Ультразвукова екстракція водоростей для харчових добавок

Ультразвукова екстракція є найкращим методом ефективного та швидкого руйнування клітин водоростей. Ультразвукова обробка може вивільнити повну кількість біоактивних сполук, що робить ультразвукову техніку надзвичайно ефективною.

Як екстрагувати білки, ліпіди та фенольні сполуки з водоростей за допомогою ультразвуку

Види водоростей та мікроводоростей багаті на біологічно активні сполуки, такі як білки, ліпіди, каротиноїди, пігменти (наприклад, фікоціаніни, астаксантин тощо), фенольні сполуки та полісахариди (наприклад, каррагінани). Це робить їх широко використовуваним природним матеріалом для виробництва екстрактів для харчових продуктів та дієтичних добавок. Звичайними видами водоростей, що використовуються для харчових добавок, є Arthrospira maxima та (також відома як спіруліна), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis та Ulva spp. Водорості відомі як хороше джерело високоякісних білків, ліпідів, довголанцюгових ПНЖК (тобто омега-3), полісахаридів (наприклад, альгінату, каррагенану, β-глюканів), вітамінів та антиоксидантів.
Спіруліна – це поширений тип водоростей, багатий на високоцінні біоактивні сполуки, такі як білки (50–70% сухої маси). Оскільки спіруліна схвалена FDA (Управлінням з контролю за продуктами та ліками США) як GRAS (загальновизнана як безпечна), спіруліна та екстракти спіруліни можуть використовуватися в комерційних харчових продуктах або як харчові добавки.

Переваги ультразвукової екстракції водоростей

Ультразвукова екстракція перевищує альтернативні методи екстракції за багатьма параметрами, такими як високий вихід, надійність, безпека, простота та екологічність.

Повний вихід екстракції

Високопродуктивні ультразвукові системи розривають клітини водоростей та руйнують їх так, що внутрішньоклітинний матеріал вивільняється. Ультразвукова екстракція вивільняє повний спектр біоактивних сполук, таких як фікобілопротеїни, каротиноїди, ліпіди та фенольні сполуки.
Фікобілопротеїни можна розділити на три основні групи, а саме хлоро-фікоціаніни, алофікоціаніни та фікоеритрини. C-Фікоціанін – це природний синій пігмент, який широко використовується у харчових та фармацевтичних продуктах. Ультразвукова екстракція вивільняє повний спектр білків.

Висока ефективність екстракції

Duangsee et al. (2009) перевірили два різні методи екстракції (ультразвукова екстракція розчинником та екстракція шляхом повторного заморожування та розморожування) біоактивних сполук з біомаси Arthospira і виявили, що ультразвукова екстракція розчинником дала вищу ефективність екстракції (22,1%), ніж заморожування та розморожування (15,6%). Порівняння руйнування клітин між ультразвуковою обробкою та повторним заморожуванням і розморожуванням показує, що ультразвукова обробка є більш ефективною. Ультразвукова кавітація швидко та ефективно руйнує клітини водоростей, що призводить до більшого руйнування клітин порівняно з клітинами спіруліни, обробленими повторним заморожуванням та розморожуванням.
Ультразвукова обробка була більш ефективною у руйнуванні клітинної оболонки порівняно з повторним заморожуванням та розморожуванням. Вихід екстракції фікоціаніну показав, що температура обробки впливала на ефективність екстракції.

Швидкий процес екстракції

Високопродуктивні ультразвукові системи можуть подавати високу ультразвукову потужність через високі амплітуди у суспензію водоростей. Це робить ультразвукову екстракцію дуже швидким методом обробки.

Контроль температури

Ультразвукова обробка є нетермічним, суто механічним методом екстракції. Температуру екстракції можна точно контролювати за допомогою змінного датчика температури, який підключений до цифрового Hielscher ультразвукового гомогенізатора. Програмне забезпечення цифрових ультразвукових гомогенізаторів Hielscher дозволяє встановлювати температурні обмеження, так що ультразвуковий гомогенізатор зупиняється, коли досягається температурне обмеження. Точний контроль температури дозволяє запобігти термічній деградації термочутливих матеріалів, таких як фікобілопротеїни, вітаміни, поліфеноли, полісахариди, ліпіди та інші біоактивні сполуки.

Сумісність із різними розчинниками

Ультразвукова обробка сумісна майже з будь-яким розчинником. Ультразвукова екстракція в поєднанні з екологічно чистими розчинниками, такими як вода або етанол, дає чисті екстракти. Ці ультразвукові екстракти можна безпечно включати до складу харчових продуктів, оскільки розчинники для екстракції етанол і вода мають статус GRAS (Generally Recognized As Safe – загально визнані безпечними).

Відтворюваність і стандартизація процесу

Цифрові ультразвукові пристрої Hielscher постачаються з інтелектуальним програмним забезпеченням та розширеною різноманітністю налаштувань для ідеальних параметрів екстракції. Програмне забезпечення протоколює всі параметри ультразвукового процесу (наприклад, амплітуду, корисну потужність, загальну потужність, температуру, тиск, час, дату) і записує дані про ультразвукову обробку у файл CSV на вбудованій SD-картці. Це дозволяє стандартизувати процес екстракції та ретельно контролювати ультразвукову обробку і якість вихідного продукту. Ці функції допомагають виконати вимоги щодо стандартизації процесу, а також належні виробничі практики (GMP), які є надзвичайно важливими, коли екстракти виробляються для добавок, харчових або фармацевтичних продуктів.

Протокол ультразвукової екстракції фікоціаніну

Mazumder et al. (2017) досліджували оптимальні параметри обробки для ультразвукової екстракції фікоціаніну та фенольних сполук з Arthospira platensis. Максимальний вихід фікоціаніну (29,9 mg/g) і загальних фенольних сполук (2,4 mg/g) було отримано при концентрації етанолу 40%, температурі екстракції 34,9°C з використанням ультразвукового пристрою UP50H (50 ват, 30kHz) при амплітуді 95% протягом часу екстракції 104,7 sec.

Vernès et al. (2019) використовували ультразвуковий пристрій UIP1000hdT (1000W, 20kHz) для екстракції білків зі спіруліни. Ультразвуковий пристрій був оснащений сонотродом BS2d34 та ультразвуковим проточним реактором (див. зображення нижче для точної конфігурації ультразвукової екстракції з проточною коміркою та насосом Seepex).

UIP1000hdT – Конфігурація манотермосонікації (MTS) та наша екстракція білків зі спіруліни в лабораторних масштабах
джерело: Vernes et al. 2019

Результати досліджень показують, що умови ультразвукової екстракції, оптимізовані для виходу білків, передбачають дещо підвищені температуру та тиск (так звана манотермосонікація MTS). MTS сприяє масопереносу та дозволяє отримати на 229% більше білків (28,42 ± 1,15 g/100 g dry wt.), ніж за допомогою традиційного процесу без ультразвуку (8,63 ± 1,15 g/100 g dry wt).
З 28,42 g білків, отриманих на 100 g сухої біомаси спіруліни в екстракті, швидкість відновлення білків 50% була досягнута лише за 6 minutes у процесі безперервної ультразвукової обробки. Мікроскопічна візуалізація виявляє, що акустична кавітація впливає на філаменти спіруліни через різні механізми, такі як фрагментація, сонопорація, детекстурація. Ці різні ефекти полегшують та роблять більш ефективними екстракцію, вивільнення та розчинення біоактивних сполук спіруліни, що призводить до високого виходу якісних білків.
Щодо якості білків, екстрагованих ультразвуком, амінокислоти не деградують під час ультразвукової обробки, але вони присутні у більшій кількості у випадку ультразвукової обробки порівняно з традиційною екстракцією.
Коли порівнюють манотермосонікацію та ультразвукову екстракцію без підвищеного тиску та температури, різниця у виході та ефективності екстракції є лише мінімальною. Тому лише ультразвук вважається найбільш економічним та найпростішим методом отримання високоякісного екстракту, багатого на білки спіруліни. Ультразвукова екстракція є екологічно чистою, безпечною для навколишнього середовища технікою екстракції, придатною для екстракції білків зі спіруліни в лабораторних масштабах, яку можна легко масштабувати до пілотного та промислового рівнів. (cf. Vernès et al. 2019)

Високопродуктивні ультразвукові екстактори

Усі результати екстракції, отримані в малих масштабах, можна лінійно масштабувати до більших виробничих потужностей. Великий портфель продукції Hielscher Ultrasonics від лабораторних до промислових систем екстракції має найбільш підходящий ультразвуковий екстрактор для вашої запланованої потужності процесу. Наш досвідчений персонал із багаторічним стажем допоможе вам від тестів на технічну доцільність та оптимізації процесу до встановлення вашої ультразвукової системи на рівні фінального виробництва.

Hielscher Ultrasonics – високотехнологічне обладнання для екстракції

Портфель продукції Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр високоефективних ультразвукових екстракторів від малих до великих масштабів. Додаткові аксесуари дозволяють легко зібрати найбільш підходящу конфігурацію ультразвукового пристрою для вашого процесу. Оптимальне ультразвукове налаштування залежить від запланованої потужності, об’єму, сировини, періодичного або потокового процесу та термінів. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 в режимі важких навантажень та у складних середовищах. Лінійна масштабованість процесів ультразвукової екстракції дозволяє просто та надійно збільшувати виробництво. Дізнайтеся більше про лінійне масштабування процесів ультразвукової екстракції!

Обирайте з різних аксесуарів, таких як:

• сонотроди різних розмірів, діаметрів та форм
• сонотроди для високої амплітуди 200µm та вище
• проточні реактори з різними об’ємами та геометріями
• численні підсилювальні рупори для збільшення або зменшення коефіцієнтів підсилення
• повні комплекти для ультразвукової обробки, такі як SonoStation, які включають ультразвуковий екстрактор, резервуар, мішалку та насос
• підключаються датчики температури
• підключаються датчики тиску

Наш навчений персонал із багаторічним досвідом проконсультує вас та порекомендує найбільш підходящу ультразвукову систему для вимог вашого процесу екстракції!

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну обробну здатність наших ультразвукових екстракторів: