Ultraljudsbehandling för förbättrad sönderdelning av algceller och extraktion

Alger, både makro- och mikroalger, innehåller många värdefulla föreningar som används som näringsrika livsmedel, livsmedelstillsatser eller som bränsle eller bränsleråvara. För att frigöra målämnena från algcellen krävs en kraftfull och effektiv teknik för cellsönderdelning. Ultraljudsextraktorer är mycket effektiva och tillförlitliga vid extraktion av bioaktiva föreningar från växtmaterial, alger och svampar. Hielschers ultraljudsextraktorer finns i laboratorie-, bänk- och industriskala och är etablerade för framställning av cellbaserade extrakt inom livsmedels-, läkemedels- och biobränsleproduktion.

Alger som en värdefull resurs för näring och bränsle

Algceller är en mångsidig källa till bioaktiva och energirika föreningar, såsom proteiner, kolhydrater, lipider och andra bioaktiva ämnen samt alkaner. Detta gör alger till en källa till livsmedel och näringsämnen samt bränslen.
Mikroalger är en uppskattad källa till lipider som används för näring och som råvara för biobränslen (t.ex. biodiesel). Stammar av det marina växtplanktonsläktet Dicrateria, såsom Dicrateria rotunda, är kända som bensinproducerande alger som kan syntetisera en serie mättade kolväten (n-alkaner) från C₁₀H₂₂ till C₃₈H₇₈, vilka kategoriseras som bensin (C10–C15), dieseloljor (C16–C20) och eldningsoljor (C21–C38).
På grund av sitt näringsvärde används alger som ”funktionella livsmedel” eller ”nutraceutika”. Viktiga mikronäringsämnen som extraheras från alger omfattar karotenoiderna astaxantin, fukoxantin och zeaxantin, fukoidan, laminari och andra glukaner, som tillsammans med många andra bioaktiva ämnen används som kosttillskott och läkemedel. Karragenan, alginat och andra hydrokolloider används som livsmedelstillsatser. Alglipider används som en vegansk omega-3-källa och även som bränsle eller som råvara för produktion av biodiesel.

Sönderdelning av algceller och extraktion med effektultraljud

Ultraljudsextraktorer, eller helt enkelt ultraljudsapparater, används för att extrahera värdefulla föreningar från små prover i laboratoriet samt för produktion i stor kommersiell skala.
Algceller skyddas av komplexa cellväggsmatriser som består av lipider, cellulosa, proteiner, glykoproteiner och polysackarider. Grunden i de flesta algcellväggar utgörs av ett mikrofibrillärt nätverk i en gelliknande proteinmatris. Vissa mikroalger har dock en oorganisk, styv vägg bestående av frustuler av opalin kiseldioxid eller kalciumkarbonat. För att utvinna bioaktiva föreningar ur algbiomassa krävs en effektiv teknik för cellsönderdelning. Utöver de tekniska extraktionsfaktorerna (dvs. extraktionsmetod och utrustning) påverkas effektiviteten vid sönderdelning av algceller och extraktion också starkt av olika algberoende faktorer, såsom cellväggens sammansättning, den önskade biomolekylens placering i mikroalgcellerna och mikroalgernas tillväxtstadium vid skörd.

Hur fungerar sönderdelning av algceller och extraktion med ultraljud?

När högintensiva ultraljudsvågor kopplas in i en vätska eller slurry via en ultraljudssond (även kallad ultraljudshorn eller sonotrod) fortplantar sig ljudvågorna genom vätskan och skapar därmed omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler. Under dessa högtrycks- och lågtryckscykler uppstår mycket små vakuumbubblor eller hålrum. Kavitationsbubblor uppstår när det lokala trycket under lågtryckscyklerna sjunker tillräckligt långt under mättnadsångtrycket, ett värde som ges av vätskans draghållfasthet vid en viss temperatur. Dessa växer under flera cykler. När dessa vakuumbubblor når en storlek där de inte kan absorbera mer energi imploderar bubblan våldsamt under en högtryckscykel. Kavitationsbubblornas implosion är en våldsam, energität process som genererar intensiva stötvågor, turbulens och mikrostrålar i vätskan. Dessutom uppstår lokalt mycket höga tryck och mycket höga temperaturer. Dessa extrema förhållanden kan lätt sönderdela cellväggar och membran och frigöra intracellulära föreningar på ett effektivt, verkningsfullt och snabbt sätt. Intracellulära föreningar såsom proteiner, polysackarider, lipider, vitaminer, mineraler och antioxidanter kan därmed extraheras effektivt med hjälp av effektultraljud.

Ultraljudskavitation för cellsönderdelning och extraktion

Vid exponering för intensiv ultraljudsenergi sönderdelas väggen eller membranet hos alla typer av celler (inklusive växt-, däggdjurs-, alg-, svamp- och bakterieceller etc.), och cellen slits sönder i mindre fragment av de mekaniska krafterna från energität ultraljudskavitation. När cellväggen bryts sönder frigörs cellulära metaboliter såsom protein, lipid, nukleinsyra och klorofyll från såväl cellväggsmatrisen som cellens inre och överförs till det omgivande odlingsmediet eller lösningsmedlet.
Den ovan beskrivna mekanismen för ultraljudskavitation / akustisk kavitation orsakar kraftig sönderdelning av hela algceller eller gas- och vätskevakuoler inuti cellerna. Ultraljudskavitationen, vibrationerna, turbulensen och mikroströmningen främjar masstransporten mellan cellens inre och det omgivande lösningsmedlet, så att biomolekylerna (dvs. metaboliterna) frigörs effektivt och snabbt. Ultraljudsbehandling är nämligen en rent mekanisk behandling som inte kräver aggressiva, giftiga och/eller dyra kemikalier.
Högintensivt, lågfrekvent ultraljud skapar extrema, energitäta förhållanden med höga tryck, höga temperaturer och stora skjuvkrafter. Dessa fysikaliska krafter främjar sönderdelningen av cellstrukturer för att frigöra intracellulära föreningar till mediet. Därför används lågfrekvent ultraljud i stor utsträckning för extraktion av bioaktiva ämnen och bränslen från alger. Jämfört med konventionella extraktionsmetoder såsom lösningsmedelsextraktion, pärlmalning eller högtryckshomogenisering utmärker sig ultraljudsextraktion genom att frigöra de flesta bioaktiva föreningarna (såsom lipider, proteiner, polysackarider och mikronäringsämnen) från den sonoporerade och sönderdelade cellen. Med rätt processförhållanden ger ultraljudsextraktion överlägsna extraktionsutbyten inom en mycket kort processtid. Exempelvis uppvisar högpresterande ultraljudsextraktorer utmärkt extraktionsprestanda för alger när de används med ett lämpligt lösningsmedel. I ett surt eller alkaliskt medium blir algcellväggen porös och skrynklig, vilket leder till ökade utbyten vid låg temperatur (under 60°C) och kort ultraljudsbehandlingstid (mindre än 3 timmar). Den korta extraktionstiden vid milda temperaturer förhindrar nedbrytning av fukoidan, så att en mycket bioaktiv polysackarid erhålls.
Ultraljudsbehandling är också en metod för att omvandla fukoidan med hög molekylvikt till fukoidan med låg molekylvikt, som är betydligt mer bioaktivt på grund av sin avgrenade struktur. Med sin höga bioaktivitet och bioåtkomlighet är fukoidan med låg molekylvikt en intressant förening för läkemedel och system för läkemedelstillförsel.

Fallstudier: Ultraljudsextraktion av föreningar från alger

Ultraljudsextraktionens effektivitet och optimeringen av parametrar för ultraljudsextraktion har studerats ingående. Nedan hittar du exempel på extraktionsresultat från olika algarter med hjälp av ultraljudsbehandling.

Proteinextraktion från spirulina med mano-termo-sonikering

Professor Chemats forskargrupp (University of Avignon) undersökte effekterna av manotermosonikering (MTS) på extraktion av proteiner (såsom fykocyanin) från torkade cyanobakterier av arten Arthrospira platensis (även kända som spirulina). Manotermosonikering (MTS) innebär att ultraljud används i kombination med förhöjda tryck och temperaturer för att intensifiera ultraljudsextraktionsprocessen.
”Enligt försöksresultaten främjade MTS massöverföringen (hög effektiv diffusivitet, De) och gjorde det möjligt att erhålla 229% mer protein (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) än med den konventionella processen utan ultraljud (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Med 28,42 g protein per 100 g torr spirulinabiomassa i extraktet uppnåddes en proteinutvinningsgrad på 50% under 6 effektiva minuter med en kontinuerlig MTS-process. Mikroskopiska observationer visade att akustisk kavitation påverkade spirulinafilament genom olika mekanismer såsom fragmentering, sonoporation och nedbrytning av strukturen. Dessa olika fenomen underlättar extraktion, frisättning och solubilisering av bioaktiva föreningar från spirulina.” [Vernès et al., 2019]

Ljusmikroskopibilder av hela spirulinafilament som utsatts för MTS-behandling över tid. Skalstreck (bild A) = 50 μm för samtliga bilder.
bild och studie: ©Vernès et al. 2019

Ultraljudsextraktion av fukoidan och glukaner från Laminaria digitata

Dr Tiwaris forskargrupp vid TEAGASC undersökte extraktion av polysackarider, dvs. fukoidan, laminarin och totala glukaner, från makroalgen Laminaria digitata med ultraljudsapparaten UIP500hdT. De undersökta parametrarna för ultraljudsassisterad extraktion (UAE) visade sig ha en betydande inverkan på nivåerna av fukos, FRAP och DPPH. Nivåer på 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde och 11,02% erhölls för fukos, totala glukaner, FRAP respektive DPPH vid optimerade betingelser för temperatur (76◦C), tid (10 min) och ultraljudsamplitud (100%) med 0,1 M HCl som lösningsmedel. De beskrivna UAE-betingelserna tillämpades därefter framgångsrikt på andra ekonomiskt relevanta bruna makroalger (L. hyperborea och A. nodosum) för att erhålla polysackaridrika extrakt. Denna studie visar att UAE kan användas för att förbättra extraktionen av bioaktiva polysackarider från olika makroalgarter.

Ultraljudsextraktion av fytokemikalier från F. vesiculosus och P. canaliculata

García-Vaqueros forskargrupp jämförde olika nya extraktionstekniker, däribland högpresterande ultraljudsextraktion, ultraljuds–mikrovågsextraktion, mikrovågsextraktion, hydrotermiskt assisterad extraktion och högtrycksassisterad extraktion, för att utvärdera extraktionseffektiviteten för de bruna mikroalgarterna Fucus vesiculosus och Pelvetia canaliculata. För ultraljudsbehandlingen använde de ultraljudsextraktorn Hielscher UIP500hdT. Analysen av extraktionsutbytena visade att ultraljudsextraktion gav de högsta utbytena av de flesta fytokemikalier från båda F. vesiculosus. Detta innebär att de högsta utbytena av föreningar som extraherades från F. vesiculosus med ultraljudsextraktorn UIP500hdT var: total fenolhalt (445,0 ± 4,6 mg gallussyraekvivalenter/g), total florotanninhalt (362,9 ± 3,7 mg floroglucinolekvivalenter/g), total flavonoidhalt (286,3 ± 7,8 mg quercetinekvivalenter/g) och total tanninhalt (189,1 ± 4,4 mg katekvivalenter/g).
I sin forskningsstudie drog gruppen slutsatsen att användning av ultraljudsassisterad extraktion ”i kombination med en 50% etanollösning som extraktionsmedel skulle kunna vara en lovande strategi för extraktion av TPC, TPhC, TFC och TTC, samtidigt som samextraktionen av oönskade kolhydrater från både F. vesiculosus och P. canaliculata minskas, med lovande tillämpningar när dessa föreningar används som läkemedel, nutraceutika och kosmeceutika.” [García-Vaquero et al., 2021]

Uppskalning av manotermosonikering vid University of Avignon med ultraljudsapparater från Hielscher: från laboratorieutrustningen UIP1000hdT (A) till utrustningen i pilotskala UIP4000hdT (B, C & D). På bild D visas ett schematiskt tvärsnitt av ultraljudsflödescellen FC100K.
bild och studie: ©Vernès et al. 2019

Högpresterande ultraljudsextraktorer för sönderdelning av algceller

Hielschers toppmoderna ultraljudsutrustning möjliggör fullständig kontroll över processparametrar såsom amplitud, temperatur, tryck och energitillförsel.
Vid ultraljudsextraktion kan parametrar såsom råmaterialets partikelstorlek, typ av lösningsmedel, förhållandet mellan fast material och lösningsmedel samt extraktionstid varieras och optimeras för bästa resultat.
Eftersom ultraljudsextraktion är en icke-termisk extraktionsmetod undviks termisk nedbrytning av de bioaktiva beståndsdelar som finns i råmaterialet, såsom alger.
Sammantaget gör fördelar såsom högt utbyte, kort extraktionstid, låg extraktionstemperatur och små mängder lösningsmedel ultraljudsbehandling till den överlägsna extraktionsmetoden.

Ultraljudsextraktion: etablerad i laboratorier och industri

Ultraljudsextraktion används i stor utsträckning för att extrahera alla slags bioaktiva föreningar från växtmaterial, alger, bakterier och däggdjursceller. Ultraljudsextraktion har etablerats som en enkel, kostnadseffektiv och mycket effektiv metod som överträffar andra traditionella extraktionstekniker genom högre extraktionsutbyten och kortare behandlingstid.
Med lättillgängliga ultraljudssystem för laboratoriebruk, bänkskala och full industriell skala är ultraljudsextraktion numera en väletablerad och tillförlitlig teknik. Hielschers ultraljudsextraktorer är installerade över hela världen i industriella processanläggningar som producerar bioaktiva föreningar av livsmedels- och läkemedelskvalitet.

Processtandardisering med Hielscher Ultrasonics

Algextrakt som används i livsmedel, läkemedel eller kosmetika måste produceras enligt god tillverkningssed (GMP) och standardiserade processpecifikationer. De digitala extraktionssystemen från Hielscher Ultrasonics är utrustade med intelligent programvara som gör det enkelt att ställa in och styra ultraljudsbehandlingen exakt. Automatisk dataregistrering sparar alla ultraljudsprocessparametrar såsom ultraljudsenergi (total energi och nettoenergi), amplitud, temperatur och tryck (när temperatur- och trycksensorer är monterade) med datum- och tidsstämpel på det inbyggda SD-kortet. Detta gör att du kan granska varje ultraljudsbehandlad sats. Samtidigt säkerställs reproducerbarhet och genomgående hög produktkvalitet.

Tabellen nedan ger en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: