Ultrazvuková extrakce a konzervace

Ultrazvuková extrakce a konzervace využívá výkonový ultrazvuk k dezintegraci buněčných struktur (lýze). Narušení buněk ultrazvukem vede k vysoce účinné extrakci intracelulárních sloučenin i k mikrobiální inaktivaci. Díky četným výhodám se sonikace v potravinářském průmyslu široce používá k extrakci a konzervaci. Zjistěte více o výhodách ultrazvukové extrakce a zpracování potravin!

Výkonový ultrazvuk pro extrakci a konzervaci potravin a botanických materiálů

Ultrazvuková extrakce: Ultrazvuková extrakce je proces, který využívá vysokofrekvenční zvukové vlny k extrakci sloučenin z různých materiálů, jako jsou rostliny, ovoce a zelenina. Proces spočívá v použití ultrazvukových vln k vytváření vysokotlakých bublin v kapalném nebo polotuhém materiálu, které rychle kolabují a vytvářejí intenzivní teplo a tlak, jež narušují buněčné stěny materiálu a uvolňují požadované sloučeniny.

Princip fungování ultrazvukové extrakce a konzervace

Základní princip ultrazvukové extrakce vychází z jevu známého jako akustická kavitace. Když je kapalina vystavena ultrazvukovým vlnám o vysoké intenzitě a nízké frekvenci (cca 20 kHz), vznikají tlakové vlny, které v kapalině vytvářejí drobné vakuové bubliny. Tyto bubliny se zvětšují s rostoucí intenzitou ultrazvuku, a když dosáhnou určité velikosti, náhle a prudce kolabují, přičemž vytvářejí rázovou vlnu a uvolňují energii ve formě tepla a tlaku.
Tento proces způsobuje mechanické narušení buněčných stěn, čímž se požadované sloučeniny uvolňují z materiálu do kapalného rozpouštědla. Uvolněné sloučeniny pak lze od rozpouštědla oddělit standardními separačními technikami, jako je filtrace nebo centrifugace.

 
Ultrazvuková konzervace: Ultrazvuková konzervace je založena na stejných kavitačních účincích jako ultrazvuková extrakce. Při konzervaci se výkonový ultrazvuk používá k prodloužení trvanlivosti potravin podléhajících zkáze tím, že vysokofrekvenční zvukové vlny inhibují růst mikroorganismů způsobujících kažení. Proces spočívá ve vystavení potraviny ultrazvukovým vlnám, které narušují buněčné stěny bakterií, kvasinek a plísní, což vede k jejich zničení nebo inhibici.
Tento proces způsobuje mechanické narušení buněčných stěn mikroorganismů, což vede k jejich zničení nebo inhibici. Ultrazvukové vlny mohou také zvýšit propustnost buněčných membrán, což umožňuje konzervačním látkám a dalším antimikrobiálním činidlům účinněji pronikat do mikroorganismů a hubit je.
Ultrazvuková konzervace je upřednostňována před tradičními metodami konzervace, protože nabízí řadu výhod, jako je kratší doba zpracování, vyšší účinnost a schopnost zachovat přirozené vlastnosti a chutě potraviny. Používá se u široké škály potravinářských výrobků, jako jsou omáčky, šťávy, mléčné výrobky, vejce a maso, k prodloužení jejich trvanlivosti a zajištění jejich bezpečnosti.

Technika ultrazvukové extrakce a konzervace je upřednostňována před tradičními metodami extrakce a konzervace, protože nabízí řadu výhod, jako je vyšší rychlost extrakce, vynikající kvalita produktu, vyšší výtěžek, čistě mechanické netermické zpracování a schopnost extrahovat širší spektrum sloučenin. Používá se v široké škále odvětví, jako je potravinářský a nápojový průmysl, farmaceutický průmysl a kosmetika.

Ultrazvuková extrakce proteinů a enzymů

Zejména extrakce enzymů a proteinů uložených v buňkách a subcelulárních částicích je jedinečnou a účinnou aplikací vysoce intenzivního ultrazvuku, protože extrakci organických sloučenin obsažených v tělech rostlin a semen pomocí rozpouštědla lze výrazně zlepšit. Ultrazvuk proto přináší potenciální přínos při extrakci a izolaci nových, potenciálně bioaktivních složek, např. z nevyužitých toků vedlejších produktů vznikajících v současných procesech. Ultrazvuk může také pomoci zesílit účinky enzymatického ošetření, a tím snížit potřebné množství enzymu nebo zvýšit výtěžek extrahovatelných relevantních sloučenin.

Ultrazvuková extrakce lipidů a proteinů

Sonikace se často používá ke zlepšení extrakce lipidů a proteinů ze semen rostlin, jako jsou sójové boby (např. mouka nebo odtučněné sójové boby), nebo z jiných olejnatých semen. V tomto případě narušení buněčných stěn usnadňuje lisování (za studena nebo za tepla), a tím snižuje zbytkový obsah oleje nebo tuku v pokrutinách.

Vliv kontinuální ultrazvukové extrakce na výtěžek dispergovaného proteinu prokázali Moulton et al. Sonikace postupně zvyšovala výtěžnost dispergovaného proteinu se změnou poměru vloček k rozpouštědlu z 1:10 na 1:30. Ukázalo se, že ultrazvuk je schopen peptizovat sójový protein téměř při jakékoli komerční průchodnosti a že potřebná energie sonikace byla nejnižší při použití hustších suspenzí.

Ultrazvuková izolace fenolových sloučenin a antokyanů

Enzymy, jako jsou pektinázy, celulázy a hemicelulázy, se při zpracování šťáv široce používají k degradaci buněčných stěn a ke zlepšení extrahovatelnosti šťávy. Narušení matrice buněčné stěny také uvolňuje do šťávy složky, jako jsou fenolové sloučeniny. Ultrazvuk zlepšuje proces extrakce, a proto může vést ke zvýšení výtěžku fenolových sloučenin, alkaloidů a šťávy, které běžně zůstávají ve výliscích.

Příznivé účinky ultrazvukového ošetření na uvolňování fenolových sloučenin a antokyanů z matrice hroznů a bobulí, zejména z borůvek (Vaccinium myrtillus) a černého rybízu (>Ribes nigrum), do šťávy zkoumalo pracoviště VTT Biotechnology ve Finsku s použitím ultrazvukového procesoru UIP2000hd po rozmrazení, rozmělnění a enzymatické inkubaci. Narušení buněčných stěn enzymatickým ošetřením (Pectinex BE-3L pro borůvky a Biopectinase CCM pro černý rybíz) se v kombinaci s ultrazvukem zlepšilo. „Ošetření US zvýšilo koncentraci fenolových sloučenin v borůvkové šťávě o více než 15%. […] Vliv US (ultrazvuku) byl výraznější u černého rybízu, který je při zpracování šťáv náročnějším druhem bobulí než borůvky kvůli vysokému obsahu pektinu a odlišné architektuře buněčné stěny. […] koncentrace fenolových sloučenin ve šťávě se použitím ošetření US (ultrazvukem) po enzymatické inkubaci zvýšila o 15–25%.“ (srov. Mokkila et al., 2004)

Inaktivace mikroorganismů a enzymů

Inaktivace mikroorganismů a enzymů (konzervace), např. v ovocných šťávách a omáčkách, je další aplikací ultrazvuku při zpracování potravin. Konzervace zvýšením teploty po krátkou dobu (pasterace) je dnes stále nejběžnější metodou zpracování pro inaktivaci mikroorganismů nebo enzymů, která vede k delší trvanlivosti (konzervaci). Kvůli působení vysoké teploty přináší konvenční tepelná pasterace potravinářským výrobkům často nevýhody.
Vznik nových látek v důsledku tepelně katalyzovaných reakcí a modifikace makromolekul, jakož i deformace rostlinných a živočišných struktur mohou vést ke ztrátě kvality. Tepelné ošetření proto může způsobit nežádoucí změny senzorických vlastností, tj. textury, chuti, barvy a vůně, a nutričních vlastností, tj. vitaminů a proteinů. Ultrazvuk je účinnou netermickou (minimální) alternativou zpracování.

Na rozdíl od konvenčních tepelných ošetření využívá ultrazvuková konzervace k inaktivaci enzymů energii a smykové síly akustické kavitace. Při dostatečně nízké úrovni sonikace mohou v buňkách nastat strukturní a metabolické změny, aniž by došlo k jejich zničení. Aktivitu peroxidázy, která se nachází ve většině syrového a neblanšírovaného ovoce a zeleniny a může být spojena zejména s vývojem pachutí a pigmentů hnědnutí, lze použitím ultrazvuku podstatně snížit. Termorezistentní enzymy, jako jsou lipáza a proteáza, které odolávají ultravysokoteplotnímu ošetření a mohou snižovat kvalitu a trvanlivost tepelně ošetřeného mléka a dalších mléčných výrobků, lze účinněji inaktivovat současným použitím ultrazvuku, tepla a tlaku (MTS).

Ultrazvuk prokázal svůj potenciál při ničení patogenů přenášených potravinami, jako jsou E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, cysty Cryptosporidium a Poliovirus.

Použitelné pro: konzervaci džemů, marmelád nebo polev, ovocných šťáv a omáček, masných výrobků, mléčných výrobků a zmrzliny.

Synergie ultrazvuku s teplotou a tlakem

Sonikace je často účinnější v kombinaci s jinými antimikrobiálními metodami, jako jsou:

• termosonikace, tj. teplo a ultrazvuk
• manosonikace, tj. tlak a ultrazvuk
• manotermosonikace, tj. tlak, teplo a ultrazvuk

Kombinované použití ultrazvuku s teplem a/nebo tlakem se doporučuje pro Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae a Aeromonas hydrophila.

Ultrazvuk vs. jiné techniky konzervace potravin

Na rozdíl od jiných tepelných a netermických procesů, jako je vysokotlaká homogenizace, tepelná pasterace, vysokotlaké zpracování (HPP), stlačený oxid uhličitý (cCO2) a superkritický oxid uhličitý (ScCO2), pulzy vysokého elektrického pole (HELP) nebo mikrovlny, lze ultrazvuk snadno testovat v laboratorním nebo stolním měřítku – s reprodukovatelnými výsledky pro zvětšování měřítka. Intenzitu a charakteristiky kavitace lze snadno přizpůsobit konkrétnímu extrakčnímu procesu tak, aby byly splněny konkrétní cíle. Amplitudu a tlak lze měnit v širokém rozsahu, např. za účelem nalezení energeticky nejúčinnějšího uspořádání extrakce.

Dalšími výhodami spojenými s použitím ultrazvukové extrakce sondového typu jsou snadná manipulace s extraktem, rychlé provedení, žádná rezidua, vysoký výtěžek, šetrnost k životnímu prostředí, vyšší kvalita a prevence degradace extraktu.
(srov. Chemat et al., 2011)

Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro extrakci a konzervaci

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro efektivní extrakci a konzervaci. Použití ultrazvukových zařízení Hielscher pro extrakci a konzervaci potravin představuje výkonnou technologii zpracování, kterou lze aplikovat nejen bezpečně a šetrně k životnímu prostředí, ale také efektivně a hospodárně. Homogenizační a konzervační účinek lze snadno využít u jakéhokoli tekutého nebo pastovitého potravinářského výrobku, včetně ovocných šťáv a pyré (např. pomeranč, jablko, grapefruit, mango, hrozny, švestka), jakož i u zeleninových omáček a polévek (např. rajčatová omáčka nebo chřestová polévka), mléčných výrobků, vajec a masa.
Naše portfolio ultrazvukových homogenizátorů a extraktorů sahá od ručních přenosných zařízení až po plně průmyslové výrobní systémy pro inline zpracování velkých objemů v komerčním měřítku.

Design, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svou nejvyšší kvalitou a standardy designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují bezproblémovou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Ultrazvukové přístroje Hielscher si snadno poradí s drsnými podmínkami a náročným prostředím.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou samozřejmě v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka Vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů: