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

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 đích từ tế bào tảo, cần có một kỹ thuật phá vỡ tế bào mạnh mẽ và hiệu quả. Máy vắt siêu âm có hiệu quả cao và đáng tin cậy khi nói đến việc khai thác các hợp chất hoạt tính sinh học từ thực vật, tảo và nấm. Có sẵn ở phòng thí nghiệm, băng ghế dự bị và quy mô công nghiệp, máy vắt siêu âm Hielscher được thành lập trong sản xuất chiết xuất có nguồn gốc 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

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 thực phẩm và các hợp chất dinh dưỡng cũng như làm 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 các hydrocarbon 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 làm "thực phẩm chức năng" hoặc "dược phẩm dinh dưỡng". Các vi chất dinh dưỡng quan trọng được chiết xuất từ tảo bao gồm carotenoids astaxanthin, fucoxanthin và zeaxantin, fucoidan, laminari và các glucans 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 hydrocolloids 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 khai thác tế bào tảo bằng siêu âm điện

Máy vắt siêu âm hoặc đơn giản là ultrasonicators 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 polysacarit. Cơ sở của hầu hết các thành tế bào tảo được xây dựng bởi 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 lớp vỏ silica opaline hoặc canxi cacbonat. Để có được các hợp chất hoạt tính sinh học từ sinh khối tảo, một kỹ thuật phá vỡ 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 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 tăng trưởng của vi tảo trong quá trình thu hoạch.

Làm thế nào để siêu âm tế bào tảo phá vỡ và khai thác làm việc?

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 truyền qua chất lỏng và tạo ra do đó xen kẽ chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp. Trong các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp này, bong bóng chân không phút hoặc sâu răng xảy ra. Bong bóng hang xảy ra khi áp suất cục bộ giảm trong các chu kỳ áp suất thấp đủ xa so với áp suất hơi bão hòa, một giá trị được đưa ra bởi độ bền kéo của chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định. Phát triển qua nhiều chu kỳ. Khi các 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 xâm thực là một quá trình dữ dội, dày đặc năng lượng tạo ra sóng xung kích dữ dội, nhiễu loạn và vi tia 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, polysacarit, lipid, vitamin, khoáng chất và chất chống oxy hóa có thể do đó có hiệu quả chiết xuất bằng cách sử dụng siêu âm điện.

Siêu âm Cavitation cho sự gián đoạn tế bào và khai thác

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 những mảnh nhỏ hơn bởi các lực cơ học của 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 khỏi 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 được mô tả ở trên của cavitation siêu âm / âm thanh phá vỡ toàn bộ tế bào tảo hoặc không bào khí và lỏng trong các tế bào nghiêm trọng. Sự xâm thực siêu âm, rung, nhiễu loạn và micro-streaming thúc đẩy sự chuyển giao khối lượng giữa bên trong tế bào và dung môi xung quanh để các phân tử sinh học (tức là các 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 hóa chất khắc nghiệt, độc hại và / hoặc đắt tiền.
Siêu âm tần số thấp, cường độ cao tạo ra các điều kiện dày đặc năng lượng cực đoan, 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 phần lớn được sử dụng để chiết xuất các hoạt chất sinh học và nhiên liệu từ tảo. Khi so sánh với các phương pháp khai thác thông thường như khai thác dung môi, xay xát hạt hoặc đồng nhất áp suất cao, khai thác siêu âm vượt trội bằng cách giải phóng hầu hết các hợp chất hoạt tính sinh học (như lipid, protein, polysacarit và vi chất dinh dưỡng) từ tế bào sonoporated và bị phá vỡ. Áp dụng đúng điều kiện quy trình, khai thác siêu âm cho năng suất khai thác vượt trội trong một thời gian quá trình rất ngắn. Ví dụ, máy vắt siêu âm hiệu suất cao cho thấy hiệu suất khai thác 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, 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 thoái hóa Fucoidan, do đó thu được polysaccharide có hoạt tính sinh học cao.
Ultrasonication cũng là một phương pháp để biến 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: Khai thác siêu âm các hợp chất tảo

Hiệu quả khai thác siêu âm và tối ưu hóa các thông số khai thác 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 ultrasonication từ các loài tảo khác nhau.

Khai thác 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 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 khai thác 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 điều trị 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 Glucan khai thác từ Laminaria digitata

Nhóm nghiên cứu TEAGASC của Tiến sĩ Tiwari đã điều tra việc chiết xuất polysacarit, tức là fucoidan, laminarin và tổng glucans, từ macroalgae 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.

Siêu âm Phytochemical khai thác 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 khai thác siêu âm hiệu suất cao, khai thác siêu âm-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 ultrasonication, họ đã sử dụng Máy vắt siêu âm Hielscher UIP500hdT. Các anylsis của sản lượng khai thác cho thấy rằng 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 chiết xuất từ F. vesiculosus bằng cách sử dụng máy vắt siêu âm UIP500hdT Đó là: tổng hàm lượng phenolic (tương đương axit gallic 445,0 ± 4,6 mg / g), tổng hàm lượng phlorotannin (tương đương 362,9 ± 3,7 mg phloroglucinol / g), tổng hàm lượng flavonoid (286,3 ± tương đương quercetin 7,8 mg / g) và tổng hàm lượng tannin (tương đương catechin 189,1 ± 4,4 mg / 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 mano-nhiệt-sonication tại Đại học Avignon bằng cách sử dụng siêu âm Hielscher: từ thiết bị phòng thí nghiệm UIP1000hdT (A) để thí điểm thiết bị quy mô 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 cho sự gián đoạn tảo

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

Khai thác siêu âm được áp dụng rộng rãi cho việc 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. Khai thác siêu âm đã được thiết lập như là một đơn giản, hiệu quả chi phí và hiệu quả cao, vượt trội các kỹ thuật khai thác truyền thống khác bởi năng suất khai thác cao hơn và thời gian xử lý ngắn hơn.
Với phòng thí nghiệm, băng ghế dự bị và hệ thống siêu âm công nghiệp đầy đủ có sẵn, khai thác 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 thông số kỹ thuật chế biến được tiêu chuẩn hóa. Hệ thống khai thác kỹ thuật số của Hielscher Ultrasonics đi kèm với phần mềm thông minh, giúp dễ dàng thiết lập và kiểm soát quá trình sonication 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 dấu ngày và giờ trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn sửa đổi từng lô xử lý siêu âm. Đồng thời, khả năng tái sản xuất 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: