Ultraljudsextraktion av antocyaniner

Antocyaniner används i stor utsträckning som naturliga färgämnen och näringstillsatser i livsmedel. Ultraljudsextraktion är en mycket effektiv och enkel teknik för att utvinna antocyaniner av hög kvalitet. Användningen av ultraljudsapparater av sondtyp främjar frisättningen av antocyaniner av hög kvalitet från växter, vilket ger högre utbyten och en snabb process. Samtidigt är ultraljudsbehandling en skonsam, grön och effektiv teknik för industriell produktion av antocyaniner av livsmedels- och läkemedelskvalitet.

Antocyaniner – så extraherar du antocyaniner av hög kvalitet med en ultraljudsapparat

Antocyaniner används i stor utsträckning som naturliga färgämnen inom livsmedelsindustrin. De har ett brett spektrum av färgtoner, från orange via rött till lila och blått, beroende på molekylstrukturen och pH-värdet. Intresset för antocyaniner grundar sig inte bara på deras färgande effekt utan också på deras hälsofrämjande egenskaper. På grund av den växande oron för miljö- och hälsorisker med syntetiska färgämnen är naturliga färgämnen ett utmärkt alternativ som miljövänliga färgämnen för livsmedels- och läkemedelsindustrin.

Förbättrad extraktion av antocyaniner med ultraljud

Hur extraherar man antocyaniner med ultraljud? – Fallstudier

Ultraljudsextraktion av antocyaniner från lila ris Oryza Sativa L.

Lila ris av stammen Oryza Sativa (även känt som Violet Nori eller violett ris) är utomordentligt rikt på fenolföreningar, såsom antocyaniner som tillhör flavonoiderna. Turrini et al. (2018) använde ultraljudsextraktion för att isolera polyfenolföreningar såsom antocyaniner och antioxidanter från sädeskornet (i hel, brun och förkokt form) och bladen hos lila ris. Ultraljudsextraktionen utfördes med en Hielscher UP200St (200W, 26kHz, bild till vänster) och etanol 60% som lösningsmedel.
För att bevara antocyaninernas integritet förvarades ultraljudsextrakten vid −20°C, vilket gjorde det möjligt att lagra dem i åtminstone upp till tre månader.
Cyanidin-3-glukosid (även känt som krysantemin) var det i särklass vanligaste påvisade antocyaninet i sorterna ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ och ‘Nerone’ som undersöktes i studien av Turrini et al., medan peonidin-3-glukosid och cyanidin-3-rutinosid (även antirrinin) påvisades i mindre mängder.
De violetta bladen hos Oryza Sativa är en utmärkt källa till antocyaniner och totalt fenolinnehåll (TPC). Med en mängd som är cirka 2–3 gånger högre än i ris och mjöl utgör Oryza-bladen en billig råvara för extraktion av antocyaniner. Ett uppskattat utbyte på cirka 4 kg antocyanin/t färska blad är betydligt högre än utbytet på 1 kg antocyanin/t ris, beräknat utifrån de genomsnittliga antocyaninmängder som påvisats i ‘Violet Nori’-ris (1300 µg/g ris, som cyanidin-3-glukosid) vid ett utbyte på cirka 68 kg ris från 100 kg oskalat ris.

Ultraljudsextraktion av antocyaniner från rödkål

Ravanfar et al. (2015) har undersökt effektiviteten hos ultraljudsextraktion av antocyaniner från rödkål. Försöken med ultraljudsextraktion utfördes med ultraljudssystemet UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotroden MS10 (10mm spetsdiameter) fördes in i mitten av en temperaturreglerad, mantlad glasbägare.

Nyskurna rödkålsbitar med en storlek på 5mm (kubformade) och en fukthalt på 92,11 ± 0,45 % användes i detta försök. En mantlad glasbägare (volym: 200ml) fylldes med 100ml destillerat vatten och 2g rödkålsbitar. Bägaren täcktes med aluminiumfolie för att förhindra förlust av lösningsmedel (vatten) genom avdunstning under processen. I samtliga försök hölls temperaturen i bägaren konstant med hjälp av en termostatregulator. Slutligen samlades prover in, filtrerades och centrifugerades vid 4000rpm, och supernatanterna användes för att bestämma antocyaninutbytet. Extraktion i vattenbad utfördes som kontrollförsök.
Det optimala utbytet av antocyaniner från rödkål fastställdes vid en effekt på 100 W, en tid på 30 min och en temperatur på 15°C, vilket gav ett antocyaninutbyte på cirka 21 mg/L.
På grund av dess färgförändringar beroende på pH-värdet och dess intensiva färgverkan har rödkålsfärgämne använts som pH-indikator i farmaceutiska beredningar respektive som antioxidant och färgämne i livsmedelssystem.

Ultraljud intensifierar extraktionen av antocyaniner från växtmaterial avsevärt.
källa: Ravanfar et al. 2015

 
Andra studier visar framgångsrik ultraljudsextraktion av antocyaniner från bland annat blåbär, björnbär, vindruvor, körsbär, jordgubbar och lila sötpotatis.

Högpresterande ultraljudsextraktorer

Hielscher Ultrasonics är specialiserat på tillverkning av högpresterande ultraljudsprocessorer för framställning av högkvalitativa extrakt från växtmaterial.
Hielschers breda utbud av ultraljudsapparater sträcker sig från små, kraftfulla ultraljudsapparater för laboratorier till robusta bänksystem och helt industriella system, som levererar högintensivt ultraljud för effektiv extraktion och isolering av bioaktiva ämnen (t.ex. antocyaniner, gingerol, piperin, kurkumin osv.).
Alla ultraljudsapparater från 200W till 16 000W har en pekskärm i färg för digital styrning, ett integrerat SD-kort för automatisk dataregistrering, fjärrstyrning via webbläsare och många fler användarvänliga funktioner. Sonotroderna och flödescellerna (de delar som kommer i kontakt med mediet) kan autoklaveras och är lätta att rengöra.
Hielschers ultraljudsapparater är mycket robusta och byggda för drift dygnet runt (24/7) under full belastning, samtidigt som de kräver lite underhåll och är enkla och säkra att använda. En digital färgskärm möjliggör användarvänlig styrning av ultraljudsapparaten.
Våra system kan leverera amplituder från låga till mycket höga nivåer. För extraktion av cannabinoider och terpener erbjuder vi särskilda ultraljudssonotroder (även kallade ultraljudssonder eller horn) som är optimerade för skonsam isolering av högkvalitativa aktiva ämnen. Alla våra system kan användas för extraktion och efterföljande emulgering av cannabinoider. Hielschers robusta ultraljudsapparater möjliggör kontinuerlig drift (24/7) under hög belastning och i krävande miljöer.

Den exakta styrningen av ultraljudsprocessens parametrar säkerställer reproducerbarhet och processtandardisering.
 

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

Litteratur / Referenser

• 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.

Fakta värda att känna till

Hur fungerar ultraljudsassisterad extraktion?

När intensiva ultraljudsvågor appliceras på ett flytande medium uppstår kavitation. Fenomenet kavitation leder lokalt till extrema temperaturer, tryck, uppvärmnings-/kylningshastigheter, tryckskillnader och höga skjuvkrafter i mediet. När kavitationsbubblor imploderar på ytan av fasta material (såsom partiklar, växtceller, vävnader etc.) ger mikrostrålar och kollisioner mellan partiklar upphov till effekter såsom ytavskalning, erosion och partikelnedbrytning. Dessutom skapar implosionen av kavitationsbubblor i flytande medier makroturbulens och mikroblandning.
Ultraljudsbestrålning av växtmaterial fragmenterar växtcellernas matris och ökar dess hydratisering. Chemat et al (2015) drar slutsatsen att ultraljudsextraktion av bioaktiva föreningar ur växter är resultatet av olika oberoende eller kombinerade mekanismer, däribland fragmentering, erosion, kapillaritet, uppluckring av vävnadsstrukturen och sonoporering. Dessa effekter bryter sönder cellväggen, förbättrar massöverföringen genom att pressa in lösningsmedel i cellen och suga ut lösningsmedel som innehåller växtföreningar samt säkerställer vätskerörelse genom mikroblandning.

Ultraljudsextraktion bygger på akustisk kavitation och dess hydrodynamiska skjuvkrafter

Ultraljudsbestrålning av växtmaterial fragmenterar växtcellernas matris och ökar dess hydratisering. Chemat et al. (2015) drar slutsatsen att ultraljudsextraktion av bioaktiva föreningar ur växter är resultatet av olika oberoende eller kombinerade mekanismer, däribland fragmentering, erosion, kapillaritet, uppluckring av vävnadsstrukturen och sonoporering. Dessa effekter bryter sönder cellväggen, förbättrar massöverföringen genom att pressa in lösningsmedel i cellen och suga ut lösningsmedel som innehåller växtföreningar samt säkerställer vätskerörelse genom mikroblandning.
Ultraljudsextraktion ger en mycket snabb isolering av föreningar – och överträffar konventionella extraktionsmetoder genom kortare processtid, högre utbyte och lägre temperaturer. Som en skonsam mekanisk behandling undviker ultraljudsassisterad extraktion termisk nedbrytning av bioaktiva komponenter och är överlägsen andra tekniker såsom konventionell lösningsmedelsextraktion, hydrodestillation eller Soxhlet-extraktion, vilka är kända för att förstöra värmekänsliga molekyler. Tack vare dessa fördelar är ultraljudsextraktion den föredragna tekniken för att frigöra temperaturkänsliga bioaktiva föreningar ur växter.

Ultraljudsextraktion ur växtceller: det mikroskopiska tvärsnittet (TS) visar verkningsmekanismerna vid ultraljudsextraktion ur celler (förstoring 2000x) [källa: Vilkhu et al. 2011]

Antocyanin – ett värdefullt växtpigment

Antocyaniner är vakuolära växtpigment som kan framträda som röda, lila, blå eller svarta. De vattenlösliga antocyaninpigmentens färg beror på deras pH-värde. Antocyaniner finns i cellvakuolen, främst i blommor och frukter, men även i blad, stjälkar och rötter, där de huvudsakligen förekommer i yttre cellager såsom epidermis och perifera mesofyllceller.
De vanligast förekommande i naturen är glykosiderna av cyanidin, delfinidin, malvidin, pelargonidin, peonidin och petunidin.
Framträdande exempel på växter som är rika på antocyaniner omfattar arter av släktet Vaccinium, såsom amerikanska blåbär, tranbär och blåbär; bär av släktet Rubus, däribland svarta hallon, röda hallon och björnbär; svarta vinbär, körsbär, aubergine, svart ris, ube, sötpotatis från Okinawa, Concord-druvor, muskadindruvor, rödkål och violkronblad. Persikor och äpplen med rött fruktkött innehåller antocyaniner. Antocyaniner förekommer i mindre mängder i banan, sparris, ärtor, fänkål, päron och potatis och kan saknas helt i vissa sorter av gröna krusbär.

De huvudsakliga antocyaninernas struktur

Antocyaniner är ett utmärkt alternativ för att ersätta syntetiska färgämnen i livsmedel. Antocyaniner är godkända för användning som livsmedelsfärgämnen i Europeiska unionen, Australien och Nya Zeeland och har färgämneskoden E163. Antocyaniner finns i frukt och grönsaker och kan beskrivas som en typ av vattenlösliga växtpigment. Kemiskt är antocyaniner glykosider av antocyanidiner baserade på strukturen 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Det finns fler än 200 olika fytokemikalier som tillhör kategorin antocyaniner. Eftersom antocyaniner är ett huvudsakligt färgpigment i vilda frukter och bär finns det många källor som de kan extraheras från. En framträdande källa till antocyaniner är druvskal. Antocyaninpigmenten i druvskal består huvudsakligen av diglukosider, monoglukosid, acylerade monoglukosider samt acylerade diglukosider av peonidin, malvidin, cyanidin, petunidin och delfinidin. Antocyaninhalten i druvor varierar från 30–750mg/100g.
De mest framträdande antocyaninerna är cyanidin, delfinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin och petunidin.
Till exempel finns antocyaninerna peonidin-3-kaffeoyl-p-hydroxibensoylsoforosid-5-glukosid, peonidin-3-(6″-kaffeoyl-6‴-feruloylsoforosid)-5-glukosid och cyanidin-3-kaffeoyl-p-hydroxibensoylsoforosid-5-glukosid i lila sötpotatis.

Antocyaniner – hälsofördelar

Förutom sin utmärkta förmåga att fungera som naturliga livsmedelsfärgämnen värderas antocyaniner högt för sina antioxidativa effekter. Antocyaniner uppvisar därför många positiva hälsoeffekter. Forskning har visat att antocyaniner kan hämma DNA-skador i cancerceller, hämma matsmältningsenzymer, inducera insulinproduktion i isolerade bukspottkörtelceller, minska inflammatoriska reaktioner, skydda mot åldersrelaterad försämring av hjärnfunktionen, förbättra kapillärernas täthet och förhindra trombocytaggregation.