Ултразвучна екстракција антоцијанина

Антоцијанини се широко користе као природне боје и нутритивни додаци у прехрамбеним производима. Ултразвучна екстракција је веома ефикасна и једноставна техника за добијање висококвалитетних антоцијанина. Употреба соникатора са сондом подстиче ослобађање висококвалитетних антоцијанина из биљака, што доводи до већих приноса и брзог процеса. Истовремено, соникација је блага, еколошка и ефикасна техника за индустријску производњу антоцијанина прехрамбеног и фармацеутског квалитета.

Антоцијанини – како екстраховати висококвалитетне антоцијанине помоћу соникатора

Антоцијанини се широко користе као природне боје у прехрамбеној индустрији. Имају широк спектар нијанси, од наранџасте преко црвене до љубичасте и плаве, у зависности од молекулске структуре и pH вредности. Интересовање за антоцијанине није засновано само на њиховом ефекту бојења, већ и на њиховим својствима корисним за здравље. Због све веће забринутости у погледу утицаја синтетичких боја на животну средину и здравље, природне боје су одлична алтернатива као еколошки прихватљиве боје за прехрамбену и фармацеутску индустрију.

Екстракција антоцијанина побољшана ултразвуком

Како екстраховати антоцијанине ултразвуком? – Студије случаја

Ултразвучна екстракција антоцијанина из љубичастог пиринча Oryza Sativa L.

Љубичасти пиринач соја Oryza Sativa (познат и као Violet Nori или љубичасти пиринач) изузетно је богат фенолним једињењима, као што су антоцијанини из групе флавоноида. Turrini et al. (2018) користили су ултразвучну екстракцију за изоловање полифенолних једињења као што су антоцијанини и антиоксиданси из зрна (у целом, интегралном и пропареном облику) и листова љубичастог пиринча. Ултразвучна екстракција је изведена помоћу уређаја Hielscher UP200St (200W, 26kHz, слика лево) и етанола 60% као растварача.
Да би се очувао интегритет антоцијанина, ултразвучно добијени екстракти чувани су на −20°C, што је омогућило њихово чување најмање до три месеца.
Цијанидин-3-глукозид (познат и као хризантемин) био је убедљиво најзаступљенији детектовани антоцијанин у сортама ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ и ‘Nerone’, испитиваним у студији Turrini et al., док су пеонидин-3-глукозид и цијанидин-3-рутинозид (такође антиринин) пронађени у мањим количинама.
Љубичасти листови Oryza Sativa одличан су извор антоцијанина и укупних фенолних једињења (TPC). Са приближно 2–3 пута већим садржајем него у пиринчу и брашну, листови Oryza представљају јефтину сировину за екстракцију антоцијанина. Процењени принос од око 4 kg антоцијанина/t свежих листова знатно је већи од приноса од 1 kg антоцијанина/t пиринча, израчунатог на основу просечних количина антоцијанина детектованих у пиринчу ‘Violet Nori’ (1300 µg/g пиринча, изражено као цијанидин-3-глукозид), за принос од око 68 kg пиринча из 100 kg неољуштеног пиринча.

Ултразвучна екстракција антоцијанина из црвеног купуса

Ravanfar et al. (2015) испитивали су ефикасност ултразвучне екстракције антоцијанина из црвеног купуса. Експерименти ултразвучне екстракције изведени су помоћу ултразвучног система UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Сонотрода MS10 (пречник врха 10mm) уметнута је у средиште стаклене чаше са плаштом и контролисаном температуром.

За овај експеримент коришћени су свеже исечени комади црвеног купуса димензија 5mm (коцкастог облика) са садржајем влаге од 92,11 ± 0,45 %. Стаклена лабораторијска чаша са плаштом (запремина: 200ml) напуњена је са 100ml дестиловане воде и 2g комада црвеног купуса. Чаша је прекривена алуминијумском фолијом како би се спречио губитак растварача (воде) испаравањем током процеса. У свим експериментима температура у чаши одржавана је помоћу термостатског регулатора. Узорци су на крају прикупљени, филтрирани и центрифугирани при 4000rpm, а супернатанти су коришћени за одређивање приноса антоцијанина. Екстракција у воденом купатилу спроведена је као контролни експеримент.
Оптимални принос антоцијанина из црвеног купуса утврђен је при снази од 100 W, трајању од 30 min и температури од 15°C, при чему је остварен принос антоцијанина од око 21 mg/L.
Због промене боје у зависности од pH вредности и интензивног обојења, боја из црвеног купуса коришћена је као pH индикатор у фармацеутским формулацијама, односно као антиоксиданс и бојило у прехрамбеним системима.

Ултразвук значајно интензивира екстракцију антоцијанина из биљног материјала.
извор: Ravanfar et al. 2015

 
Друге студије показују успешну ултразвучну екстракцију антоцијанина из боровница, купина, грожђа, трешања, јагода и љубичастог слатког кромпира, између осталог.

Ултразвучни екстрактори високих перформанси

Hielscher Ultrasonics је специјализован за производњу ултразвучних процесора високих перформанси за добијање висококвалитетних екстраката из биљног материјала.
Широк асортиман Hielscher соникатора обухвата уређаје од малих, снажних лабораторијских ултразвучних уређаја до робусних стоних и потпуно индустријских система, који испоручују ултразвук високог интензитета за ефикасну екстракцију и изоловање биоактивних супстанци (нпр. антоцијанина, гингерола, пиперина, куркумина итд.).
Сви ултразвучни уређаји од 200W до 16.000W имају екран у боји осетљив на додир за дигитално управљање, интегрисану SD картицу за аутоматско бележење података, даљинско управљање преко прегледача и многе друге функције прилагођене кориснику. Сонотроде и проточне ћелије (делови који су у контакту са медијумом) могу се стерилисати у аутоклаву и лако се чисте.
Hielscher соникатори су веома робусни и конструисани за рад 24/7 под пуним оптерећењем, уз мале потребе за одржавањем и једноставно и безбедно руковање. Дигитални екран у боји омогућава једноставно управљање ултразвучним уређајем.
Наши системи могу да остваре амплитуде од ниских до веома високих. За екстракцију канабиноида и терпена нудимо специјалне ултразвучне сонотроде (познате и као ултразвучне сонде или рогови), оптимизоване за пажљиво изоловање висококвалитетних активних супстанци. Сви наши системи могу се користити за екстракцију и накнадно емулговање канабиноида. Робусност Hielscher соникатора омогућава непрекидан рад (24/7) под великим оптерећењем и у захтевним окружењима.

Прецизна контрола параметара ултразвучног процеса обезбеђује поновљивост и стандардизацију процеса.
 

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:

Литература / Референце

• 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.

Чињенице које вреди знати

Како функционише екстракција потпомогнута ултразвуком?

Примена ултразвучних таласа високог интензитета на течни медијум доводи до кавитације. Појава кавитације локално доводи до екстремних температура, притисака, брзина загревања/хлађења, разлика у притиску и великих сила смицања у средини. Када кавитациони мехурићи имплодирају на површини чврстих материја (као што су честице, биљне ћелије, ткива итд.), микромлазеви и судари између честица изазивају ефекте као што су љуштење површине, ерозија и уситњавање честица. Поред тога, имплозија кавитационих мехурића у течним срединама ствара макротурбуленције и микромешање.
Ултразвучно озрачивање биљног материјала фрагментише матрикс биљних ћелија и побољшава њихову хидратацију. Chemat и сар. (2015) закључују да је ултразвучна екстракција биоактивних једињења из биљног материјала резултат различитих независних или комбинованих механизама, укључујући фрагментацију, ерозију, капиларност, разарање текстуре и сонопорацију. Ови ефекти разарају ћелијски зид, побољшавају пренос масе потискивањем растварача у ћелију и извлачењем растварача обогаћеног биљним једињењима из ње и обезбеђују кретање течности микромешањем.

Ултразвучна екстракција заснива се на акустичној кавитацији и њеним хидродинамичким силама смицања

Ултразвучно озрачивање биљног материјала фрагментише матрикс биљних ћелија и побољшава њихову хидратацију. Chemat и сар. (2015) закључују да је ултразвучна екстракција биоактивних једињења из биљног материјала резултат различитих независних или комбинованих механизама, укључујући фрагментацију, ерозију, капиларност, разарање текстуре и сонопорацију. Ови ефекти разарају ћелијски зид, побољшавају пренос масе потискивањем растварача у ћелију и извлачењем растварача обогаћеног биљним једињењима из ње и обезбеђују кретање течности микромешањем.
Ултразвучна екстракција омогућава веома брзо изоловање једињења – надмашује конвенционалне методе екстракције краћим трајањем процеса, већим приносом и нижим температурама. Као благ механички третман, екстракција потпомогнута ултразвуком избегава термичку разградњу биоактивних компоненти и надмашује друге технике, као што су конвенционална екстракција растварачем, хидродестилација или Сокслетова екстракција, за које је познато да разарају молекуле осетљиве на топлоту. Због ових предности, ултразвучна екстракција је пожељна техника за ослобађање биоактивних једињења осетљивих на температуру из биљног материјала.

Ултразвучна екстракција из биљних ћелија: микроскопски попречни пресек (TS) приказује механизам деловања током ултразвучне екстракције из ћелија (увећање 2000x) [извор: Vilkhu и сар. 2011]

Антоцијанин – вредан биљни пигмент

Антоцијанини су вакуоларни биљни пигменти који могу бити црвени, љубичасти, плави или црни. Испољавање боје антоцијанинских пигмената растворљивих у води зависи од њихове pH вредности. Антоцијанини се налазе у ћелијској вакуоли, углавном у цветовима и плодовима, али и у листовима, стабљикама и кореновима, где се претежно налазе у спољашњим слојевима ћелија, као што су епидермис и периферне ћелије мезофила.
У природи се најчешће јављају гликозиди цијанидина, делфинидина, малвидина, пеларгонидина, пеонидина и петунидина.
Истакнути примери биљака богатих антоцијанинима обухватају врсте рода Vaccinium, као што су гајена боровница, брусница и шумска боровница; бобичасте плодове рода Rubus, укључујући црну малину, црвену малину и купину; црну рибизлу, трешњу, плави патлиџан, црни пиринач, убе, окинавски слатки кромпир, грожђе сорте Concord, мускадинско грожђе, црвени купус и латице љубичице. Брескве и јабуке са црвеним месом садрже антоцијанине. Антоцијанини су мање заступљени у банани, шпаргли, грашку, коморачу, крушки и кромпиру, а у одређеним сортама зеленог огрозда могу потпуно изостати.

Структура главних антоцијанина

Антоцијанини су одлична алтернатива за замену синтетичких боја у прехрамбеним производима. Антоцијанини су одобрени за употребу као прехрамбене боје у Европској унији, Аустралији и Новом Зеланду, са ознаком боје E163. Антоцијанини се налазе у воћу и поврћу и могу се описати као врста биљних пигмената растворљивих у води. Хемијски, антоцијанини су гликозиди антоцијанидина засновани на структури 2-фенилбензопирилијума (флавилијума). Постоји више од 200 различитих фитохемикалија које спадају у категорију антоцијанина. Као главни пигменти који дају боју дивљем воћу и бобицама, антоцијанини се могу екстраховати из многих извора. Значајан извор антоцијанина је покожица грожђа. Антоцијанински пигменти у покожици грожђа састоје се углавном од диглукозида, моноглукозида, ацилованих моноглукозида, као и ацилованих диглукозида пеонидина, малвидина, цијанидина, петунидина и делфинидина. Садржај антоцијанина у грожђу варира од 30–750mg/100g.
Најзаступљенији антоцијанини су цијанидин, делфинидин, пеларгонидин, пеонидин, малвидин и петунидин.
На пример, антоцијанини пеонидин-3-кофеоил-p-хидроксибензоил софорозид-5-глукозид, пеонидин-3-(6″-кофеоил-6‴-ферулоил софорозид)-5-глукозид и цијанидин-3-кофеоил-p-хидроксибензоил софорозид-5-глукозид налазе се у љубичастом батату.

Антоцијанини – користи за здравље

Поред велике способности да служе као природне прехрамбене боје, антоцијанини су веома цењени због својих антиоксидативних ефеката. Стога антоцијанини показују многе позитивне ефекте на здравље. Истраживања су показала да антоцијанини могу да инхибирају оштећење ДНК у ћелијама рака, инхибирају дигестивне ензиме, подстакну производњу инсулина у изолованим ћелијама панкреаса, смање запаљенске реакције, заштите од опадања можданих функција повезаног са старењем, побољшају непропустљивост капиларних крвних судова и спрече агрегацију тромбоцита.