Extracción de ultrasonidos y la conservación

La desintegración de las estructuras de la célula (lisis) por medio de ultrasonido se utiliza para la extracción de intra-celular de los compuestos para la inactivación microbiana.

Fondo

En la microbiología, el ultrasonido se asocian principalmente con disrupción celular (lisis) o desintegración (Allinger 1975). Cuando los líquidos sonicando a intensidades altas, las ondas sonoras que se propagan en el resultado de líquido en los medios de comunicación alterna de alta presión (compresión) y de baja presión (rarefacción) ciclos, con tasas en función de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas de ultrasonidos de alta intensidad de crear pequeñas burbujas de vacío o de huecos en el líquido. Cuando las burbujas de alcanzar un volumen en el que ya no pueden absorber la energía, se colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión de temperaturas muy elevadas (aprox. 5.000 K) y presiones (aprox. 2.000 atm) se alcanzan a nivel local. La implosión de la burbuja de cavitación también los resultados en forma de chorros de líquido de hasta 280m / s velocity.The resultante fuerzas de cizallamiento romper la envoltura celular mecánica y mejorar la transferencia de material. El ultrasonido puede tener efectos ya sea destructivo o constructivo de las células en función de los parámetros de sonicación empleados.

La desintegración de la célula

Bajo una intensa sonicación enzimas o proteínas puede ser liberada de las células u orgánulos subcelulares como resultado de la la desintegración de la célula. En este caso, el compuesto que se disuelve en un disolvente está encerrado en una estructura insoluble. Con el fin de extraer, de la membrana de la célula debe ser destruido. La interrupción de la célula es un proceso delicado, ya que la capacidad de la pared celular para resistir la presión osmótica en el interior. Un buen control de la interrupción de la célula es necesario, para evitar una liberación sin trabas de todos los productos intracelulares incluyendo restos de células y ácidos nucleicos, o la desnaturalización de productos. Ultrasonidos sirve como un buen medio controlable para la desintegración de la célula. Para ello, el efecto mecánico de la ecografía ofrecer más rápido y la penetración más completa de disolvente en materiales celulares y mejorar la transferencia de masa. Ultrasonido logra una mayor penetración de un disolvente en un tejido de la planta y mejora la transferencia de masa. La generación de ondas ultrasónicas cavitación perturbar las paredes celulares y facilitar la liberación de componentes de la matriz.

Transferencia de Masa

En general, el ultrasonido puede conducir a una permeabilización de la membrana celular de los iones (Mummery 1978), Y puede reducir la selectividad de las membranas celulares de manera significativa. La actividad mecánica de los ultrasonidos apoya la difusión de disolventes en el tejido. La ecografía se rompe la pared celular de forma mecánica mediante la cavitación de las fuerzas de corte, facilita la transferencia de la célula en el disolvente. La reducción de tamaño de las partículas por la cavitación ultrasónica incrementa la superficie de contacto entre el sólido y la fase líquida.

De proteínas y enzimas de extracción

En particular, la extracción de enzimas y proteínas almacenados en las células y partículas subcelulares es una aplicación única y efectiva de ultrasonido de alta intensidad (Kim 1989), Como la extracción de compuestos orgánicos contenidos en el cuerpo de plantas y semillas por un disolvente puede ser mejorada significativamente. Por lo tanto, la ecografía tiene un beneficio potencial en la extracción y aislamiento de nuevos componentes potencialmente bioactivas, por ejemplo, de no utilizados por los flujos de producto que se forma en los procesos actuales. El ultrasonido también puede ayudar a intensificar los efectos del tratamiento de la enzima, y por esta a reducir la cantidad de enzima necesaria o incrementar la producción de compuestos extraíbles pertinentes.

Lípidos y proteínas

Ultrasonidos se usa a menudo para mejorar la extracción de los lípidos y proteínas de las semillas de plantas, como la soja (por ejemplo, la soja o la harina desgrasada) o de otras semillas oleaginosas. En este caso, la destrucción de las paredes celulares facilita la presión (fría o caliente) y con ello reduce la grasa o aceite residual en la torta de prensado.

La influencia de la extracción ultrasónica continua con el rendimiento de la dispersión de la proteína fue demostrado por Moulton et al. El aumento de la sonicación la recuperación de la dispersión de la proteína progresivamente a medida que la escama relación disolvente cambiado 1:10-1:30. Se demostró que el ultrasonido es capaz de peptize proteína de soya en el rendimiento de casi todos los comerciales y que la energía necesaria sonicación fue el más bajo, cuando se utilizan lodos más gruesos. (Moulton et al. 1982)

Aplicable a: aceite de cítricos de las frutas, la extracción de aceite de mostaza molida, el maní, la violación, el aceite de la hierba (Echinacea), la canola, soya, maíz

De Liberación de compuestos fenólicos y antocianinas

Las enzimas, como pectinasas, celulasas y hemicelulasas son ampliamente utilizados en el procesamiento de jugo con el fin de degradar las paredes celulares y mejorar la extraibilidad el jugo. La interrupción de la matriz de la pared celular también libera los componentes, tales como los compuestos fenólicos en el jugo. Ultrasonido mejora el proceso de extracción, por lo que puede conducir a un aumento en la de compuestos fenólicos, alcaloides y la producción de jugo, comúnmente a la izquierda en la torta de prensa.

Los efectos beneficiosos del tratamiento con ultrasonidos en la liberación de los compuestos fenólicos y antocianinas de mosto de uva y de la matriz de bayas, en particular, de los arándanos (Vaccinium myrtillus) Y las pasas de Corinto negro (Ribes nigrum) En el jugo, fue investigado por la VTT Biotechnology, Finlandia (MAXFUN proyecto de la UE) utilizando un UIP2000 procesador de ultrasonidos Tras la descongelación, maceración y la incubación de la enzima. La interrupción de las paredes celulares por el tratamiento enzimático (Pectinex BE-3L de arándanos y Biopectinase MCP para las corrientes de negro) se mejoró cuando se combina con la ecografía mejora. "Tratamiento en los EE.UU. aumenta la concentración de compuestos fenólicos de jugo de arándano en más del 15%. [...] La influencia de los EE.UU. (ultrasonido) fue más significativo con pasas negro, que son las bayas más difícil en el procesamiento de jugo de arándanos, debido a su alto contenido de pectina y diferente arquitectura de la pared celular. [...] La concentración de compuestos fenólicos en el jugo aumentó en un 15-25% mediante el uso de EE.UU. (ultrasonido) el tratamiento después de la incubación de la enzima."(Mokkila et al. 2004)

La inactivación microbiana y enzimática

Microbiana y la inactivación enzimática (conservación), por ejemplo en zumos de frutas y salsas es otra aplicación de la ecografía en el procesamiento de alimentos. Hoy en día, la preservación de la elevación de la temperatura durante períodos cortos de tiempo (Pasteurización) sigue siendo el método de tratamiento más común para la inactivación microbiana o una enzima que lleva a más largo plazo de conservación (conservación). Debido a la exposición a altas temperaturas, este método térmico a menudo desventajas para muchos productos alimenticios. La producción de nuevas sustancias de calor, las reacciones catalizadas y la modificación de las macromoléculas, así como la deformación de la planta y las estructuras de los animales puede reducir la pérdida de calidad. Por lo tanto, el tratamiento térmico puede provocar alteraciones indeseables de los atributos sensoriales, es decir, textura, sabor, color, olor, y las cualidades nutricionales, es decir, las vitaminas y proteínas. El ultrasonido es una eficiente y no-térmicos (mínima) de alternativas de transformación.

El calor generado localmente por la cavitación y los radicales creado puede conducir a una inactivación de enzimas por sonicación (El'piner 1964). A niveles suficientemente bajos de sonicación cambios estructurales y metabólicos pueden ocurrir en las células sin su destrucción. La actividad de peroxidasa, que se encuentra en el más crudo y sin tostar frutas y vegetales y puede ser particularmente asociado con el desarrollo de sabores desagradables y pigmentos Browning pueden reducirse considerablemente mediante el uso de la ecografía. Enzimas termorresistentes, como la lipasa y proteasa que soportar ultra alta temperatura y el tratamiento que puede reducir la calidad y vida útil de la leche tratada térmicamente y productos lácteos de otros puede ser inactivado con más eficacia por la aplicación simultánea de ultrasonido, calor y presión (MTS).

La ecografía se ha demostrado su potencial en la destrucción de patógenos de origen alimentario, como la E. coli, Salmonellas, Ascaris, Giargia, Los quistes de Cryptosporidium, Y poliovirus.

Aplicable a: la preservación de la confitura, mermelada o ingredientes, por ejemplo, helados, zumos de frutas y salsas, productos cárnicos, productos lácteos

Sinergias de ultrasonidos con temperatura y presión

Ultrasonidos a menudo es más eficaz cuando se combina con otros métodos microbianos, tales como:

• termo-sonicación, es decir, el calor y el ultrasonido
• mano-sonicación, es decir, presión y ultrasonido
• mano-termo-sonicación, es decir, presión, calor y ultrasonido

La aplicación combinada de ultrasonidos con calor y / o la presión se recomienda para Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae, y Aeromonas hydrophila.

Proceso de Desarrollo de

A diferencia de otros procesos térmicos, tales como alta presión hidrostática (HP), comprimido de dióxido de carbono (C CO2) y dióxido de carbono supercrítico (scCO2) y los pulsos de alto campo eléctrico (HELP), la ecografía puede probarse fácilmente en el laboratorio o banco de escala superior - resultados reproducibles para la generación de una expansión masiva. La intensidad y las características de la cavitación puede ser fácilmente adaptado para el proceso de extracción de datos específico para atacar objetivos específicos. La amplitud y la presión puede variar en un amplio rango, por ejemplo, para identificar la mayoría de la configuración eficaz de la energía de extracción. Tejidos duros deben ser sometidos a la maceración, trituración o pulverización antes de ultrasonidos.

E. coli

Para producir pequeñas cantidades de proteínas recombinantes para el estudio y la caracterización de sus propiedades biológicas, E. coli es la bacteria de la elección. Purificación de etiquetas, por ejemplo, polihistidina cola, beta-galactosidasa, maltosa o proteínas de unión, son comúnmente unido a proteínas recombinantes con el fin de que sean separables de extractos celulares, con una pureza suficiente para la mayoría de los propósitos de análisis. Ultrasonidos permite maximizar la liberación de proteínas, en particular, cuando el rendimiento de la producción es baja y para preservar la estructura y la actividad de la proteína recombinante.

La interrupción de la E. coli las células para extraer la proteína total, quimosina de extracción fue estudiado por Kim y Zayas.

Oxidación

A intensidades controlada, la aplicación de la ecografía para la biotransformación y la fermentación y puede resultar en un aumento de bioprocesamiento, debido a los efectos biológicos inducidos y debido a la masa celular facilitó la transferencia. La influencia de la aplicación controlada de ultrasonido (20 kHz) en la oxidación del colesterol a cholestenone por las células en reposo de la Erythropolis Rhodococcus ATCC 25544 (anteriormente Erythropolis Nocardia) Fue investigado por la Bar.

Colesterol + O₂ = Colesterol-4-en-3-ona + H₂O₂

Este sistema es típico de las transformaciones microbianas de los esteroles y esteroides en el que el sustrato y los productos son sólidos insolubles en agua. Por lo tanto, este sistema es bastante singular en el que tanto las células y los sólidos pueden estar sujetos a los efectos de la ecografía (Bar, 1987). Con una intensidad de ultrasonidos suficientemente bajo, que preserva la integridad estructural de las células y mantienen su actividad metabólica, Bar observó una mejora significativa en las tasas de cinética de la biotransformación de lodos microbiana de 1,0 y 2,5 g / L de colesterol cuando sonicación durante 5 segundos cada 10 minutos con una potencia de salida de 0.2W/cm ². El ultrasonido no mostró ningún efecto sobre la oxidación enzimática de colesterol (2,5 g / L) por colesterol oxidasa.

Ventajosa Tecnología

La utilización de la cavitación por ultrasonidos para la extracción y conservación de los alimentos es una nueva tecnología de procesamiento que no sólo puede aplicarse de manera segura y respetuosa del medio ambiente, sino también eficiente y económica. La homogeneización y la preservación de efecto puede ser fácilmente utilizada para purés y jugos de fruta (por ejemplo, naranja, manzana, uva, mango, uva, ciruela), así como para salsas y sopas de verduras, como la salsa de tomate o la sopa de espárragos.

Literatura

Allinger, H. (1975): American Laboratory, 7 (10), 75 (1975).

Bar, R. (1987): Ultrasonido Bioprocesos reforzada, En: biotecnología y la ingeniería, vol. 32, pp. 655-663 (1987).

El'piner, IE (1964): Ultrasonido: física, química, y los efectos biológicos (Consultants Bureau, Nueva York, 1964), 53-78.

Kim, SM und Zayas, JF (1989): De parámetros de procesamiento de la extracción de quimosina por ultrasonido, en J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Combinando el poder de ultrasonido con las enzimas en el procesamiento de jugo de la baya, En: 2 º int. Conf. Biocatálisis de Alimentos y Bebidas, 19-22.9.2004, Stuttgart, Alemania.

Moulton, KJ, Wang, LC (1982): Una planta piloto de estudios de ultrasonidos continua extracción de la proteína de soja, en: Journal of Food Science, Volumen 47, 1982.

Mummery, CL (1978): El efecto del ultrasonido en fibroblastos in vitro, en: Doctorado Tesis, Universidad de Londres, Londres, Inglaterra, 1978.

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