การสกัดแอนโทไซยานินด้วยอัลตราซาวนด์

แอนโทไซยานินใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารให้สีจากธรรมชาติและสารเติมแต่งเพื่อเพิ่มคุณค่าทางโภชนาการในผลิตภัณฑ์อาหาร การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสูงและเรียบง่ายสำหรับการได้มาซึ่งแอนโทไซยานินคุณภาพสูง การใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ชนิดโพรบช่วยส่งเสริมการปลดปล่อยแอนโทไซยานินคุณภาพสูงจากพืช ส่งผลให้ได้ผลผลิตสูงขึ้นและกระบวนการรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน การใช้อัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคที่อ่อนโยน เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีประสิทธิภาพสำหรับการผลิตแอนโทไซยานินเกรดอาหารและเกรดเภสัชกรรมในระดับอุตสาหกรรม

แอนโทไซยานิน – วิธีสกัดแอนโทไซยานินคุณภาพสูงด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์

แอนโทไซยานินใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารให้สีจากธรรมชาติในอุตสาหกรรมอาหาร สารเหล่านี้มีเฉดสีหลากหลาย ตั้งแต่สีส้มผ่านสีแดงไปจนถึงสีม่วงและสีน้ำเงิน ขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลและค่า pH ความสนใจในแอนโทไซยานินไม่ได้มาจากคุณสมบัติการให้สีเพียงอย่างเดียว แต่ยังมาจากคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ต่อสุขภาพด้วย เนื่องจากมีความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมและสุขภาพเกี่ยวกับสีสังเคราะห์เพิ่มขึ้น สีจากธรรมชาติจึงเป็นทางเลือกที่ดีอย่างยิ่งในการใช้เป็นสารให้สีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับอุตสาหกรรมอาหารและยา

การเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดแอนโทไซยานินด้วยอัลตราซาวนด์

วิธีสกัดแอนโทไซยานินด้วยอัลตราซาวนด์ – กรณีศึกษา

การสกัดแอนโทไซยานินจากข้าวสีม่วง Oryza Sativa L. ด้วยอัลตราซาวนด์

ข้าวสีม่วงสายพันธุ์ Oryza Sativa (หรือที่รู้จักในชื่อ Violet Nori หรือข้าวสีม่วง) อุดมไปด้วยสารฟีนอลิกอย่างยิ่ง เช่น แอนโทไซยานินซึ่งอยู่ในกลุ่มฟลาโวนอยด์ Turrini et al. (2018) ใช้การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์เพื่อแยกสารโพลีฟีนอลิก เช่น แอนโทไซยานินและสารต้านอนุมูลอิสระ จากผลแบบแครีออปซิส (ในรูปข้าวทั้งเมล็ด ข้าวกล้อง และข้าวนึ่ง) และใบของข้าวสีม่วง การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ดำเนินการโดยใช้เครื่อง Hielscher UP200St (200W, 26kHz, ภาพด้านซ้าย) และใช้เอทานอล 60% เป็นตัวทำละลาย
เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของแอนโทไซยานิน สารสกัดที่ได้จากอัลตราซาวนด์ถูกเก็บไว้ที่ −20°C ซึ่งทำให้สามารถเก็บรักษาได้อย่างน้อยจนถึงสามเดือน
Cyanidin-3 glucoside (หรือที่รู้จักในชื่อ chrysanthemin) เป็นแอนโทไซยานินหลักที่ตรวจพบในปริมาณมากกว่าชนิดอื่นอย่างชัดเจนในพันธุ์ปลูก ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ และ ‘Nerone’ ที่ศึกษาโดย Turrini et al. ขณะที่พบ peonidin-3-glucoside และ cyanidin-3-rutinoside (หรือ antirrhinin) ในปริมาณน้อยกว่า
ใบสีม่วงของ Oryza Sativa เป็นแหล่งที่ดีเยี่ยมของแอนโทไซยานินและสารฟีนอลิกทั้งหมด (TPC) ด้วยปริมาณที่สูงกว่าในข้าวและแป้งข้าวประมาณ 2–3 เท่า ใบ Oryza จึงเป็นวัตถุดิบราคาถูกสำหรับการสกัดแอนโทไซยานิน ผลผลิตโดยประมาณที่ราว 4 kg แอนโทไซยานิน/t ใบสด สูงกว่าผลผลิต 1 kg แอนโทไซยานิน/t ข้าวอย่างมีนัยสำคัญ โดยคำนวณจากปริมาณแอนโทไซยานินเฉลี่ยที่ตรวจพบในข้าว ‘Violet Nori’ (1300 µg/g ข้าว ในรูป cyanidin-3-glucoside) สำหรับผลผลิตข้าวประมาณ 68 kg จากข้าวเปลือก 100 kg

การสกัดแอนโทไซยานินจากกะหล่ำปลีแดงด้วยอัลตราซาวนด์

Ravanfar et al. (2015) ศึกษาประสิทธิภาพของการสกัดแอนโทไซยานินจากกะหล่ำปลีแดงด้วยอัลตราซาวนด์ การทดลองสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ดำเนินการโดยใช้ระบบอัลตราซาวนด์ UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). โซโนโทรด MS10 (เส้นผ่านศูนย์กลางปลาย 10mm) ถูกสอดเข้าไปตรงกลางบีกเกอร์แก้วแบบมีแจ็กเก็ตที่ควบคุมอุณหภูมิ

การทดลองนี้ใช้ชิ้นกะหล่ำปลีแดงที่เพิ่งหั่นใหม่ขนาด 5mm (รูปทรงลูกบาศก์) และมีปริมาณความชื้น 92.11 ± 0.45 % เติมน้ำกลั่น 100ml และชิ้นกะหล่ำปลีแดง 2g ลงในบีกเกอร์แก้วแบบมีแจ็กเก็ต (ปริมาตร: 200ml) ปิดบีกเกอร์ด้วยอะลูมิเนียมฟอยล์เพื่อป้องกันการสูญเสียตัวทำละลาย (น้ำ) จากการระเหยระหว่างกระบวนการ ในการทดลองทั้งหมด รักษาอุณหภูมิภายในบีกเกอร์ด้วยเครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบเทอร์โมสแตต เมื่อสิ้นสุดกระบวนการ เก็บตัวอย่าง กรอง และปั่นเหวี่ยงที่ 4000rpm แล้วใช้ของเหลวส่วนใสเพื่อหาผลผลิตแอนโทไซยานิน ใช้การสกัดในอ่างน้ำเป็นการทดลองควบคุม
ผลผลิตแอนโทไซยานินที่เหมาะสมที่สุดจากกะหล่ำปลีแดงได้ที่กำลัง 100 W ระยะเวลา 30 min และอุณหภูมิ 15°C ซึ่งให้ผลผลิตแอนโทไซยานินประมาณ 21 mg/L
เนื่องจากสีเปลี่ยนแปลงตามค่า pH และมีความเข้มของสีสูง สีจากกะหล่ำปลีแดงจึงถูกใช้เป็นสารบ่งชี้ pH ในตำรับยา หรือเป็นสารต้านอนุมูลอิสระและสารให้สีในระบบอาหารตามลำดับ

อัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดแอนโทไซยานินจากวัสดุพืชอย่างมีนัยสำคัญ
แหล่งที่มา: Ravanfar et al. 2015

 
การศึกษาอื่น ๆ แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จในการสกัดแอนโทไซยานินด้วยอัลตราซาวนด์จากบลูเบอร์รี แบล็กเบอร์รี องุ่น เชอร์รี สตรอว์เบอร์รี และมันเทศสีม่วง รวมถึงแหล่งอื่น ๆ

เครื่องสกัดด้วยอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูง

Hielscher Ultrasonics เชี่ยวชาญด้านการผลิตเครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับการผลิตสารสกัดคุณภาพสูงจากพืช
กลุ่มผลิตภัณฑ์เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher มีให้เลือกหลากหลาย ตั้งแต่เครื่องอัลตราซาวนด์สำหรับห้องปฏิบัติการขนาดเล็กที่มีกำลังสูง ไปจนถึงระบบแบบตั้งโต๊ะที่แข็งแรงทนทานและระบบสำหรับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ ซึ่งให้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเพื่อการสกัดและแยกสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพอย่างมีประสิทธิภาพ (เช่น แอนโทไซยานิน, gingerol, piperine, curcumin ฯลฯ)
เครื่องอัลตราซาวนด์ทุกรุ่นตั้งแต่ 200W ถึง 16,000W มีจอสัมผัสสีสำหรับการควบคุมแบบดิจิทัล การ์ด SD ในตัวสำหรับการบันทึกข้อมูลอัตโนมัติ การควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ และคุณสมบัติอื่น ๆ อีกมากมายที่ใช้งานง่าย โซโนโทรดและเซลล์การไหล (ชิ้นส่วนที่สัมผัสกับตัวกลาง) สามารถฆ่าเชื้อด้วยหม้อนึ่งความดันและทำความสะอาดได้ง่าย
เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher แข็งแรงทนทานมากและออกแบบมาสำหรับการทำงาน 24/7 ภายใต้โหลดเต็มกำลัง โดยต้องการการบำรุงรักษาน้อย อีกทั้งใช้งานง่ายและปลอดภัย จอสีดิจิทัลช่วยให้ควบคุมเครื่องอัลตราซาวนด์ได้สะดวก
ระบบของเราสามารถให้แอมพลิจูดตั้งแต่ระดับต่ำจนถึงระดับสูงมาก สำหรับการสกัดแคนนาบินอยด์และเทอร์พีน เรามีโซโนโทรดอัลตราซาวนด์พิเศษ (หรือที่รู้จักในชื่อโพรบหรือฮอร์นอัลตราซาวนด์) ซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการแยกสารออกฤทธิ์คุณภาพสูงอย่างอ่อนโยน ระบบทั้งหมดของเราสามารถใช้สำหรับการสกัดแคนนาบินอยด์และการทำอิมัลชันในขั้นตอนถัดไป ความแข็งแรงทนทานของเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher ช่วยให้ทำงานต่อเนื่อง (24/7) ภายใต้ภาระงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อเรียกร้องสูงได้

การควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการอัลตราซาวนด์อย่างแม่นยำช่วยให้ได้ผลที่ทำซ้ำได้และทำให้กระบวนการเป็นมาตรฐาน
 

ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา:

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.

ข้อเท็จจริงที่ควรรู้

การสกัดโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยทำงานอย่างไร?

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงกับตัวกลางของเหลวทำให้เกิดคาวิเทชัน ปรากฏการณ์ คาวิเทชัน ทำให้เกิดอุณหภูมิ ความดัน อัตราการให้ความร้อน/การทำให้เย็น และความแตกต่างของความดันที่สูงมาก รวมทั้งแรงเฉือนสูงเฉพาะบริเวณในตัวกลาง เมื่อฟองคาวิเทชันยุบตัวอย่างรุนแรงบนพื้นผิวของของแข็ง (เช่น อนุภาค เซลล์พืช เนื้อเยื่อ ฯลฯ) ลำพุ่งขนาดจุลภาคและการชนกันระหว่างอนุภาคก่อให้เกิดผลต่าง ๆ เช่น การลอกผิว การกร่อน และการแตกตัวของอนุภาค นอกจากนี้ การยุบตัวอย่างรุนแรงของฟองคาวิเทชันในตัวกลางของเหลวยังก่อให้เกิดความปั่นป่วนระดับมหภาคและการผสมระดับจุลภาค
การฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ลงบนวัสดุพืชทำให้เมทริกซ์ของเซลล์พืชแตกเป็นส่วนย่อยและเพิ่มการดูดซับน้ำของเมทริกซ์ดังกล่าว Chemat et al (2015) สรุปว่าการสกัดสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากพืชด้วยอัลตราซาวนด์เป็นผลจากกลไกต่าง ๆ ที่ทำงานแยกกันหรือร่วมกัน ได้แก่ การแตกเป็นส่วนย่อย การกร่อน การซึมตามรูแคปิลลารี การสลายโครงสร้างเนื้อเยื่อ และการเกิดรูพรุนด้วยอัลตราซาวนด์ ผลเหล่านี้ทำให้ผนังเซลล์แตก เพิ่มการถ่ายเทมวลโดยผลักตัวทำละลายเข้าไปในเซลล์และดูดตัวทำละลายที่มีสารประกอบจากพืชออกมา และทำให้ของเหลวเคลื่อนที่ผ่านการผสมระดับจุลภาค

การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์อาศัยคาวิเทชันทางเสียงและแรงเฉือนทางอุทกพลศาสตร์ที่เกิดจากคาวิเทชัน

การฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ลงบนวัสดุพืชทำให้เมทริกซ์ของเซลล์พืชแตกเป็นส่วนย่อยและเพิ่มการดูดซับน้ำของเมทริกซ์ดังกล่าว Chemat et al. (2015) สรุปว่าการสกัดสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากพืชด้วยอัลตราซาวนด์เป็นผลจากกลไกต่าง ๆ ที่ทำงานแยกกันหรือร่วมกัน ได้แก่ การแตกเป็นส่วนย่อย การกร่อน การซึมตามรูแคปิลลารี การสลายโครงสร้างเนื้อเยื่อ และการเกิดรูพรุนด้วยอัลตราซาวนด์ ผลเหล่านี้ทำให้ผนังเซลล์แตก เพิ่มการถ่ายเทมวลโดยผลักตัวทำละลายเข้าไปในเซลล์และดูดตัวทำละลายที่มีสารประกอบจากพืชออกมา และทำให้ของเหลวเคลื่อนที่ผ่านการผสมระดับจุลภาค
การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์สามารถแยกสารประกอบได้อย่างรวดเร็วมาก – เหนือกว่าวิธีสกัดแบบดั้งเดิมด้วยระยะเวลาดำเนินกระบวนการที่สั้นกว่า ผลผลิตสูงกว่า และอุณหภูมิต่ำกว่า ในฐานะกระบวนการทางกลที่อ่อนโยน การสกัดโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยหลีกเลี่ยงการเสื่อมสลายด้วยความร้อนขององค์ประกอบที่ออกฤทธิ์ทางชีวภาพ และมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคนิคอื่น ๆ เช่น การสกัดด้วยตัวทำละลายแบบดั้งเดิม การกลั่นด้วยน้ำ หรือการสกัดแบบ Soxhlet ซึ่งเป็นที่ทราบว่าทำลายโมเลกุลที่ไวต่อความร้อน ด้วยข้อดีเหล่านี้ การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์จึงเป็นเทคนิคที่ได้รับความนิยมในการปลดปล่อยสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ไวต่ออุณหภูมิจากพืช

การสกัดจากเซลล์พืชด้วยอัลตราซาวนด์: ภาพตัดขวาง (TS) จากกล้องจุลทรรศน์แสดงกลไกการทำงานระหว่างการสกัดจากเซลล์ด้วยอัลตราซาวนด์ (กำลังขยาย 2000x) [แหล่งที่มา: Vilkhu et al. 2011]

แอนโทไซยานิน – สารสีจากพืชที่มีคุณค่า

แอนโทไซยานินเป็นสารสีจากพืชที่อยู่ในแวคิวโอล ซึ่งอาจปรากฏเป็นสีแดง สีม่วง สีน้ำเงิน หรือสีดำ การแสดงสีของสารสีแอนโทไซยานินที่ละลายน้ำได้ขึ้นอยู่กับค่า pH แอนโทไซยานินพบในแวคิวโอลของเซลล์ โดยส่วนใหญ่พบในดอกและผล แต่ยังพบในใบ ลำต้น และรากด้วย ซึ่งส่วนใหญ่จะพบในชั้นเซลล์ด้านนอก เช่น ชั้นเอพิเดอร์มิสและเซลล์มีโซฟิลล์บริเวณรอบนอก
ชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดในธรรมชาติคือไกลโคไซด์ของ cyanidin, delphinidin, malvidin, pelargonidin, peonidin และ petunidin
ตัวอย่างที่เด่นชัดของพืชที่อุดมด้วยแอนโทไซยานิน ได้แก่ พืชชนิดต่าง ๆ ในสกุล vaccinium เช่น บลูเบอร์รี แครนเบอร์รี และบิลเบอร์รี; ผลเบอร์รีในสกุล Rubus ได้แก่ ราสป์เบอร์รีดำ ราสป์เบอร์รีแดง และแบล็กเบอร์รี; แบล็กเคอร์แรนต์ เชอร์รี มะเขือม่วง ข้าวดำ มันม่วงอูเบ มันเทศโอกินาวะ องุ่น Concord องุ่นมัสคาดีน กะหล่ำปลีแดง และกลีบดอกไวโอเลต ลูกพีชและแอปเปิลที่มีเนื้อสีแดงมีแอนโทไซยานิน พบแอนโทไซยานินในปริมาณน้อยกว่าในกล้วย หน่อไม้ฝรั่ง ถั่วลันเตา เฟนเนล ลูกแพร์ และมันฝรั่ง และอาจไม่พบเลยในกูสเบอร์รีสีเขียวบางพันธุ์ปลูก

โครงสร้างของแอนโทไซยานินชนิดหลัก

แอนโทไซยานินเป็นทางเลือกที่ดีอย่างยิ่งในการทดแทนสารให้สีสังเคราะห์ในผลิตภัณฑ์อาหาร แอนโทไซยานินได้รับอนุญาตให้ใช้เป็นสารให้สีอาหารในสหภาพยุโรป ออสเตรเลีย และนิวซีแลนด์ โดยมีรหัสสารให้สี E163 แอนโทไซยานินพบในผลไม้และผัก และสามารถอธิบายได้ว่าเป็นสารสีจากพืชที่ละลายน้ำได้ชนิดหนึ่ง ในทางเคมี แอนโทไซยานินเป็นไกลโคไซด์ของแอนโทไซยานิดินที่มีโครงสร้างพื้นฐานเป็น 2-phenylbenzophyrylium (flavylium) มีสารพฤกษเคมีที่แตกต่างกันมากกว่า 200 ชนิดที่จัดอยู่ในกลุ่มแอนโทไซยานิน ในฐานะสารสีหลักในผลไม้ป่าและผลเบอร์รี จึงมีแหล่งวัตถุดิบมากมายที่สามารถสกัดแอนโทไซยานินได้ แหล่งแอนโทไซยานินที่สำคัญแหล่งหนึ่งคือเปลือกองุ่น สารสีแอนโทไซยานินในเปลือกองุ่นประกอบด้วยไดกลูโคไซด์ โมโนกลูโคไซด์ โมโนกลูโคไซด์ที่มีหมู่เอซิล ตลอดจนไดกลูโคไซด์ที่มีหมู่เอซิลของ peonidin, malvidin, cyanidin, petunidin และ delphinidin เป็นหลัก ปริมาณแอนโทไซยานินในองุ่นอยู่ในช่วง 30–750mg/100g
แอนโทไซยานินชนิดที่โดดเด่นที่สุด ได้แก่ cyanidin, delphinidin, pelargonidin, peonidin, malvidin และ petunidin
ตัวอย่างเช่น พบแอนโทไซยานิน peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside และ cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside ในมันเทศสีม่วง

แอนโทไซยานิน – ประโยชน์ต่อสุขภาพ

นอกจากความสามารถที่ดีเยี่ยมในการทำหน้าที่เป็นสารให้สีอาหารจากธรรมชาติแล้ว แอนโทไซยานินยังได้รับการยกย่องอย่างสูงในด้านฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ ดังนั้น แอนโทไซยานินจึงมีผลดีต่อสุขภาพหลายประการ งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าแอนโทไซยานินสามารถยับยั้งความเสียหายของ DNA ในเซลล์มะเร็ง ยับยั้งเอนไซม์ย่อยอาหาร กระตุ้นการผลิตอินซูลินในเซลล์ตับอ่อนที่แยกออกมา ลดการตอบสนองต่อการอักเสบ ป้องกันการเสื่อมถอยของการทำงานของสมองตามวัย เพิ่มความแน่นของผนังหลอดเลือดฝอย และป้องกันการเกาะกลุ่มของเกล็ดเลือด