Ultrasonication để cải thiện sự gián đoạn tế bào tảo và khai thác

Tảo, tảo vĩ mô và vi tảo, chứa nhiều hợp chất có giá trị, được sử dụng làm thực phẩm dinh dưỡng, phụ gia thực phẩm hoặc làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu nhiên liệu. Để giải phóng các chất mục tiêu khỏi tế bào tảo, cần có một kỹ thuật phá vỡ tế bào mạnh mẽ và hiệu quả. Máy chiết siêu âm có hiệu quả cao và đáng tin cậy khi chiết xuất các hợp chất hoạt tính sinh học từ thực vật, tảo và nấm. Có sẵn ở quy mô phòng thí nghiệm, để bàn và công nghiệp, máy chiết siêu âm Hielscher được thiết lập trong sản xuất chiết xuất có nguồn gốc từ tế bào trong sản xuất thực phẩm, dược phẩm và nhiên liệu sinh học.

Tảo như một nguồn tài nguyên quý giá cho dinh dưỡng và nhiên liệu

Tế bào tảo là một nguồn linh hoạt của các hợp chất hoạt tính sinh học và giàu năng lượng, chẳng hạn như protein, carbohydrate, lipid và các hoạt chất sinh học khác cũng như ankan. Điều này làm cho tảo trở thành nguồn thức ăn và các hợp chất dinh dưỡng cũng như nhiên liệu.
Vi tảo là một nguồn lipid có giá trị, được sử dụng cho dinh dưỡng và làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học (ví dụ: dầu diesel sinh học). Các chủng thực vật phù du biển Dicrateria, chẳng hạn như Dicrateria rotunda, được gọi là tảo sản xuất xăng, có thể tổng hợp một loạt hydrocacbon bão hòa (n-ankan) từ C₁₀H₂₂ đến C₃₈H₇₈, được phân loại là xăng (C10–C15), dầu diesel (C16–C20) và dầu nhiên liệu (C21–C38).
Do giá trị dinh dưỡng của chúng, tảo được sử dụng như "thực phẩm chức năng" hoặc "dược phẩm dinh dưỡng". Các vi chất dinh dưỡng quan trọng được chiết xuất từ tảo bao gồm carotenoid astaxanthin, fucoxanthin và zeaxantin, fucoidan, laminari và các glucan khác trong số nhiều hoạt chất sinh học khác được sử dụng làm chất bổ sung dinh dưỡng và dược phẩm. Carrageenan, alginate và các hydrocolloid khác được sử dụng làm phụ gia thực phẩm. Lipid tảo được sử dụng làm nguồn omega-3 thuần chay và cũng được sử dụng làm nhiên liệu hoặc làm nguyên liệu để sản xuất dầu diesel sinh học.

Phá vỡ và chiết xuất tế bào tảo bằng siêu âm công suất

Máy chiết siêu âm hoặc đơn giản là máy siêu âm được sử dụng để chiết xuất các hợp chất có giá trị từ các mẫu nhỏ trong phòng thí nghiệm cũng như để sản xuất trên quy mô thương mại lớn.
Tế bào tảo được bảo vệ bởi các ma trận thành tế bào phức tạp, bao gồm lipid, cellulose, protein, glycoprotein và polysaccharide. Cơ sở của hầu hết các thành tế bào tảo được xây dựng từ một mạng lưới vi sợi trong một ma trận protein giống như gel; Tuy nhiên, một số vi tảo được trang bị một bức tường cứng vô cơ bao gồm các frustules silica opaline hoặc canxi cacbonat. Để thu được các hợp chất hoạt tính sinh học từ sinh khối tảo, cần có một kỹ thuật phá vỡ tế bào hiệu quả. Bên cạnh các yếu tố chiết xuất công nghệ (tức là phương pháp và thiết bị chiết xuất), hiệu quả của việc phá vỡ và chiết xuất tế bào tảo cũng bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các yếu tố phụ thuộc vào tảo khác nhau như thành phần của thành tế bào, vị trí của phân tử sinh học mong muốn trong tế bào vi tảo và giai đoạn phát triển của vi tảo trong quá trình thu hoạch.

Phá vỡ và chiết xuất tế bào tảo siêu âm hoạt động như thế nào?

Khi sóng siêu âm cường độ cao được ghép nối thông qua đầu dò siêu âm (còn được gọi là còi siêu âm hoặc sonotrode) vào chất lỏng hoặc bùn, sóng âm thanh truyền qua chất lỏng và tạo ra các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp xen kẽ. Trong các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp này, bong bóng chân không hoặc khoang nhỏ xảy ra. Bong bóng xâm thực xảy ra khi áp suất cục bộ giảm trong các chu kỳ áp suất thấp đủ thấp hơn áp suất hơi bão hòa, một giá trị được cho bởi độ bền kéo của chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định. Những cái này phát triển qua nhiều chu kỳ. Khi những bong bóng chân không này đạt đến kích thước, nơi chúng không thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn, bong bóng sẽ nổ mạnh trong chu kỳ áp suất cao. Sự nổ tung của bong bóng xâm thực là một quá trình dữ dội, dày đặc năng lượng tạo ra sóng xung kích mạnh, nhiễu loạn và các tia siêu nhỏ trong chất lỏng. Ngoài ra, áp suất rất cao cục bộ và nhiệt độ rất cao được tạo ra. Những điều kiện khắc nghiệt này dễ dàng có khả năng phá vỡ thành và màng tế bào và giải phóng các hợp chất nội bào một cách hiệu quả, hiệu quả và nhanh chóng. Các hợp chất nội bào như protein, polysaccharide, lipid, vitamin, khoáng chất và chất chống oxy hóa do đó có thể được chiết xuất hiệu quả bằng cách sử dụng siêu âm.

Cavitation siêu âm để phá vỡ và chiết xuất tế bào

Khi tiếp xúc với năng lượng siêu âm mạnh, thành hoặc màng của bất kỳ loại tế bào nào (bao gồm thực vật, động vật có vú, tảo, nấm, vi khuẩn, v.v.) bị phá vỡ và tế bào bị xé thành các mảnh nhỏ hơn bởi các lực cơ học của xâm thực siêu âm dày đặc năng lượng. Khi thành tế bào bị phá vỡ, các chất chuyển hóa tế bào như protein, lipid, axit nucleic và chất diệp lục được giải phóng từ ma trận thành tế bào cũng như từ bên trong tế bào và được chuyển vào môi trường nuôi cấy hoặc dung môi xung quanh.
Cơ chế xâm thực siêu âm / âm thanh được mô tả ở trên làm gián đoạn nghiêm trọng toàn bộ tế bào tảo hoặc khí và không bào lỏng trong tế bào. Sự xâm thực siêu âm, rung động, nhiễu loạn và vi luồng thúc đẩy sự truyền khối lượng giữa bên trong tế bào và dung môi xung quanh để các phân tử sinh học (tức là chất chuyển hóa) được giải phóng hiệu quả và nhanh chóng. Vì siêu âm là một phương pháp xử lý cơ học thuần túy không yêu cầu hóa chất khắc nghiệt, độc hại và / hoặc đắt tiền.
Siêu âm cường độ cao, tần số thấp tạo ra các điều kiện dày đặc năng lượng cực cao, có áp suất cao, nhiệt độ và lực cắt cao. Những lực vật lý này thúc đẩy sự phá vỡ cấu trúc tế bào để giải phóng các hợp chất nội bào vào môi trường. Do đó, siêu âm tần số thấp chủ yếu được sử dụng để chiết xuất các chất hoạt tính sinh học và nhiên liệu từ tảo. Khi so sánh với các phương pháp chiết xuất thông thường như chiết xuất dung môi, nghiền hạt hoặc đồng nhất áp suất cao, chiết xuất siêu âm vượt trội bằng cách giải phóng hầu hết các hợp chất hoạt tính sinh học (chẳng hạn như lipid, protein, polysaccharid và vi chất dinh dưỡng) khỏi tế bào được siêu âm và bị phá vỡ. Áp dụng các điều kiện quy trình phù hợp, chiết xuất siêu âm cho năng suất chiết xuất vượt trội trong thời gian xử lý rất ngắn. Ví dụ, máy chiết siêu âm hiệu suất cao cho thấy hiệu suất chiết xuất tuyệt vời từ tảo, khi được sử dụng với dung môi thích hợp. Trong môi trường có tính axit hoặc kiềm, thành tế bào tảo bị xốp và nhăn, dẫn đến tăng năng suất ở nhiệt độ thấp (dưới 60 °C) trong thời gian siêu âm ngắn (dưới 3 giờ). Thời gian chiết xuất ngắn ở nhiệt độ ôn hòa ngăn ngừa sự phân hủy fucoidan, do đó thu được polysaccharide có hoạt tính sinh học cao.
Siêu âm cũng là một phương pháp để chuyển đổi fucoidan trọng lượng phân tử cao thành fucoidan trọng lượng phân tử thấp, có hoạt tính sinh học cao hơn đáng kể do cấu trúc phân nhánh của nó. Với hoạt tính sinh học và khả năng tiếp cận sinh học cao, fucoidan trọng lượng phân tử thấp là một hợp chất thú vị cho dược phẩm và hệ thống phân phối thuốc.

Nghiên cứu điển hình: Chiết xuất siêu âm các hợp chất tảo

Hiệu quả chiết xuất siêu âm và tối ưu hóa các thông số chiết xuất siêu âm đã được nghiên cứu rộng rãi. Dưới đây, bạn có thể tìm thấy kết quả ví dụ cho kết quả chiết xuất thông qua siêu âm từ các loài tảo khác nhau.

Chiết xuất protein từ tảo xoắn bằng Mano-Thermo-Sonication

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Chemat (Đại học Avignon) đã điều tra tác động của manothermosonication (MTS) đối với việc chiết xuất protein (chẳng hạn như phycocyanin) từ Arthrospira platensis cyanobacteria khô (còn được gọi là tảo xoắn). Mano-Thermo-Sonication (MTS) là ứng dụng của siêu âm kết hợp với áp suất và nhiệt độ cao để tăng cường quá trình chiết xuất siêu âm.
Theo kết quả thí nghiệm, MTS thúc đẩy chuyển khối lượng (độ khuếch tán hiệu quả cao, De) và cho phép thu được nhiều protein hơn 229% (28,42 ± 1,15 g / 100 g DW) so với quy trình thông thường mà không cần siêu âm (8,63 ± 1,15 g / 100 g DW). Với 28,42 g protein trên 100 g sinh khối tảo xoắn khô trong chiết xuất, tỷ lệ phục hồi protein 50% đã đạt được trong 6 phút hiệu quả với quy trình MTS liên tục. Các quan sát bằng kính hiển vi cho thấy xâm thực âm thanh tác động đến các sợi tảo xoắn bởi các cơ chế khác nhau như phân mảnh, sonoporation, detexturation. Những hiện tượng khác nhau này làm cho việc chiết xuất, giải phóng và hòa tan các hợp chất hoạt tính sinh học của tảo xoắn dễ dàng hơn. " [Vernès và cộng sự, 2019]

Hình ảnh kính hiển vi quang học của toàn bộ sợi spiurulina được xử lý MTS theo thời gian. Thanh tỷ lệ (hình A) = 50 μm cho tất cả các hình ảnh.
hình ảnh và nghiên cứu: ©Vernès et al. 2019

Siêu âm Fucoidan và Chiết xuất Glucan từ Laminaria digitata

Nhóm nghiên cứu TEAGASC của Tiến sĩ Tiwari đã điều tra việc chiết xuất polysaccharide, tức là fucoidan, laminarin và tổng glucan, từ tảo lớn Laminaria digitata bằng cách sử dụng Siêu âm UIP500hdT. Các thông số khai thác hỗ trợ siêu âm (UAE) được nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng đáng kể đến mức độ fucose, FRAP và DPPH. Mức 1060,75 mg / 100 g ds, 968,57 mg / 100 g ds, 8,70 μM trolox / mg fde và 11,02% thu được đối với fucose, tổng glucans, FRAP và DPPH tương ứng ở các điều kiện tối ưu về nhiệt độ (76 ◦ C), thời gian (10 phút) và biên độ siêu âm (100%) sử dụng 0,1 M HCl làm dung môi. Các điều kiện UAE được mô tả sau đó đã được áp dụng thành công cho các loại tảo nâu có liên quan đến kinh tế khác (L. hyperborea và A. nodosum) để thu được chiết xuất giàu polysacarit. Nghiên cứu này chứng minh khả năng ứng dụng của UAE để tăng cường chiết xuất polysacarit hoạt tính sinh học từ các loài tảo lớn khác nhau.

Chiết xuất phytochemical siêu âm từ F. vesiculosus và P. canaliculata

Nhóm nghiên cứu của García-Vaquero đã so sánh các kỹ thuật chiết xuất mới khác nhau bao gồm chiết xuất siêu âm hiệu suất cao, chiết xuất siêu âm-vi sóng, chiết xuất vi sóng, chiết xuất có hỗ trợ thủy nhiệt và chiết xuất hỗ trợ áp suất cao để đánh giá hiệu quả chiết xuất từ các loài vi tảo nâu Fucus vesiculosus và Pelvetia canaliculata. Để siêu âm, họ đã sử dụng Máy vắt siêu âm Hielscher UIP500hdT. Bất kỳ lợi ích của năng suất chiết xuất cho thấy chiết xuất siêu âm đạt được năng suất cao nhất của hầu hết các hóa chất thực vật từ cả F. vesiculosus. Điều này có nghĩa là, năng suất cao nhất của các hợp chất chiết xuất từ F. vesiculosus bằng cách sử dụng máy vắt siêu âm UIP500hdT là: tổng hàm lượng phenolic (445,0 ± 4,6 mg tương đương axit gallic / g), tổng hàm lượng phlorotannin (362,9 ± 3,7 mg tương đương phloroglucinol / g), tổng hàm lượng flavonoid (286,3 ± 7,8 mg quercetin tương đương / g) và tổng hàm lượng tannin (189,1 ± 4,4 mg catechin tương đương / g).
Trong nghiên cứu của họ, nhóm nghiên cứu kết luận rằng việc sử dụng chiết xuất hỗ trợ siêu âm "kết hợp với dung dịch ethanolic 50% làm dung môi chiết xuất có thể là một chiến lược đầy hứa hẹn nhắm vào việc chiết xuất TPC, TPhC, TFC và TTC, đồng thời giảm đồng chiết xuất carbohydrate không mong muốn từ cả F. vesiculosus và P. canaliculata, với các ứng dụng đầy hứa hẹn khi sử dụng các hợp chất này làm dược phẩm, nutraceuticals và mỹ phẩm." [García-Vaquero và cộng sự, 2021]

Mở rộng quy mô của mano-thermo-sonication tại Đại học Avignon bằng cách sử dụng máy siêu âm Hielscher: từ thiết bị phòng thí nghiệm UIP1000hdt (A) đến thiết bị quy mô thí điểm UIP4000hdt (B, C & D). Trên hình D được sơ đồ hóa một phần ngang của tế bào dòng siêu âm FC100K.
hình ảnh và nghiên cứu: ©Vernès et al. 2019

Máy vắt siêu âm hiệu suất cao để phá vỡ tảo

Thiết bị siêu âm hiện đại của Hielscher cho phép kiểm soát hoàn toàn các thông số quy trình như biên độ, nhiệt độ, áp suất và năng lượng đầu vào.
Đối với chiết xuất siêu âm, các thông số như kích thước hạt nguyên liệu thô, loại dung môi, tỷ lệ rắn trên dung môi và thời gian chiết xuất có thể được thay đổi và tối ưu hóa để có kết quả tốt nhất.
Vì chiết xuất siêu âm là một phương pháp chiết xuất không nhiệt nên tránh được sự phân hủy nhiệt của các thành phần hoạt tính sinh học có trong nguyên liệu thô như tảo.
Nhìn chung, những ưu điểm như năng suất cao, thời gian chiết ngắn, nhiệt độ chiết thấp và một lượng dung môi nhỏ làm cho sonication trở thành phương pháp chiết xuất vượt trội.

Chiết xuất siêu âm: Được thành lập trong phòng thí nghiệm và công nghiệp

Chiết xuất siêu âm được áp dụng rộng rãi để chiết xuất bất kỳ loại hợp chất hoạt tính sinh học nào từ thực vật, tảo, vi khuẩn và tế bào động vật có vú. Chiết xuất siêu âm đã được thiết lập như một phương pháp đơn giản, tiết kiệm chi phí và hiệu quả cao, vượt trội hơn các kỹ thuật chiết xuất truyền thống khác bởi năng suất chiết cao hơn và thời gian xử lý ngắn hơn.
Với các hệ thống siêu âm trong phòng thí nghiệm, để bàn và công nghiệp hoàn toàn có sẵn, chiết xuất siêu âm ngày nay là một công nghệ được thiết lập tốt và đáng tin cậy. Máy vắt siêu âm Hielscher được lắp đặt trên toàn thế giới trong các cơ sở chế biến công nghiệp sản xuất các hợp chất hoạt tính sinh học cấp thực phẩm và dược phẩm.

Tiêu chuẩn hóa quá trình với Hielscher Ultrasonics

Chiết xuất có nguồn gốc từ tảo, được sử dụng trong thực phẩm, dược phẩm hoặc mỹ phẩm, phải được sản xuất theo Thực hành sản xuất tốt (GMP) và theo các thông số kỹ thuật chế biến được tiêu chuẩn hóa. Hệ thống chiết xuất kỹ thuật số của Hielscher Ultrasonic đi kèm với phần mềm thông minh, giúp dễ dàng thiết lập và kiểm soát quá trình siêu âm một cách chính xác. Ghi dữ liệu tự động ghi tất cả các thông số quá trình siêu âm như năng lượng siêu âm (tổng năng lượng và năng lượng ròng), biên độ, nhiệt độ, áp suất (khi cảm biến nhiệt độ và áp suất được gắn) với ngày và giờ stamp trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn sửa đổi từng lô được xử lý siêu âm. Đồng thời, khả năng tái tạo và chất lượng sản phẩm cao liên tục được đảm bảo.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: