Ультразвук для покращення руйнування та екстракції клітин водоростей

Водорості, макро- і мікроводорості, містять багато цінних сполук, які використовуються в якості поживних продуктів, харчових добавок або як паливо або паливна сировина. Для того, щоб вивільнити цільові речовини з клітини водоростей, потрібна потужна та ефективна техніка руйнування клітин. Ультразвукові екстрактори є високоефективними та надійними, коли йдеться про екстракцію біологічно активних сполук із рослинних компонентів, водоростей та грибів. Доступні в лабораторних, настільних і промислових масштабах, ультразвукові екстрактори Hielscher використовуються у виробництві екстрактів клітинного походження в харчовій, фармацевтичній промисловості та виробництві біопалива.

Водорості як цінний ресурс для харчування і палива

Клітини водоростей є універсальним джерелом біологічно активних і багатих енергією сполук, таких як білки, вуглеводи, ліпіди та інші біологічно активні речовини, а також алкани. Це робить водорості джерелом їжі і поживних сполук, а також для палива.
Мікроводорості є цінним джерелом ліпідів, які використовуються для харчування та як сировина для біопалива (наприклад, біодизель). Штами морського фітопланктону Dicrateria, такі як Dicrateria rotunda, відомі як бензиноутворюючі водорості, які можуть синтезувати серію насичених вуглеводнів (н-алканів) з C₁₀H₂₂ до С₃₈H₇₈, які поділяються на бензин (C10–C15), дизельні масла (C16–C20) та мазутні (C21–C38).
Завдяки своїй поживній цінності водорості використовуються як “Функціональна їжа” або “нутрицевтики”. Важливі мікроелементи, витягнуті з водоростей, включають каротиноїди астаксантин, фукоксантин і зеаксантин, фукоїдан, ламінарі та інші глюкани, а також численні інші біологічно активні речовини, які використовуються як харчові добавки та фармацевтичні препарати. Каррагінан, 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 та екстракція клітин водоростей за допомогою ультразвуку

Ультразвукові екстрактори або просто ультразвукові апарати використовуються для вилучення цінних сполук з невеликих зразків у лабораторії, а також для виробництва у великих промислових масштабах.
Клітини водоростей захищені складними матрицями клітинної стінки, які складаються з ліпідів, целюлози, білків, глікопротеїнів і полісахаридів. Основа клітинних стінок більшості водоростей побудована з мікрофібрилярної мережі в гелеподібному білковому матриксі; Однак деякі мікроводорості оснащені неорганічною жорсткою стінкою, що складається з неопалинових фрустул кремнезему або карбонату кальцію. Для того, щоб отримати біологічно активні сполуки з біомаси водоростей, необхідна ефективна техніка руйнування клітин. Крім технологічних факторів екстракції (тобто методу екстракції та обладнання), на ефективність руйнування та екстракції клітин водоростей також сильно впливають різні фактори, що залежать від водоростей, такі як склад клітинної стінки, розташування потрібної біомолекули в клітинах мікроводоростей та стадія росту мікроводоростей під час збирання.

Як відбувається руйнування та екстракція клітин ультразвукових водоростей?

Коли ультразвукові хвилі високої інтенсивності з'єднуються за допомогою ультразвукового зонда (також відомого як ультразвуковий ріг або сонотрод) у рідину або суспензію, звукові хвилі проходять через рідину і створюють тим самим чергування циклів високого / низького тиску. Під час цих циклів високого / низького тиску виникають дрібні вакуумні бульбашки або порожнини. Кавітаційні бульбашки виникають, коли місцевий тиск падає під час циклів низького тиску досить далеко нижче тиску насиченої пари, значення, яке визначається міцністю рідини на розрив при певній температурі. Які ростуть протягом декількох циклів. Коли ці вакуумні бульбашки досягають розміру, коли вони не можуть поглинути більше енергії, бульбашка сильно вибухає під час циклу високого тиску. Імплозія кавітаційних бульбашок — це бурхливий, насичений енергією процес, який генерує інтенсивні ударні хвилі, турбулентності та мікрострумені в рідині. Крім того, створюються локалізовані дуже високі тиски і дуже високі температури. Ці екстремальні умови легко здатні руйнувати клітинні стінки та мембрани та ефективно вивільняти внутрішньоклітинні сполуки. Таким чином, внутрішньоклітинні сполуки, такі як білки, полісахариди, ліпіди, вітаміни, мінерали та антиоксиданти, можуть ефективно екстрагуватися за допомогою потужного ультразвуку.

Ультразвукова кавітація для руйнування та екстракції клітин

Під впливом інтенсивної ультразвукової енергії стінка або мембрана будь-якого виду клітин (включаючи ботанічну, ссавцю, водорогенну, грибкову, бактеріальну тощо) порушується, і клітина розривається на більш дрібні фрагменти під дією механічних сил енергетично насиченої ультразвукової кавітації. Коли клітинна стінка порушується, клітинні метаболіти, такі як білок, ліпід, нуклеїнова кислота та хлорофіл, вивільняються з матриксу клітинної стінки, а також із внутрішньої частини клітини та переносяться в навколишнє живильне середовище або розчинник.
Описаний вище механізм ультразвукової / акустичної кавітації сильно порушує цілі клітини водоростей або газові та рідкі вакуолі всередині клітин. Ультразвукова кавітація, вібрація, турбулентність і мікропотоки сприяють перенесенню маси між внутрішньою частиною клітини і навколишнім розчинником, завдяки чому біомолекули (тобто метаболіти) ефективні і швидко вивільняються. Оскільки ультразвук – це суто механічна обробка, яка не потребує агресивних, токсичних та/або дорогих хімікатів.
Ультразвук високої інтенсивності та низької частоти створює екстремальні енергоємні умови з високим тиском, температурою та великими силами зсуву. Ці фізичні сили сприяють руйнуванню клітинних структур з метою вивільнення внутрішньоклітинних сполук у середовище. Тому низькочастотний ультразвук в значній мірі використовується для вилучення біологічно активних речовин і палива з водоростей. У порівнянні з традиційними методами екстракції, такими як екстракція розчинником, подрібнення намистин або гомогенізація під високим тиском, ультразвукова екстракція перевершує за рахунок вивільнення більшості біологічно активних сполук (таких як ліпіди, білки, полісахариди та мікроелементи) з сонопорованої та порушеної клітини. Застосовуючи правильні умови процесу, ультразвукова екстракція забезпечує чудові виходи екстракції за дуже короткий час процесу. Наприклад, високоефективні ультразвукові екстрактори демонструють відмінні показники екстракції з водоростей, якщо використовувати їх з відповідним розчинником. У кислому або лужному середовищі клітинна стінка водоростей стає пористою і зморшкуватою, що призводить до збільшення врожайності при низькій температурі (нижче 60 ° C) за короткий час ультразвуку (менше 3 годин). Коротка тривалість екстракції при помірних температурах запобігає деградації фукоїдану, завдяки чому виходить високо біоактивний полісахарид.
Ультразвук також є методом перетворення високомолекулярного фукоїдану в низькомолекулярний фукоїдан, який є значно більш біоактивним завдяки своїй розгалуженій структурі. Володіючи високою біоактивністю та біодоступністю, низькомолекулярний фукоїдан є цікавою сполукою для фармацевтики та систем доставки ліків.

Тематичні дослідження: Ультразвукова екстракція сполук водоростей

Широко вивчено ефективність ультразвукової екстракції та оптимізація параметрів ультразвукової екстракції. Нижче ви можете знайти зразкові результати екстракції за допомогою ультразвуку з різних видів водоростей.

Екстракція білка зі спіруліни за допомогою мано-термосоніки

Дослідницька група професора Чемата (Авіньйонський університет) досліджувала вплив мембранозоніки (MTS) на екстракцію білків (таких як фікоціанін) з сухих ціанобактерій Arthrospira platensis (також відомих як спіруліна). Мано-термозвук (МТС) – це застосування ультразвуку в поєднанні з підвищеним тиском і температурою з метою інтенсифікації процесу ультразвукової екстракції.
“Згідно з експериментальними результатами, МТС сприяла масообміну (висока ефективна дифузія, De) і дозволила отримати на 229% більше білків (28,42 ± 1,15 г/100 г сухої речовини), ніж традиційний процес без ультразвуку (8,63 ± 1,15 г/100 г сухої речовини). З 28,42 г білків на 100 г сухої біомаси спіруліни в екстракті, коефіцієнт відновлення білка 50% був досягнутий за 6 ефективних хвилин при безперервному процесі MTS. Мікроскопічні спостереження показали, що акустична кавітація впливає на нитки спіруліни за допомогою різних механізмів, таких як фрагментація, сонопорація, детекстурація. Ці різні явища полегшують екстракцію, вивільнення та розчинення біологічно активних сполук спіруліни.” [Vernès et al., 2019].

Зображення оптичною мікроскопією цілих ниток шпиуліни, які протягом тривалого часу піддавалися обробці МТС. Шкала (малюнок А) = 50 мкм для всіх зображень.
зображення та дослідження: ©Vernès et al. 2019

Ультразвукова екстракція фукоїдану та глюкану з Laminaria digitata

Дослідницька група TEAGASC доктора Тіварі досліджувала екстракцію полісахаридів, тобто фукоїдану, ламінарину та загальних глюканів, з макроводоростей Laminaria digitata за допомогою Ультразвуковий апарат UIP500HDT. Досліджені параметри ультразвукової екстракції (ОАЕ) показали значний вплив на рівні фукози, FRAP та DPPH. Рівні 1060,75 мг/100 г ds, 968,57 мг/100 г ds, 8,70 мкМ тролокс/мг fde та 11,02% були отримані для фукози, загальних глюканів, FRAP та DPPH відповідно за оптимізованих умов температури (76◦C), часу (10 хв) та ультразвукової амплітуди (100%) з використанням 0,1 M HCl як розчинника. Описані умови ОАЕ потім були успішно застосовані до інших економічно значущих бурих макроводоростей (L. hyperborea і A. nodosum) для отримання багатих полісахаридами екстрактів. Це дослідження демонструє застосовність ОАЕ для посилення екстракції біологічно активних полісахаридів з різних видів макроводоростей.

Ультразвукова фітохімічна екстракція з F. vesiculosus і P. canaliculata

Дослідницька група García-Vaquero порівняла різні нові методи екстракції, включаючи високоефективну ультразвукову екстракцію, ультразвуково-мікрохвильову екстракцію, мікрохвильову екстракцію, гідротермальну екстракцію та екстракцію за допомогою високого тиску, щоб оцінити ефективність екстракції з видів бурих мікроводоростей Fucus vesiculosus і Pelvetia canaliculata. Для ультразвуку вони використовували Ультразвуковий екстрактор Hielscher UIP500hdT. Анильзис результатів екстракції показав, що ультразвукова екстракція досягла найвищого виходу більшості фітохімічних речовин обох F. vesiculosus. Це означає, що найвищий вихід сполук, екстрагованих з F. vesiculosus за допомогою ультразвуковий екстрактор UIP500HDT були: загальний вміст фенолів (445,0 ± 4,6 мг еквівалентів галової кислоти/г), загальний вміст флоротаніну (362,9 ± 3,7 мг еквівалентів флороглюцинолу/г), загальний вміст флавоноїдів (286,3 ± 7,8 мг еквівалентів кверцетину/г) та загальний вміст таніну (189,1 ± 4,4 мг еквівалентів катехіну/г).
У своєму дослідженні команда дійшла висновку, що використання екстракції за допомогою ультразвуку “у поєднанні з 50% етанольним розчином як екстракційним розчинником може бути перспективною стратегією, спрямованою на екстракцію TPC, TPhC, TFC і TTC, одночасно зменшуючи коекстракцію небажаних вуглеводів як з F. vesiculosus, так і з P. canaliculata, з перспективним застосуванням цих сполук як фармацевтичних препаратів, нутрицевтиків і космецевтиків.” [García-Vaquero et al., 2021].

Масштабування мано-термозвуку в Авіньйонському університеті з використанням ультразвукових апаратів Hielscher: з лабораторного обладнання UIP1000HDT (А) для пілотного масштабування обладнання UIP4000HDT (Б, В & D). На малюнку D схематично зображений поперечний розріз ультразвукової проточної комірки ФК100К.
зображення та дослідження: ©Vernès et al. 2019

Високоефективні ультразвукові екстрактори для боротьби з водоростями

Сучасне ультразвукове обладнання Hielscher дозволяє здійснювати повний контроль над параметрами процесу, такими як амплітуда, температура, тиск і витрата енергії.
Для ультразвукової екстракції такі параметри, як розмір частинок сировини, тип розчинника, співвідношення твердої речовини до розчинника та час екстракції, можна варіювати та оптимізувати для досягнення найкращих результатів.
Оскільки ультразвукова екстракція є нетермічним методом екстракції, можна уникнути термічної деградації біологічно активних інгредієнтів, присутніх у сировині, таких як водорості.
Загалом, такі переваги, як високий вихід, короткий час екстракції, низька температура екстракції та невелика кількість розчинника, робить ультразвук найкращим методом екстракції.

Ультразвукова екстракція: створена в лабораторії та промисловості

Ультразвукова екстракція широко застосовується для екстракції будь-якого виду біологічно активних сполук з рослинних компонентів, водоростей, бактерій і клітин ссавців. Ультразвукова екстракція була визнана простою, економічно вигідною та високоефективною, яка перевершує інші традиційні методи екстракції вищими виходами екстракції та меншою тривалістю обробки.
Завдяки легкодоступним лабораторним, настільним і повністю промисловим ультразвуковим системам, ультразвукова екстракція в даний час є добре зарекомендувала себе і надійною технологією. Ультразвукові екстрактори Hielscher встановлюються по всьому світу на промислових переробних підприємствах, які виробляють біологічно активні сполуки харчового та фармацевтичного класу.

Стандартизація процесів за допомогою Hielscher Ultrasonics

Екстракти, отримані з водоростей, які використовуються в харчовій, фармацевтичній або косметичній промисловості, повинні вироблятися відповідно до належної виробничої практики (GMP) та відповідно до стандартних специфікацій обробки. Hielscher Ultrasonics’ цифрові системи видобутку поставляються з інтелектуальним програмним забезпеченням, що дозволяє легко встановлювати і точно контролювати процес обробки ультразвуком. Автоматичний запис даних записує всі параметри ультразвукового процесу, такі як енергія ультразвуку (повна і чиста енергія), амплітуда, температура, тиск (коли встановлені датчики температури і тиску) з відміткою дати і часу на вбудовану SD-карту. Це дозволяє переглянути кожну партію, що пройшла ультразвукову обробку. При цьому забезпечується відтворюваність і стабільно висока якість продукції.

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