Ультразвукова екстракція водоростей для харчових добавок

Ультразвукова екстракція є найкращим методом ефективного та швидкого руйнування клітин водоростей. Ультразвукова терапія може вивільняти повну кількість біологічно активних сполук, що робить ультразвукову методику високоефективною.

Як витягнути білки, ліпіди та феноли з водоростей за допомогою ультразвуку

Види водоростей і мікроводоростей багаті біологічно активними сполуками, такими як білки, ліпіди, каротиноїди, пігменти (наприклад, фікоціани, астаксантин та ін.), фенолів і полісахаридів (наприклад, карагенани). Це робить їх широко використовуваним природним матеріалом для виробництва екстрактів для харчових продуктів і дієтичних добавок. Зазвичай використовуваними видами водоростей для харчових добавок є Arthrospira maxima і (також відома як спіруліна), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis і Ulva spp. Відомо, що водорості є хорошим джерелом високоякісних білків, ліпідів, довголанцюгових ПНЖК (тобто омега-3), полісахаридів (наприклад, альгінат, карагенан, β-глюкани), вітамінів і антиоксидантів.
Спіруліна є широко використовуваним типом водоростей, який багатий високоцінними біологічно активними сполуками, такими як білки (з 50–70% сухої маси). Оскільки спіруліна схвалена FDA (Управлінням з контролю за харчовими продуктами та лікарськими засобами США) як GRAS (Загальновизнана безпека), спіруліну та екстракти спіруліни можна використовувати в комерційних харчових продуктах або як харчові добавки.

Переваги ультразвукової екстракції водоростей

Ультразвукова екстракція перевершує альтернативні методи екстракції в багатьох пунктах, такі як високий вихід, надійність, безпека, простота та екологічність.

Повний вихід екстракції

Високоефективні ультразвукові апарати розривають клітини водоростей і руйнують їх, щоб внутрішньоклітинний матеріал вивільнявся. Ультразвукова екстракція вивільняє тим самим повний спектр біологічно активних сполук, таких як фікобібіліпротеїни, каротиноїди та ліпіди та феноли.
Фікобібіліпротеїни можна диференціювати на три основні групи, а саме хлор-фікоціани, алофікоціани та фікоеритрини. C-фікоціанін – це натуральний пігмент синього кольору, який широко використовується в харчових та фармацевтичних продуктах. Ультразвукова екстракція вивільняє повний спектр білків.

Висока ефективність екстракції

Duangsee et al. (2009) протестували два різні методи екстракції (екстракція розчинником за допомогою ультразвуку та екстракція шляхом багаторазового заморожування та розморожування) біологічно активних сполук з біомаси Arthospira і виявили, що ультразвукова екстракція розчинником призвела до вищої ефективності екстракції (22,1%), ніж заморожування та розморожування (15,6%). Порівняння розриву клітин між ультразвуковим обстеженням і багаторазовим заморожуванням і розморожуванням показує, що ультразвук більш ефективний. Ультразвукова кавітація швидко та ефективно руйнує клітини водоростей, що призводить до більшого руйнування клітин у порівнянні з клітинами спіруліни, обробленими багаторазовим заморожуванням та розморожуванням.
Ультразвук був більш ефективним у розриві клітинної оболонки в порівнянні з багаторазовим заморожуванням і розморожуванням. Вихід фікоціаніну при екстракції показав, що температура обробки впливає на ефективність екстракції.

Швидкий процес екстракції

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

Контроль температури

Ультразвук – це нетермічний, чисто механічний метод екстракції. Температуру екстракції можна точно контролювати за допомогою роз'ємного датчика температури, який підключається до цифрового ультразвукового апарату Hielscher. Програмне забезпечення цифрових ультразвукових приладів Hielscher дозволяє встановлювати температурні межі, завдяки чому ультразвуковий гомогенізатор зупиняється при досягненні граничної температури. Точний контроль температури дозволяє запобігти термічній деградації термочутливих матеріалів, таких як фікобібіліпротеїни, вітаміни, поліфеноли, полісахариди, ліпіди та інші біологічно активні сполуки.

Сумісний з різними розчинниками

Ультразвук сумісний практично з будь-яким розчинником. Ультразвукова екстракція в поєднанні з зеленими розчинниками, такими як вода або етанол, дає чисті екстракти. Ці ультразвукові екстракти можна безпечно включати в харчові продукти, оскільки розчинники для екстракції етанол і вода мають статус GRAS (Загальновизнана як безпечна).

Відтворюваність і стандартизація процесів

Цифрові ультразвукові апарати Hielscher оснащені інтелектуальним програмним забезпеченням і ретельно розробленим набором налаштувань для ідеальних параметрів екстракції. Програмне забезпечення протоколізує всі параметри ультразвукового процесу (наприклад, амплітуду, чисту потужність, загальну потужність, температуру, тиск, час, дату) і записує дані ультразвуку в CSV-файл на вбудованій SD-карті. Це дозволяє стандартизувати процес екстракції та уважно стежити за ультразвуковим випромінюванням і якістю виробництва. Ці функції допоможуть вам дотримуватися вимог щодо стадизації процесів, а також належної виробничої практики (GMP), які дуже важливі, коли екстракти виробляються для харчових добавок, харчових або фармацевтичних продуктів.

Протокол ультразвукової екстракції фікоціаніну

Mazumder et al. (2017) досліджували оптимальні параметри обробки для ультразвукової екстракції фікоціаніну та фенолів з Arthospira platensis. Максимальний вихід фікоціаніну (29,9 мг/г) та загального фенолів (2,4 мг/г) був отриманий при концентрації 40% етанолу, температурі екстракції 34,9 °C за допомогою ультразвукового апарату UP50H (50 Вт, 30 кГц) з амплітудою 95% при часі екстракції 104,7 сек.

Vernès et al. (2019) використовували ультразвуковий пристрій UIP1000HDT (1000 Вт, 20 кГц) для вилучення білків зі спіруліни. Ультразвуковий апарат був оснащений сонотродом BS2d34 і реактором ультразвукового потоку (точну установку ультразвукової екстракції з проточною камерою та насосом Seepex див. на малюнку нижче).

UIP1000HDT – Установка термомозоніки (МТС) та екстракція білка зі спіруліни в лабораторних масштабах
джерело: Vernes et al. 2019

Результати досліджень показують, що ультразвукові умови екстракції, оптимізовані для виходу білка, включають дещо підвищену температуру і тиск (так звана матермосоніка МТС). МТС сприяє масопереносу і дозволяє отримати на 229% більше білків (28,42 ± 1,15 г/100 г сухої маси), ніж при звичайному процесі без ультразвуку (8,63 ± 1,15 г/100 г сухої маси).
Завдяки отриманню 28,42 г білків на 100 г біомаси сухої спіруліни в екстракті, швидкість відновлення білка 50% була досягнута всього за 6 хвилин у безперервному процесі ультразвуку. Мікроскопічне зображення показує, що акустична кавітація впливає на нитки спіруліни за допомогою різних механізмів, таких як фрагментація, сонопорація, детекстурація. Ці різноманітні ефекти роблять екстракцію, вивільнення та солюбілізацію біологічно активних сполук спіруліни простішою та ефективнішою, що призводить до високого виходу білка високої якості.
Що стосується якості білків, екстрагованих ультразвуком, амінокислоти не були деградовані ультразвуковою обробкою, але вони присутні в більшій кількості в разі ультразвукової ізоляції в порівнянні зі звичайною екстракцією.
При порівнянні термомозоніки та ультразвукової екстракції без підвищеного тиску та температури різниця у виході та ефективності екстракції мінімальна. Тому одне тільки ультразвук вважається найбільш економічною і простою методикою для отримання якісного екстракту, багатого білками спіруліни. Ультразвукова екстракція — це зелена, екологічно чиста техніка екстракції, яка підходить для вилучення білка зі спіруліни в лабораторних масштабах, яку можна легко масштабувати до пілотних і промислових масштабів. (пор. Vernès et al. 2019)

Високоефективні ультразвукові екстрактори

Всі результати видобутку, досягнуті в невеликих масштабах, можуть бути лінійно масштабовані до більших виробничих потужностей. Велике портфоліо продукції Hielscher Ultrasonics від лабораторії до промислових екстракційних систем має найбільш підходящий ультразвуковий апарат для передбачуваної виробничої потужності. Наш досвідчений персонал допоможе вам від техніко-економічних випробувань та оптимізації процесу до встановлення вашої ультразвукової системи на кінцевому рівні виробництва.

Hielscher Ultrasonics – Складне екстракційне обладнання

Портфель продукції Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр високопродуктивних ультразвукових екстракторів від малих до великих масштабів. Додаткові аксесуари дозволяють легко зібрати найбільш підходящу конфігурацію ультразвукового апарату для вашого процесу. Оптимальна ультразвукова установка залежить від передбачуваної потужності, обсягу, сировини, партії або вбудованого процесу та термінів. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах і в складних умовах. Лінійна масштабованість процесів ультразвукової екстракції дозволяє просте і надійне збільшення виробництва. Дізнайтеся більше про лінійне масштабування процесів ультразвукової екстракції!

Вибирайте з різних аксесуарів, таких як:

• Сонотроди з різними розмірами, діаметрами і формами
• Сонотроди для високої амплітуди 200 мкм і вище
• реактори з проточними комірками з різним об'ємом і геометрією
• численні бустерні клаксони для збільшення або зменшення посилення
• повні установки для ультразвуку, такі як SonoStation, які включають ультразвуковий екстрактор, резервуар, мішалку та насос
• Роз'ємні датчики температури
• Роз'ємні датчики тиску

Наш добре навчений, досвідчений персонал проконсультує вас і порекомендує найбільш підходящу ультразвукову систему для ваших вимог до процесу екстракції!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: