Ultrazvuková extrakce a konzervace
Ultrazvuková extrakce a konzervace využívá výkonový ultrazvuk k rozpadu buněčných struktur (lýza). Rozbíjení buněk ultrazvukovými rersulty ve vysoce účinné extrakci intracelulárních sloučenin a mikrobiální inaktivace. Díky četným výhodám je ultrazvuku široce používán pro extrakci a konzervaci v potravinářském průmyslu. Zjistěte více o výhodách ultrazvukové extrakce a zpracování potravin!
Výkonový ultrazvuk pro extrakci a konzervaci potravin a rostlinných látek
Ultrazvuková extrakce: Ultrazvuková extrakce je proces, který využívá vysokofrekvenční zvukové vlny k extrakci sloučenin z různých materiálů, jako jsou rostliny, ovoce a zelenina. Tento proces zahrnuje použití ultrazvukových vln k vytvoření vysokotlakých bublin v kapalném nebo polotuhém materiálu, které se rychle zhroutí a generují intenzivní teplo a tlak, který narušuje buněčné stěny materiálu a uvolňuje požadované sloučeniny.
Princip činnosti ultrazvukové extrakce a konzervace
Základní princip ultrazvukové extrakce je založen na jevu známém jako akustická kavitace. Když je kapalina vystavena ultrazvukovým vlnám vysoké intenzity a nízké frekvence (přibližně 20 kHz), vytváří tlakové vlny, které v kapalině vytvářejí drobné vakuové bubliny. Tyto bubliny se zvětšují se zvyšující se intenzitou ultrazvuku, a když dosáhnou určité velikosti, náhle a prudce se zhroutí, vytvoří rázovou vlnu a uvolní energii ve formě tepla a tlaku.
Tento proces způsobuje mechanické narušení buněčných stěn a uvolňování požadovaných sloučenin z materiálu do kapalného rozpouštědla. Uvolněné sloučeniny lze poté oddělit od rozpouštědla pomocí standardních separačních technik, jako je filtrace nebo centrifugace.
Ultrasonicator UP400St pro efektivní netepelnou extrakci rostlinného materiálu.
Ultrazvuková konzervace: Ultrazvuková konzervace je založena na stejných kavitačních účincích jako ultrazvuková extrakce. Pro konzervaci se používá výkonový ultrazvuk, který prodlužuje trvanlivost potravin podléhajících zkáze pomocí vysokofrekvenčních zvukových vln k inhibici růstu mikroorganismů, které způsobují kažení. Tento proces zahrnuje vystavení potravin 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 a zabíjet mikroorganismy.
Ultrazvuková konzervace je upřednostňována před tradičními metodami konzervace, protože nabízí několik výhod, jako je kratší doba zpracování, vyšší účinnost a schopnost zachovat přirozené vlastnosti a chuť potravin. Používá se v široké škále potravinářských výrobků, jako jsou omáčky, šťávy, mléčné výrobky, vejce a maso, aby se prodloužila jejich trvanlivost a zajistila jejich bezpečnost.
Ultrazvuková extrakční a konzervační technika je upřednostňována před tradičními metodami extrakce a konzervace, protože nabízí několik výhod, jako je rychlejší extrakce, vynikající kvalita produktu, vyšší výtěžnost, čistě mechanické netepelné zpracování a schopnost extrahovat širší škálu sloučenin. Používá se v celé řadě průmyslových odvětví, jako je potravinářství a nápoje, farmacie a kosmetika.
Výkonná ultrazvuková kavitace při Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ultrazvuková extrakce proteinů a enzymů
Zejména extrakce enzymů a proteinů uložených v buňkách a subcelulárních částic je jedinečnou a účinnou aplikací ultrazvuku s vysokou intenzitou, protože extrakci organických sloučenin obsažených v těle rostlin a semen rozpouštědlem lze výrazně zlepšit. Ultrazvuk má proto 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 enzymové léčby, a tím snížit množství potřebného enzymu nebo zvýšit výtěžek extrahovatelných relevantních sloučenin.
Ultrazvuková extrakce lipidů a proteinů
Ultrazvuku se často používá ke zlepšení extrakce lipidů a proteinů z rostlinných semen, jako jsou sójové boby (např. mouka nebo odtučněné sójové boby) nebo jiná olejnatá semena. V tomto případě destrukce buněčných stěn usnadňuje lisování (za studena nebo za tepla) a tím snižuje zbytkový olej nebo tuk v lisovacím koláči.
Vliv kontinuální ultrazvukové extrakce na výtěžek dispergovaného proteinu prokázali Moulton et al. Sonikace zvyšovala obnovu dispergovaného proteinu postupně, jak se poměr vloček / rozpouštědla měnil z 1:10 na 1:30. Ukázalo se, že ultrazvuk je schopen peptizovat sójový protein při téměř jakémkoli komerčním výkonu a že požadovaná energie sonikace byla nejnižší, když byly použity hustší suspenze.
Ultrazvuková izolace fenolických sloučenin a antokyanů
Enzymy, jako jsou pektinázy, celulázy a hemicelulázy, jsou široce používány při zpracování šťávy za účelem degradace buněčných stěn a zlepšení extrahovatelnosti šťávy. Narušení matrice buněčné stěny také uvolňuje složky, jako jsou fenolické sloučeniny, do šťávy. Ultrazvuk zlepšuje proces extrakce, a proto může vést ke zvýšení fenolické sloučeniny, alkaloidů a výtěžku šťávy, které se běžně nechávají v lisovaném koláči.
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. “Léčba v USA zvyšuje koncentraci fenolických sloučenin borůvkové šťávy o více než 15%. […] Vliv UZ (ultrazvuku) byl výraznější u černého rybízu, který je kvůli vysokému obsahu pektinu a odlišné architektuře buněčných stěn náročnější na zpracování šťávy než borůvky. […] koncentrace fenolických sloučenin ve šťávě se zvýšila o 15-25% pomocí ultrazvukové léčby po inkubaci enzymů.” (srov. Mokkila et al., 2004)
Ultrasonicator UIP6000hdT v průmyslovém zařízení s kontinuálním odsáváním.
Mikrobiální a enzymová inaktivace
Mikrobiální a enzymová inaktivace (konzervace), např. v ovocných šťávách a omáčkách, je další aplikací ultrazvuku při zpracování potravin. V současné době je konzervace zvýšením teploty po krátkou dobu (pasterizace) stále nejběžnější metodou zpracování mikrobiální nebo enzymové inaktivace, která vede k delší trvanlivosti (konzervaci). Vzhledem k vystavení vysokým teplotám přináší konvenční tepelná pasterizace pro potravinářské výrobky často nevýhody.
Produkce nových látek z tepelně katalyzovaných reakcí a modifikace makromolekul, stejně jako deformace rostlinných a živočišných struktur se mohou snížit ve ztrátě kvality. Tepelná úprava proto může způsobit nežádoucí změny senzorických vlastností, tj. textury, chuti, barvy, vůně a nutričních vlastností, tj. vitamínů a bílkovin. Ultrazvuk je účinná netepelná (minimální) alternativa zpracování.
Na rozdíl od konvenčního tepelného zpracování využívá ultrazvuková konzervace energii a smykové síly akustické kavitace k inaktivaci enzymů. Při dostatečně nízkých úrovních sonikace může v buňkách dojít ke strukturálním a metabolickým změnám bez jejich destrukce. Aktivita peroxidázy, která se nachází ve většině syrového a neblanšírovaného ovoce a zeleniny a může být zvláště spojena s rozvojem nepříjemných a hnědých pigmentů, může být použitím ultrazvuku podstatně snížena. Termorezistentní enzymy, jako je lipáza a proteáza, které odolávají ošetření při ultravysokých teplotách a které mohou snížit 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, Salmonely, Ascaris, Giardia, cysty Cryptosporidium a Poliovirus.
Použitelné pro: konzervování džemů, marmelád nebo zálivek, ovocných šťáv a omáček, masných výrobků, mléčných výrobků a zmrzliny.
Synergie ultrazvuku s teplotou a tlakem
Ultrazvuku je často účinnější v kombinaci s jinými antimikrobiálními metodami, jako jsou:
- termosonikace, tj. teplo a ultrazvuk
- Mano-sonikace, tj. tlak a ultrazvuk
- mano-termo-sonikace, tj. tlak, teplo a ultrazvuk
Kombinovaná aplikace 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 netepelných procesů, jako je vysokotlaká homogenizace, tepelná pasterizace, vysoký hydrostatický tlak (HP), stlačený oxid uhličitý (cCO2) a superkritický oxid uhličitý (ScCO2), pulzy s vysokým elektrickým polem (HELP) nebo mikrovlnná trouba, lze ultrazvuk snadno testovat v laboratorním nebo stolním měřítku – generování reprodukovatelných výsledků pro rozšiřování výroby. Intenzita a kavitační charakteristiky lze snadno přizpůsobit konkrétnímu procesu extrakce pro cílení konkrétních cílů. Amplitudu a tlak lze měnit v širokém rozsahu, např. pro identifikaci energeticky nejúčinnějšího nastavení odsávání.
Dalšími výhodami spojenými s použitím extrakce typu ultrazvukové sondy jsou snadná manipulace s extraktem, rychlé provedení, žádné zbytky, vysoký výnos, šetrnost k životnímu prostředí, zvýšená kvalita a prevence degradace extraktu.
(srov. Chemat et al., 2011)
- Úplnější extrakce
- Netepelná konzervace
- Vyšší výnosy
- Vysoký obsah živin, prvotřídní kvalita potravin
- Rychlý proces
- Studený / netepelný proces
- Snadná a bezpečná obsluha
- Nízké nároky na údržbu
Vysoce výkonné ultrasonicators pro extrakci a preseravaci
Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro efektivní extrakci a konzervaci. Použití ultrazvukového zařízení Hielscher pro extrakci a konzervaci potravin je výkonná zpracovatelská technologie, kterou lze nejen bezpečně a šetrně k životnímu prostředí, ale také efektivně a ekonomicky. Homogenizační a konzervační účinek lze snadno použít pro jakýkoli tekutý nebo pastovitý potravinářský výrobek včetně ovocných šťáv a pyré (např. pomeranč, jablko, grapefruit, mango, hroznové víno, švestka), stejně jako pro zeleninové omáčky a polévky (např. rajčatová omáčka nebo chřestová polévka), mléčné výrobky, vejce a maso.
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.
Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany
Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.
Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0Přibližně 5 až 1,5 ml | Není k dispozici | VialTweeter | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
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.
Fakta, která stojí za to vědět
Ultrazvukový rozpad buněk
Při intenzivní sonikaci se mohou enzymy nebo proteiny uvolňovat z buněk nebo subcelulárních organel v důsledku rozpadu buněk. V tomto případě je sloučenina, která se má rozpustit v rozpouštědle, uzavřena v nerozpustné struktuře. Aby bylo možné jej extrahovat, musí být buněčná membrána zničena. Narušení buněk je citlivý proces, protože buněčná stěna má schopnost odolávat vysokému osmotickému tlaku uvnitř. Je nutná dobrá kontrola narušení buněk, aby se zabránilo nerušenému uvolňování všech intracelulárních produktů včetně buněčných zbytků a nukleových kyselin nebo denaturaci produktů.
Ultrazvuku slouží jako dobře kontrolovatelný prostředek pro rozpad buněk. Za tímto účelem mechanické účinky ultrazvuku poskytují rychlejší a úplnější pronikání rozpouštědla do buněčných materiálů a zlepšují přenos hmoty. Ultrazvuk dosahuje většího průniku rozpouštědla do rostlinné tkáně a zlepšuje přenos hmoty. Ultrazvukové vlny generující kavitaci narušují buněčné stěny a usnadňují uvolňování složek matrice.
Ultrazvukem vylepšený přenos hmoty podporuje extrakci
Obecně platí, že ultrazvuk může vést k permeabilizaci buněčných membrán na ionty a může výrazně snížit selektivitu buněčných membrán. Mechanická aktivita ultrazvuku podporuje difúzi rozpouštědel do tkáně. Vzhledem k tomu, že ultrazvuk mechanicky rozbíjí buněčnou stěnu kavitačními smykovými silami, usnadňuje přenos z buňky do rozpouštědla. Zmenšení velikosti částic ultrazvukovou kavitací zvětšuje povrchovou plochu při kontaktu mezi pevnou a kapalnou fází.
Ultrazvuková lýza a inaktivace E.coli
Pro produkci malých množství rekombinantních proteinů pro studium a charakterizaci jejich biologických vlastností je E.coli bakterií volby. Purifikační značky, např. polyhistidinový ocas, beta-galaktosidáza nebo proteiny vázající maltózu, se běžně spojují s rekombinantními proteiny, aby je bylo možné oddělit od buněčných extraktů s čistotou dostatečnou pro většinu analytických účelů. Ultrazvuku umožňuje maximalizovat uvolňování proteinu, zejména když je výtěžek produkce nízký a zachovat strukturu a aktivitu rekombinantního proteinu.
Ultrazvuková oxidace
Při kontrolovaných intenzitách může aplikace ultrazvuku na biotransformaci a fermentaci vést ke zvýšenému biologickému zpracování v důsledku indukovaných biologických účinků a v důsledku usnadněného přenosu buněčné hmoty. Vliv řízené aplikace ultrazvuku (20kHz) na oxidaci cholesterolu na cholestenon klidovými buňkami Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (dříve Nocardia erythropolis) zkoumal Bar (1987).
Tento systém je typický pro mikrobiální transformace sterolů a steroidů v tom, že substrátem a produkty jsou ve vodě nerozpustné pevné látky. Proto je tento systém poměrně unikátní v tom, že jak buňky, tak pevné látky mohou být vystaveny účinku ultrazvuku. Při dostatečně nízké ultrazvukové intenzitě, která zachovala strukturální integritu buněk a zachovala jejich metabolickou aktivitu, Bar pozoroval významné zvýšení kinetických rychlostí biotransformace v mikrobiálních suspenzích 1,0 a 2,5 g / l cholesterolu při sonikaci po dobu 5 s každých 10 mn s výstupním výkonem 0,2 W / cm². Ultrazvuk neprokázal žádný vliv na enzymatickou oxidaci cholesterolu (2,5 g/l) cholesteroloxidázou.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.