Ультразвукова екстракція антоціанінів

Антоціаніни широко використовуються як натуральні барвники та харчові добавки в продуктових товарах. Ультразвукова екстракція є високоефективною та простою технікою для отримання антоціанінів високої якості. Використання ультразвукових гомогенізаторів зондового типу сприяє вивільненню антоціанінів високої якості з рослин, що призводить до вищих виходів та швидкого процесу. Водночас ультразвукова обробка є м’якою, екологічно чистою та ефективною технікою для промислового виробництва антоціанінів харчового та фармацевтичного класу.

Антоціаніни – як екстрагувати антоціаніни високої якості за допомогою ультразвукового гомогенізатора

Антоціаніни широко використовуються як натуральні барвники в харчовій промисловості. Вони мають широкий спектр відтінків, від помаранчевого через червоний до фіолетового та синього, залежно від молекулярної структури та значення pH. Інтерес до антоціанінів базується не лише на їхньому барвному ефекті, а й на їхніх корисних для здоров’я властивостях. Через зростаючі екологічні та медичні проблеми щодо синтетичних барвників натуральні барвники є чудовою альтернативою як екологічно чисті барвники для харчової та фармацевтичної промисловості.

Ультразвукове покращення екстракції антоціанінів

Як екстрагувати антоціаніни за допомогою ультразвуку? – Приклади досліджень

Ультразвукова екстракція антоціанінів з фіолетового рису Oryza Sativa L.

Фіолетовий рис сорту Oryza Sativa (також відомий як Violet Nori або фіолетовий рис) надзвичайно багатий на фенольні сполуки, такі як група флавоноїдів антоціанінів. Turrini et al. (2018) використовували ультразвукову екстракцію для ізоляції поліфенолів, таких як антоціаніни та антиоксиданти, з каріопсису (в цілому, коричневому та пропареному вигляді) та листя фіолетового рису. Ультразвукова екстракція виконувалася за допомогою Hielscher UP200St (200W, 26kHz, pic. left) та етанолу 60% як розчинника.
З метою збереження цілісності антоціанінів ультразвукові екстракти зберігали при −20°C, що дозволяло зберігати їх щонайменше до трьох місяців.
Ціанідин-3-глюкозид (також відомий як хризантемін) був безумовно основним виявленим антоціаніном у досліджених сортах ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ та ‘Nerone’ у дослідженні Turrini et al., тоді як пеонідин-3-глюкозид та ціанідин-3-рутинозид (також антирринін) були знайдені в менших кількостях.
Фіолетове листя Oryza Sativa є чудовим джерелом антоціанінів та загального фенольного вмісту (TPC). З кількістю приблизно в 2–3 рази вищою, ніж у рисі та борошні, листя Oryza є недорогим сировинним матеріалом для екстракції антоціанінів. Оцінений вихід близько 4 кг антоціанінів/т свіжого листя значно вищий, ніж 1 кг антоціанінів/т рису, розрахований на основі середніх кількостей антоціанінів, виявлених у рисі ‘Violet Nori’ (1300 µg/g рису, як ціанідин-3-глюкозид), для виходу близько 68 кг рису з 100 кг лускатого рису.

Ультразвукова екстракція антоціанінів з червоної капусти

Ravanfar et al. (2015) досліджували ефективність ультразвукової екстракції антоціанінів з червоної капусти. Експерименти з ультразвукової екстракції проводилися з використанням ультразвукової системи UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Сонотрод MS10 (діаметр наконечника 10mm) був вставлений у центр термостатованої скляної хімічної стакану з сорочкою.

Для цього експерименту використовували свіжонарізані шматочки червоної капусти розміром 5mm (кубічної форми) із вологістю 92,11 ± 0,45 %. Скляну хімічну посудину з сорочкою (об’єм: 200ml) заповнили 100ml дистильованої води та 2g шматочків червоної капусти. Посудину накрили алюмінієвою фольгою, щоб запобігти втраті розчинника (води) через випаровування під час процесу. В усіх експериментах температуру в посудині підтримували за допомогою термостатичного контролера. Зразки нарешті зібрали, відфільтрували та центрифугували при 4000rpm, а надосадові рідини використовували для визначення виходу антоціанінів. Екстракцію у водяній бані проводили як контрольний експеримент.
Оптимальний вихід антоціанінів із червоної капусти визначено при потужності 100 W, часі 30 min та температурі 15°C, що дало вихід антоціанінів близько 21 mg/L.
Через зміну кольору залежно від значення pH та інтенсивне забарвлення, барвник із червоної капусти використовувався як індикатор pH у фармацевтичних формуляціях або як антиоксиданти та барвники у харчових системах відповідно.

Ультразвук значно інтенсифікує екстракцію антоціанів із рослинної сировини.
джерело: Ravanfar et al. 2015

Інші дослідження демонструють успішну ультразвукову екстракцію антоціанів із чорниць, ожин, винограду, вишень, полуниць та фіолетової солодкої картоплі, серед інших.

Високоефективні ультразвукові екстрактори

Hielscher Ultrasonics спеціалізується на виробництві високоефективних ультразвукових процесорів для отримання високоякісних екстрактів із рослинної сировини.
Широкий портфель сонікаторів Hielscher охоплює малі, потужні лабораторні ультразвукові гомогенізатори, а також надійні настільні та повністю промислові системи, які забезпечують високі інтенсивності ультразвуку для ефективної екстракції та ізоляції біоактивних речовин (наприклад, антоціанів, гінгерол, піперин, куркумін тощо).
Усі ультразвукові гомогенізатори від 200W до 16 000W мають кольоровий сенсорний дисплей для цифрового керування, вбудовану SD-картку для автоматичного запису даних, дистанційне керування через браузер та багато інших зручних функцій. Сонотроди та проточні комірки (частини, які контактують із середовищем) можна стерилізувати в автоклаві, і їх легко мити.
Сонікатори Hielscher є дуже надійними та розроблені для роботи 24/7 під повним навантаженням, вимагають низького обслуговування та є простими і безпечними в експлуатації. Цифровий кольоровий дисплей забезпечує зручне керування ультразвуковим гомогенізатором.
Наші системи здатні забезпечувати від низьких до дуже високих амплітуд. Для екстракції каннабіноїдів та терпенів ми пропонуємо спеціальні ультразвукові сонотроди (також відомі як ультразвукові зонди або рупори), оптимізовані для м’якої ізоляції високоякісних активних речовин. Усі наші системи можуть використовуватися для екстракції та подальшої емульсифікації каннабіноїдів. Надійність сонікаторів Hielscher дозволяє здійснювати безперервну роботу (24/7) у важких умовах та у складних середовищах.

Точне керування параметрами ультразвукового процесу забезпечує відтворюваність та стандартизацію процесу.

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових гомогенізаторів:

Література / Посилання

• 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.

Факти, які варто знати

Як працює ультразвукова екстракція?

Застосування інтенсивних ультразвукових хвиль до рідкого середовища призводить до кавітації. Явище кавітації локально призводить до екстремальних температур, тисків, швидкостей нагрівання/охолодження, різниць тисків і високих зсувних сил у середовищі. Коли бульбашки кавітації імплодують на поверхні твердих тіл (таких як частинки, рослинні клітини, тканини тощо), мікрострумені та міжчастинкові зіткнення генерують такі ефекти, як зняття поверхневого шару, ерозія та руйнування частинок. Крім того, імплозія бульбашок кавітації в рідких середовищах створює макротурбулентності та мікромішування.
Ультразвукове опромінення рослинного матеріалу руйнує матрицю рослинних клітин і покращує їхню гідратацію. Chemat et al (2015) приходять до висновку, що ультразвукова екстракція біоактивних сполук із рослинної сировини є результатом різних незалежних або комбінованих механізмів, включаючи фрагментацію, ерозію, капілярність, детекстурацію та сонопорацію. Ці ефекти руйнують клітинну стінку, покращують масоперенесення, штовхаючи розчинник у клітину та втягуючи з неї розчинник, насичений фітокомпонентами, а також забезпечують рух рідини завдяки мікромішуванню.

Ультразвукова екстракція базується на акустичній кавітації та її гідродинамічних зсувних силах

Ультразвукове опромінення рослинного матеріалу руйнує матрицю рослинних клітин і покращує їхню гідратацію. Chemat et al. (2015) приходять до висновку, що ультразвукова екстракція біоактивних сполук із рослинної сировини є результатом різних незалежних або комбінованих механізмів, включаючи фрагментацію, ерозію, капілярність, детекстурацію та сонопорацію. Ці ефекти руйнують клітинну стінку, покращують масоперенесення, штовхаючи розчинник у клітину та втягуючи з неї розчинник, насичений фітокомпонентами, а також забезпечують рух рідини завдяки мікромішуванню.
Ультразвукова екстракція досягає дуже швидкої ізоляції сполук – перевершуючи традиційні методи екстракції за коротшим часом процесу, вищою виходною кількістю та при нижчих температурах. Як м’яка механічна обробка, ультразвукова екстракція дозволяє уникнути термічної деградації біоактивних компонентів і переважає порівняно з іншими техніками, такими як традиційна екстракція розчинниками, гідродистиляція або екстракція за Сокслетом, які, як відомо, руйнують термочутливі молекули. Завдяки цим перевагам ультразвукова екстракція є бажаною технікою для вивільнення термочутливих біоактивних сполук із рослинної сировини.

Ультразвукова екстракція з рослинних клітин: мікроскопічний поперечний зріз (TS) демонструє механізм дії під час ультразвукової екстракції з клітин (збільшення 2000x) [джерело: Vilkhu et al. 2011]

Антоціан – цінний рослинний пігмент

Антоціани – це вакуолярні рослинні пігменти, які можуть бути червоними, фіолетовими, синіми або чорними. Колірне прояв водорозчинних пігментів антоціанів залежить від їхнього значення pH. Антоціани містяться у вакуолях клітин, переважно у квітках і плодах, але також у листі, стеблах і коренях, де вони здебільшого знаходяться в зовнішніх шарах клітин, таких як епідерміс і периферійні клітини мезофілу.
Найчастіше в природі зустрічаються глікозиди ціанідину, дельфінідину, мальвідину, пеларгонідину, пеонідину та петунідину.
Виразними прикладами рослин, багатих на антоціани, є види Vaccinium, такі як чорниця, журавлина та брусниця; ягоди Rubus, включаючи чорну малину, червону малину та ожини; чорна смородина, вишня, баклажан, чорний рис, убі, окінавська солодка картопля, виноград Конкорд, мускатний виноград, червона капуста та фіалкові пелюстки. Персики та яблука з червоною м’якоттю містять антоціани. Антоціани менш поширені в бананах, спаржі, гороху, фенхелі, грушах та картоплі, і можуть повністю відсутні в деяких сортах зелених аґрусів.

Структура основних антоціанів

Антоціани є чудовою альтернативою для заміни синтетичних барвників у харчових продуктах. Антоціани затверджені для використання як харчові барвники в Європейському Союзі, Австралії та Новій Зеландії, маючи код барвника E163. Антоціани містяться у фруктах та овочах і можуть бути описані як тип водорозчинних рослинних пігментів. Хімічно антоціани є глікозидами антоціанідінів на основі структури 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Існує понад 200 різних фітохімічних речовин, які належать до категорії антоціанів. Як основний пігмент забарвлення у диких фруктах та ягодах, існує багато джерел, з яких можна екстрагувати антоціани. Помітним джерелом антоціанів є шкірка винограду. Пігменти антоціанів у шкірці винограду складаються переважно з ди-глюкозидів, моно-глюкозидів, ацильованих моноглюкозидів, а також ацильованих ди-глюкозидів пеонідину, мальвідину, ціанідину, петунідину та дельфінідину. Вміст антоціанів у винограді варіюється від 30-750mg/100g.
Найбільш помітними антоціанами є ціанідин, дельфінідин, пеларгонідин, пеонідин, мальвідин та петунідин.
Наприклад, антоціани пеонідин-3-кафеоїл-п-гідроксибензоїл софорозид-5-глюкозид, пеонідин-3-(6″-кафеоїл-6‴-ферулоїл софорозид)-5-глюкозид та ціанідин-3-кафеоїл-п-гідроксибензоїл софорозид-5-глюкозид містяться у фіолетовій солодкій картоплі.

Антоціани – користь для здоров’я

Окрім їхньої великої здатності функціонувати як природний харчовий барвник, антоціани високо цінуються за їхні антиоксидантні ефекти. Тому антоціани демонструють багато позитивних ефектів для здоров’я. Дослідження показали, що антоціани можуть пригнічувати пошкодження ДНК у ракових клітинах, пригнічувати травні ферменти, стимулювати вироблення інсуліну в ізольованих клітинах підшлункової залози, зменшувати запальні реакції, захищати від вікового зниження функції мозку, покращувати щільність капілярних судин та запобігати агрегації тромбоцитів.