Ultraljud för att förbättra alger cell störningar och extraktion

Alger, 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 potent och effektiv cellstörningsteknik. Ultraljud extraktorer är mycket effektiva och tillförlitliga när det gäller utvinning av bioaktiva föreningar från växter, alger och svampar. Hielscher ultraljudsextrakt finns i labb, bänk-top och industriell skala och är etablerade i produktionen av cell-härledda extrakt i 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 mat och näringsföreningar samt för bränslen.
Mikroalger är en uppskattad källa till lipider, som används för näring och som råvara fo biobränslen (t.ex. biodiesel). Stammar av den marina fytoplanktondikratria, såsom Dicrateria rotunda, är kända som bensinproducerande alger, som kan syntetisera en serie mättade kolväten (n-alkaner) från C₁₀H₂₂ till C₃₈H₇₈, som kategoriseras som bensin (C10–C15), dieseloljor (C16–C20) och eldningsoljor (C21–C38).
På grund av deras näringsvärde används alger som "funktionella livsmedel" eller "nutraceuticals". Viktiga mikronäringsämnen som extraheras från alger inkluderar karotenoider astaxantin, fucoxanthin och zeaxantin, fucoidan, laminari och andra glukaner bland många andra bioaktiva ämnen används som näringstillskott och pharmceuticals. Carrageenan, alginat och andra hydrocolloider används som livsmedelstillsatser. Alger lipider används som vegansk omega-3 källa och används också som bränsle eller som råvara för produktion av biodiesel.

Algcellsstörning och extraktion genom kraft ultraljud

Ultraljud extraktorer eller helt enkelt ultraljud används för att extrahera värdefulla föreningar från små prover i labbet samt för produktion i stor kommersiell skala.
Algceller skyddas av komplexa cellväggmatriser, som består av lipider, cellulosa, proteiner, glykoproteiner och polysackarider. Basen av de flesta algcellväggar är byggd av ett mikrofibrillärt nätverk inom en gelliknande proteinmatris; Emellertid, vissa mikroalger är utrustade med en oorganisk styv vägg bestående av opalin kiseldioxid frustules eller kalciumkarbonat. För att erhålla bioaktiva föreningar från algbiomassa krävs en effektiv cellstörningsteknik. Förutom de tekniska extraktionsfaktorerna (dvs. extraktionsmetod och utrustning) påverkas effektiviteten av störningar och extraktion av alger cellen också starkt av olika algberoende faktorer som sammansättning av cellväggen, placering av önskad biomolekyl i mikroalgerceller och tillväxtstadium av mikroalger under skörden.

Hur fungerar ultraljud alger cell störningar och extraktion?

När högintensiva ultraljud vågor kopplas via en ultraljud sond (även känd som ultraljud horn eller sonotrode) i en vätska eller slam, ljudvågorna färdas genom vätskan och skapar därmed alternerande högtryck / lågtryck cykler. Under dessa högtrycks- / lågtryckscykler uppstår minutvakuumbubblor eller hålrum. Kavitationsbubblor uppstår när det lokala trycket faller under lågtryckscyklerna tillräckligt långt under det mättade ångtrycket, ett värde som ges av vätskats draghållfasthet vid en viss temperatur. Som växer under flera cykler. När dessa vakuumbubblor når en storlek, där de inte kan absorbera mer energi, imploderar bubblan våldsamt under en högtryckscykel. Implosionen av kavitationsbubblor är en våldsam, energität process som genererar intensiva chockvågor, turbulenser och mikrostrålar i vätskan. Dessutom skapas lokaliserade mycket höga tryck och mycket höga temperaturer. Dessa extrema förhållanden är lätta att störa cellväggar och membran och frigöra intracellulära föreningar på ett effektivt, effektivt och snabbt sätt. Intracellulära föreningar som proteiner, polysackarider, lipider, vitaminer, mineraler och antioxidanter kan därmed effektivt extraheras med hjälp av kraft ultraljud.

Ultraljud kavitation för cell störningar och extraktion

När den utsätts för intensiv ultraljud energi, väggen eller membranet i någon form av cell (inklusive botaniska, däggdjur, alg, svamp, bakteriell etc.) störs och cellen slits i mindre fragment av de mekaniska krafterna i energitäta ultraljud kavitation. När cellväggen bryts frigörs cellulära metaboliter som protein, lipid, nukleinsyra och klorofyll från cellväggsmatrisen samt från cellinredningen och överförs till det omgivande odlingsmediet eller lösningsmedlet.
Ovanstående beskrivna mekanism för ultraljud / akustisk kavitation stör hela algceller eller gas och flytande vacuoles inom celler allvarligt. Ultraljud kavitation, vibrationer, turbulenser och mikro-streaming främja massöverföringen mellan cellinteriör och det omgivande lösningsmedlet så att biomolekylerna (dvs. metaboliter) släpps effektivt och snabbt. Eftersom ultraljudsbehandling är en rent mekanisk behandling som inte kräver hårda, giftiga och/eller dyra kemikalier.
Högintensiva ultraljud med låg frekvens skapar extrema energitäta förhållanden, med högt tryck, temperaturer och höga savkrafter. Dessa fysiska krafter främjar störningar av cellstrukturer för att frigöra intracellulära föreningar i mediet. Därför används lågfrekvent ultraljud till stor del för utvinning av bioaktiva ämnen och bränslen från alger. Jämfört med konventionella extraktionsmetoder såsom lösningsmedel extraktion, pärl-fräsning eller högtryck homogenisering, ultraljud extraktion utmärker sig genom att släppa de flesta av de bioaktiva föreningarna (såsom lipider, proteiner, polysackarider och mikronäringsämnen) från sonoporerade och störda cellen. Tillämpa rätt process villkor, ultraljud utvinning ger överlägsen extraktion utbyten inom en mycket kort process varaktighet. Till exempel, högpresterande ultraljud extraktorer visar utmärkt extraktion prestanda från alger, när de används med ett lämpligt lösningsmedel. I ett surt eller alkaliskt medium blir algcellväggen porös och skrynklig, vilket leder till ökad avkastning vid låg temperatur (under 60 °C) på kort ultraljudsbehandlingstid (mindre än 3 timmar). Den korta extraktionstiden vid milda temperaturer förhindrar fucoidan nedbrytning, så att en mycket bioaktiv polysackarid erhålls.
Ultraljud är också en metod för att omvandla högmolekylär vikt fucoidan till lågmolekylär vikt fucoidan, som är betydligt mer bioaktiv på grund av dess debranched struktur. Med sin höga bioaktivitet och biotillgänglighet är fucoidan med låg molekylvikt en intressant förening för läkemedel och läkemedelsleveranssystem.

Fallstudier: Ultraljud utvinning av alger föreningar

Ultraljud utvinning effektivitet och optimering av ultraljud utvinning parametrar har studerats i stor utsträckning. Nedan kan du hitta exemplariska resultat för extraktionsresultaten via ultraljud från olika algarter.

Proteinutvinning från Spirulina med mano-termo-ultraljudsbehandling

Forskargruppen av Prof. Chemat (University of Avignon) undersökte effekterna av manothermosonication (MTS) på utvinning av proteiner (såsom fykocyanin) från torr Arthrospira platensis cyanobakterier (även känd som spirulina). Mano-Thermo-Sonication (MTS) är tillämpningen av ultraljud i kombination med förhöjda tryck och temperaturer för att intensifiera ultraljud utvinningsprocessen.
"Enligt experimentella resultat främjade MTS massöverföring (hög effektiv diffusivitet, De) och möjliggjorde att få 229% mer proteiner (28,42 ± 1,15 g/100 g DW) än konventionell process utan ultraljud (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Med 28,42 g proteiner per 100 g torr spirulinabiomassa i extraktet uppnåddes en proteinåtervinningsgrad på 50% på 6 effektiva minuter med en kontinuerlig MTS-process. Mikroskopiska observationer visade att akustisk kavitation påverkade spirulina filament av olika mekanismer såsom fragmentering, sonoporation, detexturation. Dessa olika fenomen underlättar extraktion, frisättning och löslighet av spirulina bioaktiva föreningar." [Vernès et al., 2019]

Optiska mikroskopi bilder av hela spiurulina filament utsätts för MTS behandling över tiden. Skalstreck (bild A) = 50 μm för alla bilder.
bild och studie: ©Vernès et al. 2019

Ultraljud Fucoidan och glukan extraktion från Laminaria digitata (på andra)

Teagasc-forskargruppen dr Tiwari undersökte utvinningen av polysackarider, dvs. ultraljudsdonet UIP500hdT. De ultraljud-assisted extraktion (UAE) parametrarna studerade visade betydande inflytande på nivåerna av fucose, FRAP och DPPH. Halter på 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds. 8,70 μM trolox/mg fde och 11,02% erhölls för fucose, totala glukaner, FRAP respektive DPPH vid optimerade temperaturförhållanden (76◦C), tid (10 min) respektive ultraljud amplitud (100%) med 0,1 M HCl som lösningsmedel. Förenade Arabemiraten villkor beskrivs tillämpades sedan framgångsrikt på andra ekonomiskt relevanta bruna macroalgae (L. hyperborea och A. nodosum) för att erhålla polysackarid rika extrakt. Denna studie visar tillämpligheten av Förenade Arabemiraten för att förbättra utvinningen av bioaktiva polysackarider från olika makroalgala arter.

Ultraljud fytokemisk extraktion från F. vesiculosus (olika) och P. kanalikulata

Forskargruppen i García-Vaquero jämförde olika nya extraktionsmetoder inklusive högpresterande ultraljud extraktion, ultraljud-mikrovåg utvinning, mikrovåg utvinning, hydrotermisk-assisterad extraktion och högtrycksassisterad extraktion för att utvärdera extraktionseffektiviteten från de bruna mikroalger arten Fucus vesiculosus och Pelvetia canaliculata. För ultraljudsbehandling, de använde Hielscher UIP500hdT ultraljud extractor. Anylsis av extraktion avkastning visade att ultraljud utvinning uppnått de högsta utbyten av de flesta fytokemikalier från båda F. vesiculosus. Detta innebär att de högsta utbytena av föreningar som extraherats från F. vesiculosus med hjälp av ultraljud extractor UIP500hdT var: total fenolhalt (445,0 ± 4,6 mg gallsyraekvivalenter/g), total phlorotanninhalt (362,9 ± 3,7 mg phloroglucinol ekvivalenter/g ), total flavonoider (286,3 ± 7,8 mg quercetinekvivalenter/g) och total tanninhalt (189,1 ± 4,4 mg catechinekvivalenter/g).
I sin forskningsstudie drog teamet slutsatsen att användningen av ultraljudsassisterad extraktion "i kombination med 50% etanollösning som extraktionsmedel kan vara en lovande strategi som riktar sig till extraktion av TPC, TPhC, TFC och TTC, samtidigt som samutvinning av oönskade kolhydrater från både F. vesiculosus och P. canaliculata, med lovande tillämpningar när man använder dessa föreningar som läkemedel, nutraceuticals och cosmeceuticals." [García-Vaquero et al., 2021]

Skala upp mano-termos-ultraljudsbehandling vid University of Avignon med Hielscher ultrasonicators: från laboratorieutrustning UIP1000hdT a) Till pilotvågsutrustning UIP4000hdT (B, C & D). På bild D schemaiseras en tvärgående del av ultraljud flöde cellen FC100K (på 100 000).
bild och studie: ©Vernès et al. 2019

Högpresterande ultraljud extraktorer för alger störningar

Hielschers State-of-the-art ultraljud utrustning möjliggör full kontroll över processen parametrar såsom amplitud, temperatur, tryck och energi ingång.
För ultraljud utvinning, parametrar såsom råmaterial partikel storlek, lösningsmedel typ, solid-till-lösningsmedel förhållande, och extraktionstid kan varieras och optimeras för bästa resultat.
Eftersom ultraljud utvinning är en icke-termisk extraktion metod, den termiska nedbrytningen av de bioaktiva ingredienserna som finns i råvaran såsom alger undviks.
Sammantaget gör fördelar som högt utbyte, kort extraktionstid, låg extraktionstemperatur och de små mängderna lösningsmedel ultraljudsbehandling den överlägsna extraktionsmetoden.

Ultraljud utvinning: Etablerade i labb och industri

Ultraljud utvinning tillämpas allmänt för utvinning av någon form av bioaktiv förening från växter, alger, bakterier och däggdjur celler. Ultraljud utvinning har fastställts som en enkel, kostnadseffektiv och mycket effektiv som utmärker andra traditionella extraktion tekniker genom högre extraktion avkastning och kortare bearbetning varaktighet.
Med labb, bänk-top och helt industriella ultraljud system lätt tillgängliga, ultraljud utvinning är numera en väletablerad och betrodd teknik. Hielscher ultraljud extraktorer installeras över hela världen i industriella bearbetningsanläggningar som producerar livsmedel- och farmabiprodukter bioaktiva föreningar.

Processstandardisering med Hielscher Ultrasonics

Algbaserade extrakt, som används i livsmedel, läkemedel eller kosmetika, måste framställas i enlighet med god tillverkningssed och enligt standardiserade bearbetningsspecifikationer. Hielscher Ultrasonics digitala extraktionssystem har intelligent programvara, vilket gör det enkelt att ställa in och styra ultraljudsbehandlingsprocessen exakt. Automatisk datainspelning skriver alla ultraljud processparametrar som ultraljud energi (total och nettoenergi), amplitud, temperatur, tryck (när temp och tryck sensorer är monterade) med datum och tidsstämpel på det inbyggda SD-kortet. Detta gör att du kan revidera varje ultraljud bearbetat parti. Samtidigt säkerställs reproducerbarhet och kontinuerligt hög produktkvalitet.

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: