibrilar brenda një matrice proteine të ngjashme me xhel; megjithatë, disa mikroalga janë të pajisura me një mur të ngurtë inorganik të përbërë nga frustula silicë opaline ose karbonat kalciumi. Për të marrë komponime bioaktive nga biomasa e algave, është e nevojshme një teknikë efikase e ndërprerjes së qelizave. Përveç faktorëve teknologjikë të nxjerrjes (dmth., metoda dhe pajisjet e nxjerrjes), efikasiteti i ndërprerjes dhe nxjerrjes së qelizave të algave ndikohet gjithashtu fuqimisht nga faktorë të ndryshëm të varur nga algat si përbërja e murit qelizor, vendndodhja e biomolekulës së dëshiruar në qelizat e mikroalgave dhe rritja. faza e mikroalgave gjatë vjeljes.

Si funksionon ndërprerja dhe nxjerrja e qelizave të algave tejzanor?

Kur valët e ultrazërit me intensitet të lartë bashkohen nëpërmjet një sondë tejzanor (e njohur gjithashtu si bri tejzanor ose sonotrode) në një lëng ose llum, valët e zërit udhëtojnë nëpër lëng dhe krijojnë në këtë mënyrë cikle alternuese të presionit të lartë / presionit të ulët. Gjatë këtyre cikleve me presion të lartë / presion të ulët, ndodhin flluska të vogla vakumi ose kavitete. Flluskat e kavitacionit ndodhin kur presioni lokal bie gjatë cikleve të presionit të ulët mjaftueshëm nën presionin e avullit të ngopur, një vlerë e dhënë nga forca në tërheqje e lëngut në një temperaturë të caktuar. Të cilat rriten në disa cikle. Kur këto flluska vakumi arrijnë një madhësi, ku nuk mund të thithin më shumë energji, flluska shpërthen dhunshëm gjatë një cikli me presion të lartë. Shpërthimi i flluskave të kavitacionit është një proces i dhunshëm, me energji të dendur që gjeneron valë të forta goditjeje, turbulenca dhe mikro-aeroplanë në lëng. Për më tepër, krijohen presione të lokalizuara shumë të larta dhe temperatura shumë të larta. Këto kushte ekstreme janë lehtësisht të afta të prishin muret dhe membranat qelizore dhe të çlirojnë komponimet ndërqelizore në një mënyrë efektive, efikase dhe të shpejtë. Përbërjet ndërqelizore si proteinat, polisaharidet, lipidet, vitaminat, mineralet dhe antioksidantët mund të nxirren në mënyrë efektive duke përdorur ultrasonikë të fuqishëm.

Kavitacion tejzanor për prishjen dhe nxjerrjen e qelizave

Kur ekspozohet ndaj energjisë intensive tejzanor, muri ose membrana e çdo lloj qelize (duke përfshirë botanike, gjitarë, alga, kërpudha, bakteriale etj.) prishet dhe qeliza copëtohet në fragmente më të vogla nga forcat mekanike të kavitacionit tejzanor të dendur me energji. . Kur muri qelizor thyhet, metabolitët qelizor si proteina, lipidi, acidi nukleik dhe klorofili çlirohen nga matrica e murit qelizor si dhe nga brendësia e qelizës dhe transferohen në mjedisin e kulturës ose tretësin përreth.
Mekanizmi i përshkruar më sipër i kavitacionit tejzanor/akustik prish rëndë qelizat e algave ose vakuolat e gazit dhe të lëngshme brenda qelizave. Kavitacioni tejzanor, dridhja, turbulencat dhe mikro-transmetimi nxisin transferimin e masës ndërmjet brendësisë së qelizës dhe tretësit përreth, në mënyrë që biomolekulat (dmth. metabolitët) të jenë efikase dhe të çlirohen me shpejtësi. Meqenëse sonikimi është një trajtim thjesht mekanik që nuk kërkon kimikate të ashpra, toksike dhe/ose të shtrenjta.
Ekografia me intensitet të lartë dhe me frekuencë të ulët krijon kushte ekstreme të dendura me energji, duke shfaqur presione, temperatura dhe forca të larta prerjeje. Këto forca fizike nxisin prishjen e strukturave qelizore në mënyrë që të çlirojnë komponimet ndërqelizore në mjedis. Prandaj, ultratingulli me frekuencë të ulët përdoret kryesisht për nxjerrjen e substancave bioaktive dhe lëndëve djegëse nga algat. Kur krahasohet me metodat konvencionale të nxjerrjes si nxjerrja me tretës, bluarja me rruaza ose homogjenizimi me presion të lartë, ekstraktimi me ultratinguj shkëlqen duke çliruar shumicën e përbërësve bioaktive (si lipidet, proteinat, polisaharidet dhe mikro-ushqyesit) nga qeliza e sonoporuar dhe e ndërprerë. Duke aplikuar kushtet e duhura të procesit, ekstraktimi me ultratinguj jep rendimente superiore të nxjerrjes brenda një kohëzgjatjeje shumë të shkurtër të procesit. Për shembull, ekstraktuesit tejzanor me performancë të lartë tregojnë performancë të shkëlqyer nxjerrjeje nga algat, kur përdoren me një tretës të përshtatshëm. Në një mjedis acid ose alkalik, muri qelizor i algave bëhet poroz dhe i rrudhosur, duke çuar në rritjen e rendimentit në temperaturë të ulët (nën 60°C) në një kohë të shkurtër sonikimi (më pak se 3 orë). Kohëzgjatja e shkurtër e nxjerrjes në temperatura të buta parandalon degradimin e fukoidanit, në mënyrë që të përftohet një polisaharid shumë bioaktiv.
Ultratingulli është gjithashtu një metodë për të transformuar fucoidan me peshë të lartë molekulare në fucoidan me peshë molekulare të ulët, i cili është dukshëm më bioaktiv për shkak të strukturës së tij të degëzuar. Me bioaktivitetin dhe bioaksesueshmërinë e tij të lartë, fucoidan me peshë të ulët molekulare është një përbërës interesant për farmaceutikët dhe sistemet e shpërndarjes së barnave.

Studime të rasteve: Nxjerrja me ultratinguj e komponimeve të algave

Efikasiteti i nxjerrjes tejzanor dhe optimizimi i parametrave të nxjerrjes tejzanor janë studiuar gjerësisht. Më poshtë, mund të gjeni rezultate shembullore për rezultatet e nxjerrjes nëpërmjet ultrazërit nga specie të ndryshme algash.

Nxjerrja e proteinave nga Spirulina duke përdorur Mano-Thermo-Sonication

Grupi hulumtues i Prof. Chemat (Universiteti i Avignon) hetoi efektet e manotermosonikimit (MTS) në nxjerrjen e proteinave (siç është phycocyanina) nga cianobakteret e thata Arthrospira platensis (e njohur gjithashtu si spirulina). Mano-Termo-Sonication (MTS) është aplikimi i ultrazërit i kombinuar me presione dhe temperatura të ngritura për të intensifikuar procesin e nxjerrjes me ultratinguj.
“Sipas rezultateve eksperimentale, MTS promovoi transferimin e masës (difuzivitet i lartë efektiv, De) dhe mundësoi marrjen e 229% më shumë proteina (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) sesa procesi konvencional pa ultratinguj (8,63 ± 1,15 g/100 g DW) . Me 28,42 g proteina për 100 g biomasë të thatë spirulina në ekstrakt, një shkallë e rikuperimit të proteinave prej 50% u arrit në 6 minuta efektive me një proces të vazhdueshëm MTS. Vëzhgimet mikroskopike treguan se kavitacioni akustik ndikoi në filamentet e spirulinës me mekanizma të ndryshëm si fragmentimi, sonoporimi, deteksturimi. Këto dukuri të ndryshme e bëjnë më të lehtë nxjerrjen, çlirimin dhe tretjen e përbërjeve bioaktive të spirulinës.” [Vernès et al., 2019]

Imazhet e mikroskopisë optike të fijeve të tëra të spiurulinës që i nënshtrohen trajtimit MTS me kalimin e kohës. Shiriti i shkallës (figura A) = 50 μm për të gjitha fotot.
foto dhe studim: ©Vernès et al. 2019

Nxjerrja me ultratinguj Fucoidan dhe Glukan nga Laminaria digitata

Grupi kërkimor TEAGASC i Dr. Tiwari hetoi nxjerrjen e polisaharideve, p.sh. fucoidan, laminarinë dhe glukane totale, nga makroalgat Laminaria digitata duke përdorur Ultrasonikator UIP500hdT. Parametrat e ekstraktimit me asistencë ultrasonike (UAE) të studiuara treguan ndikim të rëndësishëm në nivelet e fukozës, FRAP dhe DPPH. Nivelet prej 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde dhe 11,02% u morën për fukozën, glukanet totale, FRAP dhe DPPH përkatësisht në kushte të optimizuara të temperaturës (76◗) 10 min) dhe amplituda tejzanor (100%) duke përdorur 0.1 M HCl si tretës. Kushtet e përshkruara të Emirateve të Bashkuara Arabe u aplikuan më pas me sukses për makroalgat e tjera kafe të rëndësishme ekonomike (L. hyperborea dhe A. nodosum) për të marrë ekstrakte të pasura me polisaharide. Ky studim demonstron zbatueshmërinë e Emirateve të Bashkuara Arabe për të rritur nxjerrjen e polisaharideve bioaktive nga specie të ndryshme makroalgale.

Nxjerrja fitokimike tejzanor nga F. vesiculosus dhe P. canaliculata

Ekipi hulumtues i García-Vaquero krahasoi teknika të reja të nxjerrjes, duke përfshirë nxjerrjen me ultratinguj me performancë të lartë, nxjerrjen me mikrovalë me ultratinguj, nxjerrjen me mikrovalë, nxjerrjen me ndihmën hidrotermale dhe nxjerrjen e asistuar me presion të lartë për të vlerësuar efikasitetin e nxjerrjes nga speciet e mikroalgave kafe. Fucus vesiculosus dhe Pelvetia canaliculata. Për ultratinguj, ata përdorën Ekstraktues tejzanor Hielscher UIP500hdT. Analiza e rendimenteve të nxjerrjes zbuloi se nxjerrja me ultratinguj arriti rendimentet më të larta të shumicës së fitokimikateve nga të dy F. vesiculosus. Kjo do të thotë, rendimentet më të larta të komponimeve të nxjerra nga F. vesiculosus duke përdorur nxjerrës tejzanor UIP500hdT ishin: përmbajtja totale e fenolit (445,0 ± 4,6 mg ekuivalente të acidit galik/g), përmbajtja totale e phlorotaninës (362,9 ± 3,7 mg ekuivalente të phloroglucinolit/g), përmbajtja totale e flavonoideve (286,3 ± 7,8 mg ekuivalente të kuercetinës) dhe përmbajtja totale e 199ninës / kuercetin. ± 4.4 mg ekuivalente katekine/g).
Në studimin e tyre kërkimor, ekipi arriti në përfundimin se përdorimi i ekstraktimit të asistuar me ultratinguj "i kombinuar me tretësirë etanolike 50% si një tretës ekstraktues mund të jetë një strategji premtuese që synon nxjerrjen e TPC, TPhC, TFC dhe TTC, duke reduktuar bashkë-nxjerrjen të karbohidrateve të padëshirueshme si nga F. vesiculosus ashtu edhe nga P. canaliculata, me aplikime premtuese kur përdoren këto komponime si farmaceutikë, nutraceutikë dhe kozmetikë. [García-Vaquero et al., 2021]

Rritja e mano-termo-sonikimit në Universitetin e Avignon duke përdorur ultrasonikë Hielscher: nga pajisjet laboratorike UIP1000hdT (A) për pilotimin e pajisjeve në shkallë UIP4000hdT (B, C & D). Në foton D është skematizuar një seksion transversal i qelizës së rrjedhës tejzanor FC100K.
foto dhe studim: ©Vernès et al. 2019

Ekstraktues tejzanor me performancë të lartë për ndërprerjen e algave

Pajisjet tejzanor të teknologjisë moderne të Hielscher mundësojnë kontroll të plotë mbi parametrat e procesit si amplituda, temperatura, presioni dhe energjia hyrëse.
Për nxjerrjen me ultratinguj, parametra të tillë si madhësia e grimcave të lëndës së parë, lloji i tretësit, raporti i ngurtë ndaj tretësit dhe koha e nxjerrjes mund të ndryshojnë dhe optimizohen për rezultatet më të mira.
Meqenëse ekstraktimi me ultratinguj është një metodë ekstraktimi jo termik, shmanget degradimi termik i përbërësve bioaktivë të pranishëm në lëndën e parë si algat.
Në përgjithësi, avantazhe të tilla si rendimenti i lartë, koha e shkurtër e nxjerrjes, temperatura e ulët e nxjerrjes dhe sasitë e vogla të tretësit e bëjnë sonikimin metodën më të mirë të nxjerrjes.

Nxjerrja me ultratinguj: Themeluar në Laborator dhe Industri

Ekstraktimi tejzanor aplikohet gjerësisht për nxjerrjen e çdo lloj komponimi bioaktiv nga botanikët, algat, bakteret dhe qelizat e gjitarëve. Nxjerrja me ultratinguj është krijuar si një mjet i thjeshtë, me kosto efektive dhe shumë efikas që i kalon teknikat e tjera tradicionale të nxjerrjes nga rendimentet më të larta të nxjerrjes dhe kohëzgjatja më e shkurtër e përpunimit.
Me sistemet ultrasonike laboratorike, të shtruara dhe plotësisht industriale të disponueshme lehtësisht, nxjerrja me ultratinguj është sot një teknologji e mirë-vendosur dhe e besuar. Ekstraktuesit tejzanor Hielscher janë instaluar në mbarë botën në objektet e përpunimit industrial që prodhojnë komponime bioaktive të klasës ushqimore dhe farmaceutike.

Standardizimi i procesit me Hielscher Ultrasonics

Ekstraktet me prejardhje nga algat, të cilat përdoren në ushqime, farmaceutikë ose kozmetikë, duhet të prodhohen në përputhje me Praktikat e Mira të Prodhimit (GMP) dhe sipas specifikimeve të standardizuara të përpunimit. Sistemet e nxjerrjes dixhitale të Hielscher Ultrasonics vijnë me softuer inteligjent, i cili e bën të lehtë vendosjen dhe kontrollin e saktë të procesit të sonikimit. Regjistrimi automatik i të dhënave shkruan të gjithë parametrat e procesit tejzanor si energjia e ultrazërit (energjia totale dhe neto), amplituda, temperatura, presioni (kur janë montuar sensorët e temperaturës dhe presionit) me vulën e datës dhe kohës në kartën SD të integruar. Kjo ju lejon të rishikoni çdo pjesë të përpunuar me ultratinguj. Në të njëjtën kohë, sigurohet riprodhueshmëria dhe cilësia vazhdimisht e lartë e produktit.

Tabela e mëposhtme ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikëve tanë: