Ультразвукова обробка для покращення руйнування клітин водоростей та екстракції

Водорості, макро- та мікроводорості, містять багато цінних сполук, які використовуються як харчові продукти, харчові добавки або як паливо чи сировина для палива. Для вивільнення цільових речовин з клітини водоростей потрібна потужна та ефективна техніка руйнування клітин. Ультразвукові екстрактори є надзвичайно ефективними та надійними для екстракції біоактивних сполук з рослин, водоростей та грибів. Доступні в лабораторному, настільному та промисловому масштабах, ультразвукові екстрактори Hielscher усталено використовуються у виробництві екстрактів клітинного походження у харчовій, фармацевтичній промисловості та виробництві біопалива.

Водорості як цінний ресурс для харчування та палива

Клітини водоростей є універсальним джерелом біоактивних та енергоємних сполук, таких як білки, вуглеводи, ліпіди та інші біоактивні речовини, а також алкани. Це робить водорості джерелом їжі та харчових сполук, а також палива.
Мікроводорості є цінним джерелом ліпідів, які використовуються для харчування та як сировина для біопалива (наприклад, біодизеля). Штами морського фітопланктону Dicrateria, такі як Dicrateria rotunda, відомі як нафтовидобувні водорості, які можуть синтезувати серію насичених вуглеводнів (n-алканів) від C₁₀H₂₂ до C₃₈H₇₈, які класифікуються як бензин (C10–C15), дизельні олії (C16–C20) та паливні олії (C21–C38).
Через свою харчову цінність водорості використовуються як “функціональні продукти” або “нутріцевтики”. Важливі мікронутрієнти, екстраговані з водоростей, включають каротиноїди астаксантин, фукоксантин та зеаксантин, фукоїдан, ламінарі та інші глюкани, серед численних інших біоактивних речовин, які використовуються як харчові добавки та фармацевтичні засоби. Каррагенан, альгінат та інші гідроколоїди використовуються як харчові добавки. Ліпіди водоростей використовуються як веганське джерело омега-3, а також як паливо або сировина для виробництва біодизеля.

Руйнування клітин водоростей та екстракція за допомогою потужного ультразвуку

Ультразвукові екстрактори або просто ультразвукові обробники використовуються для екстракції цінних сполук з невеликих зразків у лабораторії, а також для виробництва у великому комерційному масштабі.
Клітини водоростей захищені складними матрицями клітинної стінки, які складаються з ліпідів, целюлози, білків, глікопротеїнів та полісахаридів. Основа більшості клітинних стінок водоростей побудована з мікрофібрилярної мережі всередині гелеподібної білкової матриці; однак деякі мікроводорості мають неорганічну жорстку стінку, що складається з опалових кремнеземних фрустул або карбонату кальцію. Для отримання біоактивних сполук з біомаси водоростей необхідна ефективна техніка руйнування клітин. Крім технологічних факторів екстракції (тобто методу екстракції та обладнання), ефективність руйнування клітин водоростей та екстракції також сильно залежить від різних факторів, що залежать від водоростей, таких як склад клітинної стінки, розташування бажаної біомолекули в клітинах мікроводоростей та стадія росту мікроводоростей під час збору врожаю.

Як працює ультразвукове руйнування клітин водоростей та екстракція?

Коли хвилі ультразвуку високої інтенсивності передаються через ультразвуковий зонд (також відомий як ультразвуковий ріг або сонотрод) у рідину або суспензію, звукові хвилі поширюються крізь рідину і створюють при цьому чергування циклів високого / низького тиску. Під час цих циклів високого / низького тиску виникають крихітні вакуумні бульбашки або порожнини. Бульбашки кавітації утворюються, коли локальний тиск під час циклів низького тиску падає достатньо далеко нижче тиску насиченої пари, значення якого визначається міцністю на розрив рідини за певної температури. Які зростають протягом кількох циклів. Коли ці вакуумні бульбашки досягають розміру, за якого вони не можуть поглинати більше енергії, бульбашка різко імплодує під час циклу високого тиску. Імплосія бульбашок кавітації – це бурхливий, енергонасичений процес, який генерує інтенсивні ударні хвилі, турбулентність і мікрострумені в рідині. Додатково створюються локальні дуже високі тиски та дуже високі температури. Ці екстремальні умови легко здатні руйнувати клітинні стінки та мембрани і ефективно, дієво та швидко вивільняти внутрішньоклітинні сполуки. Внутрішньоклітинні сполуки, такі як білки, полісахариди, ліпіди, вітаміни, мінерали та антиоксиданти, можуть бути ефективно екстраговані за допомогою потужного ультразвуку.

Ультразвукова кавітація для руйнування клітин та екстракції

Під дією інтенсивної ультразвукової енергії стінка або мембрана клітини будь-якого типу (включаючи рослинні, ссавців, водоростеві, грибні, бактеріальні тощо) руйнується, і клітина розривається на менші фрагменти під дією механічних сил енергонасиченої ультразвукової кавітації. Коли клітинна стінка руйнується, клітинні метаболіти, такі як білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти та хлорофіл, вивільняються з матриксу клітинної стінки, а також з внутрішньої частини клітини і переходять у навколишнє середовище культивування або розчинник.
Описаний вище механізм ультразвукової / акустичної кавітації сильно руйнує цілісні клітини водоростей або газові та рідкі вакуолі всередині клітин. Ультразвукова кавітація, вібрація, турбулентність і мікрострумені сприяють масопереносу між внутрішньою частиною клітини та навколишнім розчинником, так що біомолекули (тобто метаболіти) ефективно та швидко вивільняються. Оскільки ультразвукова обробка є суто механічним методом, який не потребує жорстких, токсичних та/або дорогих хімічних речовин.
Ультразвук високої інтенсивності та низької частоти створює екстремальні енергонасичені умови, що характеризуються високими тисками, температурами та високими зсувними силами. Ці фізичні сили сприяють руйнуванню клітинних структур для вивільнення внутрішньоклітинних сполук у середовище. Тому ультразвук низької частоти широко використовується для екстракції біоактивних речовин і палива з водоростей. У порівнянні з традиційними методами екстракції, такими як розчинна екстракція, кульове подрібнення або високоатомна гомогенізація, ультразвукова екстракція переважає, вивільняючи більшість біоактивних сполук (таких як ліпіди, білки, полісахариди та мікроелементи) з сонопорованих і зруйнованих клітин. При застосуванні відповідних умов процесу ультразвукова екстракція забезпечує вищі виходи екстракції за дуже короткий час процесу. Наприклад, високоефективні ультразвукові екстрактори демонструють чудову ефективність екстракції з водоростей при використанні відповідного розчинника. В кислому або лужному середовищі клітинна стінка водоростей стає пористою і зморшкуватою, що призводить до підвищених виходів при низькій температурі (нижче 60°C) за короткий час ультразвукової обробки (менше 3 годин). Коротка тривалість екстракції при помірних температурах запобігає деградації фукоїдану, так що отримують полісахарид із високою біоактивністю.
Ультразвукова обробка також є методом перетворення фукоїдану з високою молекулярною масою на фукоїдан з низькою молекулярною масою, який є значно більш біоактивним завдяки своїй розгалуженій структурі. Завдяки високій біоактивності та біодоступності, фукоїдан з низькою молекулярною масою є цікавою сполукою для фармацевтики та систем доставки ліків.

Приклади застосування: ультразвукова екстракція сполук з водоростей

Ефективність ультразвукової екстракції та оптимізація параметрів ультразвукової екстракції були широко досліджені. Нижче наведено приклади результатів екстракції за допомогою ультразвукової обробки з різних видів водоростей.

Екстракція білків зі спіруліни за допомогою манотермосонікації

Дослідницька група проф. Шема (Університет Авіньйона) досліджувала вплив манотермосонікації (MTS) на екстракцію білків (таких як фікоціанін) із сухої ціанобактерії Arthrospira platensis (також відомої як спіруліна). Манотермосонікація (MTS) – це застосування ультразвуку в поєднанні з підвищеним тиском і температурою з метою інтенсифікації процесу ультразвукової екстракції.
«Згідно з експериментальними результатами, MTS сприяла масопереносу (висока ефективна дифузійність, De) та дозволила отримати на 229% більше білків (28,42 ± 1,15 г/100 г сухої речовини), ніж за допомогою традиційного процесу без ультразвуку (8,63 ± 1,15 г/100 г сухої речовини). З 28,42 г білків на 100 г сухої біомаси спіруліни в екстракті швидкість відновлення білків 50% була досягнута за 6 ефективних хвилин за допомогою безперервного процесу MTS. Мікроскопічні спостереження показали, що акустична кавітація впливала на філаменти спіруліни за допомогою різних механізмів, таких як фрагментація, сонопорація, детекстурація. Ці різноманітні явища полегшують екстракцію, вивільнення та розчинення біоактивних сполук спіруліни». [Vernès et al., 2019]

Зображення оптичної мікроскопії цілих філаментів спіруліни, оброблених MTS протягом певного часу. Масштабна лінійка (зображення A) = 50 μm для всіх зображень.
зображення та дослідження: ©Vernès et al. 2019

Ультразвукова екстракція фукоїдану та глюкану з Laminaria digitata

Дослідницька група TEAGASC під керівництвом д-ра Тіварі досліджувала екстракцію полісахаридів, а саме фукоїдану, ламінарину та загальних глюканів, з макроалг Laminaria digitata, використовуючи ультразвуковий гомогенізатор UIP500hdT. Досліджувані параметри ультразвуково-асистованої екстракції (UAE) показали значний вплив на рівні фукози, FRAP та DPPH. Рівні 1060,75 mg/100 g сухої речовини, 968,57 mg/100 g сухої речовини, 8,70 μM тролоксу/mg сухої речовини та 11,02% були отримані для фукози, загальних глюканів, FRAP та DPPH відповідно за оптимізованих умов температури (76◦C), часу (10 min) та амплітуди ультразвуку (100%) з використанням 0,1 M HCl як розчинника. Описані умови UAE були потім успішно застосовані до інших економічно релевантних бурих макроалг (L. hyperborea та A. nodosum) для отримання екстрактів, багатих на полісахариди. Це дослідження демонструє застосовність UAE для підвищення ефективності екстракції біоактивних полісахаридів з різних видів макроалг.

Ультразвукова екстракція фітохімічних речовин з F. vesiculosus та P. canaliculata

Дослідницька команда Гарсія-Вакеро порівняла різні нові техніки екстракції, включаючи високоефективну ультразвукову екстракцію, ультразвуково-мікрохвильову екстракцію, мікрохвильову екстракцію, гідротермічно-асистовану екстракцію та екстракцію під високим тиском, щоб оцінити ефективність екстракції з видів бурих мікроалг Fucus vesiculosus та Pelvetia canaliculata. Для ультразвукової обробки вони використовували ультразвуковий екстрактор Hielscher UIP500hdT. Аналіз виходу екстракції показав, що ультразвукова екстракція досягла найвищих виходів більшості фітохімічних речовин з обох F. vesiculosus. Це означає, що найвищі виходи сполук, екстрагованих з F. vesiculosus за допомогою ультразвукового екстратора UIP500hdT були такими: загальний вміст фенольних сполук (445,0 ± 4,6 mg еквівалентів галової кислоти/g), загальний вміст флоротанінів (362,9 ± 3,7 mg еквівалентів флороглюцину/g), загальний вміст флавоноїдів (286,3 ± 7,8 mg еквівалентів кверцетину/g) та загальний вміст танінів (189,1 ± 4,4 mg еквівалентів катехіну/g).
У своєму дослідженні команда дійшла висновку, що використання ультразвуково-асистованої екстракції «у поєднанні з 50% етанольним розчином як розчинником для екстракції може бути перспективною стратегією, спрямованою на екстракцію TPC, TPhC, TFC та TTC, одночасно зменшуючи співекстракцію небажаних вуглеводів з обох F. vesiculosus та P. canaliculata, з перспективним застосуванням цих сполук у фармацевтиці, нутрицевтиках та космецевтиках». [García-Vaquero et al., 2021]

Масштабування манотермосонікації в Університеті Авіньйона за допомогою ультразвукових гомогенізаторів Hielscher: від лабораторного обладнання UIP1000hdT (A) до пілотного обладнання UIP4000hdT (B, C та D). На зображенні D схематично показано поперечний переріз ультразвукової проточної комірки FC100K.
зображення та дослідження: ©Vernès et al. 2019

Високопродуктивні ультразвукові екстрактори для руйнування водоростей

Сучасне ультразвукове обладнання Hielscher дозволяє повністю контролювати параметри процесу, такі як амплітуда, температура, тиск та енерговитрати.
Для ультразвукової екстракції можна змінювати та оптимізувати такі параметри, як розмір частинок сировини, тип розчинника, співвідношення тверда речовина–розчинник та час екстракції для досягнення найкращих результатів.
Оскільки ультразвукова екстракція є нетермічним методом екстракції, термічна деградація біоактивних інгредієнтів, присутніх у сировині, такій як водорості, уникається.
Загалом, переваги, такі як високий вихід, короткий час екстракції, низька температура екстракції та невеликі кількості розчинника, роблять ультразвукову обробку превосхідним методом екстракції.

Ультразвукова екстракція: визнана в лабораторії та промисловості

Ультразвукова екстракція широко застосовується для екстракції будь-яких видів біоактивних сполук з рослинної сировини, водоростей, бактерій та клітин ссавців. Ультразвукова екстракція зарекомендувала себе як простий, економічно ефективний та надзвичайно ефективний метод, який перевищує інші традиційні техніки екстракції за вищими виходами екстракції та коротшою тривалістю обробки.
З наявністю лабораторних, настільних та повністю промислових ультразвукових систем ультразвукова екстракція на сьогодні є добре визнаною та надійною технологією. Ультразвукові екстрактори Hielscher встановлені по всьому світу на промислових переробних підприємствах, що виробляють біоактивні сполуки харчового та фармацевтичного класу.

Стандартизація процесу з Hielscher Ultrasonics

Екстракти на основі водоростей, які використовуються у харчовій промисловості, фармацевтиці або косметиці, повинні вироблятися відповідно до Настановах з належної виробничої практики (GMP) та за стандартизованими специфікаціями обробки. Цифрові системи екстракції Hielscher Ultrasonics постачаються з інтелектуальним програмним забезпеченням, яке дозволяє легко встановлювати та точно контролювати процес ультразвукової обробки. Автоматичний запис даних фіксує всі ультразвукові параметри процесу, такі як енергія ультразвуку (загальна та чиста енергія), амплітуда, температура, тиск (коли встановлені датчики температури та тиску) з позначкою дати та часу на вбудованій SD-картці. Це дозволяє переглянути кожну партію, оброблену ультразвуком. Водночас забезпечується відтворюваність та постійно висока якість продукції.

Наведені нижче таблиці дають уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів: