Alg Hücresi Bozulma ve Ekstraksiyon Geliştirmek için Ultrasonikasyon

Algler, makro ve mikroalgler, besleyici gıdalar, gıda katkı maddeleri veya yakıt veya yakıt hammaddesi olarak kullanılan birçok değerli bileşik içerir. Hedef maddeleri alg hücresinden serbest bırakmak için, güçlü ve verimli bir hücre parçalama tekniği gereklidir. Ultrasonik çıkarıcılar, botaniklerden, alglerden ve mantarlardan biyoaktif bileşiklerin ekstraksiyonu söz konusu olduğunda oldukça verimli ve güvenilirdir. Laboratuvar, tezgah üstü ve endüstriyel ölçekte mevcut olan Hielscher ultrasonik çıkarıcılar, gıda, ilaç ve biyo-yakıt üretiminde hücre türevi özlerin üretiminde kurulmuştur.

Beslenme ve yakıt için değerli bir kaynak olarak algler

Alg hücreleri, proteinler, karbonhidratlar, lipitler ve diğer biyoaktif maddelerin yanı sıra alkanlar gibi çok yönlü bir biyoaktif ve enerji açısından zengin bileşik kaynağıdır. Bu, algleri yakıtların yanı sıra gıda ve besin bileşikleri için de bir kaynak haline getirir.
Mikroalgler, beslenme için ve biyoyakıtlar (örneğin biyodizel) için hammadde olarak kullanılan değerli bir lipit kaynağıdır. Dicrateria rotunda gibi deniz fitoplanktonu Dicrateria'nın suşları, C'den bir dizi doymuş hidrokarbon (n-alkan) sentezleyebilen petrol üreten algler olarak bilinir.₁₀H₂₂ C'ye₃₈H₇₈benzin (C10–C15), dizel yağlar (C16–C20) ve akaryakıt (C21–C38) olarak kategorize edilir.
Besin değerleri nedeniyle algler "fonksiyonel gıdalar" veya "nutrasötikler" olarak kullanılmaktadır. Alglerden ekstrakte edilen önemli mikro besinler arasında karotenoidler astaksantin, fukoksantin ve zeaksantin, fucoidan, laminari ve diğer glukanlar bulunur ve diğer birçok biyoaktif madde arasında besin takviyeleri ve eczacılık olarak kullanılır. İrlanda yosunu, aljinat ve diğer hidrokolloidler gıda katkı maddesi olarak kullanılır. Alg lipitleri vegan omega-3 kaynağı olarak kullanılır ve ayrıca biyodizel üretimi için yakıt veya hammadde olarak kullanılır.

Güç ultrasonu ile alg hücresi bozulması ve ekstraksiyonu

Ultrasonik çıkarıcılar veya basitçe ultrasonicators, laboratuvardaki küçük numunelerden değerli bileşikleri çıkarmak ve ayrıca büyük ticari ölçekte üretim için kullanılır.
Alg hücresi, lipitler, selüloz, proteinler, glikoproteinler ve polisakkaritlerden oluşan karmaşık hücre duvarı matrisleri ile korunur. Çoğu alg hücre duvarının tabanı, jel benzeri bir protein matrisi içinde bir mikrofibriler ağdan yapılmıştır; Bununla birlikte, bazı mikroalgler, opalin silika frustülleri veya kalsiyum karbonattan oluşan inorganik sert bir duvar ile donatılmıştır. Alg biyokütlesinden biyoaktif bileşikler elde etmek için verimli bir hücre parçalama tekniği gereklidir. Teknolojik ekstraksiyon faktörlerinin (yani ekstraksiyon yöntemi ve ekipmanı) yanı sıra, alg hücresi parçalanması ve ekstraksiyonunun verimliliği, hücre duvarının bileşimi, mikroalg hücrelerinde istenen biyomolekülün konumu ve hasat sırasında mikroalglerin büyüme aşaması gibi çeşitli alglere bağlı faktörlerden de güçlü bir şekilde etkilenir.

Ultrasonik Alg Hücresi Bozulması ve Ekstraksiyonu Nasıl Çalışır?

Yüksek yoğunluklu ultrason dalgaları bir ultrasonik prob (ultrasonik korna veya sonotrot olarak da bilinir) aracılığıyla bir sıvıya veya bulamaç içine birleştirildiğinde, ses dalgaları sıvının içinden geçer ve böylece alternatif yüksek basınç / düşük basınç döngüleri oluşturur. Bu yüksek basınç / düşük basınç döngüleri sırasında, çok küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar meydana gelir. Kavitasyon kabarcıkları, düşük basınç döngüleri sırasında yerel basınç, sıvının belirli bir sıcaklıktaki gerilme mukavemeti tarafından verilen bir değer olan doymuş buhar basıncının yeterince altına düştüğünde meydana gelir. Birkaç döngüde büyüyen. Bu vakum kabarcıkları daha fazla enerji ememeyecekleri bir boyuta ulaştığında, kabarcık yüksek basınç döngüsü sırasında şiddetli bir şekilde patlar. Kavitasyon kabarcıklarının patlaması, sıvıda yoğun şok dalgaları, türbülanslar ve mikro jetler üreten şiddetli, enerji yoğun bir süreçtir. Ek olarak, lokalize çok yüksek basınçlar ve çok yüksek sıcaklıklar oluşturulur. Bu aşırı koşullar, hücre duvarlarını ve zarlarını kolayca bozabilir ve hücre içi bileşikleri etkili, etkili ve hızlı bir şekilde serbest bırakabilir. Proteinler, polisakkaritler, lipitler, vitaminler, mineraller ve antioksidanlar gibi hücre içi bileşikler, güç ultrasonikleri kullanılarak etkili bir şekilde ekstrakte edilebilir.

Hücre Bozulması ve Ekstraksiyonu için Ultrasonik Kavitasyon

Yoğun ultrasonik enerjiye maruz kaldığında, herhangi bir hücrenin (botanik, memeli, alg, mantar, bakteri vb. dahil) duvarı veya zarı bozulur ve hücre, enerji yoğun ultrasonik kavitasyonun mekanik kuvvetleri tarafından daha küçük parçalara ayrılır. Hücre duvarı kırıldığında, protein, lipit, nükleik asit ve klorofil gibi hücresel metabolitler, hücre duvarı matrisinden ve hücre içinden salınır ve çevredeki kültür ortamına veya çözücüye aktarılır.
Yukarıda tarif edilen ultrasonik / akustik kavitasyon mekanizması, tüm alg hücrelerini veya hücreler içindeki gaz ve sıvı vakuolleri ciddi şekilde bozar. Ultrasonik kavitasyon, titreşim, türbülanslar ve mikro akış, hücre içi ile çevreleyen çözücü arasındaki kütle transferini teşvik eder, böylece biyomoleküller (yani metabolitler) verimli olur ve hızla salınır. Sonikasyon, sert, toksik ve / veya pahalı kimyasallar gerektirmeyen tamamen mekanik bir tedavi olduğundan.
Yüksek yoğunluklu, düşük frekanslı ultrason, yüksek basınçlar, sıcaklıklar ve yüksek kesme kuvvetleri içeren aşırı enerji yoğun koşullar yaratır. Bu fiziksel kuvvetler, hücre içi bileşikleri ortama salmak için hücre yapılarının bozulmasını teşvik eder. Bu nedenle, düşük frekanslı ultrason büyük ölçüde biyoaktif maddelerin ve yakıtların alglerden çıkarılması için kullanılır. Solvent ekstraksiyonu, boncuk frezeleme veya yüksek basınçlı homojenizasyon gibi geleneksel ekstraksiyon yöntemleriyle karşılaştırıldığında, ultrasonik ekstraksiyon, biyoaktif bileşiklerin çoğunu (lipitler, proteinler, polisakkaritler ve mikro besinler gibi) sonoporate edilmiş ve bozulmuş hücreden serbest bırakarak mükemmeldir. Doğru işlem koşullarını uygulayan ultrasonik ekstraksiyon, çok kısa bir işlem süresi içinde üstün ekstraksiyon verimi sağlar. Örneğin, yüksek performanslı ultrasonik çıkarıcılar, uygun bir çözücü ile kullanıldığında alglerden mükemmel ekstraksiyon performansı gösterir. Asidik veya alkali bir ortamda, alg hücre duvarı gözenekli ve buruşuk hale gelir, bu da kısa bir sonikasyon süresinde (3 saatten az) düşük sıcaklıkta (60 ° C'nin altında) verimin artmasına neden olur. Hafif sıcaklıklarda kısa ekstraksiyon süresi, fucoidan bozulmasını önler, böylece yüksek oranda biyoaktif bir polisakkarit elde edilir.
Ultrasonication ayrıca yüksek moleküler ağırlıklı fucoidan'ı düşük moleküler ağırlıklı fucoidan'a dönüştürmek için bir yöntemdir, bu da dalsız yapısı nedeniyle önemli ölçüde daha biyoaktiftir. Yüksek biyoaktivitesi ve biyoerişilebilirliği ile düşük moleküler ağırlıklı fucoidan, farmasötikler ve ilaç dağıtım sistemleri için ilginç bir bileşiktir.

Vaka Çalışmaları: Yosun Bileşiklerinin Ultrasonik Ekstraksiyonu

Ultrasonik ekstraksiyon verimliliği ve ultrasonik ekstraksiyon parametrelerinin optimizasyonu geniş çapta incelenmiştir. Aşağıda, çeşitli alg türlerinden ultrasonikasyon yoluyla ekstraksiyon sonuçları için örnek sonuçlar bulabilirsiniz.

Mano-Termo-Sonikasyon Kullanarak Spirulina'dan Protein Ekstraksiyonu

Prof. Chemat'ın (Avignon Üniversitesi) araştırma grubu, manotermosonikasyonun (MTS) kuru Arthrospira platensis siyanobakterilerinden (spirulina olarak da bilinir) proteinlerin (fikosiyanin gibi) ekstraksiyonu üzerindeki etkilerini araştırdı. Mano-Termo-Sonikasyon (MTS), ultrasonik ekstraksiyon işlemini yoğunlaştırmak için yüksek basınçlar ve sıcaklıklarla birlikte ultrasonik uygulamadır.
"Deneysel sonuçlara göre, MTS kütle transferini (yüksek etkili difüzyon, De) teşvik etti ve ultrason olmadan konvansiyonel prosese göre (8.63 ± 1.15 g / 100 g DW) "9 daha fazla protein (8.63 ± 1.15 g / 100 g DW) elde etmeyi sağladı. Ekstrakttaki 100 g kuru spirulina biyokütlesi başına 28.42 g protein ile, sürekli bir MTS işlemi ile 6 etkili dakikada P'lik bir protein geri kazanım oranı elde edildi. Mikroskobik gözlemler, akustik kavitasyonun spirulina filamentlerini parçalanma, sonoporasyon, doku kaybı gibi farklı mekanizmalarla etkilediğini göstermiştir. Bu çeşitli fenomenler, spirulina biyoaktif bileşiklerinin ekstraksiyonunu, salınımını ve çözünmesini kolaylaştırır. [Vernès ve diğerleri, 2019]

Zaman içinde MTS işlemine tabi tutulan tüm spiurulina filamentlerinin optik mikroskopi görüntüleri. Ölçek çubuğu (resim A) = tüm resimler için 50 μm.
resim ve çalışma: ©Vernès ve ark. 2019

Ultrasonik Fucoidan ve Glukan Ekstraksiyonu Laminaria digitata

Dr. Tiwari'nin TEAGASC araştırma grubu, polisakkaritlerin, yani fucoidan, laminarin ve total glukanların, makroalgler Laminaria digitata'dan ekstraksiyonunu araştırdı. Ultrasonik cihaz UIP500hdT. İncelenen ultrasonik destekli ekstraksiyon (BAE) parametreleri, fukoz, FRAP ve DPPH seviyeleri üzerinde önemli bir etki göstermiştir. 1060.75 mg / 100 g ds, 968.57 mg / 100 g ds, 8.70 μM troloks / mg fde ve% 11.02 seviyeleri, çözücü olarak 0.1 M HCl kullanılarak optimize edilmiş sıcaklık (76 ◦ C), zaman (10 dakika) ve ultrasonik genlik (% 100) koşullarında fukoz, toplam glukanlar, FRAP ve DPPH için elde edildi. Açıklanan BAE koşulları daha sonra polisakkarit açısından zengin ekstraktlar elde etmek için ekonomik olarak ilgili diğer kahverengi makroalglere (L. hyperborea ve A. nodosum) başarıyla uygulandı. Bu çalışma, BAE'nin çeşitli makroalg türlerinden biyoaktif polisakkaritlerin ekstraksiyonunu geliştirmek için uygulanabilirliğini göstermektedir.

Ultrasonik Fitokimyasal Ekstraksiyon F. vesiculosus ve P. canaliculata

García-Vaquero'nun araştırma ekibi, kahverengi mikroalg türlerinden ekstraksiyon verimliliğini değerlendirmek için yüksek performanslı ultrasonik ekstraksiyon, ultrason-mikrodalga ekstraksiyonu, mikrodalga ekstraksiyonu, hidrotermal destekli ekstraksiyon ve yüksek basınç destekli ekstraksiyon dahil olmak üzere çeşitli yeni ekstraksiyon tekniklerini karşılaştırdı. Ultrasonication için kullandılar Hielscher UIP500hdT ultrasonik çıkarıcı. Ekstraksiyon verimlerinin anilsi, ultrasonik ekstraksiyonun her iki F. vesiculosus'tan çoğu fitokimyasalın en yüksek verimini elde ettiğini ortaya koydu. Bu, F. vesiculosus'tan ekstrakte edilen bileşiklerin en yüksek verimi anlamına gelir. ultrasonik çıkarıcı UIP500hdT Bunlar: toplam fenolik içerik (445.0 ± 4.6 mg gallik asit eşdeğeri / g), toplam florotannin içeriği (362.9 ± 3.7 mg phloroglucinol eşdeğeri / g), toplam flavonoid içeriği (286.3 ± 7.8 mg quercetin eşdeğeri / g) ve toplam tanen içeriği (189.1 ± 4.4 mg kateşin eşdeğeri / g).
Araştırma çalışmasında, ekip, ultrasonik destekli ekstraksiyonun "bir ekstraksiyon çözücüsü olarak% 50 etanolik çözelti ile birleştirilmiş" kullanımının, TPC, TPhC, TFC ve TTC'nin ekstraksiyonunu hedefleyen umut verici bir strateji olabileceği sonucuna varırken, istenmeyen karbonhidratların hem F. vesiculosus hem de P. canaliculata, bu bileşikleri farmasötik olarak kullanırken umut verici uygulamalarla, nutrasötikler ve kozmesötikler." [García-Vaquero ve diğerleri, 2021]

Hielscher ultrasonicators kullanarak Avignon Üniversitesi'nde mano-termo-sonikasyon ölçeği: laboratuvar ekipmanlarından UIP1000hdT (A) Pilot ölçekli ekipmana UIP4000hdT (B, C & D). Resim D'de ultrasonik akış hücresinin enine bir bölümü şematize edilmiştir. FC100K Serisi.
resim ve çalışma: ©Vernès ve ark. 2019

Yosun Bozulması için Yüksek Performanslı Ultrasonik Çıkarıcılar

Hielscher'ın son teknoloji ultrasonik ekipmanı, genlik, sıcaklık, basınç ve enerji girişi gibi işlem parametreleri üzerinde tam kontrol sağlar.
Ultrasonik ekstraksiyon için, hammadde partikül boyutu, çözücü tipi, katı-çözücü oranı ve ekstraksiyon süresi gibi parametreler en iyi sonuçlar için değiştirilebilir ve optimize edilebilir.
Ultrasonik ekstraksiyon termal olmayan bir ekstraksiyon yöntemi olduğundan, alg gibi hammaddede bulunan biyoaktif bileşenlerin termal bozunması önlenir.
Genel olarak, yüksek verim, kısa ekstraksiyon süresi, düşük ekstraksiyon sıcaklığı ve az miktarda çözücü gibi avantajlar, sonikasyonu üstün ekstraksiyon yöntemi haline getirir.

Ultrasonik Ekstraksiyon: Laboratuar ve Endüstride Kuruldu

Ultrasonik ekstraksiyon, botanik, alg, bakteri ve memeli hücrelerinden her türlü biyoaktif bileşiğin ekstraksiyonu için yaygın olarak uygulanır. Ultrasonik ekstraksiyon, daha yüksek ekstraksiyon verimi ve daha kısa işlem süresi ile diğer geleneksel ekstraksiyon tekniklerini mükemmelleştiren basit, uygun maliyetli ve yüksek verimli olarak kurulmuştur.
Laboratuvar, tezgah üstü ve tamamen endüstriyel ultrasonik sistemler ile hazır bulunan ultrasonik ekstraksiyon günümüzde köklü ve güvenilir bir teknolojidir. Hielscher ultrasonik çıkarıcılar, gıda ve ilaç sınıfı biyoaktif bileşikler üreten endüstriyel işleme tesislerinde dünya çapında kuruludur.

Hielscher Ultrasonik ile Süreç Standardizasyonu

Gıda, ilaç veya kozmetikte kullanılan yosun türevi ekstraktlar, İyi Üretim Uygulamalarına (GMP) uygun olarak ve standartlaştırılmış işleme spesifikasyonları altında üretilmelidir. Hielscher Ultrasonics'in dijital ekstraksiyon sistemleri, sonikasyon sürecini hassas bir şekilde ayarlamayı ve kontrol etmeyi kolaylaştıran akıllı bir yazılımla birlikte gelir. Otomatik veri kaydı, ultrason enerjisi (toplam ve net enerji), genlik, sıcaklık, basınç (sıcaklık ve basınç sensörleri monte edildiğinde) gibi tüm ultrasonik işlem parametrelerini dahili SD karta tarih ve saat damgası ile yazar. Bu, ultrasonik olarak işlenmiş her lotu revize etmenizi sağlar. Aynı zamanda tekrarlanabilirlik ve sürekli yüksek ürün kalitesi sağlanır.

Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir: