Chiết xuất astaxanthin bằng siêu âm để đạt hiệu suất thu hồi cao hơn
- Astaxanthin là chất chống oxy hóa có hoạt tính rất mạnh, được sử dụng trong dược phẩm và thực phẩm bổ sung dinh dưỡng.
- Để sản xuất astaxanthin chất lượng cao từ các nguồn tự nhiên như tảo, cần có kỹ thuật chiết xuất hiệu năng cao.
- Chiết xuất bằng siêu âm là phương pháp xử lý cơ học giúp thu hồi astaxanthin với hiệu suất cao trong thời gian chiết xuất rất ngắn.
Thiết bị siêu âm hiệu năng cao cho dịch chiết astaxanthin chất lượng cao
Chiết xuất bằng siêu âm là kỹ thuật chiết xuất hiệu năng cao, sử dụng sóng siêu âm cường độ mạnh để chiết xuất astaxanthin từ các nguồn tự nhiên như vi tảo, nhuyễn thể krill hoặc động vật giáp xác. Astaxanthin là sắc tố carotenoid có trong tự nhiên, được biết đến với đặc tính chống oxy hóa mạnh và nhiều lợi ích cho sức khỏe. Chất này thường được sử dụng làm thực phẩm bổ sung và chất tạo màu thực phẩm. Hãy tìm hiểu cách xử lý bằng siêu âm giúp cải thiện quy trình chiết xuất astaxanthin của bạn!
MultiSonoReactor giúp cải thiện quá trình chiết xuất astaxanthin bằng siêu âm công suất cao
Chiết xuất astaxanthin từ vi tảo bằng siêu âm
Astaxanthin dùng trong thực phẩm bổ sung mà con người và động vật sử dụng vì lợi ích sức khỏe được thu nhận từ hải sản hoặc chiết xuất từ tảo H. pluvialis. Haematococcus pluvialis là loài vi tảo lục tạo ra hàm lượng astaxanthin cao khi chịu các điều kiện gây stress, ví dụ như độ mặn cao, thiếu nitơ, nhiệt độ cao và ánh sáng. Với lượng astaxanthin lên đến 9,2mg/g trên mỗi tế bào tảo (= lên đến 3,8% tính theo khối lượng khô của H. pluvialis), Haematococcus pluvialis tích lũy hàm lượng astaxanthin tự nhiên rất cao và do đó là sinh vật được ưu tiên để sản xuất astaxanthin.
Để giải phóng astaxanthin từ vi tảo lục, cần phá vỡ các tế bào tảo. Xử lý bằng siêu âm là phương pháp đã được ứng dụng rộng rãi để phá vỡ, ly giải tế bào và phân lập các hợp chất có hoạt tính sinh học như lipid, chất chống oxy hóa, polyphenol và sắc tố tự nhiên. Siêu âm hiệu năng cao tạo ra các lực thuần cơ học, phá vỡ thành tế bào bằng lực cắt và giải phóng các chất có hoạt tính sinh học như astaxanthin.
Chiết xuất astaxanthin từ nấm men bằng siêu âm
Phaffia rhodozyma là loài nấm men giàu astaxanthin. Tuy nhiên, thành tế bào dày của P. rhodozyma, có thành phần chủ yếu là glucan và quyết định độ cứng của tế bào, khiến việc phá vỡ tế bào và phân lập astaxanthin trở thành nhiệm vụ khó khăn. Các nhà nghiên cứu (Gogate et al. 2015) phát hiện rằng chiết xuất bằng siêu âm kết hợp với axit lactic tăng cường quá trình phá vỡ tế bào và giúp quá trình chiết xuất astaxanthin từ P. rhodozyma trở nên xanh hơn, thân thiện hơn với môi trường. Họ sử dụng axit lactic làm môi trường phá vỡ tế bào và ethanol làm dung môi chiết xuất. Hiệu suất thu hồi astaxanthin tối đa (90%) đạt được bằng phương pháp chiết xuất có hỗ trợ siêu âm sử dụng axit lactic 3 M với thời gian phá vỡ tế bào là 15 min. Các thiết bị chiết xuất siêu âm mạnh như UIP4000hd (4kW, xem hình bên trái), kết hợp với thiết bị phản ứng dòng chảy có thể chịu áp, cho phép tạo ra hiện tượng xâm thực rất mạnh. Lực cắt do xâm thực phá vỡ thành tế bào nấm men và thúc đẩy sự truyền khối giữa bên trong tế bào và dung môi.
- Hiệu suất thu hồi vượt trội
- Chiết xuất tốc độ cao – chỉ trong vài phút
- Dịch chiết chất lượng cao – xử lý nhẹ nhàng, không dùng nhiệt
- Dung môi xanh (ví dụ: nước/ethanol)
- Hiệu quả về chi phí
- Vận hành dễ dàng và an toàn
- Chi phí đầu tư và vận hành thấp
- Vận hành 24/7 trong điều kiện tải nặng
- Phương pháp xanh, thân thiện với môi trường
Chiết xuất astaxanthin bằng siêu âm – ở chế độ theo mẻ hoặc dòng chảy liên tục
Astaxanthin là hợp chất ưa lipid và có thể hòa tan trong dung môi (ví dụ: ethanol 48,0% trong etyl axetat) và dầu (ví dụ: dầu đậu nành).
Theo mẻ: Các quy trình chiết xuất bằng siêu âm có thể được vận hành dưới dạng quy trình theo mẻ đơn giản hoặc xử lý trên dòng, trong đó môi trường được cấp liên tục qua một thiết bị phản ứng siêu âm dòng chảy liên tục.
Xử lý theo mẻ là một quy trình đơn giản, trong đó quá trình chiết xuất được thực hiện lần lượt từng mẻ. Hielscher Ultrasonics cung cấp các thiết bị xử lý siêu âm cho các mẻ từ nhỏ đến lớn, tức là từ 1L đến 120L.
Để xử lý các mẻ từ 5 đến 10L, chúng tôi khuyến nghị sử dụng UP400ST với đầu sonotrode S24d22L2D (xem hình bên trái).
Để xử lý các mẻ khoảng 120L, chúng tôi khuyến nghị sử dụng thiết bị siêu âm UIP2000hdT với đầu sonotrode RS4d40L4.
Dòng chảy liên tục: Đối với thể tích lớn hơn và chiết xuất thương mại ở quy mô đầy đủ, một dòng chất lỏng liên tục được cấp qua thiết bị phản ứng siêu âm, tại đó hỗn hợp huyền phù dung môi/nguyên liệu thực vật được xử lý siêu âm cường độ cao.
Với thể tích khoảng 8L/min., chúng tôi khuyến nghị sử dụng UIP4000hdT với đầu sonotrode RS4d40L3 và buồng dòng chảy FC130L4-3G0 có thể điều áp
UIP2000hdT (2kW) để chiết xuất theo mẻ quy mô lớn
Thiết bị siêu âm hiệu suất cao dùng cho chiết xuất
Hielscher Ultrasonics chuyên sản xuất các thiết bị siêu âm hiệu suất cao để sản xuất dịch chiết chất lượng cao từ thực vật, nấm men và tế bào. Danh mục sản phẩm phong phú của Hielscher Ultrasonics bao gồm từ các thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn, mạnh mẽ đến các hệ thống để bàn bền chắc và các hệ thống hoàn toàn ở quy mô công nghiệp, cung cấp siêu âm cường độ cao để chiết xuất và phân lập hiệu quả các thành phần có hoạt tính sinh học như astaxanthin, quercetin, caffeine, curcumin, terpene, v.v. Tất cả các thiết bị siêu âm kỹ thuật số từ 200W đến 16.000W đều có menu trực quan với các thiết lập có thể lập trình, màn hình cảm ứng màu giúp vận hành thuận tiện, thẻ SD tích hợp để tự động ghi dữ liệu, chức năng điều khiển từ xa qua trình duyệt và nhiều tính năng thân thiện với người dùng khác. Các đầu sonotrode và buồng dòng chảy (những bộ phận tiếp xúc với môi trường) có thể được tiệt trùng bằng nồi hấp và dễ làm sạch. Tất cả các thiết bị siêu âm của chúng tôi đều được chế tạo để vận hành 24/7, ít cần bảo trì, đồng thời dễ vận hành và an toàn.
Màn hình màu kỹ thuật số cho phép điều khiển thiết bị siêu âm một cách thuận tiện. Các hệ thống của chúng tôi có khả năng tạo ra biên độ từ thấp đến rất cao. Để chiết xuất các hợp chất hóa học như astaxanthin, chúng tôi cung cấp các đầu sonotrode siêu âm đặc biệt (còn được gọi là đầu dò hoặc đầu khuếch đại siêu âm), được tối ưu hóa để phân lập nhẹ nhàng các hoạt chất chất lượng cao. Hielscher cung cấp các đầu sonotrode đặc biệt cho biên độ cao kết hợp với các buồng dòng chảy có thể điều áp, có khả năng tạo ra lực cắt cực mạnh do xâm thực, phá vỡ ngay cả các tế bào nấm men rất bền chắc. 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.
Việc kiểm soát chính xác các thông số của quá trình siêu âm đảm bảo khả năng tái lập và chuẩn hóa quy trình. Các hệ thống chiết xuất siêu âm tự động ở quy mô công nghiệp của Hielscher được thiết kế để sản xuất dịch chiết chất lượng vượt trội với năng suất cao, đồng thời giảm nhân công, chi phí và năng lượng.
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- B. Brands and M. Kleinke (2022): Astaxanthin production in Xanthophyllomyces dendrorhous grown in medium containing watery extracts from vegetable residue streams. IOP Conference Series: Earth Environ. Sci. 1034, 2022.
- Chougle, J.A.; Singha, R.S.; Baik, O.-D.(2014): Recovery of Astaxanthin from Paracoccus NBRC 101723 using Ultrasound-Assisted Three Phase Partitioning (UA-TPP). Separation Science and Technology, 49, 2014.
- Gogate et al. (2015): Ultrasound-assisted Intensification of Extraction of Astaxanthin from Phaffia rhodozyma. Indian Chemical Engineer 2015, 57:3-4, 240-255.
- Zou et al. (2013): Response Surface Methodology for Ultrasound-Assisted Extraction of Astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Marine Drugs 2013, 11, 1644-1655.
- Farid Chemat, Natacha Rombaut, Anne-Gaëlle Sicaire, Alice Meullemiestre, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier, Maryline Abert-Vian (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 34, 2017. 540-560.
Những điều đáng biết
Chiết xuất bằng siêu âm
Chiết xuất bằng siêu âm dựa trên nguyên lý xâm thực âm học.
Khi sóng siêu âm cường độ cao được áp dụng vào các hệ chất lỏng, hiện tượng xâm thực âm học xảy ra, tức là sự hình thành, phát triển và cuối cùng là sụp đổ của các bọt chân không (xem hình bên dưới). Trong quá trình lan truyền sóng siêu âm, các bọt chân không dao động và phát triển cho đến khi đạt đến ngưỡng không thể hấp thụ thêm năng lượng. Khi phát triển đến kích thước lớn nhất, các bọt sụp đổ dữ dội, gây ra các tác động nhiệt, cơ học và hóa học cục bộ. Các tác động cơ học bao gồm áp suất cao lên đến 1000atm, dòng chảy rối và lực cắt mạnh. Những lực này phá vỡ thành tế bào và thúc đẩy sự truyền khối giữa bên trong tế bào và dung môi, giải phóng các hợp chất có hoạt tính sinh học vào chất lỏng xung quanh (tức là dung môi).
Hiện tượng xâm thực âm, do siêu âm cường độ cao, tần số thấp tạo ra, sinh ra lực cắt mạnh cùng các chênh lệch áp suất và nhiệt độ lớn xuất hiện cục bộ, cung cấp tác động cần thiết để phá vỡ tế bào, trộn mạnh và truyền khối. Các lực cắt siêu âm này được ứng dụng thành công để chiết xuất cần sa.
Việc chiết xuất các hợp chất từ thực vật và mô tế bào bằng siêu âm đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Việc sử dụng sóng siêu âm có cường độ rất cao thúc đẩy đáng kể các quá trình chiết xuất. Bên cạnh việc tăng cường quá trình – giúp tăng hiệu suất thu hồi và rút ngắn thời gian chiết xuất – sự phân hủy do nhiệt và thất thoát các thành phần nhạy cảm với nhiệt độ cũng được ngăn ngừa vì xử lý siêu âm là phương pháp xử lý không nhiệt. Hơn nữa, chiết xuất bằng siêu âm có chi phí đầu tư và vận hành thấp, giảm lượng dung môi sử dụng và/hoặc cho phép sử dụng các dung môi thân thiện hơn với môi trường, nhờ đó trở thành một kỹ thuật chiết xuất kinh tế và thân thiện với môi trường. Với hiệu quả vượt trội so với các phương pháp chiết xuất thông thường, chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE) đã được ngành công nghiệp thực phẩm áp dụng để sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học, mang lại lợi ích kinh tế.
Sóng siêu âm mạnh phá vỡ chất nền tế bào của các cấu trúc sinh học và giải phóng các hợp chất có hoạt tính sinh học. Quá trình truyền khối giữa nguyên liệu thực vật và dung môi được tăng cường. Nhờ những cơ chế này, chiết xuất bằng siêu âm đạt hiệu quả rất cao trong chiết xuất cần sa.
Astaxanthin
Astaxanthin nổi bật với màu đỏ đậm. Đây là một sắc tố tan trong chất béo, có trong tảo (ví dụ: Haematococcus pluvialis, Chlorella zofingiensis, Chlorococcum), nấm men (ví dụ: Phaffia rhodozyma), cá hồi, cá hồi vân, nhuyễn thể krill, tôm và tôm càng nước ngọt. Astaxanthin được coi là một chất siêu chống oxy hóa vì khả năng chống oxy hóa của nó mạnh gấp mười đến hai mươi lần nhiều carotenoid khác, như beta-carotene, lutein và zeaxanthin, và mạnh gấp một trăm lần alpha-tocopherol (vitamin E).
Astaxanthin (3,3′-dihydroxy-β, β′-carotene-4,4′-dione) là một keto-carotenoid và thuộc một nhóm hợp chất hóa học lớn hơn được gọi là terpene (dưới dạng một tetraterpenoid), được cấu tạo từ các tiền chất có năm nguyên tử carbon là isopentenyl diphosphate và dimethylallyl diphosphate. Astaxanthin được phân loại là một loại hợp chất carotenoid có các thành phần chứa oxy, cụ thể là hydroxyl (-OH) hoặc ketone (C=O), tương tự zeaxanthin và canthaxanthin. Astaxanthin là một chất chuyển hóa của zeaxanthin và/hoặc canthaxanthin, chứa cả nhóm chức hydroxyl và ketone. Giống như nhiều carotenoid, astaxanthin là một sắc tố tan trong lipid và nổi bật với màu đỏ. Các carotenoid, bao gồm astaxanthin, được biết đến rộng rãi nhờ khả năng chống oxy hóa.
Astaxanthin là một sắc tố đỏ, có nguồn gốc tự nhiên từ vi tảo trong nước mưa (Haematococcus pluvialis) và loài nấm men có tên Xanthophyllomyces dendrorhous (còn được gọi là Phaffia rhodozyma). Tảo chịu stress do một hoặc kết hợp nhiều điều kiện, từ thiếu chất dinh dưỡng, tăng độ mặn đến ánh nắng quá mức, để tạo ra Astaxanthin. Những loài tiêu thụ các vi tảo nước ngọt chịu stress này, như cá hồi, cá hồi vân đỏ, cá tráp biển đỏ, hồng hạc và động vật giáp xác (ví dụ: tôm, nhuyễn thể krill, cua, tôm hùm, tôm càng nước ngọt), biểu hiện sắc tố đỏ cam ở hình dạng bên ngoài của chúng.
Khi được dùng làm chất bổ sung, astaxanthin được sử dụng vì tác dụng tăng cường sức khỏe và điều trị bệnh. Astaxanthin là một dưỡng chất có tác dụng dược lý đã được sử dụng rộng rãi để cải thiện sức khỏe làn da (ví dụ: giảm nếp nhăn, tổn thương do cháy nắng, v.v.).
Hơn nữa, astaxanthin ngày càng được quan tâm nhờ việc sử dụng để điều trị bệnh Alzheimer, bệnh Parkinson, các bệnh tim mạch, cholesterol cao, các bệnh về gan, thoái hóa điểm vàng liên quan đến tuổi tác và phòng ngừa ung thư.
Hielscher Ultrasonics sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.