Ultraljud för att förbättra alger cell störning och extraktion

Alger, makro- och mikroalger, innehåller många värdefulla föreningar, som används som näringsrika livsmedel, livsmedelstillsatser eller som bränsle eller bränsleråvara. För att frigöra målsubstanserna från algcellen krävs en potent och effektiv cellstörningsteknik. Ultraljudsextraktorer är mycket effektiva och pålitliga när det gäller utvinning av bioaktiva föreningar från växter, alger och svampar. Tillgängliga i labb, bänkskiva och industriell skala, Hielscher ultraljudsextraktorer är etablerade i produktionen av cellhärledda 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 livsmedel och näringsföreningar samt som bränslen.
Mikroalger är en uppskattad källa till lipider, som används för näring och som råvara för biobränslen (t.ex. biodiesel). Stammar av det marina fytoplanktonet Dicrateria, 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 sitt näringsvärde används alger som "funktionella livsmedel" eller "nutraceuticals". Viktiga mikronäringsämnen som utvinns från alger inkluderar karotenoiderna astaxanthin, fucoxanthin och zeaxantin, fucoidan, laminari och andra glukaner bland många andra bioaktiva ämnen som används som näringstillskott och läkemedel. Karragenan, alginat och andra hydrokolloider används som livsmedelstillsatser. Alglipider används som vegansk omega-3-källa och används även som bränsle eller som råvara för produktion av biodiesel.

Störning och extraktion av algceller med hjälp av ultraljud

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. Basen i de flesta algcellväggar är uppbyggd av ett mikrofibrillärt nätverk i en gelliknande proteinmatris; Vissa mikroalger är dock utrustade med en oorganisk styv vägg som består av opaline kiseldioxid frustuler eller kalciumkarbonat. För att erhålla bioaktiva föreningar från algbiomassa är en effektiv cellstörningsteknik nödvändig. Förutom de tekniska extraktionsfaktorerna (dvs. extraktionsmetod och utrustning) påverkas effektiviteten av algcellstörning och extraktion också starkt av olika algberoende faktorer såsom sammansättningen av cellväggen, placeringen av den önskade biomolekylen i mikroalgceller och mikroalgernas tillväxtstadium under skörden.

Hur fungerar ultraljud alger cell störning och extraktion?

När högintensiva ultraljudsvågor kopplas via en ultraljudssond (även känd som ultraljudshorn eller sonotrode) till en vätska eller slurry, färdas ljudvågorna genom vätskan och skapar därmed omväxlande högtrycks- / lågtryckscykler. Under dessa högtrycks-/lågtryckscykler uppstår små vakuumbubblor eller håligheter. Kavitationsbubblor uppstår när det lokala trycket sjunker under lågtryckscyklerna tillräckligt långt under det mättade ångtrycket, ett värde som ges av vätskans draghållfasthet vid en viss temperatur. De som växer över 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, turbulens och mikrostrålar i vätskan. Dessutom skapas lokala 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 kraftultraljud.

Ultraljud kavitation för cellstörning och extraktion

När den utsätts för intensiv ultraljudsenergi, väggen eller membranet i någon form av cell (inklusive botaniska, däggdjur, alger, svamp, bakteriella etc.) störs och cellen slits i mindre fragment av de mekaniska krafterna av energität ultraljudskavitation. När cellväggen bryts frigörs de cellulära metaboliterna såsom protein, lipid, nukleinsyra och klorofyll från cellväggsmatrisen såväl som från cellens inre och överförs till det omgivande odlingsmediet eller lösningsmedlet.
Den ovan beskrivna mekanismen för ultraljud / akustisk kavitation stör hela algceller eller gas och flytande vakuoler i celler allvarligt. Ultraljudskavitationen, vibrationerna, turbulensen och mikroströmningen främjar massöverföringen mellan cellens inre och det omgivande lösningsmedlet så att biomolekylerna (dvs. metaboliterna) blir effektiva och snabbt frisätts. Eftersom ultraljudsbehandling är en rent mekanisk behandling som inte kräver starka, giftiga och/eller dyra kemikalier.
Högintensivt, lågfrekvent ultraljud skapar extrema energitäta förhållanden, med höga tryck, temperaturer och höga skjuvkrafter. Dessa fysiska krafter främjar störningen 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 lösningsmedelsextraktion, pärlmalning eller högtryckshomogenisering, utmärker sig ultraljudsextraktion genom att frigöra de flesta av de bioaktiva föreningarna (såsom lipider, proteiner, polysackarider och mikronäringsämnen) från den sonoporerade och störda cellen. Genom att tillämpa rätt processförhållanden ger ultraljudsextraktion överlägsna extraktionsutbyten inom en mycket kort processtid. Till exempel visar högpresterande ultraljudsextraktorer utmärkt extraktionsprestanda från 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) i en kort ultraljudsbehandlingstid (mindre än 3 timmar). Den korta extraktionstiden vid milda temperaturer förhindrar nedbrytning av fucoidan, så att en mycket bioaktiv polysackarid erhålls.
Ultraljud är också en metod för att omvandla fucoidan med hög molekylvikt till fucoidan med låg molekylvikt, vilket är betydligt mer bioaktivt på grund av dess förgrenade struktur. Med sin höga bioaktivitet och biotillgänglighet är fucoidan med låg molekylvikt en intressant substans för läkemedel och drug delivery-system.

Fallstudier: Ultraljud extraktion av algföreningar

Ultraljud extraktion effektivitet och optimering av ultraljud extraktion parametrar har studerats i stor utsträckning. Nedan kan du hitta exempel på resultat för extraktion resultat via ultraljud från olika algarter.

Proteinextraktion från spirulina med hjälp av Mano-termo-ultraljudsbehandling

Forskargruppen under Prof. Chemat (University of Avignon) undersökte effekterna av manotermosonik (MTS) på extraktionen av proteiner (såsom fykocyanin) från torra Arthrospira platensis cyanobakterier (även känd som spirulina). Mano-termo-ultraljudsbehandling (MTS) är tillämpningen av ultraljud i kombination med förhöjda tryck och temperaturer för att intensifiera ultraljudsextraktionsprocessen.
"Enligt experimentella resultat främjade MTS massöverföring (hög effektiv diffusivitet, De) och gjorde det möjligt att få 229 % fler 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 protein 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 spirulinafilament genom olika mekanismer såsom fragmentering, sonoporation, detexturering. Dessa olika fenomen gör det lättare att extrahera, frisätta och lösa bioaktiva spirulinaföreningar." [Vernès et al., 2019]

Optiska mikroskopibilder av hela spurulinafilament som utsatts för MTS-behandling över tid. Skalstapel (bild A) = 50 μm för alla bilder.
bild och studie: ©Vernès et al. 2019

Ultraljud Fucoidan och glukan extraktion från Laminaria digitata

Dr. Tiwaris forskargrupp TEAGASC undersökte extraktionen av polysackarider, dvs. fucoidan, laminarin och totala glukaner, från makroalgen Laminaria digitata med hjälp av Ultraljudsapparat UIP500hdT. De studerade parametrarna för ultraljudsassisterad extraktion (UAE) visade signifikant inflytande 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 förhållanden för temperatur (76◦C), tid (10 min) och ultraljudsamplitud (100%) med 0,1 M HCl som lösningsmedel. De beskrivna förhållandena i Förenade Arabemiraten tillämpades sedan framgångsrikt på andra ekonomiskt relevanta bruna makroalger (L. hyperborea och A. nodosum) för att erhålla polysackaridrika extrakt. Denna studie visar att Förenade Arabemiraten kan användas för att förbättra utvinningen av bioaktiva polysackarider från olika makroalgarter.

Ultraljud fytokemisk extraktion från F. vesiculosus och P. canaliculata

Forskargruppen vid García-Vaquero jämförde olika nya extraktionstekniker, inklusive högpresterande ultraljudsextraktion, ultraljuds-mikrovågsextraktion, mikrovågsextraktion, hydrotermiskt assisterad extraktion och högtrycksassisterad extraktion för att utvärdera extraktionseffektiviteten från de bruna mikroalgarterna Fucus vesiculosus och Pelvetia canaliculata. För ultraljud använde de Hielscher UIP500hdT ultraljud utdragare. Anylsis av extraktionsutbytena avslöjade att ultraljud extraktion uppnådde de högsta utbytena av de flesta fytokemikalier från både F. vesiculosus. Detta innebär att de högsta utbytena av föreningar som extraheras från F. vesiculosus med hjälp av ultraljud utdrag 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 katekinekvivalenter/g).
I sin forskningsstudie drog teamet slutsatsen att användningen av ultraljudsassisterad extraktion "i kombination med 50% etanollösning som extraktionslösningsmedel kan vara en lovande strategi som riktar sig mot extraktion av TPC, TPhC, TFC och TTC, samtidigt som man minskar samextraktionen 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]

Uppskalning av mano-termo-ultraljudsbehandling vid universitetet i Avignon med hjälp av Hielscher ultraljudsapparater: från laboratorieutrustning UIP1000hdT (A) till utrustning i pilotskala UIP4000hdT (B, C & D). På bild D är schematiserad en tvärsnitt av ultraljudsflödescellen FC100K.
bild och studie: ©Vernès et al. 2019

Högpresterande ultraljudsutdrag för algstörningar

Hielschers toppmoderna ultraljudsutrustning möjliggör full kontroll över processparametrarna såsom amplitud, temperatur, tryck och energitillförsel.
För ultraljudsextraktion kan parametrar som råmaterialets partikelstorlek, lösningsmedelstyp, förhållande mellan fast och lösningsmedel och extraktionstid varieras och optimeras för bästa resultat.
Eftersom ultraljud extraktion är en icke-termisk extraktionsmetod, undviks den termiska nedbrytningen av de bioaktiva ingredienserna som finns i råmaterialet, såsom alger.
Sammantaget, fördelar som hög avkastning, kort extraktionstid, låg extraktionstemperatur och de små mängderna lösningsmedel gör ultraljudsbehandling till den överlägsna extraktionsmetoden.

Ultraljud extraktion: Etablerad i labb och industri

Ultraljud extraktion används i stor utsträckning för extraktion av någon form av bioaktiv förening från växter, alger, bakterier och däggdjursceller. Ultraljud extraktion har etablerats som en enkel, kostnadseffektiv och mycket effektiv som utmärker sig andra traditionella extraktionstekniker genom högre extraktionsutbyten och kortare bearbetningstid.
Med labb, bänkskivor och helt industriella ultraljudssystem lättillgängliga är ultraljudsextraktion numera en väletablerad och pålitlig teknik. Hielscher ultraljudsextraktorer installeras över hela världen i industriella bearbetningsanläggningar som producerar bioaktiva föreningar av livsmedels- och läkemedelskvalitet.

Processstandardisering med Hielscher Ultrasonics

Algextrakt som används i livsmedel, läkemedel eller kosmetika måste framställas i enlighet med god tillverkningssed (GMP) och enligt standardiserade bearbetningsspecifikationer. Hielscher Ultrasonics digitala extraktionssystem levereras med intelligent programvara, vilket gör det enkelt att ställa in och styra ultraljudsbehandlingsprocessen exakt. Automatisk dataregistrering skriver alla ultraljudsprocessparametrar som ultraljudsenergi (total och nettoenergi), amplitud, temperatur, tryck (när temperatur- och trycksensorer är monterade) med datum- och tidsstämpel på det inbyggda SD-kortet. Detta gör att du kan revidera varje ultraljudsbearbetat parti. Samtidigt säkerställs reproducerbarhet och kontinuerligt hög produktkvalitet.

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