Alge, makro i mikroalge, sadrže mnoga vredna jedinjenja, koja se koriste kao hranljiva hrana, aditivi za hranu ili kao hrana za gorivo ili gorivo. Da bi se ciljne supstance oslobodile iz ćelije algi potrebna je potentna i efikasna tehnika prekida ćelija. Ultrazvučni ekstraktori su visoko efikasni i pouzdani kada je u pitanju vađenje bioaktivnih jedinjenja iz botanike, algi i gljivica. Dostupni u laboratoriji, na klupi i industrijskoj skali, Hielscher ultrazvučni ekstraktori su uspostavljeni u proizvodnji ekstrakata izvedenih iz ćelija u proizvodnji hrane, farmaceuta i bio-goriva.

Alge kao vredan resurs za ishranu i gorivo

Ćelije algi su svestrani izvor bioaktivnih i energetski bogatih jedinjenja, kao što su proteini, ugljeni hidrati, lipidi i druge bioaktivne supstance kao i alkane. To čini alge izvorom hrane i hranljivih jedinjenja kao i za goriva.
Mikroalge su vrednosni izvor lipida, koji se koriste za ishranu i kao feedstock fo biogoriva (npr. biodizel). Sojevi morskog fitoplanktona Dicrateria, kao što je Dicrateria rotunda, poznati su kao alge koje proizvode benzin, a koje mogu da sintetišu niz zasićenih ugljovodonika (n‐alkanes) iz C₁₀Х₂₂ u C₃₈Х₇₈, koji su kategorisani kao benzinci (C10–C15), dizel ulja (C16–C20) i ulja za gorivo (C21–C38).
Zbog svoje nutritivne vrednosti, alge se koriste kao "funkcionalna hrana" ili "nutraceutika". Važni mikro-hranljivi sastojci izdvojeni iz algi uključuju karotenoide astaksantin, fukoksantin i zeaksantin, fukoidan, laminari i druge glukane među brojnim drugim bioaktivnim supstancama koje se koriste kao nutritivni suplementi i farmceutika. Karaginan, alginat i drugi hidrokoloidi se koriste kao dodaci ishrani. Alge lipidi se koriste kao veganski omega-3 izvor i takođe se koriste kao gorivo ili kao feedstock za proizvodnju biodizela.

Algae Cell Disruption and Extraction by Power Ultrasound

Ultrazvučni ekstraktori ili jednostavno ultrazvučni se koriste za vađenje vrednih jedinjenja iz malih uzoraka u laboratoriji, kao i za proizvodnju u velikom komercijalnom obimu.
Ćelija algi je zaštićena složenim ćelijskim zidnim matricama, koje se sastoje od lipida, celuloze, proteina, glikoproteina i polisaharida. Osnova većine zidova ćelija algi izgrađena je od mikrofibrilarne mreže unutar proteinske matrice nalik gelu; Međutim, neke mikroalge su opremljene neorganskim krutim zidom sastavljenim od opalinih silika frustula ili kalcijum karbonata. Da bi se dobila bioaktivna jedinjenja iz algalne biomase, neophodna je efikasna tehnika prekida ćelija. Pored tehnoloških faktora ekstrakcije (ili, metoda vađenja i opreme), na efikasnost poremećaja i vađenja ćelija algi snažno utiču i razni faktori zavisni od algi kao što su sastav ćelijskih zidova, lokacija željenog biomolekula u ćelijama mikroalgi, kao i faza rasta mikroalgi tokom žetve.

Kako funkcioniše prekid i vađenje ultrazvučnih algi?

Kada se ultrazvučni talasi visokog intenziteta u paru preko ultrazvučne sonde (poznate i kao ultrazvučni rogovi ili sonotrode) u tečnost ili mulj, zvučni talasi putuju kroz tečnost i stvaraju tako naizmenične cikluse visokog pritiska / niskog pritiska. Tokom ovih ciklusa visokog pritiska / niskog pritiska javljaju se minuti vakuumskih mehurića ili šupljina. Mehurići kavitacije se javljaju kada lokalni pritisak padne tokom ciklusa niskog pritiska dovoljno daleko ispod zasićenog pritiska pare, vrednosti koju daje sužena snaga tečnosti na određenoj temperaturi. Koji rastu tokom nekoliko ciklusa. Kada ovi mehurići vakuuma dostignu veličinu, gde ne mogu da apsorbuju više energije, mehur se nasilno implodira tokom ciklusa visokog pritiska. Implozija mehurića kavitacije je nasilan, energetski gust proces koji generiše intenzivne udarne talase, turbulencije i mikro-mlazeve u tečnosti. Pored toga, stvaraju se lokalizovani veoma visoki pritisci i veoma visoke temperature. Ovi ekstremni uslovi su lako sposobni da poremete ćelijske zidove i membrane i da oslobode intracelularna jedinjenja na efikasan, efikasan i brz način. Intracelularna jedinjenja kao što su proteini, polisaharidi, lipidi, vitamini, minerali i antioksidansi mogu se tako efikasno izdvojiti pomoću ultrazvuka moći.

Ultrazvučna kavitacija za prekid i vađenje ćelija

Kada je izložen intenzivnoj ultrazvučnoj energiji, zid ili membrana bilo koje vrste ćelija (uključujući botaničku, sisarsku, algalnu, gljivičnu, bakterijsku itd.) se remeti i ćelija je rastrgnuta na manje fragmente mehaničkim silama energetski guste ultrazvučne kavitacije. Kada je ćelijski zid polomljen, ćelijski metaboliti kao što su proteini, lipidi, nukleinska kiselina i hlorofil oslobađaju se iz matrice ćelijskog zida kao i iz unutrašnjosti ćelije i prebacuju se u okolnu kulturu medijum ili rastvarač.
Gore opisani mehanizam ultrazvučne / akustične kavitacije ozbiljno remeti čitave algalne ćelije ili gasove i tečne vakuole unutar ćelija. Ultrazvučna kavitacija, vibracije, turbulencije i mikro-striming promovišu masovni prenos između unutrašnjosti ćelije i okolnog rastvarača tako da se biomolekule (dakle metaboliti) efikasno i brzo oslobađaju. Pošto je sonikacija čisto mehanički tretman koji ne zahteva oštre, otrovne i/ili skupe hemikalije.
Ultrazvuk visokog intenziteta, niske frekvencije stvara ekstremne energetski guste uslove, sa visokim pritiskom, temperaturama i visokim silama. Ove fizičke sile promovišu prekid ćelijskih struktura kako bi se intracelularna jedinjenja pustila u medijum. Zbog toga se ultrazvuk niske frekvencije u velikoj meri koristi za vađenje bioaktivnih supstanci i goriva iz algi. U poređenju sa konvencionalnim metodama ekstrakcije kao što su vađenje rastvarača, mlevenje ili homogenizacija visokog pritiska, ultrazvučno vađenje se izvrsno oslobađa većinu bioaktivnih jedinjenja (kao što su lipidi, proteini, polisaharidi i mikro-hranljive materije) iz sonoporisanih i poremećenih ćelija. Primenjujući prave uslove procesa, ultrazvučno izvlačenje daje superiorne prinose za izvlačenje u veoma kratkom trajanju procesa. Na primer, ultrazvučni ekstraktori visokih performansi prikazuju odlične performanse ekstrakcije iz algi, kada se koriste sa odgovarajućim rastvaračem. U kiselom ili alkalnom medijumu, algalni ćelijski zid dobija porozne i izgužvane, što dovodi do povećanja prinosa na niskoj temperaturi (ispod 60°C) u kratkom vremenu soničnosti (manje od 3 sata). Kratko trajanje ekstrakcije na blagim temperaturama sprečava razgradnju fukoidana, tako da se dobija visoko bioaktivni polisakharid.
Ultrazvučnost je takođe metod za pretvaranje visoko molekularne težine fukoidana u fukoidan niske molekularne težine, koji je znatno bioaktivniji zbog svoje debrančene strukture. Sa svojom visokom bioaktivnošću i bioaccesibilnošću, fukoidan niske molekularne težine je zanimljivo jedinjenje za farmaceutske proizvode i sisteme za isporuku lekova.

Studije slučaja: Ultrazvučno vađenje jedinjenja algi

Efikasnost ultrazvučnog izvlačenja i optimizacija ultrazvučnih parametara ekstrakcije su uveliko proučavani. U nastavku možete pronaći primerne rezultate za rezultate ekstrakcije putem ultrazvučnosti raznih vrsta algi.

Vađenje proteina iz Spiruline pomoću Mano-Termo-sonikacije

Istraživačka grupa prof. Hemata (University of Avignon) istraživala je efekte manotermosonacije (MTS) na vađenje proteina (kao što je phycocyanin) iz suvog Arthrospira platensis cyanobacteria (poznatog i kao spirulina). Mano-Termo-sonication (MTS) je primena ultrazvuka u kombinaciji sa povišenim pritiscima i temperaturama u cilju intenziviranja procesa ultrazvučnog vađenja.
"Prema eksperimentalnim rezultatima, MTS je promovisao masovni transfer (visoka efektivna difuzitet, De) i omogućio da dobije 229% više proteina (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) od konvencionalnog procesa bez ultrazvuka (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Sa 28,42 g proteina na 100 g suve spiruline biomase u ekstraktu, stopa oporavka proteina od 50% ostvarena je za 6 efikasnih minuta uz kontinuirani MTS proces. Mikroskopska zapažanja su pokazala da je akustična kavitacija uticala na filamente spiruline različitim mehanizmima kao što su fragmentacija, sonoporacija, detekstuacija. Ovi razni fenomeni olakšavaju vađenje, oslobađanje i solubilizaciju bioaktivnih jedinjenja spiruline." [Vernès et al., 2019]

Optičke mikroskopske slike celih spiurulina filamenta podvrgnutih MTS tretmanu tokom vremena. Traka skale (slika A) = 50 μm za sve slike.
slika i studija: ©Vernès et al. 2019

Ultrazvučni Fucoidan i Glukan izvlačenje iz Laminaria digitata

Istraživačka grupa TEAGASC dr Tivari istraživala je vađenje polisaharida, npr. fukoidana, laminarina i totalnih glukana, iz makroalga Laminaria digitata koristeći ultrazvučni UIP500hdT. Proučavani parametri ultrazvučnog izvlačenja (UAE) pokazali su značajan uticaj na nivoe fukoze, FRAP-a i DPPH-a. Nivoi od 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde i 11,02% je dobijeno za fukozu, ukupne glukane, FRAP i DPPH u optimizovanim uslovima temperature (76◦C), vreme (10 min) i ultrazvučnu amplitude (100%) koristeći 0,1 M HCl kao rastvarač. Opisani uslovi UAE su potom uspešno primenjeni na druge ekonomski relevantne braon makroalge (L. hiperboreja i A. nodosum) kako bi se dobili ekstrakti bogatih polisaharidom. Ova studija pokazuje aplikaciju UAE da poboljša vađenje bioaktivnih polisaharida iz različitih makroalgalnih vrsta.

Ultrazvučno fitohemijsko izvlačenje iz F. vesiculosus и P. canaliculata

Istraživački tim García-Vaquero uporedio je različite tehnike vađenja romana, uključujući ultrazvučno vađenje visokih performansi, ultrazvučno vađenje mikrotalasne, vađenje mikrotalasne pećnice, vađenje hidrotermalne asistencije i vađenje uz pomoć visokog pritiska u cilju procene efikasnosti ekstrakcije iz braon mikroalgi Za ultrazvučnost, koristili su Hielscher UIP500hdT ultrazvučni ekstraktor. Bilo kakva ekstrakcija je otkrila da je ultrazvučno vađenje postiglo najveće prinose većine fitohemičara i od F. vesiculosusa. To znači, najveći prinosi jedinjenja izdvojenih iz F. vesiculosusa koristeći ultrazvučni ekstraktor UIP500hdT bili: ukupan fenolni sadržaj (445,0 ± 4,6 mg ekvivalenti galske kiseline/g), ukupan sadržaj phlorotanina (362,9 ± 3,7 mg phloroglucinol ekvivalenti/g), ukupan flavonoidni sadržaj (286,3 ± 7,8 mg quercetin ekvivalenti/g) i ukupan sadržaj tanina (189,1 ± 4,4 mg catechin ekvivalenti/g).
U svojoj istraživačkoj studiji, tim je zaključio da bi upotreba ultrasonično potpomognute ekstrakcije "u kombinaciji sa 50% etanoličnog rastvora kao rastvarača ekstrakcije mogla da bude obećavajuća strategija usmerena na vađenje TPC- a, TPHC-a, TFC-a i TTC-a, uz istovremeno smanjenje ko-vađenja nepoželjnih ugljenih hidrata iz oba F. vesiculosusa i P. nutraceuticals and cosmeceuticals." [García-Vaquero et al., 2021]

Razmera mano-termo-sonikacije na Univerzitetu u Avinjonu pomoću Hielscher ultrazvuka: od laboratorijske opreme УИП1000хдТ (A) za opremu pilotske skale UIP4000hdT (B, C & D). Na slici D je šematizovana poprečna sekcija ultrazvučne ćelije toka FC100K.
slika i studija: ©Vernès et al. 2019

Ultrazvučni ekstraktori visokih performansi za poremećaj algi

Hielscher najmoderniji ultrasonova oprema omogućava potpunu kontrolu nad parametrima procesa kao što su pojačavnik, temperatura, pritisak i unos energije.
Za ultrazvučno izdvajanje, parametri kao što su veličina čestica sirovina, tip rastvarača, odnos solid-to-solvent i vreme izdvajanja mogu biti raznovrsni i optimizovani za najbolje rezultate.
S obzirom na to da je ultrazvučno vađenje metod ne-toplotnog vađenja, izbegava se toplotna degradacija bioaktivnih sastojaka prisutnih u sirovinama kao što su alge.
Sve u svemu, prednosti kao što su visok prinos, kratko vreme izvlačenja, niska temperatura ekstrakcije i male količine rastvarača čine sonikaciju superiornim metodom izvlačenja.

Ultrazvučno izvlačenje: Osnovano u laboratoriji i industriji

Ultrazvučno vađenje se naširoko primenjuje za vađenje bilo koje vrste bioaktivnog jedinjenja iz botaničkih, algi, bakterija i ćelija sisara. Ultrazvučno izvlačenje je uspostavljeno kao jednostavno, isplativo i veoma efikasno koje izvrsno koristi druge tradicionalne tehnike ekstrakcije većim prinosima ekstrakcije i kraćim trajanjem obrade.
Sa laboratorijskim, vrhunskim i potpuno industrijskim ultrazvučnim sistemima koji su lako dostupni, ultrazvučno izvlačenje je danas dobro utvrđena i pouzdana tehnologija. Hielscher ultrazvučni ekstraktori se postavljaju širom sveta u industrijske prerađivačke objekte koji proizvode bioaktivna jedinjenja za hranu i farmaciju.

Obrada standardizacije sa Hielscher Ultrasonics

Ekstrakti izvedeni od algi, koji se koriste u hrani, farmaceutskoj industriji ili kozmetici, moraju se proizvoditi u skladu sa Dobrim proizvodnim praksama (GMP) i po standardizovanim specifikacijama obrade. Sistemi za digitalno vađenje Hielscher Ultrasonics-a dolaze sa inteligentnim softverom, što olakšava precizno podešavanje i kontrolu procesa sonikacije. Automatsko snimanje podataka piše sve parametre ultrazvučnog procesa kao što su ultrazvučna energija (ukupna i neto energija), amplitude, temperatura, pritisak (kada se montiraju senzori tempa i pritiska) sa oznakom datuma i vremena na ugrađenoj SD-kartici. Ovo vam omogućava da korigujete svaku ultrazvučno obrađenu lotu. Istovremeno, osigurana je reproduktivnost i kontinuirano visok kvalitet proizvoda.

Табела испод показује приближни капацитет обраде наших ултразвучних уређаја: