Ultrazvučna ekstrakcija i konzervacija
Ultrazvučna ekstrakcija i konzervacija koristi korištenje ultrazvuka za dezintegraciju ćelijskih struktura (liza). Razbijanje ćelija ultrazvukom rezultira visoko efikasnom ekstrakcijom unutarćelijskih jedinjenja, kao i mikrobnom inaktivacijom. Zbog brojnih prednosti, ultrazvuk se široko koristi za ekstrakciju i konzerviranje u prehrambenoj industriji. Saznajte više o prednostima ultrazvučne ekstrakcije i obrade hrane!
Snažni ultrazvuk za ekstrakciju i čuvanje hrane i biljaka
Ultrazvučna ekstrakcija: Ultrazvučna ekstrakcija je proces koji koristi visokofrekventne zvučne valove za ekstrakciju spojeva iz raznih materijala kao što su biljke, voće i povrće. Proces uključuje korištenje ultrazvučnih valova za stvaranje mjehurića pod visokim pritiskom u tekućem ili polučvrstom materijalu, koji se brzo urušavaju, stvarajući intenzivnu toplinu i pritisak koji ometaju ćelijske zidove materijala i oslobađaju željena jedinjenja.
Princip rada ultrazvučne ekstrakcije i konzervacije
Osnovni princip ultrazvučne ekstrakcije temelji se na fenomenu poznatom kao akustična kavitacija. Kada je tečnost izložena ultrazvučnim talasima visokog intenziteta i niske frekvencije (približno 20 kHz), ona stvara talase pritiska koji stvaraju sitne vakuumske mehuriće u tečnosti. Ovi mjehurići rastu u veličini kako se intenzitet ultrazvuka povećava, a kada dosegnu određenu veličinu, naglo i nasilno kolabiraju, stvarajući udarni val i oslobađajući energiju u obliku topline i pritiska.
Ovaj proces uzrokuje mehanički poremećaj ćelijskih zidova, oslobađajući željena jedinjenja iz materijala u tečni rastvarač. Oslobođena jedinjenja se zatim mogu odvojiti od rastvarača korišćenjem standardnih tehnika odvajanja kao što su filtracija ili centrifugiranje.
Ultrasonikator UP400St za efikasnu netermalnu ekstrakciju biljnog materijala.
Ultrazvučno očuvanje: Ultrazvučno očuvanje se zasniva na istim kavitacionim efektima kao i ultrazvučna ekstrakcija. Za očuvanje se primjenjuje ultrazvuk snage kako bi se produžio vijek trajanja kvarljive hrane korištenjem visokofrekventnih zvučnih valova kako bi se spriječio rast mikroorganizama koji uzrokuju kvarenje. Proces uključuje izlaganje hrane ultrazvučnim valovima koji ometaju stanične zidove bakterija, kvasaca i plijesni, što dovodi do njihovog uništenja ili inhibicije.
Ovaj proces uzrokuje mehanički poremećaj staničnih zidova mikroorganizama, što dovodi do njihovog uništenja ili inhibicije. Ultrazvučni talasi takođe mogu povećati propusnost ćelijskih membrana, omogućavajući konzervansima i drugim antimikrobnim agensima da prodru i efikasnije ubijaju mikroorganizme.
Ultrazvučno konzerviranje je poželjnije u odnosu na tradicionalne metode konzerviranja jer nudi nekoliko prednosti kao što su kraće vrijeme obrade, veća efikasnost i mogućnost očuvanja prirodnih svojstava i okusa hrane. Koristi se u širokom spektru prehrambenih proizvoda kao što su umaci, sokovi, mliječni proizvodi, jaja i meso kako bi se produžio njihov vijek trajanja i osigurala njihova sigurnost.
Ultrazvučna tehnika ekstrakcije i konzerviranja preferira se u odnosu na tradicionalne metode ekstrakcije i konzerviranja jer nudi nekoliko prednosti kao što su brže brzine ekstrakcije, odličan kvalitet proizvoda, veći prinos, čisto mehanička netermalna obrada i mogućnost ekstrakcije šireg spektra spojeva. Koristi se u širokom spektru industrija kao što su hrana i piće, farmaceutska i kozmetička industrija.
Snažna ultrazvučna kavitacija pri Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ultrazvučna ekstrakcija proteina i enzima
Posebno je ekstrakcija enzima i proteina uskladištenih u ćelijama i supćelijskim česticama jedinstvena i efikasna primena ultrazvuka visokog intenziteta, jer se ekstrakcija organskih jedinjenja sadržanih u telu biljaka i semena pomoću rastvarača može značajno poboljšati. Zbog toga ultrazvuk ima potencijalnu korist u ekstrakciji i izolaciji novih potencijalno bioaktivnih komponenti, npr. iz neiskorištenih tokova nusproizvoda formiranih u tekućim procesima. Ultrazvuk također može pomoći da se intenziviraju efekti enzimskog tretmana, i time se smanji potrebna količina enzima ili poveća prinos relevantnih spojeva koji se mogu ekstrahirati.
Ultrazvučna ekstrakcija lipida i proteina
Ultrazvučna obrada se često koristi za poboljšanje ekstrakcije lipida i proteina iz sjemena biljaka, kao što je soja (npr. brašno ili odmašćena soja) ili druge sjemenke uljarica. U ovom slučaju, uništavanje ćelijskih zidova olakšava prešanje (hladno ili vruće) i na taj način smanjuje zaostalo ulje ili mast u kolaču za presovanje.
Moulton et al. Sonikacija je progresivno povećavala oporavak dispergovanog proteina kako se omjer ljuspica/otapalo mijenjao sa 1:10 na 1:30. Pokazalo se da je ultrazvuk sposoban da peptizira sojine proteine pri gotovo bilo kojoj komercijalnoj propusnosti i da je potrebna energija ultrazvuka bila najmanja kada su se koristile gušće kaše.
Ultrazvučna izolacija fenolnih spojeva i antocijana
Enzimi, kao što su pektinaze, celulaze i hemicelulaze se široko koriste u preradi sokova kako bi razgradili ćelijske zidove i poboljšali sposobnost ekstrakcije soka. Poremećaj matriksa ćelijskog zida takođe oslobađa komponente, kao što su fenolna jedinjenja u sok. Ultrazvuk poboljšava proces ekstrakcije i stoga može dovesti do povećanja fenolnog jedinjenja, alkaloida i prinosa soka, koji se obično ostavljaju u kolaču.
The beneficial effects of ultrasonic treatment on the liberation of phenolic compounds and anthocyanins from grape and berry matrix, in particular from bilberries (Vaccinium myrtillus) and black currants (>Ribes nigrum) into juice, was investigated by VTT Biotechnology, Finland using an ultrasonic processor UIP2000hd after thawing, mashing and enzyme incubation. The disruption of the cell walls by enzymatic treatment (Pectinex BE-3L for bilberries and Biopectinase CCM for black currants) was improved when combined with ultrasound. “Tretman SAD povećava koncentraciju fenolnih jedinjenja soka od borovnice za više od 15%. […] Uticaj UZ (ultrazvuka) bio je značajniji kod crnih ribizla, koje su izazovnije bobice u preradi soka od borovnica zbog visokog sadržaja pektina i različite arhitekture ćelijskog zida. […] koncentracija fenolnih jedinjenja u soku povećana je za 15-25% upotrebom ultrazvučnog tretmana nakon enzimske inkubacije.” (usp. Mokkila et al., 2004.)
Ultrasonicator UIP6000hdT u industrijskoj instalaciji kontinuirane ekstrakcije.
Inaktivacija mikroba i enzima
Inaktivacija mikroba i enzima (konzerviranje), npr. u voćnim sokovima i umacima je još jedna primjena ultrazvuka u preradi hrane. Danas je konzerviranje povišenjem temperature u kratkom vremenskom periodu (pasterizacija) i dalje najčešća metoda obrade za mikrobnu ili enzimsku inaktivaciju koja dovodi do dužeg roka trajanja (konzervacije). Zbog izloženosti visokoj temperaturi, konvencionalna termička pasterizacija često predstavlja nedostatke za prehrambene proizvode.
Proizvodnja novih tvari iz reakcija kataliziranih toplinom i modifikacija makromolekula, kao i deformacija biljnih i životinjskih struktura mogu smanjiti gubitak kvalitete. Stoga termička obrada može uzrokovati neželjene promjene senzornih atributa, odnosno teksture, okusa, boje, mirisa i nutritivnih kvaliteta, odnosno vitamina i proteina. Ultrazvuk je efikasna alternativa za netermalnu (minimalnu) obradu.
Za razliku od konvencionalnih termičkih tretmana, ultrazvučno konzerviranje koristi energiju i sile smicanja akustične kavitacije kako bi se inaktivirali enzimi. Na dovoljno niskim razinama ultrazvučne obrade mogu se dogoditi strukturne i metaboličke promjene u stanicama bez njihovog uništenja. Aktivnost peroksidaze, koja se nalazi u većini sirovog i neblanširanog voća i povrća i koja se može posebno povezati s razvojem neugodnih aroma i pigmenata za smeđe boje, može se značajno smanjiti upotrebom ultrazvuka. Termorezistentni enzimi, poput lipaze i proteaze koji izdržavaju tretman na ultravisokim temperaturama i koji mogu smanjiti kvalitetu i rok trajanja toplinski obrađenog mlijeka i drugih mliječnih proizvoda, mogu se učinkovitije inaktivirati istovremenom primjenom ultrazvuka, topline i pritiska. (MTS).
Ultrazvuk je pokazao svoj potencijal u uništavanju patogena koji se prenose hranom, kao što su E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium ciste i Poliovirus.
Primjenjivo za: konzerviranje džema, marmelade ili preljeva, voćnih sokova i umaka, mesnih proizvoda, mliječnih proizvoda i sladoleda.
Sinergije ultrazvuka sa temperaturom i pritiskom
Ultrazvuk je često efikasniji kada se kombinuje sa drugim antimikrobnim metodama, kao što su:
- termo sonikacija, tj. toplota i ultrazvuk
- mano-sonifikacija, tj. pritisak i ultrazvuk
- mano-termo sonikacija, tj. pritisak, toplota i ultrazvuk
Kombinovana primena ultrazvuka sa toplotom i/ili pritiskom preporučuje se za Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae i Aeromonas hydrophila.
Ultrazvuk u odnosu na druge tehnike očuvanja hrane
Za razliku od drugih termičkih i netermalnih procesa, kao što su homogenizacija pod visokim pritiskom, toplinska pasterizacija, obrada pod visokim pritiskom (HPP), komprimirani ugljični dioksid (cCO2) i superkritični ugljični dioksid (ScCO2), impulsi visokog električnog polja (HELP) ili mikrovalna pećnica, ultrazvuk se može lako testirati u laboratoriji ili na stolnoj vagi – generiranje ponovljivih rezultata za povećanje. Intenzitet i karakteristike kavitacije mogu se lako prilagoditi specifičnom procesu ekstrakcije za postizanje specifičnih ciljeva. Amplituda i pritisak mogu varirati u širokom opsegu, npr. da bi se identifikovala energetski najefikasnija postavka za ekstrakciju.
Druge prednosti povezane sa upotrebom ultrazvučne ekstrakcije sonde su jednostavno rukovanje ekstraktom, brzo izvođenje, bez ostataka, visok prinos, ekološki prihvatljiv, poboljšan kvalitet i sprečavanje degradacije ekstrakta.
(usp. Chemat et al., 2011.)
- Potpuna ekstrakcija
- Netermičko očuvanje
- Veći prinosi
- Visoki nutrijenti, vrhunski kvalitet hrane
- Brzi proces
- Hladni/netermički proces
- jednostavan i siguran za rad
- nisko održavanje
Ultrasonikatori visokih performansi za ekstrakciju i konzervaciju
Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrasonikatore visokih performansi za efikasno vađenje i očuvanje. Korištenje Hielscher ultrazvučne opreme za ekstrakciju i konzerviranje hrane je moćna tehnologija obrade koja se ne može primijeniti samo sigurno i ekološki, već i učinkovito i ekonomično. Učinak homogenizacije i konzerviranja može se lako koristiti za bilo koji tečni ili pastozni prehrambeni proizvod uključujući voćne sokove i pire (npr. narandža, jabuka, grejp, mango, grožđe, šljiva), kao i za umake i supe od povrća (npr. paradajz sos ili supa od šparoga), mliječni proizvodi, jaja i meso.
Naš portfelj ultrazvučnih homogenizatora i ekstraktora kreće se od ručnih, prenosivih uređaja do potpuno industrijskih proizvodnih sistema za inline obradu velikih količina u komercijalnim razmerama.
Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany
Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.
Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.5 do 1.5 mL | N / A | VialTweeter | 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Literatura / Reference
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Farid Chemat, Zill-e-Huma, Muhammed Kamran Khan (2011): Applications of ultrasound in food technology: Processing, preservation and extraction. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 18, Issue 4, 2011. 813-835.
- Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk(2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.
- Casiraghi A., Gentile A., Selmin F., Gennari C.G.M., Casagni E., Roda G., Pallotti G., Rovellini P., Minghetti P. (2022): Ultrasound-Assisted Extraction of Cannabinoids from Cannabis Sativa for Medicinal Purpose. Pharmaceutics. 14(12), 2022.
- Alex Patist, Darren Bates (2008): Ultrasonic innovations in the food industry: From the laboratory to commercial production. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 9, Issue 2, 2008. 147-154.
- Allinger, H. (1975): American Laboratory, 7 (10), 75 (1975). Bar, R. (1987): Ultrasound Enhanced Bioprocesses, in: Biotechnology and Engineering, Vol. 32, Pp. 655-663 (1987).
- El’piner, I.E. (1964): Ultrasound: Physical, Chemical, and Biological Effects (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.
- Kim, S.M. und Zayas, J.F. (1989): Processing parameter of chymosin extraction by ultrasound; in J. Food Sci. 54: 700.
- Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Combining power ultrasound with enzymes in berry juice processing, at: 2nd Int. Conf. Biocatalysis of Food and Drinks, 19-22.9.2004, Stuttgart, Germany.
- Moulton, K.J., Wang, L.C. (1982): A Pilot-Plant Study of Continuous Ultrasonic Extraction of Soybean Protein, in: Journal of Food Science, Volume 47, 1982.
- Mummery, C.L. (1978): The effect of ultrasound on fibroblasts in vitro, in: Ph.D. Thesis, University of London, London, England, 1978.
Činjenice koje vrijedi znati
Ultrazvučna dezintegracija ćelija
Pod intenzivnom ultrazvukom enzimi ili proteini mogu biti oslobođeni iz ćelija ili subcelularnih organela kao rezultat dezintegracije ćelije. U ovom slučaju, jedinjenje koje treba rastvoriti u rastvaraču je zatvoreno u netopivu strukturu. Da bi se izvukao, mora se uništiti ćelijska membrana. Poremećaj ćelije je osetljiv proces, jer je sposobnost ćelijskog zida da izdrži visoki osmotski pritisak iznutra. Potrebna je dobra kontrola staničnih poremećaja, kako bi se izbjeglo nesmetano oslobađanje svih intracelularnih produkata uključujući ćelijske ostatke i nukleinske kiseline, ili denaturaciju proizvoda.
Ultrasonication služi kao dobro kontrolirano sredstvo za dezintegraciju stanica. Zbog toga, mehanički efekti ultrazvuka omogućavaju brži i potpuniji prodor rastvarača u ćelijske materijale i poboljšavaju prijenos mase. Ultrazvukom se postiže veći prodor rastvarača u biljno tkivo i poboljšava prijenos mase. Ultrazvučni talasi koji stvaraju kavitaciju ometaju ćelijske zidove i olakšavaju oslobađanje komponenti matriksa.
Ultrazvučno poboljšan prijenos mase pospješuje ekstrakciju
Općenito, ultrazvuk može dovesti do permeabilizacije staničnih membrana na jone i može značajno smanjiti selektivnost ćelijskih membrana. Mehanička aktivnost ultrazvuka podržava difuziju rastvarača u tkivo. Kako ultrazvuk mehanički lomi ćelijski zid kavitacionim smičnim silama, on olakšava transfer iz ćelije u rastvarač. Smanjenje veličine čestica ultrazvučnom kavitacijom povećava površinu u kontaktu između čvrste i tekuće faze.
Ultrazvučna liza i inaktivacija E.coli
Za proizvodnju malih količina rekombinantnih proteina za proučavanje i karakterizaciju njihovih bioloških svojstava, E.coli je bakterija izbora. Oznake za pročišćavanje, npr. polihistidinski rep, beta-galaktozidaza ili proteini koji vežu maltozu, obično se spajaju s rekombinantnim proteinima kako bi se odvojili od ćelijskih ekstrakata čistoće dovoljno za većinu analitičkih svrha. Ultrazvučna obrada omogućava maksimiziranje oslobađanja proteina, posebno kada je proizvodni prinos nizak i očuvanje strukture i aktivnosti rekombinantnog proteina.
Ultrazvučna oksidacija
Pri kontroliranim intenzitetima, primjena ultrazvuka na biotransformaciju i fermentaciju može dovesti do poboljšane bioprocesiranja, zbog induciranih bioloških efekata i zbog olakšanog ćelijskog prijenosa mase. Utjecaj kontrolirane primjene ultrazvuka (20kHz) na oksidaciju holesterola u holestenon od mirnih ćelija Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (ranije Nocardia erythropolis) istraživao je Bar (1987).
Ovaj sistem je tipičan za mikrobne transformacije sterola i steroida po tome što su supstrat i proizvodi čvrste materije nerastvorljive u vodi. Stoga je ovaj sistem prilično jedinstven po tome što i ćelije i čvrste materije mogu biti podložne dejstvu ultrazvuka. Pri dovoljno niskom ultrazvučnom intenzitetu koji je očuvao strukturni integritet ćelija i održao njihovu metaboličku aktivnost, Bar je uočio značajno poboljšanje kinetičkih stopa biotransformacije u mikrobnoj kaši od 1,0 i 2,5 g/L holesterola kada se ultrazvučno obradi 5 sekundi svakih 10 minuta sa izlazna snaga od 0,2W/cm². Ultrazvuk nije pokazao nikakav uticaj na enzimsku oksidaciju holesterola (2,5g/L) holesterol oksidazom.
Šta je obrada pod visokim pritiskom u konzerviranju hrane?
Obrada pod visokim pritiskom (HPP) je tehnika netermalnog čuvanja hrane koja inaktivira mikroorganizme i enzime, a istovremeno održava senzorne i nutritivne kvalitete proizvoda. Uključuje izlaganje upakovane hrane hidrostatičkom pritisku tipično između 300 i 600 MPa (megapaskali) u trajanju od nekoliko sekundi do minuta. Glavni izazov obrade pod visokim pritiskom je njena vrlo velika potrošnja energije. Pročitajte više o tome kako ultrazvuk može pomoći u smanjenju energetske potražnje HE!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.