Ултрасоницатион за побољшање оштећења ћелија алги и екстракције

Алге, макро- и микроалге, садрже многа вредна једињења, која се користе као хранљива храна, адитиви за храну или као гориво или сировина за гориво. Да би се ослободиле циљне супстанце из ћелије алги, потребна је моћна и ефикасна техника уништавања ћелија. Ултразвучни екстрактори су високо ефикасни и поуздани када је у питању екстракција биоактивних једињења из биљака, алги и гљивица. Доступни у лабораторијским, стоним и индустријским размерама, Хиелсцхер ултразвучни екстрактори су успостављени у производњи екстраката из ћелија у производњи хране, фармације и био-горива.

Алге као вредан ресурс за исхрану и гориво

Ћелије алги су свестран извор биоактивних и енергетски богатих једињења, као што су протеини, угљени хидрати, липиди и друге биоактивне супстанце, као и алкани. Ово чини алге извором хране и нутритивних једињења, као и горива.
Микроалге су цењен извор липида, који се користе за исхрану и као сировина за биогорива (нпр. биодизел). Сојеви морског фитопланктона Дицратериа, као што је Дицратериа ротунда, познати су као алге које производе бензин, које могу да синтетишу низ засићених угљоводоника (н-алкана) из Ц₁₀Х₂₂ до Ц₃₈Х₇₈, који су категорисани као бензин (Ц10–Ц15), дизел уља (Ц16–Ц20) и лож уља (Ц21–Ц38).
Zbog svoje nutritivne vrednosti, alge se koriste kao “функционалне намирнице” или “нутрацеутика”. Važni mikronutrijenti izvađeni iz algi uključuju karotenoide astaksantin, fukoksantin i zeaksantin, fukoidan, laminari i drugi glukani među brojnim drugim bioaktivnim supstancama koje se koriste kao dodaci ishrani i farmceutici. Karagenan, alginat i drugi hidrokoloidi se koriste kao aditivi u hrani. Lipidi algi se koriste kao veganski izvor omega-3 i takođe se koriste kao gorivo ili kao sirovina za proizvodnju biodizela.

Поремећај ћелија алги и екстракција моћним ултразвуком

Ултразвучни екстрактори или једноставно ултрасоникатори се користе за екстракцију вредних једињења из малих узорака у лабораторији, као и за производњу у великим комерцијалним размерама.
Ћелије алги су заштићене сложеним матрицама ћелијског зида, које се састоје од липида, целулозе, протеина, гликопротеина и полисахарида. Основа већине ћелијских зидова алги је изграђена од микрофибриларне мреже унутар геласте протеинске матрице; међутим, неке микроалге су опремљене неорганским чврстим зидом који се састоји од опалин силицијумских фрустула или калцијум карбоната. Да би се из биомасе алги добила биоактивна једињења, неопходна је ефикасна техника деструкције ћелија. Поред технолошких фактора екстракције (тј. метода и опреме екстракције), на ефикасност разарања и екстракције ћелија алги такође снажно утичу различити фактори зависни од алги као што су састав ћелијског зида, локација жељеног биомолекула у ћелијама микроалги и раст стадијум микроалги током бербе.

Како функционишу ултразвучни поремећаји и екстракција ћелија алги?

Када се ултразвучни таласи високог интензитета споје преко ултразвучне сонде (познате и као ултразвучни рог или сонотрода) у течност или кашу, звучни таласи путују кроз течност и стварају наизменичне циклусе високог/ниског притиска. Током ових циклуса високог/ниског притиска, јављају се ситни вакуумски мехурићи или шупљине. Кавитациони мехурићи настају када локални притисак падне током циклуса ниског притиска довољно далеко испод притиска засићене паре, вредности коју даје затезна чврстоћа течности на одређеној температури. Које расту током неколико циклуса. Када ови вакуумски мехурићи достигну величину, где не могу да апсорбују више енергије, мехур имплодира насилно током циклуса високог притиска. Имплозија кавитационих мехурића је насилан, енергетски густ процес који генерише интензивне ударне таласе, турбуленције и микро-млазове у течности. Поред тога, стварају се локализовани веома високи притисци и веома високе температуре. Ови екстремни услови су лако способни да поремете ћелијске зидове и мембране и да ослободе интрацелуларна једињења на ефикасан, ефикасан и брз начин. Унутарћелијска једињења као што су протеини, полисахариди, липиди, витамини, минерали и антиоксиданси могу се на тај начин ефикасно екстраховати коришћењем моћног ултразвука.

Ултразвучна кавитација за разбијање и екстракцију ћелија

Када су изложени интензивној ултразвучној енергији, зид или мембрана било које врсте ћелије (укључујући ботаничке, сисарске, алгалне, гљивичне, бактеријске итд.) се поремете и ћелија се кида на мање фрагменте механичким силама енергетски густе ултразвучне кавитације . Када се ћелијски зид разбије, ћелијски метаболити као што су протеин, липид, нуклеинска киселина и хлорофил се ослобађају из матрикса ћелијског зида као и из унутрашњости ћелије и преносе се у околни медијум за културу или растварач.
Горе описани механизам ултразвучне/акустичне кавитације озбиљно омета целе ћелије алги или гасне и течне вакуоле унутар ћелија. Ултразвучна кавитација, вибрације, турбуленције и микро-ток подстичу пренос масе између унутрашњости ћелије и околног растварача тако да су биомолекули (тј. метаболити) ефикасни и брзо се ослобађају. Пошто је соникација чисто механички третман који не захтева оштре, токсичне и/или скупе хемикалије.
Ултразвук високог интензитета, ниске фреквенције ствара екстремне услове густе енергије, са високим притисцима, температурама и великим силама смицања. Ове физичке силе промовишу поремећај ћелијских структура у циљу ослобађања интрацелуларних једињења у медијум. Због тога се ултразвук ниске фреквенције у великој мери користи за екстракцију биоактивних супстанци и горива из алги. У поређењу са конвенционалним методама екстракције као што су екстракција растварачем, млевење куглица или хомогенизација под високим притиском, ултразвучна екстракција се истиче ослобађањем већине биоактивних једињења (као што су липиди, протеини, полисахариди и микронутријенти) из сонопорисане и поремећене ћелије. Применом правих услова процеса, ултразвучна екстракција даје супериорне приносе екстракције у веома кратком трајању процеса. На пример, ултразвучни екстрактори високих перформанси показују одличне перформансе екстракције из алги, када се користе са одговарајућим растварачем. У киселом или алкалном медијуму, ћелијски зид алги постаје порозан и наборан, што доводи до повећања приноса на ниској температури (испод 60°Ц) у кратком времену соникације (мање од 3 сата). Кратко трајање екстракције на благим температурама спречава разградњу фукоидана, тако да се добија високо биоактиван полисахарид.
Ултразвучна обрада је такође метода за трансформацију фукоидана високе молекуларне тежине у фукоидан ниске молекулске тежине, који је значајно биоактивнији због своје разгранате структуре. Са својом високом биоактивношћу и биодоступношћу, фукоидан ниске молекуларне тежине је занимљиво једињење за фармацеутске производе и системе за испоруку лекова.

Студије случаја: Ултразвучна екстракција једињења алги

Ефикасност ултразвучне екстракције и оптимизација параметара ултразвучне екстракције су широко проучавани. У наставку можете пронаћи узорне резултате за резултате екстракције ултразвуком из различитих врста алги.

Екстракција протеина из спирулине коришћењем Мано-Тхермо-Соницатион

Истраживачка група проф. Цхемат (Универзитет у Авињону) је истраживала ефекте манотермосоникације (МТС) на екстракцију протеина (као што је фикоцијанин) из сувих цијанобактерија Артхроспира платенсис (такође познате као спирулина). Мано-Тхермо-Соницатион (МТС) је примена ултразвука у комбинацији са повишеним притисцима и температурама у циљу интензивирања процеса ултразвучне екстракције.
“Prema eksperimentalnim rezultatima, MTS promovisao prenos mase (visoka efektivna difuzivnost, De) i omogućio da se dobije 229% više proteina (28,42 ± 1,15 g / 100 g DV) od konvencionalnog procesa bez ultrazvuka (8,63 ± 1,15 g / 100 g DV). Sa 28,42 g proteina na 100 g suve biomase spiruline u ekstraktu, stopa oporavka proteina od 50% postignuta je u 6 efektivnih minuta sa kontinuiranim MTS procesom. Mikroskopska zapažanja pokazala su da je akustična kavitacija uticala na spirulina filamente različitim mehanizmima kao što su fragmentacija, sonoporacija, deteksturacija. Ovi različiti fenomeni olakšavaju ekstrakciju, oslobađanje i solubilizaciju bioaktivnih jedinjenja spiruline.” [Vernes et al., 2019]

Слике оптичког микроскопа целих филамената спиурулине подвргнутих МТС третману током времена. Скала (слика А) = 50 μм за све слике.
слика и студија: ©Вернес ет ал. 2019

Ултразвучна екстракција фукоидана и глукана из Ламинариа дигитата

ТЕАГАСЦ истраживачка група др. Тивари је истраживала екстракцију полисахарида, односно фукоидана, ламинарина и укупних глукана, из макроалги Ламинариа дигитата користећи Ултрасоницатор УИП500хдТ. Проучени параметри ултразвучно потпомогнуте екстракције (УАЕ) показали су значајан утицај на нивое фукозе, ФРАП и ДППХ. Нивои од 1060,75 мг/100 г дс, 968,57 мг/100 г дс, 8,70 μМ тролок/мг фде и 11,02% су добијени за фукозу, укупне глукане, ФРАП и ДППХ респективно при оптимизованим условима температуре (76◦Ц), респективно. 10 мин) и ултразвучне амплитуде (100%) користећи 0,1 М ХЦл као растварач. Описани услови УАЕ су затим успешно примењени на друге економски релевантне смеђе макроалге (Л. хипербореа и А. нодосум) да би се добили екстракти богати полисахаридима. Ова студија показује применљивост УАЕ за побољшање екстракције биоактивних полисахарида из различитих врста макроалги.

Ултразвучна фитохемијска екстракција из Ф. весицулосус и П. цаналицулата

Истраживачки тим Гарсије-Вакера упоредио је различите нове технике екстракције, укључујући ултразвучну екстракцију високих перформанси, ултразвучну микроталасну екстракцију, микроталасну екстракцију, хидротермалну екстракцију и екстракцију уз помоћ високог притиска како би проценио ефикасност екстракције из врста смеђих микроалги. Фуцус весицулосус и Пелветиа цаналицулата. За ултразвук су користили Хиелсцхер УИП500хдТ ултразвучни екстрактор. Анализом приноса екстракције откривено је да је ултразвучна екстракција постигла највеће приносе већине фитокемикалија из оба Ф. весицулосус. То значи да су највећи приноси једињења екстрахована из Ф. весицулосус коришћењем ултразвучни екстрактор УИП500хдТ били су: укупан садржај фенола (445,0 ± 4,6 мг еквивалента галне киселине/г), садржај укупног флоротанина (362,9 ± 3,7 мг еквивалената флороглуцинола/г), садржај укупног флавоноида (286,3 ± 7,8 мг еквивалента кверцетина) и 189 еквивалената кверцетина. ± 4,4 мг еквивалената катехина/г).
U svojoj istraživačkoj studiji, tim je zaključio da je upotreba ultrazvučno potpomognute ekstrakcije “u kombinaciji sa 50% rastvorom etanola kao rastvaračem za ekstrakciju može biti obećavajuća strategija koja cilja na ekstrakciju TPC, TPhC, TFC i TTC, istovremeno smanjujući ko-ekstrakciju neželjenih ugljenih hidrata iz F. vesiculosus i P. canaliculata, sa obećavajućim primenama kada se ova jedinjenja koriste kao farmaceutski proizvodi, nutraceutici i kozmeceutika.” [Garcia-Vakuero et al., 2021]

Повећање мано-термо-сонификације на Универзитету у Авињону помоћу Хиелсцхер ултрасоникатора: из лабораторијске опреме УИП1000хдТ (А) за пилотску опрему УИП4000хдТ (ПРЕ НОВЕ ЕРЕ & Д). На слици Д је шематизован попречни пресек ултразвучне проточне ћелије ФЦ100К.
слика и студија: ©Вернес ет ал. 2019

Ултразвучни екстрактори високих перформанси за уклањање алги

Хиелсцхер-ова најсавременија ултразвучна опрема омогућава потпуну контролу над параметрима процеса као што су амплитуда, температура, притисак и унос енергије.
За ултразвучну екстракцију, параметри као што су величина честица сировог материјала, тип растварача, однос чврсте материје и растварача и време екстракције могу се мењати и оптимизовати за најбоље резултате.
Пошто је ултразвучна екстракција метода нетермалне екстракције, избегава се термичка деградација биоактивних састојака присутних у сировинама као што су алге.
Све у свему, предности као што су висок принос, кратко време екстракције, ниска температура екстракције и мале количине растварача чине соникацију супериорном методом екстракције.

Ултразвучна екстракција: успостављена у лабораторији и индустрији

Ултразвучна екстракција се широко примењује за екстракцију било које врсте биоактивног једињења из биљака, алги, бактерија и ћелија сисара. Ултразвучна екстракција је успостављена као једноставна, исплатива и високо ефикасна која надмашује друге традиционалне технике екстракције већим приносима екстракције и краћим трајањем обраде.
Са доступним лабораторијским, стоним и потпуно индустријским ултразвучним системима, ултразвучна екстракција је данас добро успостављена и поуздана технологија. Хиелсцхер ултразвучни екстрактори су инсталирани широм света у индустријским прерађивачким објектима који производе биоактивна једињења за храну и фармацију.

Стандардизација процеса са Хиелсцхер Ултрасоницс

Ekstrakti iz algi, koji se koriste u hrani, farmaceutskim proizvodima ili kozmetici, moraju biti proizvedeni u skladu sa dobrim proizvođačkim praksama (GMP) i pod standardizovanim specifikacijama za preradu. Hielscher ultrazvuk’ Digitalni sistemi za ekstrakciju dolaze sa inteligentnim softverom, što olakšava precizno podešavanje i kontrolu procesa ultrazvuka. Automatsko snimanje podataka zapisuje sve ultrazvučne procesne parametre kao što su ultrazvučna energija (ukupna i neto energija), amplituda, temperatura, pritisak (kada su montirani senzori temperature i pritiska) sa datumom i vremenom na ugrađenoj SD kartici. To vam omogućava da revidirate svaku ultrazvučno obrađenu partiju. Istovremeno, obezbeđena je ponovljivost i kontinuirano visok kvalitet proizvoda.

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: