Ултразвукова екстракция и консервиране

Ултразвуковата екстракция и консервиране използват мощен ултразвук за разрушаване на клетъчните структури (лизис). Разрушаването на клетките с ултразвук води до високоефективна екстракция на вътреклетъчни съединения, както и до инактивиране на микроорганизми. Благодарение на многобройните си предимства ултразвуковата обработка се използва широко за екстракция и консервиране в хранително-вкусовата промишленост. Научете повече за предимствата на ултразвуковата екстракция и обработката на храни!

Мощен ултразвук за екстракция и консервиране на храни и растителни суровини

Ултразвукова екстракция: Ултразвуковата екстракция е процес, който използва високочестотни звукови вълни за извличане на съединения от разнообразни материали като растения, плодове и зеленчуци. Процесът включва използване на ултразвукови вълни за създаване на мехурчета с високо налягане в течен или полутвърд материал, които бързо колапсират, генерирайки интензивна топлина и налягане, които разрушават клетъчните стени на материала и освобождават желаните съединения.

Принцип на действие на ултразвуковата екстракция и консервиране

Основният принцип на ултразвуковата екстракция се основава на явлението, известно като акустична кавитация. Когато течност се изложи на ултразвукови вълни с висок интензитет и ниска честота (прибл. 20 kHz), се генерират вълни на налягане, които създават миниатюрни вакуумни мехурчета в течността. Тези мехурчета нарастват с увеличаването на интензитета на ултразвука и когато достигнат определен размер, колапсират внезапно и бурно, генерирайки ударна вълна и освобождавайки енергия под формата на топлина и налягане.
Този процес причинява механично разрушаване на клетъчните стени, като освобождава желаните съединения от материала в течния разтворител. След това освободените съединения могат да бъдат отделени от разтворителя чрез стандартни методи за разделяне като филтриране или центрофугиране.

 
Ултразвуково консервиране: Ултразвуковото консервиране се основава на същите кавитационни ефекти като ултразвуковата екстракция. При консервирането мощният ултразвук се прилага за удължаване на срока на годност на бързоразвалящи се храни чрез използване на високочестотни звукови вълни за потискане на растежа на микроорганизми, които причиняват разваляне. Процесът включва излагане на храната на ултразвукови вълни, които разрушават клетъчните стени на бактерии, дрожди и плесени, водейки до тяхното унищожаване или потискане.
Този процес причинява механично разрушаване на клетъчните стени на микроорганизмите, което води до тяхното унищожаване или потискане. Ултразвуковите вълни могат също да увеличат пропускливостта на клетъчните мембрани, позволявайки на консервантите и други антимикробни агенти да проникват и да унищожават микроорганизмите по-ефективно.
Ултразвуковото консервиране се предпочита пред традиционните методи за консервиране, защото предлага няколко предимства като по-кратко време за обработка, по-висока ефективност и възможност за запазване на естествените свойства и вкусове на храната. То се използва при широк спектър от хранителни продукти като сосове, сокове, млечни продукти, яйца и месо за удължаване на срока им на годност и гарантиране на тяхната безопасност.

Технологията за ултразвукова екстракция и консервиране се предпочита пред традиционните методи за екстракция и консервиране, защото предлага няколко предимства като по-висока скорост на екстракция, отлично качество на продукта, по-висок добив, изцяло механична нетермична обработка и възможност за извличане на по-широк спектър от съединения. Тя се използва в широк спектър от отрасли като производството на храни и напитки, фармацевтиката и козметиката.

Ултразвукова екстракция на протеини и ензими

По-специално извличането на ензими и протеини, съдържащи се в клетки и субклетъчни частици, е уникално и ефективно приложение на ултразвука с висок интензитет, тъй като извличането с разтворител на органични съединения, съдържащи се в растенията и семената, може да бъде значително подобрено. Следователно ултразвукът има потенциални ползи при извличането и изолирането на нови, потенциално биоактивни компоненти, например от неоползотворявани потоци от странични продукти, образувани в текущите процеси. Ултразвукът може също да помогне за усилване на ефектите от ензимната обработка и по този начин да намали необходимото количество ензим или да увеличи добива на съответните извличаеми съединения.

Ултразвукова екстракция на липиди и протеини

Ултразвуковата обработка често се използва за подобряване на извличането на липиди и протеини от растителни семена, като соя (например брашно или обезмаслена соя) или други маслодайни семена. В този случай разрушаването на клетъчните стени улеснява пресоването (студено или горещо) и по този начин намалява остатъчното масло или мазнина в кюспето.

Влиянието на непрекъснатата ултразвукова екстракция върху добива на диспергиран протеин е демонстрирано от Moulton et al. Ултразвуковата обработка постепенно увеличава извличането на диспергиран протеин, когато съотношението люспи/разтворител се променя от 1:10 на 1:30. Резултатите показват, че ултразвукът може да пептизира соевия протеин при почти всяка производителност в промишлен мащаб и че необходимата енергия за ултразвукова обработка е най-ниска, когато се използват по-гъсти суспензии.

Ултразвуково изолиране на фенолни съединения и антоцианини

Ензими като пектинази, целулази и хемицелулази се използват широко при обработката на сокове за разграждане на клетъчните стени и подобряване на извличането на сока. Разрушаването на матрицата на клетъчната стена също освобождава в сока компоненти като фенолни съединения. Ултразвукът подобрява процеса на екстракция и следователно може да доведе до увеличаване на добива на фенолни съединения, алкалоиди и сок, които обикновено остават в кюспето.

Благоприятните ефекти на ултразвуковата обработка върху освобождаването на фенолни съединения и антоцианини от матрицата на грозде и ягодоплодни плодове, по-специално от черни боровинки (Vaccinium myrtillus) и касис (>Ribes nigrum), в сока са изследвани от VTT Biotechnology, Финландия, с помощта на ултразвуков процесор UIP2000hd след размразяване, смачкване и ензимна инкубация. Разрушаването на клетъчните стени чрез ензимна обработка (Pectinex BE-3L за черни боровинки и Biopectinase CCM за касис) се подобрява при комбиниране с ултразвук. „Ултразвуковата обработка увеличава концентрацията на фенолни съединения в сока от черни боровинки с повече от 15%. […] Влиянието на ултразвука е по-значително при касиса, чиито плодове са по-трудни за обработка при производството на сок от черните боровинки поради високото си съдържание на пектин и различната структура на клетъчните стени. […] концентрацията на фенолни съединения в сока се увеличава с 15–25% при използване на ултразвукова обработка след ензимна инкубация.“ (вж. Mokkila et al., 2004)
 

Инактивиране на микроорганизми и ензими

Инактивирането на микроорганизми и ензими (консервиране), например в плодови сокове и сосове, е друго приложение на ултразвука при обработката на храни. Днес консервирането чрез повишаване на температурата за кратки периоди от време (пастьоризация) все още е най-разпространеният метод за обработка с цел инактивиране на микроорганизми или ензими, който води до по-дълъг срок на годност (консервиране). Поради излагането на висока температура конвенционалната термична пастьоризация често има недостатъци за хранителните продукти.
Образуването на нови вещества вследствие на реакции, катализирани от топлина, и модифицирането на макромолекули, както и деформирането на растителни и животински структури, могат да доведат до загуба на качество. Следователно термичната обработка може да причини нежелани промени в органолептичните характеристики, т.е. текстурата, вкуса, цвета и мириса, и в хранителните качества, т.е. витамините и протеините. Ултразвукът е ефективна алтернатива за нетермична (минимална) обработка.

За разлика от конвенционалните топлинни обработки, ултразвуковото консервиране използва енергията и силите на срязване на акустичната кавитация за инактивиране на ензими. При достатъчно ниски нива на ултразвукова обработка в клетките могат да настъпят структурни и метаболитни промени без тяхното разрушаване. Активността на пероксидазата, която се среща в повечето сурови и небланширани плодове и зеленчуци и може да бъде особено свързана с появата на нежелани вкусове и пигменти, причиняващи покафеняване, може да бъде значително намалена чрез използване на ултразвук. Термоустойчиви ензими като липаза и протеаза, които издържат на обработка при ултрависока температура и могат да намалят качеството и срока на годност на термично обработеното мляко и други млечни продукти, могат да бъдат инактивирани по-ефективно чрез едновременно прилагане на ултразвук, топлина и налягане (MTS).

Ултразвукът е демонстрирал своя потенциал за унищожаване на патогени, пренасяни чрез храната, като E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, цисти на Cryptosporidium и Poliovirus.

Приложимо за: консервиране на конфитюр, мармалад или топинги, плодови сокове и сосове, месни продукти, млечни продукти и сладолед.
 

Синергии на ултразвука с температурата и налягането

Ултразвуковата обработка често е по-ефективна, когато се комбинира с други антимикробни методи, като:

• термоултразвукова обработка, т.е. топлина и ултразвук
• маноултразвукова обработка, т.е. налягане и ултразвук
• манотермоултразвукова обработка, т.е. налягане, топлина и ултразвук

Комбинираното прилагане на ултразвук с топлина и/или налягане се препоръчва за Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae и Aeromonas hydrophila.

Ултразвукът в сравнение с други технологии за консервиране на храни

За разлика от други термични и нетермични процеси, като хомогенизация под високо налягане, термична пастьоризация, обработка под високо налягане (HPP), сгъстен въглероден диоксид (cCO2) и свръхкритичен въглероден диоксид (ScCO2), импулси на електрично поле с висок интензитет (HELP) или микровълнова обработка, ултразвукът може лесно да бъде изпитан в лабораторен мащаб или с настолни устройства – като се получават възпроизводими резултати за увеличаване на мащаба. Интензитетът и характеристиките на кавитацията могат лесно да бъдат адаптирани към конкретния процес на екстракция за постигане на определени цели. Амплитудата и налягането могат да се променят в широк диапазон, например за определяне на най-енергийно ефективната конфигурация за екстракция.

Други предимства, свързани с използването на ултразвукова екстракция със сонда, са лесната работа с екстракта, бързото изпълнение, липсата на остатъци, високият добив, екологичността, подобреното качество и предотвратяването на разграждането на екстракта.
(вж. Chemat et al., 2011)

Високопроизводителни ултразвукови апарати за екстракция и консервиране

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високопроизводителни ултразвукови апарати за ефективна екстракция и консервиране. Използването на ултразвуково оборудване на Hielscher за екстракция и консервиране на храни е мощна технология за обработка, която може да се прилага не само безопасно и екологично, но и ефективно и икономично. Хомогенизиращият и консервиращият ефект може лесно да се използва за всеки течен или пастообразен хранителен продукт, включително плодови сокове и пюрета (например от портокал, ябълка, грейпфрут, манго, грозде, слива), както и за зеленчукови сосове и супи (например доматен сос или супа от аспержи), млечни продукти, яйца и месо.
Нашата гама от ултразвукови хомогенизатори и екстрактори обхваща ръчни, преносими устройства до изцяло промишлени производствени системи за обработка на големи обеми в поточна линия в търговски мащаб.

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре познати с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателна работна среда.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови апарати с най-съвременни технологии и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher съответстват на изискванията за CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: