Trajtimi me ultratinguj për përmirësimin e shpërbërjes së qelizave të algave dhe të ekstraktimit

Algat, si makroalgat ashtu edhe mikroalgat, përmbajnë shumë përbërje të vlefshme, të cilat përdoren si ushqime me vlera ushqyese, aditivë ushqimorë ose si lëndë djegëse apo lëndë të para për prodhimin e lëndëve djegëse. Për të çliruar substancat e synuara nga qeliza e algës, nevojitet një teknikë e fuqishme dhe efikase për shpërbërjen e qelizave. Ekstraktorët me ultratinguj janë shumë efikasë dhe të besueshëm për ekstraktimin e përbërjeve bioaktive nga materialet bimore, algat dhe kërpudhat. Të disponueshëm në shkallë laboratorike, në versione për tryezë pune dhe në shkallë industriale, ekstraktorët me ultratinguj Hielscher kanë përdorim të konsoliduar në prodhimin e ekstrakteve me prejardhje qelizore në prodhimin e ushqimeve, produkteve farmaceutike dhe biokarburanteve.

Algat si burim i vlefshëm për ushqyerjen dhe lëndët djegëse

Qelizat e algave janë një burim i gjithanshëm përbërjesh bioaktive dhe të pasura me energji, si proteinat, karbohidratet, lipidet dhe substanca të tjera bioaktive, si edhe alkanet. Kjo i bën algat një burim ushqimi dhe përbërjesh ushqyese, si edhe lëndësh djegëse.
Mikroalgat janë një burim i çmuar lipidesh, të cilat përdoren për ushqyerje dhe si lëndë të para për biokarburante (p.sh., biodizel). Shtamet e fitoplanktonit detar Dicrateria, si Dicrateria rotunda, njihen si alga prodhuese të benzinës, të cilat mund të sintetizojnë një seri hidrokarburesh të ngopura (n‐alkane) nga C₁₀H₂₂ deri te C₃₈H₇₈, të cilat kategorizohen si benzinë (C10–C15), lëndë djegëse dizel (C16–C20) dhe vajra djegëse (C21–C38).
Për shkak të vlerës së tyre ushqyese, algat përdoren si “ushqime funksionale” ose “nutraceutikë”. Ndër mikronutrientët e rëndësishëm të ekstraktuar nga algat përfshihen karotenoidet astaksantinë, fukoksantinë dhe zeaksantinë, fukoidani, laminari dhe glukane të tjera, të cilat, krahas shumë substancave të tjera bioaktive, përdoren si suplemente ushqimore dhe produkte farmaceutike. Karagjenani, alginati dhe hidrokoloide të tjera përdoren si aditivë ushqimorë. Lipidet e algave përdoren si burim vegan i omega-3 dhe gjithashtu si lëndë djegëse ose si lëndë të para për prodhimin e biodizelit.

Shpërbërja e qelizave të algave dhe ekstraktimi me ultratinguj me fuqi të lartë

Ekstraktorët me ultratinguj, ose thjesht sonikatorët, përdoren për të ekstraktuar përbërje të vlefshme nga mostra të vogla në laborator, si edhe për prodhim në shkallë të gjerë komerciale.
Qelizat e algave mbrohen nga matrica komplekse të murit qelizor, të cilat përbëhen nga lipide, celulozë, proteina, glikoproteina dhe polisakaride. Baza e shumicës së mureve qelizore të algave ndërtohet nga një rrjet mikrofibrilar brenda një matrice proteinike të ngjashme me xhelin; megjithatë, disa mikroalga kanë një mur të ngurtë inorganik të përbërë nga frustula prej silice opaline ose nga karbonat kalciumi. Për të përftuar përbërje bioaktive nga biomasa e algave, nevojitet një teknikë efikase për shpërbërjen e qelizave. Përveç faktorëve teknologjikë të ekstraktimit (d.m.th., metodës dhe pajisjeve të ekstraktimit), në efikasitetin e shpërbërjes së qelizave të algave dhe të ekstraktimit ndikojnë gjithashtu fuqishëm faktorë të ndryshëm që varen nga algat, si përbërja e murit qelizor, vendndodhja e biomolekulës së dëshiruar në qelizat e mikroalgave dhe faza e rritjes së mikroalgave gjatë mbledhjes.

Si funksionojnë shpërbërja e qelizave të algave dhe ekstraktimi me ultratinguj?

Kur valët ultrasonike me intensitet të lartë transmetohen përmes një sonde ultrasonike (e njohur edhe si bri ultrasonik ose sonotrodë) në një lëng ose suspension, valët zanore përhapen nëpër lëng dhe krijojnë kështu cikle të alternuara me presion të lartë / presion të ulët. Gjatë këtyre cikleve me presion të lartë / presion të ulët, shfaqen flluska ose zgavra shumë të vogla vakumi. Flluskat e kavitacionit shfaqen kur presioni lokal gjatë cikleve me presion të ulët bie mjaftueshëm nën presionin e avullit të ngopur, një vlerë e përcaktuar nga rezistenca në tërheqje e lëngut në një temperaturë të caktuar. Këto flluska rriten gjatë disa cikleve. Kur këto flluska vakumi arrijnë një madhësi në të cilën nuk mund të përthithin më energji, flluska shembet dhunshëm drejt brendësisë gjatë një cikli me presion të lartë. Shembja drejt brendësisë e flluskave të kavitacionit është një proces i dhunshëm, me dendësi të lartë energjie, që gjeneron valë goditëse intensive, turbulenca dhe mikrorryma të vrullshme në fluid. Përveç kësaj, krijohen lokalisht presione shumë të larta dhe temperatura shumë të larta. Këto kushte ekstreme mund t’i shpërbëjnë lehtësisht muret dhe membranat qelizore dhe t’i çlirojnë përbërjet brendaqelizore në mënyrë efektive, efikase dhe të shpejtë. Në këtë mënyrë, përbërjet brendaqelizore si proteinat, polisakaridet, lipidet, vitaminat, mineralet dhe antioksidantët mund të nxirren në mënyrë efektive duke përdorur ultratinguj me fuqi të lartë.

Kavitacioni ultrasonik për shpërbërjen e qelizave dhe ekstraktimin

Kur ekspozohet ndaj energjisë së fuqishme ultrasonike, muri ose membrana e çdo lloji qelize (përfshirë qelizat bimore, të gjitarëve, të algave, të kërpudhave, bakteriale etj.) shpërbëhet dhe qeliza copëtohet në fragmente më të vogla nga forcat mekanike të kavitacionit ultrasonik me dendësi të lartë energjie. Kur muri qelizor çahet, metabolitët qelizorë si proteinat, lipidet, acidet nukleike dhe klorofili çlirohen si nga matrica e murit qelizor, ashtu edhe nga brendësia e qelizës dhe kalojnë në mjedisin e kulturës ose në tretësin përreth.
Mekanizmi i kavitacionit ultrasonik / akustik i përshkruar më sipër shkakton shpërbërje të theksuar të qelizave të plota të algave ose të vakuolave me gaz dhe lëng brenda qelizave. Kavitacioni ultrasonik, dridhjet, turbulencat dhe mikrorrymat nxisin transferimin e masës ndërmjet brendësisë së qelizës dhe tretësit përreth, në mënyrë që biomolekulat (d.m.th. metabolitët) të çlirohen me efikasitet dhe shpejtësi. Kjo sepse sonikimi është një trajtim thjesht mekanik që nuk kërkon kimikate agresive, toksike dhe/ose të shtrenjta.
Ultratingulli me intensitet të lartë dhe frekuencë të ulët krijon kushte ekstreme me dendësi të lartë energjie, të karakterizuara nga presione dhe temperatura të larta dhe forca të larta prerëse. Këto forca fizike nxisin shpërbërjen e strukturave qelizore për të çliruar përbërjet brendaqelizore në mjedis. Prandaj, ultratingulli me frekuencë të ulët përdoret gjerësisht për nxjerrjen e substancave bioaktive dhe lëndëve djegëse nga algat. Krahasuar me metodat konvencionale të ekstraktimit, si ekstraktimi me tretës, bluarja me rruaza ose homogjenizimi me presion të lartë, ekstraktimi ultrasonik shquhet për çlirimin e shumicës së përbërjeve bioaktive (si lipidet, proteinat, polisakaridet dhe mikroushqyesit) nga qeliza e sonoporuar dhe e shpërbërë. Me zbatimin e kushteve të duhura të procesit, ekstraktimi ultrasonik jep rendimente më të larta ekstraktimi brenda një kohëzgjatjeje shumë të shkurtër të procesit. Për shembull, ekstraktorët ultrasonikë me performancë të lartë japin rezultate të shkëlqyera në ekstraktimin nga algat kur përdoren me një tretës të përshtatshëm. Në një mjedis acid ose alkalin, muri qelizor i algave bëhet poroz dhe i rrudhur, duke sjellë rritje të rendimentit në temperaturë të ulët (nën 60°C) brenda një kohe të shkurtër sonikimi (më pak se 3 orë). Kohëzgjatja e shkurtër e ekstraktimit në temperatura të moderuara parandalon degradimin e fukoidanit, kështu që përftohet një polisakarid me bioaktivitet të lartë.
Trajtimi me ultratinguj është gjithashtu një metodë për shndërrimin e fukoidanit me peshë molekulare të lartë në fukoidan me peshë molekulare të ulët, i cili është dukshëm më bioaktiv për shkak të strukturës së tij me degëzime të hequra. Me bioaktivitetin dhe bioaksesueshmërinë e tij të lartë, fukoidani me peshë molekulare të ulët është një përbërje me interes për preparatet farmaceutike dhe sistemet e shpërndarjes së barnave.

Studime rastesh: Ekstraktimi ultrasonik i përbërjeve të algave

Efikasiteti i ekstraktimit ultrasonik dhe optimizimi i parametrave të ekstraktimit ultrasonik janë studiuar gjerësisht. Më poshtë mund të gjeni rezultate ilustruese të ekstraktimit me ultratinguj nga lloje të ndryshme algash.

Ekstraktimi i proteinave nga Spirulina duke përdorur mano-termo-sonikimin

Grupi kërkimor i Prof. Chemat (Universiteti i Avinjonit) hetoi efektet e manotermosonikimit (MTS) në ekstraktimin e proteinave (si fikocianina) nga cianobakteret e thata Arthrospira platensis (të njohura edhe si spirulina). Mano-termo-sonikimi (MTS) është zbatimi i ultratingujve të kombinuar me presione dhe temperatura të ngritura për të intensifikuar procesin e ekstraktimit me ultratinguj.
“Sipas rezultateve eksperimentale, MTS nxiti transferimin e masës (difuzivitet i lartë efektiv, De) dhe mundësoi përftimin e 229% më shumë proteinave (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 spiruline në ekstrakt, u arrit një shkallë rikuperimi të proteinave prej 50% në 6 minuta efektive me një proces të vazhdueshëm MTS. Vëzhgimet mikroskopike treguan se kavitacioni akustik ndikoi në filamentet e spirulinës përmes mekanizmave të ndryshëm, si fragmentimi, sonoporacioni dhe prishja e teksturës. Këto dukuri të ndryshme lehtësojnë ekstraktimin, çlirimin dhe tretjen e përbërjeve bioaktive të spirulinës.” [Vernès et al., 2019]

Imazhe nga mikroskopia optike të filamenteve të plota të spirulinës, të cilat iu nënshtruan trajtimit MTS gjatë kohës. Shiriti i shkallës (figura A) = 50 μm për të gjitha figurat.
figura dhe studimi: ©Vernès et al. 2019

Ekstraktimi me ultratinguj i fukoidanit dhe glukanit nga Laminaria digitata

Grupi kërkimor TEAGASC i Dr. Tiwari hetoi ekstraktimin e polisakarideve, pra të fukoidanit, laminarinës dhe glukaneve totale, nga makroalga Laminaria digitata duke përdorur sonikatorin UIP500hdT. Parametrat e studiuar të ekstraktimit të asistuar me ultratinguj (UAE) treguan ndikim të konsiderueshëm në nivelet e fukozës, FRAP dhe DPPH. U përftuan nivele prej 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde dhe 11,02% përkatësisht për fukozën, glukanet totale, FRAP dhe DPPH, në kushte të optimizuara të temperaturës (76◦C), kohës (10 min) dhe amplitudës së ultratingujve (100%), duke përdorur 0,1 M HCl si tretës. Kushtet e përshkruara të UAE u zbatuan më pas me sukses te makroalga të tjera kafe me rëndësi ekonomike (L. hyperborea dhe A. nodosum) për të përftuar ekstrakte të pasura me polisakaride. Ky studim demonstron zbatueshmërinë e UAE për të përmirësuar ekstraktimin e polisakarideve bioaktive nga lloje të ndryshme makroalgash.

Ekstraktimi me ultratinguj i përbërjeve fitokimike nga F. vesiculosus dhe P. canaliculata

Ekipi kërkimor i García-Vaquero krahasoi teknika të ndryshme të reja ekstraktimi, duke përfshirë ekstraktimin me ultratinguj me performancë të lartë, ekstraktimin me ultratinguj dhe mikrovalë, ekstraktimin me mikrovalë, ekstraktimin e asistuar hidrotermikisht dhe ekstraktimin e asistuar me presion të lartë, për të vlerësuar efikasitetin e ekstraktimit nga llojet e mikroalgave kafe Fucus vesiculosus dhe Pelvetia canaliculata. Për trajtimin me ultratinguj, ata përdorën ekstraktuesin me ultratinguj Hielscher UIP500hdT. Analiza e rendimenteve të ekstraktimit zbuloi se ekstraktimi me ultratinguj arriti rendimentet më të larta për shumicën e përbërjeve fitokimike nga të dyja F. vesiculosus. Kjo do të thotë se rendimentet më të larta të përbërjeve të ekstraktuara nga F. vesiculosus duke përdorur ekstraktuesin me ultratinguj UIP500hdT ishin: përmbajtja totale e përbërjeve fenolike (445,0 ± 4,6 mg ekuivalentë të acidit galik/g), përmbajtja totale e florotaninave (362,9 ± 3,7 mg ekuivalentë të floroglucinolit/g), përmbajtja totale e flavonoideve (286,3 ± 7,8 mg ekuivalentë të kuercetinës/g) dhe përmbajtja totale e taninave (189,1 ± 4,4 mg ekuivalentë të katekinës/g).
Në studimin e tij kërkimor, ekipi arriti në përfundimin se përdorimi i ekstraktimit të asistuar me ultratinguj “i kombinuar me një tretësirë etanolike 50% si tretës ekstraktimi mund të jetë një strategji premtuese që synon ekstraktimin e TPC, TPhC, TFC dhe TTC, duke reduktuar njëkohësisht bashkekstraktimin e karbohidrateve të padëshiruara si nga F. vesiculosus ashtu edhe nga P. canaliculata, me zbatime premtuese kur këto përbërje përdoren si produkte farmaceutike, nutraceutike dhe kozmeceutike.” [García-Vaquero et al., 2021]

Zgjerimi i shkallës së mano-termo-sonikimit në Universitetin e Avinjonit duke përdorur sonikatorë Hielscher: nga pajisjet laboratorike UIP1000hdT (A) te pajisjet në shkallë pilot UIP4000hdT (B, C & D). Në figurën D paraqitet skematikisht një prerje tërthore e qelizës së rrjedhjes me ultratinguj FC100K.
figura dhe studimi: ©Vernès et al. 2019

Ekstraktorë me ultratinguj me performancë të lartë për shpërbërjen e algave

Pajisjet me ultratinguj të teknologjisë më të fundit të Hielscher mundësojnë kontroll të plotë mbi parametrat e procesit, si amplituda, temperatura, presioni dhe energjia e futur.
Për ekstraktimin me ultratinguj, parametrat si madhësia e grimcave të lëndës së parë, lloji i tretësit, raporti i lëndës së ngurtë ndaj tretësit dhe koha e ekstraktimit mund të ndryshohen dhe të optimizohen për rezultatet më të mira.
Meqenëse ekstraktimi me ultratinguj është një metodë jotermike ekstraktimi, shmanget degradimi termik i përbërësve bioaktivë të pranishëm në lëndën e parë, si algat.
Në përgjithësi, përparësi si rendimenti i lartë, koha e shkurtër e ekstraktimit, temperatura e ulët e ekstraktimit dhe sasitë e vogla të tretësit e bëjnë sonikimin metodën superiore të ekstraktimit.

Ekstraktimi me ultratinguj: i konsoliduar në laborator dhe industri

Ekstraktimi me ultratinguj përdoret gjerësisht për ekstraktimin e çdo lloji përbërjeje bioaktive nga materialet bimore, algat, bakteret dhe qelizat e gjitarëve. Ekstraktimi me ultratinguj është konsoliduar si një teknikë e thjeshtë, me kosto efektive dhe shumë efikase, e cila i tejkalon teknikat e tjera tradicionale të ekstraktimit përmes rendimenteve më të larta të ekstraktimit dhe kohëzgjatjes më të shkurtër të përpunimit.
Me sisteme me ultratinguj për laborator, për tavolinë pune dhe plotësisht industriale lehtësisht të disponueshme, ekstraktimi me ultratinguj është sot një teknologji e konsoliduar dhe e besueshme. Ekstraktorët me ultratinguj Hielscher janë instaluar në mbarë botën në impiante përpunimi industrial që prodhojnë përbërje bioaktive të cilësisë ushqimore dhe farmaceutike.

Standardizimi i procesit me Hielscher Ultrasonics

Ekstraktet e përftuara nga algat, të cilat përdoren në ushqime, produkte farmaceutike ose kozmetikë, duhet të prodhohen në përputhje me Praktikat e Mira të Prodhimit (GMP) dhe sipas specifikimeve të standardizuara të përpunimit. Sistemet digjitale të ekstraktimit të Hielscher Ultrasonics janë të pajisura me softuer inteligjent, i cili e bën të lehtë përcaktimin dhe kontrollin me saktësi të procesit të sonikimit. Regjistrimi automatik i të dhënave ruan të gjithë parametrat e procesit me ultratinguj, si energjia e ultratingujve (energjia totale dhe neto), amplituda, temperatura, presioni (kur janë montuar sensorët e temperaturës dhe presionit), së bashku me datën dhe orën, në kartën SD të integruar. Kjo ju mundëson të rishikoni çdo lot të përpunuar me ultratinguj. Në të njëjtën kohë, sigurohen riprodhueshmëria dhe cilësia vazhdimisht e lartë e produktit.

Tabela më poshtë ju jep një orientim mbi kapacitetin e përafërt të përpunimit të pajisjeve tona të ultrasonikimit: