Chiết xuất tảo bằng siêu âm để sản xuất thực phẩm bổ sung dinh dưỡng

Chiết xuất bằng siêu âm là phương pháp ưu việt để phá vỡ tế bào tảo một cách hiệu quả và nhanh chóng. Xử lý siêu âm có thể giải phóng toàn bộ lượng hợp chất có hoạt tính sinh học, giúp kỹ thuật siêu âm đạt hiệu quả rất cao.

Cách chiết xuất protein, lipid và các hợp chất phenolic từ tảo bằng siêu âm

Các loài tảo và vi tảo rất giàu các hợp chất có hoạt tính sinh học như protein, lipid, carotenoid, sắc tố (ví dụ: phycocyanin, astaxanthin, v.v.), các hợp chất phenolic và polysaccharide (ví dụ: carrageenan). Nhờ đó, chúng trở thành nguồn nguyên liệu tự nhiên được sử dụng rộng rãi để sản xuất dịch chiết dùng cho thực phẩm và thực phẩm bổ sung. Các loài tảo thường được sử dụng để sản xuất thực phẩm bổ sung dinh dưỡng gồm Arthrospira maxima (còn được gọi là spirulina), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis và Ulva spp. Tảo được biết đến là nguồn cung cấp dồi dào protein chất lượng cao, lipid, axit béo không bão hòa đa chuỗi dài (PUFA, tức omega-3), polysaccharide (ví dụ: alginate, carrageenan, β-glucan), vitamin và chất chống oxy hóa.
Spirulina là một loại tảo được sử dụng phổ biến, giàu các hợp chất có hoạt tính sinh học giá trị cao như protein (chiếm 50–70% khối lượng khô). Vì Spirulina được FDA (Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ) chấp thuận với tư cách GRAS (Được công nhận rộng rãi là an toàn), spirulina và dịch chiết spirulina có thể được sử dụng trong thực phẩm thương mại hoặc làm thực phẩm bổ sung.

Ưu điểm của phương pháp chiết xuất tảo bằng siêu âm

Chiết xuất bằng siêu âm vượt trội hơn các phương pháp chiết xuất khác ở nhiều khía cạnh như hiệu suất thu hồi cao, độ tin cậy, tính an toàn, sự đơn giản và tính thân thiện với môi trường.

Chiết xuất với hiệu suất thu hồi toàn phần

Các thiết bị siêu âm hiệu năng cao phá vỡ và làm bung tế bào tảo để giải phóng vật chất nội bào. Nhờ đó, chiết xuất bằng siêu âm giải phóng đầy đủ các nhóm hợp chất có hoạt tính sinh học như phycobiliprotein, carotenoid, lipid và các hợp chất phenolic.
Phycobiliprotein có thể được phân thành ba nhóm chính, gồm chloro-phycocyanin, allophycocyanin và phycoerythrin. C-Phycocyanin là một sắc tố màu xanh lam tự nhiên, được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm và dược phẩm. Chiết xuất bằng siêu âm giải phóng đầy đủ các loại protein.

Hiệu quả chiết xuất cao

Duangsee và cộng sự (2009) đã thử nghiệm hai phương pháp khác nhau để chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học từ sinh khối Arthospira (chiết xuất bằng dung môi có hỗ trợ siêu âm và chiết xuất bằng cách đông lạnh rồi rã đông nhiều lần), đồng thời nhận thấy chiết xuất bằng dung môi có hỗ trợ siêu âm đạt hiệu quả chiết xuất cao hơn (22,1%) so với đông lạnh và rã đông (15,6%). So sánh mức độ phá vỡ tế bào giữa xử lý siêu âm và đông lạnh rồi rã đông nhiều lần cho thấy xử lý siêu âm hiệu quả hơn. Hiện tượng xâm thực siêu âm phá vỡ tế bào tảo nhanh chóng và hiệu quả, dẫn đến mức độ phá vỡ tế bào cao hơn so với tế bào spirulina được xử lý bằng cách đông lạnh rồi rã đông nhiều lần.
Xử lý siêu âm hiệu quả hơn trong việc phá vỡ lớp bao tế bào so với đông lạnh rồi rã đông nhiều lần. Hiệu suất thu hồi phycocyanin cho thấy nhiệt độ xử lý ảnh hưởng đến hiệu quả chiết xuất.

Quá trình chiết xuất nhanh chóng

Các hệ thống siêu âm hiệu năng cao có thể truyền công suất siêu âm cao vào huyền phù tảo thông qua biên độ cao. Điều này giúp chiết xuất bằng siêu âm trở thành một phương pháp xử lý rất nhanh.

Kiểm soát nhiệt độ

Xử lý siêu âm là kỹ thuật chiết xuất phi nhiệt, hoàn toàn bằng cơ học. Nhiệt độ chiết xuất có thể được kiểm soát chính xác bằng cảm biến nhiệt độ dạng cắm, được kết nối bằng dây với thiết bị siêu âm kỹ thuật số Hielscher. Phần mềm của các thiết bị siêu âm kỹ thuật số Hielscher cho phép thiết lập giới hạn nhiệt độ để thiết bị đồng nhất hóa bằng siêu âm tạm dừng khi đạt đến giới hạn nhiệt độ. Khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác giúp ngăn ngừa sự phân hủy do nhiệt của các chất nhạy nhiệt như phycobiliprotein, vitamin, polyphenol, polysaccharide, lipid và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác.

Tương thích với nhiều loại dung môi

Xử lý bằng siêu âm tương thích với hầu hết mọi dung môi. Chiết xuất bằng siêu âm kết hợp với các dung môi xanh như nước hoặc ethanol tạo ra các dịch chiết sạch. Các dịch chiết siêu âm này có thể được bổ sung an toàn vào thực phẩm vì các dung môi chiết xuất ethanol và nước có trạng thái GRAS (Được công nhận rộng rãi là an toàn).

Khả năng tái lập và tiêu chuẩn hóa quy trình

Các thiết bị siêu âm kỹ thuật số của Hielscher được trang bị phần mềm thông minh và nhiều tùy chọn cài đặt được xây dựng kỹ lưỡng để thiết lập các thông số chiết xuất lý tưởng. Phần mềm ghi lại tất cả các thông số của quá trình siêu âm (ví dụ: biên độ, công suất thực, tổng công suất, nhiệt độ, áp suất, thời gian, ngày tháng) và ghi dữ liệu xử lý siêu âm vào một tệp CSV trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn tiêu chuẩn hóa quy trình chiết xuất và giám sát chặt chẽ quá trình xử lý siêu âm cũng như chất lượng đầu ra. Các tính năng này giúp bạn đáp ứng các yêu cầu về tiêu chuẩn hóa quy trình cũng như Thực hành sản xuất tốt (GMP), cả hai đều rất quan trọng khi sản xuất dịch chiết cho thực phẩm bổ sung, thực phẩm hoặc dược phẩm.

Quy trình chiết xuất phycocyanin bằng siêu âm

Mazumder và cộng sự (2017) đã nghiên cứu các thông số xử lý tối ưu để chiết xuất phycocyanin và các hợp chất phenolic từ Arthospira platensis bằng siêu âm. Lượng phycocyanin (29,9 mg/g) và tổng các hợp chất phenolic (2,4 mg/g) thu được đạt mức tối đa ở nồng độ ethanol 40%, nhiệt độ chiết xuất 34,9°C khi sử dụng thiết bị siêu âm UP50H (50 oát, 30kHz) ở biên độ 95% trong thời gian chiết xuất 104,7 giây.

Vernès và cộng sự (2019) đã sử dụng thiết bị siêu âm UIP1000hdT (1000W, 20kHz) để chiết xuất protein từ spirulina. Thiết bị siêu âm được trang bị đầu dò siêu âm BS2d34 và buồng phản ứng siêu âm dòng chảy (xem hình bên dưới để biết chính xác cấu hình chiết xuất bằng siêu âm với buồng dòng chảy và bơm Seepex).

UIP1000hdT – Hệ thống siêu âm kết hợp nhiệt và áp suất (MTS) và quy trình chiết xuất protein từ spirulina của chúng tôi ở quy mô phòng thí nghiệm
nguồn: Vernes và cộng sự 2019

Kết quả nghiên cứu cho thấy các điều kiện chiết xuất bằng siêu âm được tối ưu hóa để đạt lượng protein thu được cao bao gồm nhiệt độ và áp suất tăng nhẹ (gọi là xử lý siêu âm kết hợp nhiệt và áp suất, MTS). MTS thúc đẩy truyền khối và cho phép thu được lượng protein cao hơn 229% (28,42 ± 1,15 g/100 g khối lượng khô) so với quy trình thông thường không sử dụng siêu âm (8,63 ± 1,15 g/100 g khối lượng khô).
Với 28,42 g protein thu được trong dịch chiết trên mỗi 100 g sinh khối spirulina khô, tỷ lệ thu hồi protein đạt 50% chỉ trong 6 phút xử lý siêu âm liên tục. Hình ảnh hiển vi cho thấy hiện tượng xâm thực âm tác động lên các sợi spirulina thông qua nhiều cơ chế khác nhau như phân mảnh, tạo lỗ bằng siêu âm và phá vỡ cấu trúc. Các tác động khác nhau này giúp việc chiết xuất, giải phóng và hòa tan các hợp chất có hoạt tính sinh học của spirulina trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn, từ đó thu được lượng lớn protein chất lượng cao.
Về chất lượng protein được chiết xuất bằng siêu âm, các axit amin không bị phân hủy do xử lý siêu âm, đồng thời có mặt với lượng lớn hơn khi sử dụng siêu âm so với chiết xuất thông thường.
Khi so sánh xử lý siêu âm kết hợp nhiệt và áp suất với chiết xuất bằng siêu âm không tăng áp suất và nhiệt độ, sự khác biệt về lượng chất chiết thu được và hiệu quả chiết xuất chỉ ở mức tối thiểu. Vì vậy, chỉ sử dụng siêu âm được xem là kỹ thuật tiết kiệm nhất và dễ thực hiện nhất để tạo ra dịch chiết chất lượng cao, giàu protein spirulina. Chiết xuất bằng siêu âm là kỹ thuật chiết xuất xanh, thân thiện với môi trường, phù hợp để chiết xuất protein từ spirulina ở quy mô phòng thí nghiệm và có thể dễ dàng mở rộng lên quy mô thí điểm và công nghiệp. (tham khảo Vernès và cộng sự 2019)

Thiết bị chiết xuất siêu âm hiệu suất cao

Tất cả kết quả chiết xuất đạt được ở quy mô nhỏ đều có thể được mở rộng tuyến tính lên công suất sản xuất lớn hơn. Danh mục sản phẩm đa dạng của Hielscher Ultrasonics, từ các hệ thống chiết xuất trong phòng thí nghiệm đến công nghiệp, có thiết bị siêu âm phù hợp nhất với công suất xử lý dự kiến của bạn. Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẽ hỗ trợ bạn từ thử nghiệm tính khả thi và tối ưu hóa quy trình đến lắp đặt hệ thống siêu âm ở quy mô sản xuất cuối cùng.

Hielscher Ultrasonics – Thiết bị chiết xuất tinh vi

Danh mục sản phẩm của Hielscher Ultrasonics bao gồm đầy đủ các thiết bị chiết xuất siêu âm hiệu suất cao từ quy mô nhỏ đến lớn. Các phụ kiện bổ sung cho phép dễ dàng lắp ráp cấu hình thiết bị siêu âm phù hợp nhất với quy trình của bạn. Cấu hình hệ thống siêu âm tối ưu phụ thuộc vào công suất, thể tích, nguyên liệu thô, quy trình theo mẻ hoặc trên dòng chảy và tiến độ dự kiến. Độ bền của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt. Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính của các quy trình chiết xuất siêu âm cho phép tăng sản lượng một cách đơn giản và đáng tin cậy. Đọc thêm về việc mở rộng quy mô tuyến tính của các quy trình chiết xuất siêu âm!

Lựa chọn trong số nhiều phụ kiện như:

• các đầu dò siêu âm có kích thước, đường kính và hình dạng khác nhau
• các đầu dò siêu âm cho biên độ cao từ 200µm trở lên
• các buồng phản ứng dòng chảy có thể tích và hình dạng khác nhau
• nhiều bộ tăng cường biên độ để tăng hoặc giảm hệ số khuếch đại
• các hệ thống xử lý siêu âm hoàn chỉnh như SonoStation, bao gồm thiết bị chiết xuất siêu âm, bồn chứa, máy khuấy và máy bơm
• các cảm biến nhiệt độ dạng cắm
• các cảm biến áp suất dạng cắm

Đội ngũ nhân viên được đào tạo bài bản và giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẽ tư vấn và đề xuất hệ thống siêu âm phù hợp nhất với các yêu cầu của quy trình chiết xuất của bạn!

Bảng dưới đây cung cấp thông tin tham khảo về công suất xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: