Ultrazvučna ekstrakcija i konzerviranje

Ultrazvučna ekstrakcija i konzerviranje koriste snažni ultrazvuk za dezintegraciju staničnih struktura (liza). Razgradnja ćelija ultrazvukom omogućava vrlo efikasnu ekstrakciju unutarćelijskih spojeva, kao i mikrobnu inaktivaciju. Zahvaljujući brojnim prednostima, ultrazvučna obrada se u prehrambenoj industriji široko koristi za ekstrakciju i konzerviranje. Saznajte više o prednostima ultrazvučne ekstrakcije i prerade hrane!

Snažni ultrazvuk za ekstrakciju i konzerviranje hrane i biljnih materijala

Ultrazvučna ekstrakcija: Ultrazvučna ekstrakcija je proces koji koristi zvučne talase visoke frekvencije za ekstrakciju spojeva iz različitih materijala, kao što su biljke, voće i povrće. Proces uključuje upotrebu ultrazvučnih talasa za stvaranje mjehurića visokog pritiska u tekućem ili polučvrstom materijalu, koji brzo kolabiraju i pritom stvaraju intenzivnu toplotu i pritisak, koji razaraju ćelijske zidove materijala i oslobađaju željene spojeve.

Princip rada ultrazvučne ekstrakcije i konzerviranja

Osnovni princip ultrazvučne ekstrakcije zasniva se na pojavi poznatoj kao akustična kavitacija. Kada je tečnost izložena ultrazvučnim talasima visokog intenziteta i niske frekvencije (oko 20 kHz), stvaraju se talasi pritiska koji u tečnosti formiraju sitne vakuumske mjehuriće. Ovi mjehurići rastu kako se intenzitet ultrazvuka povećava, a kada dostignu određenu veličinu, naglo i silovito kolabiraju, pri čemu stvaraju udarni talas i oslobađaju energiju u obliku toplote i pritiska.
Ovaj proces uzrokuje mehaničko razaranje ćelijskih zidova, pri čemu se željeni spojevi iz materijala oslobađaju u tečni rastvarač. Oslobođeni spojevi se zatim mogu odvojiti od rastvarača standardnim tehnikama separacije, kao što su filtracija ili centrifugiranje.

Ovaj video prikazuje učinak sonikacije na stabilnost svježeg organskog soka od mrkve. Uključuje ubrzani snimak čuvanja u frižideru radi prikaza tog učinka. U proizvodnji sokova, smutija, pirea i umaka sonikatori Hielscher poboljšavaju stabilnost, teksturu i rok trajanja. Sonikacija svodi mikrobno kvarenje na minimum i sprečava taloženje i razdvajanje, koji se mogu pojaviti već za nekoliko dana. Ultrazvučna obrada može se primijeniti na velike šarže ili u protočnom sistemu, neposredno prije punjenja. Sonikacija je potpuno mehanička metoda obrade. Idealna je za organske sokove od voća i povrća, piree, smutije ili umake.

Ultrazvučno konzerviranje: Ultrazvučno konzerviranje zasniva se na istim kavitacijskim efektima kao i ultrazvučna ekstrakcija. Za konzerviranje se snažni ultrazvuk primjenjuje kako bi se produžio rok trajanja kvarljivih namirnica, i to tako što zvučni talasi visoke frekvencije inhibiraju rast mikroorganizama koji uzrokuju kvarenje. Proces uključuje izlaganje hrane ultrazvučnim talasima koji razaraju ćelijske zidove bakterija, kvasaca i plijesni, što dovodi do njihovog uništenja ili inhibicije.
Ovaj proces uzrokuje mehaničko razaranje ćelijskih zidova mikroorganizama, što dovodi do njihovog uništenja ili inhibicije. Ultrazvučni talasi mogu povećati i propusnost ćelijskih membrana, čime omogućavaju konzervansima i drugim antimikrobnim sredstvima da prodru u mikroorganizme i djelotvornije ih unište.
Ultrazvučno konzerviranje preferira se 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 sosevi, sokovi, mliječni proizvodi, jaja i meso, kako bi se produžio njihov rok trajanja i osigurala njihova sigurnost.

Tehnika ultrazvučne ekstrakcije i konzerviranja preferira se u odnosu na tradicionalne metode ekstrakcije i konzerviranja jer nudi nekoliko prednosti, kao što su veće brzine ekstrakcije, odličan kvalitet proizvoda, veći prinos, čisto mehanička netermička obrada i mogućnost ekstrakcije šireg spektra spojeva. Koristi se u širokom spektru industrija, kao što su prehrambena industrija i industrija pića, farmaceutska industrija i kozmetika.

Ultrazvučna ekstrakcija biljnog materijala omogućava veće prinose. Homogenizator Hielscher UIP2000hdT od 2000 vati dovoljno je snažan za jednostavnu ekstrakciju šarži od 10 litara do 120 litara.

Ultrazvučna ekstrakcija proteina i enzima

Posebno je ekstrakcija enzima i proteina pohranjenih u ćelijama i subćelijskim česticama jedinstvena i djelotvorna primjena ultrazvuka visokog intenziteta, jer se ekstrakcija organskih spojeva sadržanih u tijelu biljaka i sjemenki pomoću rastvarača može značajno poboljšati. Stoga ultrazvuk ima potencijalnu korist u ekstrakciji i izolaciji novih, potencijalno bioaktivnih komponenti, npr. iz neiskorištenih tokova nusproizvoda koji nastaju u postojećim procesima. Ultrazvuk također može pomoći u pojačavanju učinaka enzimske obrade i time smanjiti potrebnu količinu enzima ili povećati prinos relevantnih spojeva koji se mogu ekstrahirati.

Ultrazvučna ekstrakcija lipida i proteina

Ultrazvučna obrada se često koristi za poboljšanje ekstrakcije lipida i proteina iz biljnih sjemenki, kao što je soja (npr. brašno ili odmašćena soja) ili druge uljarice. U ovom slučaju razaranje ćelijskih zidova olakšava prešanje (hladno ili toplo) i time smanjuje zaostalo ulje ili mast u pogači nakon prešanja.

Utjecaj kontinuirane ultrazvučne ekstrakcije na prinos dispergiranog proteina pokazali su Moulton i saradnici. Ultrazvučna obrada postepeno je povećavala iskorištenje dispergiranog proteina kako se omjer pahuljica i rastvarača mijenjao od 1:10 do 1:30. Pokazalo se da je ultrazvuk sposoban peptizirati sojin protein pri gotovo svakom komercijalnom protoku te da je potrebna energija ultrazvučne obrade bila najniža kada su se koristile gušće suspenzije.

Ultrazvučna izolacija fenolnih spojeva i antocijana

Enzimi, kao što su pektinaze, celulaze i hemicelulaze, široko se koriste u preradi sokova kako bi razgradili ćelijske zidove i poboljšali ekstrakcijski prinos soka. Razaranje matriksa ćelijskog zida također oslobađa komponente, kao što su fenolni spojevi, u sok. Ultrazvuk poboljšava proces ekstrakcije i stoga može dovesti do povećanja prinosa fenolnih spojeva, alkaloida i soka, koji obično ostaju u pogači nakon prešanja.

Povoljne učinke ultrazvučne obrade na oslobađanje fenolnih spojeva i antocijana iz matriksa grožđa i bobičastog voća, posebno iz borovnica (Vaccinium myrtillus) i crnog ribizla (>Ribes nigrum) u sok, istraživao je VTT Biotechnology, Finska, koristeći ultrazvučni procesor UIP2000hd nakon odmrzavanja, gnječenja i inkubacije s enzimima. Razaranje ćelijskih zidova enzimskom obradom (Pectinex BE-3L za borovnice i Biopectinase CCM za crni ribiz) poboljšano je kada je kombinirano s ultrazvukom. „US obrada povećava koncentraciju fenolnih spojeva u soku od borovnice za više od 15%. […] Utjecaj US (ultrazvuka) bio je značajniji kod crnog ribiza, koji je zbog visokog sadržaja pektina i drugačije arhitekture ćelijskog zida zahtjevnije bobičasto voće za preradu u sok nego borovnice. […] koncentracija fenolnih spojeva u soku povećala se za 15-25% primjenom US (ultrazvučne) obrade nakon inkubacije s enzimima.“ (usp. Mokkila et al., 2004)

U ovoj prezentaciji upoznajemo vas s proizvodnjom biljnih ekstrakata. Objašnjavamo izazove proizvodnje visokokvalitetnih biljnih ekstrakata i kako vam sonikator može pomoći da ih savladate. Ova prezentacija pokazat će vam kako funkcionira ultrazvučna ekstrakcija. Saznat ćete koje prednosti možete očekivati od upotrebe sonikatora za ekstrakciju i kako možete uključiti ultrazvučni ekstraktor u svoju proizvodnju ekstrakata.

Mikrobna i enzimska inaktivacija

Mikrobna i enzimska inaktivacija (konzerviranje), npr. u voćnim sokovima i sosevima, još je jedna primjena ultrazvuka u preradi hrane. Danas je konzerviranje povišenjem temperature na kratko vrijeme (pasterizacija) još uvijek najčešća metoda obrade za mikrobnu ili enzimsku inaktivaciju koja vodi do dužeg roka trajanja (konzerviranje). Zbog izlaganja visokoj temperaturi, konvencionalna termička pasterizacija često ima nedostatke za prehrambene proizvode.
Nastanak novih supstanci iz reakcija katalizovanih toplotom i modifikacija makromolekula, kao i deformacija biljnih i životinjskih struktura, može dovesti do gubitka kvaliteta. Stoga termička obrada može uzrokovati neželjene promjene senzornih svojstava, tj. teksture, okusa, boje, mirisa, te nutritivnih svojstava, tj. vitamina i proteina. Ultrazvuk je efikasna netermička (minimalna) alternativa obrade.

Za razliku od konvencionalnih toplotnih obrada, ultrazvučno konzerviranje koristi energiju i smične sile akustične kavitacije kako bi inaktiviralo enzime. Pri dovoljno niskim nivoima ultrazvučne obrade u ćelijama se mogu javiti strukturne i metaboličke promjene bez njihovog razaranja. Aktivnost peroksidaze, koja se nalazi u većini sirovog i neblanširanog voća i povrća i može se posebno povezati s razvojem neugodnih okusa i smeđih pigmenata, može se znatno smanjiti upotrebom ultrazvuka. Termootporni enzimi, kao što su lipaza i proteaza, koji izdrže obradu ultravisokom temperaturom i koji mogu smanjiti kvalitet i rok trajanja toplotno obrađenog mlijeka i drugih mliječnih proizvoda, mogu se djelotvornije inaktivirati istovremenom primjenom ultrazvuka, toplote i pritiska (MTS).

Ultrazvuk je pokazao svoj potencijal u uništavanju patogena koji se prenose hranom, kao što su E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, ciste Cryptosporidium i Poliovirus.

Primjenjivo za: konzerviranje džema, marmelade ili preliva, voćnih sokova i sosova, mesnih proizvoda, mliječnih proizvoda i sladoleda.

Ultrazvučni uređaji Hielscher mogu homogenizirati i pasterizirati tečne proizvode od jaja (cijela jaja, bjelanca, žumanca) kako bi se osigurale sigurnost hrane i mehanička stabilnost. Ultrazvučni homogenizatori Hielscher stvaraju intenzivnu kavitaciju i velike sile smicanja radi uništavanja mikroorganizama. Ultrazvučna pasterizacija veoma je djelotvorna i efikasna alternativa za pasterizaciju na niskim temperaturama. Tečna jaja pasterizirana ultrazvukom pokazuju manju denaturaciju proteina, manji gubitak okusa, poboljšanu homogenost i znatno veću energetsku efikasnost.

Sinergije ultrazvuka s temperaturom i pritiskom

Ultrazvučna obrada je često djelotvornija kada se kombinira s drugim antimikrobnim metodama, kao što su:

termosonikacija, tj. toplota i ultrazvuk
manosonikacija, tj. pritisak i ultrazvuk
manotermosonikacija, tj. pritisak, toplota i ultrazvuk

Kombinirana primjena ultrazvuka s 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 konzerviranja hrane

Za razliku od drugih termičkih i netermičkih procesa, kao što su homogenizacija pod visokim pritiskom, toplotna pasterizacija, obrada visokim pritiskom (HPP), komprimirani ugljik-dioksid (cCO2) i superkritični ugljik-dioksid (ScCO2), pulsevi visokog električnog polja (HELP) ili mikrovalovi, ultrazvuk se može lako testirati u laboratorijskom ili stolnom mjerilu – uz dobijanje ponovljivih rezultata za povećanje razmjera. Intenzitet i karakteristike kavitacije mogu se lako prilagoditi specifičnom procesu ekstrakcije radi postizanja konkretnih ciljeva. Amplituda i pritisak mogu se mijenjati u širokom rasponu, npr. radi utvrđivanja energetski najefikasnije postavke ekstrakcije.

Druge prednosti povezane s upotrebom ultrazvučne ekstrakcije sondom jesu jednostavno rukovanje ekstraktom, brza izvedba, bez ostataka, visok prinos, ekološka prihvatljivost, poboljšan kvalitet i sprječavanje degradacije ekstrakta.
(usp. Chemat et al., 2011)

Prednosti ultrazvučne prerade hrane

Potpunija ekstrakcija
Netermičko konzerviranje
Veći prinosi
Visok sadržaj nutrijenata, vrhunski kvalitet hrane
Brz proces
Hladni / netermički proces
Jednostavan i siguran za rad
Nizak nivo održavanja

Visokoučinski ultrazvučni uređaji za ekstrakciju i konzerviranje

Hielscher Ultrasonics projektuje, proizvodi i distribuira visokoučinske ultrazvučne uređaje za efikasnu ekstrakciju i konzerviranje. Upotreba Hielscher ultrazvučne opreme za ekstrakciju i konzerviranje hrane snažna je tehnologija obrade koja se može primjenjivati ne samo sigurno i ekološki prihvatljivo, već i efikasno i ekonomično. Homogenizirajući i konzervirajući učinak može se jednostavno koristiti za bilo koji tečni ili pastozni prehrambeni proizvod, uključujući voćne sokove i pirea (npr. od narandže, jabuke, grejpfruta, manga, grožđa, šljive), kao i za povrtne sosove i supe (npr. sos od paradajza ili supa od šparoga), mliječne proizvode, jaja i meso.
Naš portfolio ultrazvučnih homogenizatora i ekstraktora kreće se od ručnih, prenosivih uređaja do potpuno industrijskih proizvodnih sistema za inline obradu velikih količina u komercijalnom mjerilu.

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uslovima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebno naglašava visokoučinske ultrazvučne uređaje koji sadrže najsavremeniju tehnologiju i jednostavnost korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su u skladu s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tabela u nastavku daje okvirni pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Zapremina šarže	Protok	Preporučeni uređaji
0,5 to 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 to 500mL	10 to 200mL/min	UP100H
10 to 2000mL	20 to 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 to 20L	0,2 to 4L/min	UIP2000hdT
10 to 100L	2 to 10L/min	UIP4000hdT
15 to 150L	3 to 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 to 100L/min	UIP16000
n.a.	veći	klaster uređaja UIP16000

Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!

Povezane teme

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.

Zanimljivosti koje vrijedi znati

Ultrazvučna dezintegracija ćelija

Pod intenzivnom ultrazvučnom obradom enzimi ili proteini mogu se osloboditi iz ćelija ili subćelijskih organela kao rezultat dezintegracije ćelija. U tom slučaju spoj koji se treba rastvoriti u rastvaraču zatvoren je u nerastvorljivoj strukturi. Da bi se ekstrahirao, ćelijska membrana mora biti razorena. Razgradnja ćelija je osjetljiv proces, jer je ćelijski zid sposoban izdržati visok osmotski pritisak iznutra. Potrebna je dobra kontrola razgradnje ćelija kako bi se izbjeglo nesmetano oslobađanje svih unutarćelijskih produkata, uključujući ćelijski otpad i nukleinske kiseline, ili denaturacija produkta.
Ultrazvučna obrada služi kao dobro kontrolisano sredstvo za dezintegraciju ćelija. Pritom mehanički učinci ultrazvuka omogućavaju brže i potpunije prodiranje rastvarača u ćelijske materijale i poboljšavaju prijenos mase. Ultrazvuk postiže veće prodiranje rastvarača u biljno tkivo i poboljšava prijenos mase. Ultrazvučni talasi koji stvaraju kavitaciju razaraju ćelijske zidove i olakšavaju oslobađanje komponenti matriksa.

Ultrazvučno poboljšan prijenos mase potiče ekstrakciju

Općenito, ultrazvuk može dovesti do permeabilizacije ćelijskih membrana za ione i može značajno smanjiti selektivnost ćelijskih membrana. Mehanička aktivnost ultrazvuka podržava difuziju rastvarača u tkivo. Budući da ultrazvuk mehanički razara ćelijski zid smičnim silama kavitacije, olakšava prijenos iz ćelije u rastvarač. Smanjenje veličine čestica ultrazvučnom kavitacijom povećava površinu kontakta između čvrste i tečne faze.

Ultrazvučna liza i inaktivacija bakterije E.coli

Za proizvodnju malih količina rekombinantnih proteina radi proučavanja i karakterizacije njihovih bioloških svojstava, E.coli je bakterija izbora. Tagovi za pročišćavanje, npr. polihistidinski rep, beta-galaktozidaza ili proteini koji vežu maltozu, obično se spajaju s rekombinantnim proteinima kako bi se mogli odvojiti iz ćelijskih ekstrakata s čistoćom dovoljnom za većinu analitičkih svrha. Ultrazvučna obrada omogućava maksimiziranje oslobađanja proteina, posebno kada je prinos proizvodnje nizak, te očuvanje strukture i aktivnosti rekombinantnog proteina.

Ultrazvučna oksidacija

Pri kontrolisanim intenzitetima primjena ultrazvuka na biotransformaciju i fermentaciju može dovesti do poboljšane bioprerade, zbog induciranih bioloških učinaka i zbog olakšanog ćelijskog prijenosa mase. Utjecaj kontrolisane primjene ultrazvuka (20kHz) na oksidaciju kolesterola u holestenon pomoću mirujućih 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 produkti čvrste tvari netopive u vodi. Stoga je ovaj sistem prilično jedinstven po tome što i ćelije i čvrste tvari mogu biti izloženi učinku ultrazvuka. Pri dovoljno niskom intenzitetu ultrazvuka, koji je očuvao strukturni integritet ćelija i održao njihovu metaboličku aktivnost, Bar je uočio značajno povećanje kinetičkih brzina biotransformacije u mikrobnim suspenzijama s 1,0 i 2,5 g/L kolesterola pri ultrazvučnoj obradi u trajanju od 5s svakih 10mn uz izlaznu snagu od 0,2W/cm². Ultrazvuk nije pokazao nikakav učinak na enzimsku oksidaciju kolesterola (2,5g/L) pomoću kolesterol-oksidaze.

Šta je obrada visokim pritiskom u konzerviranju hrane?

Obrada visokim pritiskom (HPP) je netermička tehnika konzerviranja hrane koja inaktivira mikroorganizme i enzime, a pritom održava senzorna i nutritivna svojstva proizvoda. Podrazumijeva izlaganje pakovane hrane hidrostatskom pritisku, obično između 300 i 600 MPa (megapaskala), u trajanju od nekoliko sekundi do nekoliko minuta. Veliki izazov obrade visokim pritiskom je njena vrlo visoka potrošnja energije. Saznajte više o tome kako ultrazvučna obrada može pomoći u smanjenju potrebe HPP-a za energijom!