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

Tảo, macro và vi tảo, chứa nhiều hợp chất có giá trị, được sử dụng làm thực phẩm dinh dưỡng, phụ gia thực phẩm hoặc làm nguyên liệu nhiên liệu hoặc nhiên liệu. Để giải phóng các chất mục tiêu từ tế bào tảo, cần có kỹ thuật gián đoạn tế bào mạnh và hiệu quả. Máy chiết xuất siêu âm có hiệu quả cao và đáng tin cậy khi khai thác các hợp chất hoạt tính sinh học từ thực vật, tảo và nấm. Có sẵn tại phòng thí nghiệm, băng ghế dự bị và quy mô công nghiệp, máy chiết xuất siêu âm Hielscher được thành lập trong sản xuất chiết xuất có nguồn gốc từ tế bào trong thực phẩm, dược phẩm và sản xuất nhiên liệu sinh học.

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

Các 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 một nguồn thực phẩm và các hợp chất dinh dưỡng cũng như cho nhiên liệu.
Vi tảo là một nguồn lipid có giá trị, được sử dụng cho dinh dưỡng và làm nguyên liệu sinh học (ví dụ: 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 hydrocarbon bão hòa (n-alkanes) 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 làm "thực phẩm chức năng" hoặc "nutraceuticals". Các vi chất dinh dưỡng quan trọng được chiết xuất từ tảo bao gồm carotenoids astaxanthin, fucoxanthin và zeaxantin, fucoidan, laminari và các glucan khác trong số nhiều chất hoạt tính sinh học khác được sử dụng làm chất bổ sung dinh dưỡng và pharmceuticals. 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.

Sự gián đoạn và chiết xuất tế bào tảo bằng siêu âm điện

Máy chiết xuất 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 ma trận thành tế bào phức tạp, bao gồm lipid, cellulose, protein, glycoprotein và polysaccharides. Cơ sở của hầu hết các thành tế bào tảo được xây dựng bằng một mạng lưới microfibrillar 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 opaline silica frustules hoặc canxi cacbonat. Để có được các hợp chất hoạt tính sinh học từ sinh khối tảo, một kỹ thuật gián đoạn tế bào hiệu quả là cần thiết. Bên cạnh các yếu tố khai thác công nghệ (tức là phương pháp và thiết bị chiết xuất), hiệu quả của sự gián đoạn và khai thác 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 các tế bào vi tảo và giai đoạn tăng trưởng của vi tảo trong quá trình thu hoạch.

Làm thế nào để sự gián đoạn và khai thác tế bào tảo siêu âm hoạt động?

Khi sóng siêu âm cường độ cao được kết hợp thông qua đầu dò siêu âm (còn được gọi là sừng siêu âm hoặc sonotrode) thành chất lỏng hoặc bùn, sóng âm thanh đi qua chất lỏng và tạo ra do đó xen kẽ các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp. Trong những chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp này, bong bóng chân không phút hoặc sâu răng xảy ra. Bong bóng cavitation xảy ra khi áp suất cục bộ giảm trong các chu kỳ áp suất thấp đủ xa dưới áp suất hơi bão hòa, một giá trị được đưa ra bởi độ bền kéo của chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định. Nó 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 nổ tung dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Sự nổ tung của bong bóng cavitation là một quá trình bạo lực, dày đặc năng lượng tạo ra sóng xung kích dữ dội, nhiễu loạn và micro-jets 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 có khả năng dễ dàng phá vỡ thành tế bào và màng và giải phóng các hợp chất nội bào một cách hiệu quả, hiệu quả và nhanh chóng. Các hợp chất nội bào như protein, polysaccharides, lipid, vitamin, khoáng chất và chất chống oxy hóa do đó có thể được chiết xuất hiệu quả bằng siêu âm điện.

Cavitation siêu âm để phá vỡ và chiết xuất tế bào

Khi tiếp xúc với năng lượng siêu âm cường độ cao, 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 cavitation 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 xung quanh hoặc dung môi.
Cơ chế được mô tả ở trên của cavitation siêu âm / âm thanh phá vỡ toàn bộ tế bào tảo hoặc khí và vacuoles lỏng trong các tế bào nghiêm trọng. Cavitation siêu âm, rung động, nhiễu loạn và phát trực tuyến vi mô thúc đẩy sự chuyển giao khối lượng giữa nội thất tế bào và dung môi xung quanh để các phân tử sinh học (tức là chất chuyển hóa) có hiệu quả và nhanh chóng được giải phóng. Vì sonication là một phương pháp điều trị hoàn toàn cơ học không đòi hỏi các hóa chất khắc nghiệt, độc hại và / hoặc đắt tiền.
Siêu âm tần số thấp, cường độ cao tạo ra 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 gián đoạn của cấu trúc tế bào để giải phóng các hợp chất nội bào vào môi trường. Do đó, siêu âm tần số thấp phần lớn 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, phay 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 (như lipid, protein, polysaccharides và vi chất dinh dưỡng) từ tế bào được sonoporated và bị gián đoạn. Áp dụng các điều kiện quy trình phù hợp, chiết xuất siêu âm mang lại năng suất khai thác vượt trội trong một thời gian quá trình rất ngắn. Ví dụ, máy chiết xuất siêu âm hiệu suất cao cho thấy hiệu suất chiết xuất tuyệt vời từ tảo, khi được sử dụng với dung môi phù hợp. Trong môi trường axit hoặc kiềm, thành tế bào tảo bị xốp và nhăn nheo, dẫn đến tăng năng suất ở nhiệt độ thấp (dưới 60 ° C) trong thời gian sonication ngắn (dưới 3 giờ). Thời gian chiết xuất ngắn ở nhiệt độ nhẹ ngăn ngừa sự suy thoái fucoidan, do đó thu được polysaccharide hoạt tính sinh học cao.
Siêu âm cũng là một phương pháp để biến fucoidan trọng lượng phân tử cao thành fucoidan trọng lượng phân tử thấp, hoạt tính sinh học nhiều hơn đáng kể do cấu trúc suy nhược của nó. Với khả năng sinh học cao và khả năng sinh học, fucoidan trọng lượng phân tử thấp là một hợp chất thú vị cho các hệ thống dược phẩm và phân phối thuốc.

Nghiên cứu trường hợp: Khai thác siêu âm các hợp chất tảo

Hiệu quả khai thác 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 mẫu mực cho kết quả khai thác thông qua siêu âm từ các loài tảo khác nhau.

Chiết xuất protein từ Spirulina 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 (như phycocyanin) từ Arthrospira platensis cyanobacteria khô (còn được gọi là spirulina). 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 thử nghiệm, MTS thúc đẩy chuyển khối lượng (độ khuếch tán hiệu quả cao, De) và cho phép có thêm 229% protein (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 spirulina khô trong chiết xuất, tỷ lệ thu hồi protein 50% đã đạt được trong 6 phút hiệu quả với quá trình MTS liên tục. Các quan sát vi mô cho thấy cavitation âm thanh ảnh hưởng đến sợi spirulina 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 spirulina dễ dàng hơn". [Vernès et al., 2019]

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

Siêu âm Fucoidan và Glucan Chiết xuất từ Laminaria digitata

Nhóm nghiên cứu TEAGASC của Tiến sĩ Tiwari đã điều tra việc chiết xuất polysaccharides, tức là fucoidan, laminarin và tổng glucans, từ macroalgae Laminaria digitata bằng cách sử dụng ultrasonicator UIP500hdT ultrasonicator UIP500hdT ultrasonicator UIP500hdT ultrasonicator. 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. Các mức 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde và 11,02% đối với fucose, tổng glucans, FRAP và DPPH tương ứng ở điều kiện tối ưu hóa 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 của UAE được mô tả sau đó đã được áp dụng thành công cho các macroalgae nâu có liên quan đến kinh tế khác (L. hyperborea và A. nodosum) để có được chiết xuất giàu polysaccharide. Nghiên cứu này chứng minh khả năng áp dụng của UAE để tăng cường khai thác polysaccharides hoạt tính sinh học từ các loài vĩ mô 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 khai thác mới khác nhau bao gồm chiết xuất siêu âm hiệu suất cao, chiết xuất siêu vi sóng, chiết xuất vi sóng, chiết xuất hỗ trợ thủy nhiệt và chiết xuất hỗ trợ áp suất cao để đánh giá hiệu quả khai thác từ các loài vi tảo nâu Fucus vesiculosus và Pelvetia canaliculata. Đối với siêu âm, họ đã sử dụng Máy chiết xuất siêu âm Hielscher UIP500hdT. Sự bất ổn của năng suất khai thác cho thấy khai thác siêu âm đạt được năng suất cao nhất của hầu hết các chất phytochemical từ cả F. vesiculosus. Điều này có nghĩa là, năng suất cao nhất của các hợp chất được chiết xuất từ F. vesiculosus bằng cách sử dụng máy chiết xuất siêu âm UIP500hdT là: tổng hàm lượng phenolic (445,0 ± 4,6 mg gallic acid tương đương/g), tổng hàm lượng phlorotannin (362,9 ± 3,7 mg phloroglucinol tương đương/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 siêu âm hỗ trợ "kết hợp với dung dịch ethanol 50% làm dung môi chiết xuất có thể là một chiến lược đầy hứa hẹn nhắm vào việc khai thác 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 cosmeceuticals." [García-Vaquero et al., 2021]

Mở rộng quy mô mano-thermo-sonication tại Đại học Avignon bằng cách sử dụng máy siêu âm Hielscher: từ thiết bị phòng thí nghiệm UIP1000hdT (A) thí điểm thiết bị quy mô UIP4000hdT (B, C & D). Trên hình chữ D được sơ đồ một phần xuyên của tế bào dòng siêu âm FC100K.
hình ảnh và nghiên cứu: ©Vernès et al. 2019

Máy chiết xuất siêu âm hiệu suất cao cho sự gián đoạn tảo

Hielscher của nhà nước-of-the-nghệ thuật thiết bị siêu âm cho phép kiểm soát hoàn toàn các thông số quá trình như biên độ, dữ liệu, 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, sự suy thoái nhiệt của các thành phần hoạt tính sinh học có trong nguyên liệu thô như tảo là tránh được.
Nhìn chung, những lợi thế như năng suất cao, thời gian khai thác ngắn, nhiệt độ chiết xuất thấp và lượng dung môi nhỏ làm cho sonication trở thành phương pháp chiết xuất vượt trội.

Khai thác siêu âm: Được thành lập trong phòng thí nghiệm và công nghiệp

Chiết xuất siêu âm được áp dụng rộng rãi để khai thác 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 đơn giản, hiệu quả chi phí và hiệu quả cao vượt trội so với các kỹ thuật khai thác truyền thống khác bởi năng suất khai thác cao hơn và thời gian chế biến ngắn hơn.
Với các hệ thống siêu âm trong phòng thí nghiệm, băng ghế dự bị và hoàn toàn công nghiệp có sẵn, khai thác siêu âm ngày nay là một công nghệ được thiết lập tốt và đáng tin cậy. Máy chiết xuất 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.

Quá trình tiêu chuẩn hóa 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 tiêu chuẩn. Hệ thống trích xuất kỹ thuật số của Hielscher Ultrasonics đi kèm với phần mềm thông minh, giúp dễ dàng thiết lập và kiểm soát quá trình sonication 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 và năng lượng ròng), biên độ, nhiệt độ, áp suất (khi cảm biến nhiệt độ và áp suất được gắn) với dấu ngày và thời gian 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 liên tục cao được đảm bảo.

Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: