Ултразвучна обрада за побољшање разарања ћелија алги и екстракције

Алге, макроалге и микроалге, садрже многа вредна једињења која се користе као хранљиве намирнице, адитиви за храну, гориво или сировине за гориво. Да би се циљне супстанце ослободиле из ћелије алге, потребна је снажна и ефикасна техника разарања ћелија. Ултразвучни екстрактори су веома ефикасни и поуздани при екстракцији биоактивних једињења из биљног материјала, алги и гљива. Доступни у лабораторијским, стоним и индустријским размерама, ултразвучни екстрактори Hielscher доказани су у производњи екстраката из ћелија у прехрамбеној и фармацеутској индустрији и производњи биогорива.

Алге као вредан ресурс за исхрану и гориво

Ћелије алги су свестран извор биоактивних једињења и једињења богатих енергијом, као што су протеини, угљени хидрати, липиди и друге биоактивне супстанце, као и алкани. То чини алге извором хране и хранљивих једињења, као и горива.
Микроалге су цењен извор липида који се користе у исхрани и као сировина за биогорива (нпр. биодизел). Сојеви морског фитопланктона Dicrateria, као што је Dicrateria rotunda, познати су као алге које производе бензин и могу да синтетишу низ засићених угљоводоника (n-алкана) од C₁₀H₂₂ до C₃₈H₇₈, који се сврставају у бензин (C10–C15), дизелска горива (C16–C20) и мазуте (C21–C38).
Због своје хранљиве вредности, алге се користе као „функционална храна“ или „нутрацеутици“. Важни микронутријенти екстраховани из алги обухватају каротеноиде астаксантин, фукоксантин и зеаксантин, фукоидан, ламинари и друге глукане, који се, међу бројним другим биоактивним супстанцама, користе као додаци исхрани и фармацеутски препарати. Карагенан, алгинат и други хидроколоиди користе се као адитиви за храну. Липиди алги користе се као вегански извор омега-3 масних киселина, а такође и као гориво или сировина за производњу биодизела.

Разарање ћелија алги и екстракција помоћу ултразвука велике снаге

Ултразвучни екстрактори, или једноставно ултразвучни уређаји, користе се за екстракцију вредних једињења из малих узорака у лабораторији, као и за производњу у великим комерцијалним размерама.
Ћелије алги заштићене су сложеним матриксима ћелијског зида, који се састоје од липида, целулозе, протеина, гликопротеина и полисахарида. Основу већине ћелијских зидова алги чини микрофибриларна мрежа унутар протеинског матрикса налик гелу; међутим, неке микроалге имају неоргански крути зид састављен од фрустула од опалног силицијум-диоксида или калцијум-карбоната. Да би се добила биоактивна једињења из биомасе алги, неопходна је ефикасна техника разарања ћелија. Поред технолошких фактора екстракције (тј. методе и опреме за екстракцију), на ефикасност разарања ћелија алги и екстракције снажно утичу и различити фактори који зависе од самих алги, као што су састав ћелијског зида, положај жељеног биомолекула у ћелијама микроалги и фаза раста микроалги током сакупљања.

Како функционишу ултразвучно разарање ћелија алги и екстракција?

Када се ултразвучни таласи високог интензитета преко ултразвучне сонде (познате и као ултразвучни рог или сонотрода) преносе у течност или суспензију, звучни таласи се простиру кроз течност и при томе стварају наизменичне циклусе високог / ниског притиска. Током ових циклуса високог / ниског притиска настају сићушни вакуумски мехурићи или шупљине. Кавитациони мехурићи настају када локални притисак током циклуса ниског притиска падне довољно испод притиска засићене паре, вредности одређене затезном чврстоћом течности на одређеној температури. Ови мехурићи расту током више циклуса. Када ови вакуумски мехурићи достигну величину при којој више не могу да апсорбују енергију, мехурић силовито имплодира током циклуса високог притиска. Имплозија кавитационих мехурића је силовит процес са високом густином енергије који ствара снажне ударне таласе, турбуленције и микромлазеве у флуиду. Поред тога, локално настају веома високи притисци и веома високе температуре. Ови екстремни услови лако могу да разоре ћелијске зидове и мембране и да ослободе унутарћелијска једињења на делотворан, ефикасан и брз начин. Унутарћелијска једињења као што су протеини, полисахариди, липиди, витамини, минерали и антиоксиданси тако се могу ефикасно екстраховати применом ултразвука велике снаге.

Ултразвучна кавитација за разарање ћелија и екстракцију

При излагању интензивној ултразвучној енергији, зид или мембрана било које врсте ћелије (укључујући биљне, сисарске, алгалне, гљивичне, бактеријске итд.) разара се, а механичке силе ултразвучне кавитације високе густине енергије цепају ћелију на мање фрагменте. Када се ћелијски зид разори, ћелијски метаболити као што су протеини, липиди, нуклеинске киселине и хлорофил ослобађају се како из матрикса ћелијског зида тако и из унутрашњости ћелије и прелазе у околну подлогу за култивацију или растварач.
Горе описани механизам ултразвучне / акустичке кавитације снажно разара целе ћелије алги или гасне и течне вакуоле унутар ћелија. Ултразвучна кавитација, вибрације, турбуленције и микрострујање подстичу пренос масе између унутрашњости ћелије и околног растварача, тако да се биомолекули (тј. метаболити) ефикасно и брзо ослобађају. Наиме, соникација је чисто механички третман који не захтева агресивне, токсичне и/или скупе хемикалије.
Ултразвук високог интензитета и ниске фреквенције ствара екстремне услове високе густине енергије, које одликују високи притисци, температуре и велике силе смицања. Ове физичке силе подстичу разарање ћелијских структура како би се унутарћелијска једињења ослободила у околни медијум. Због тога се нискофреквентни ултразвук широко користи за екстракцију биоактивних супстанци и горива из алги. У поређењу са конвенционалним методама екстракције, као што су екстракција растварачем, млевење куглицама или хомогенизација под високим притиском, ултразвучна екстракција се истиче ослобађањем већине биоактивних једињења (као што су липиди, протеини, полисахариди и микронутријенти) из ћелије у којој су соникацијом створене поре и која је разорена. Применом одговарајућих процесних услова, ултразвучна екстракција даје боље приносе екстракције у веома кратком трајању процеса. На пример, ултразвучни екстрактори високих перформанси показују одличну ефикасност екстракције из алги када се користе са одговарајућим растварачем. У киселој или алкалној средини, ћелијски зид алги постаје порозан и наборан, што доводи до повећаних приноса на ниској температури (испод 60°C) уз кратко време соникације (мање од 3 сата). Кратко трајање екстракције на умереним температурама спречава разградњу фукоидана, тако да се добија високо биоактиван полисахарид.
Ултразвучни третман је такође метода за претварање фукоидана високе молекулске масе у фукоидан ниске молекулске масе, који је знатно биоактивнији због своје структуре са уклоњеним бочним ланцима. Захваљујући високој биоактивности и биоприступачности, фукоидан ниске молекулске масе представља занимљиво једињење за фармацеутске препарате и системе за испоруку лекова.

Студије случаја: ултразвучна екстракција једињења из алги

Ефикасност ултразвучне екстракције и оптимизација њених параметара опсежно су проучаване. У наставку можете пронаћи примере резултата екстракције из различитих врста алги применом ултразвука.

Екстракција протеина из спирулине применом манотермосоникације

Истраживачка група проф. Chemat-а (Универзитет у Авињону) испитивала је ефекте манотермосоникације (MTS) на екстракцију протеина (као што је фикоцијанин) из сувих цијанобактерија Arthrospira platensis (познатих и као спирулина). Манотермосоникација (MTS) представља примену ултразвука у комбинацији са повишеним притисцима и температурама ради интензивирања процеса ултразвучне екстракције.
„Према експерименталним резултатима, MTS је поспешила пренос масе (висока ефективна дифузивност, De) и омогућила добијање 229% више протеина (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) него конвенционални процес без ултразвука (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Са 28,42 g протеина на 100 g суве биомасе спирулине у екстракту, у континуалном MTS процесу постигнут је степен издвајања протеина од 50% за 6 минута ефективне обраде. Микроскопска запажања показала су да је акустична кавитација деловала на филаменте спирулине различитим механизмима, као што су фрагментација, сонопорација и нарушавање текстуре. Ове различите појаве олакшавају екстракцију, ослобађање и солубилизацију биоактивних једињења спирулине.“ [Vernès et al., 2019]

Снимци целих филамената спирулине добијени оптичком микроскопијом током MTS третмана. Размерна линија (слика A) = 50 μm за све слике.
слика и студија: ©Vernès et al. 2019

Ултразвучна екстракција фукоидана и глукана из Laminaria digitata

Истраживачка група др Tiwari-ја из установе TEAGASC испитивала је екстракцију полисахарида, тј. фукоидана, ламинарина и укупних глукана, из макроалге Laminaria digitata помоћу ултрасоникатора UIP500hdT. Испитивани параметри екстракције потпомогнуте ултразвуком (UAE) показали су значајан утицај на нивое фукозе, FRAP и DPPH. Вредности од 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde и 11,02% добијене су за фукозу, укупне глукане, FRAP и DPPH, редом, при оптимизованим условима температуре (76◦C), времена (10 min) и амплитуде ултразвука (100%), уз употребу 0,1 M HCl као растварача. Описани услови UAE затим су успешно примењени на друге економски значајне смеђе макроалге (L. hyperborea и A. nodosum) ради добијања екстраката богатих полисахаридима. Ова студија показује применљивост UAE за побољшање екстракције биоактивних полисахарида из различитих врста макроалги.

Ултразвучна екстракција фитохемикалија из F. vesiculosus и P. canaliculata

Истраживачки тим García-Vaquero-а упоредио је различите нове технике екстракције, укључујући ултразвучну екстракцију високих перформанси, ултразвучно–микроталасну екстракцију, микроталасну екстракцију, хидротермално потпомогнуту екстракцију и екстракцију потпомогнуту високим притиском, ради процене ефикасности екстракције из врста смеђих микроалги Fucus vesiculosus и Pelvetia canaliculata. За соникацију су користили ултразвучни екстрактор Hielscher UIP500hdT. Анализа приноса екстракције показала је да су ултразвучном екстракцијом постигнути највећи приноси већине фитохемикалија из обе F. vesiculosus. То значи да су највећи приноси једињења екстрахованих из F. vesiculosus помоћу ултразвучног екстрактора UIP500hdT били: укупан садржај фенолних једињења (445,0 ± 4,6 mg еквивалената галне киселине/g), укупан садржај флоротанина (362,9 ± 3,7 mg еквивалената флороглуцинола/g), укупан садржај флавоноида (286,3 ± 7,8 mg еквивалената кверцетина/g) и укупан садржај танина (189,1 ± 4,4 mg еквивалената катехина/g).
У својој истраживачкој студији тим је закључио да би примена екстракције потпомогнуте ултразвуком „у комбинацији са 50% раствором етанола као растварачем за екстракцију могла бити обећавајућа стратегија усмерена на екстракцију TPC, TPhC, TFC и TTC, уз истовремено смањење коекстракције непожељних угљених хидрата из обе врсте, F. vesiculosus и P. canaliculata, са обећавајућим применама ових једињења као фармацеутских, нутрацеутских и козмецеутских средстава.“ [García-Vaquero et al., 2021]

Повећање размере манотермосоникације на Универзитету у Авињону помоћу Hielscher ултрасоникатора: од лабораторијске опреме UIP1000hdT (A) до опреме пилотске размере UIP4000hdT (B, C и D). На слици D шематски је приказан попречни пресек ултразвучне проточне ћелије FC100K.
слика и студија: ©Vernès et al. 2019

Ултразвучни екстрактори високих перформанси за разарање ћелија алги

Најсавременија ултразвучна опрема компаније Hielscher омогућава потпуну контролу параметара процеса као што су амплитуда, температура, притисак и унос енергије.
За ултразвучну екстракцију, параметри као што су величина честица сировине, врста растварача, однос чврсте материје и растварача и време екстракције могу се мењати и оптимизовати ради постизања најбољих резултата.
Пошто је ултразвучна екстракција нетермичка метода екстракције, избегава се термичка разградња биоактивних састојака присутних у сировинама као што су алге.
Свеукупно, предности као што су висок принос, кратко време екстракције, ниска температура екстракције и мале количине растварача чине соникацију супериорном методом екстракције.

Ултразвучна екстракција: доказана у лабораторији и индустрији

Ултразвучна екстракција се широко примењује за екстракцију свих врста биоактивних једињења из биљног материјала, алги, бактерија и ћелија сисара. Ултразвучна екстракција се показала као једноставна, исплатива и високо ефикасна метода која надмашује друге традиционалне технике екстракције већим приносима екстракције и краћим трајањем обраде.
Захваљујући лакој доступности лабораторијских, стоних и потпуно индустријских ултразвучних система, ултразвучна екстракција је данас добро утврђена и поуздана технологија. Ултразвучни екстрактори Hielscher инсталирани су широм света у индустријским постројењима за прераду која производе биоактивна једињења прехрамбеног и фармацеутског квалитета.

Стандардизација процеса уз Hielscher Ultrasonics

Екстракти добијени из алги, који се користе у храни, фармацеутским или козметичким производима, морају се производити у складу са добром произвођачком праксом (GMP) и стандардизованим спецификацијама обраде. Дигитални системи за екстракцију компаније Hielscher Ultrasonics опремљени су интелигентним софтвером који олакшава прецизно подешавање и контролу процеса соникације. Аутоматско бележење података уписује све параметре ултразвучног процеса, као што су ултразвучна енергија (укупна и нето енергија), амплитуда, температура и притисак (када су уграђени сензори температуре и притиска), са датумом и временском ознаком на уграђену SD картицу. То вам омогућава да прегледате сваку ултразвучно обрађену серију. Истовремено се обезбеђују поновљивост и стално висок квалитет производа.

Табела у наставку даје оквирни приказ приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: