Ultralydsekstraktion og konservering

Ultralydsekstraktion og konservering anvender højintensiv ultralyd til nedbrydning af cellestrukturer (lyse). Nedbrydning af celler med ultralyd resulterer i meget effektiv ekstraktion af intracellulære forbindelser samt mikrobiel inaktivering. På grund af de mange fordele anvendes sonikering i vid udstrækning til ekstraktion og konservering i fødevareindustrien. Læs mere om fordelene ved ultralydsekstraktion og fødevareforarbejdning!

Højintensiv ultralyd til ekstraktion og konservering af fødevarer og plantematerialer

Ultralydsekstraktion: Ultralydsekstraktion er en proces, der anvender højfrekvente lydbølger til at ekstrahere forbindelser fra forskellige materialer såsom planter, frugter og grøntsager. Processen indebærer anvendelse af ultralydsbølger til at skabe højtryksbobler i et flydende eller halvfast materiale. Boblerne kollapser hurtigt og genererer intens varme og tryk, som nedbryder materialets cellevægge og frigiver de ønskede forbindelser.

Funktionsprincippet for ultralydsekstraktion og konservering

Det grundlæggende princip bag ultralydsekstraktion bygger på det fænomen, der kaldes akustisk kavitation. Når en væske udsættes for ultralydsbølger med høj intensitet og lav frekvens (ca. 20 kHz), dannes trykbølger, som skaber bittesmå vakuumbobler i væsken. Disse bobler vokser i størrelse, efterhånden som ultralydens intensitet øges, og når de når en bestemt størrelse, kollapser de pludseligt og voldsomt, hvilket genererer en chokbølge og frigiver energi i form af varme og tryk.
Denne proces medfører mekanisk nedbrydning af cellevæggene, hvorved de ønskede forbindelser frigives fra materialet til det flydende opløsningsmiddel. De frigivne forbindelser kan derefter adskilles fra opløsningsmidlet ved hjælp af gængse separationsteknikker såsom filtrering eller centrifugering.

 
Ultralydskonservering: Ultralydskonservering bygger på de samme kavitationseffekter som ultralydsekstraktion. Ved konservering anvendes højintensiv ultralyd til at forlænge letfordærvelige fødevarers holdbarhed ved hjælp af højfrekvente lydbølger, som hæmmer væksten af mikroorganismer, der forårsager fordærv. Processen indebærer, at fødevaren udsættes for ultralydsbølger, som nedbryder cellevæggene hos bakterier, gærsvampe og skimmelsvampe, hvilket fører til, at de ødelægges eller hæmmes.
Denne proces medfører mekanisk nedbrydning af mikroorganismernes cellevægge, hvilket fører til, at de ødelægges eller hæmmes. Ultralydsbølger kan også øge cellemembranernes permeabilitet, så konserveringsmidler og andre antimikrobielle midler kan trænge ind og dræbe mikroorganismerne mere effektivt.
Ultralydskonservering foretrækkes frem for traditionelle konserveringsmetoder, fordi den giver flere fordele såsom kortere behandlingstid, højere effektivitet og mulighed for at bevare fødevarens naturlige egenskaber og smag. Den anvendes i en lang række fødevareprodukter såsom saucer, juice, mejeriprodukter, æg og kød for at forlænge deres holdbarhed og sikre deres sikkerhed.

Teknikken til ultralydsekstraktion og konservering foretrækkes frem for traditionelle ekstraktions- og konserveringsmetoder, fordi den giver flere fordele såsom hurtigere ekstraktion, fremragende produktkvalitet, højere udbytte, rent mekanisk ikke-termisk behandling og mulighed for at ekstrahere et bredere udvalg af forbindelser. Den anvendes i en lang række brancher såsom fødevare- og drikkevareindustrien, lægemiddelindustrien og kosmetikindustrien.

Ultralydsekstraktion af proteiner og enzymer

Især ekstraktion af enzymer og proteiner, der er lagret i celler og subcellulære partikler, er en unik og effektiv anvendelse af højintensiv ultralyd, da ekstraktionen med et opløsningsmiddel af organiske forbindelser i planter og frø kan forbedres betydeligt. Ultralyd har derfor potentielle fordele ved ekstraktion og isolering af nye, potentielt bioaktive komponenter, f.eks. fra uudnyttede biproduktstrømme, der dannes i nuværende processer. Ultralyd kan også bidrage til at intensivere virkningerne af enzymbehandling og dermed reducere den nødvendige enzymmængde eller øge udbyttet af relevante forbindelser, der kan ekstraheres.

Ultralydsekstraktion af lipider og proteiner

Sonikering anvendes ofte til at forbedre ekstraktionen af lipider og proteiner fra plantefrø såsom sojabønner (f.eks. mel eller affedtede sojabønner) eller andre oliefrø. I dette tilfælde letter ødelæggelsen af cellevæggene presningen (kold eller varm) og reducerer dermed restindholdet af olie eller fedt i pressekagen.

Indflydelsen af kontinuerlig ultralydsekstraktion på udbyttet af dispergeret protein blev påvist af Moulton et al. Sonikeringen øgede gradvist genvindingen af dispergeret protein, efterhånden som forholdet mellem flager og opløsningsmiddel blev ændret fra 1:10 til 1:30. Det viste, at ultralyd er i stand til at peptisere sojaprotein ved næsten enhver kommerciel gennemløbskapacitet, og at den nødvendige sonikeringsenergi var lavest, når der blev anvendt mere tyktflydende opslæmninger.

Isolering af fenolforbindelser og anthocyaniner med ultralyd

Enzymer såsom pektinaser, cellulaser og hemicellulaser anvendes i vid udstrækning ved juiceforarbejdning til at nedbryde cellevægge og forbedre muligheden for at ekstrahere juice. Nedbrydningen af cellevægsmatricen frigiver også komponenter såsom fenolforbindelser til juicen. Ultralyd forbedrer ekstraktionsprocessen og kan derfor føre til øget udbytte af fenolforbindelser, alkaloider og juice, som ellers normalt bliver tilbage i pressekagen.

De gavnlige virkninger af ultralydsbehandling på frigivelsen af fenolforbindelser og anthocyaniner fra drue- og bærmatricer, især fra blåbær (Vaccinium myrtillus) og solbær (>Ribes nigrum), til juice blev undersøgt af VTT Biotechnology i Finland ved hjælp af en ultralydsprocessor UIP2000hd efter optøning, mosning og enzyminkubation. Nedbrydningen af cellevæggene ved enzymatisk behandling (Pectinex BE-3L til blåbær og Biopectinase CCM til solbær) blev forbedret, når den blev kombineret med ultralyd. “US-behandling øger koncentrationen af fenolforbindelser i blåbærjuice med mere end 15%. […] Virkningen af US (ultralyd) var mere markant for solbær, som er mere udfordrende bær ved juiceforarbejdning end blåbær på grund af deres høje pektinindhold og anderledes cellevægsarkitektur. […] Koncentrationen af fenolforbindelser i juicen steg med 15–25% ved brug af US-behandling (ultralyd) efter enzyminkubation.” (jf. Mokkila et al., 2004)
 

Mikrobiel inaktivering og enzyminaktivering

Mikrobiel inaktivering og enzyminaktivering (konservering), f.eks. i frugtjuice og saucer, er en anden anvendelse af ultralyd i fødevareforarbejdning. I dag er konservering ved at hæve temperaturen i korte tidsrum (pasteurisering) stadig den mest almindelige behandlingsmetode til mikrobiel inaktivering eller enzyminaktivering, som fører til længere holdbarhed (konservering). På grund af eksponeringen for høj temperatur medfører konventionel termisk pasteurisering ofte ulemper for fødevareprodukter.
Dannelsen af nye stoffer gennem varmekatalyserede reaktioner og ændringen af makromolekyler samt deformationen af plante- og dyrestrukturer kan medføre kvalitetstab. Derfor kan termisk behandling forårsage uønskede ændringer i sensoriske egenskaber, dvs. tekstur, smag, farve og lugt, samt i ernæringsmæssige egenskaber, dvs. vitaminer og proteiner. Ultralyd er et effektivt ikke-termisk (minimalt) forarbejdningsalternativ.

I modsætning til konventionelle varmebehandlinger anvender ultralydskonservering energien og forskydningskræfterne fra akustisk kavitation til at inaktivere enzymer. Ved tilstrækkeligt lave sonikeringsniveauer kan der ske strukturelle og metaboliske ændringer i celler, uden at de ødelægges. Aktiviteten af peroxidase, som findes i de fleste rå og ublancherede frugter og grøntsager og især kan være forbundet med udviklingen af uønsket smag og brunfarvende pigmenter, kan reduceres betydeligt ved hjælp af ultralyd. Varmeresistente enzymer såsom lipase og protease, der modstår behandling ved ultrahøj temperatur, og som kan reducere kvaliteten og holdbarheden af varmebehandlet mælk og andre mejeriprodukter, kan inaktiveres mere effektivt ved samtidig anvendelse af ultralyd, varme og tryk (MTS).

Ultralyd har vist sit potentiale til at ødelægge fødevarebårne patogener såsom E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium-cyster og Poliovirus.

Kan anvendes til: konservering af syltetøj, marmelade eller toppings, frugtjuice og saucer, kødprodukter, mejeriprodukter og is.
 

Synergier mellem ultralyd, temperatur og tryk

Sonikering er ofte mere effektiv, når den kombineres med andre antimikrobielle metoder såsom:

• termosonikering, dvs. varme og ultralyd
• manosonikering, dvs. tryk og ultralyd
• manotermosonikering, dvs. tryk, varme og ultralyd

Den kombinerede anvendelse af ultralyd med varme og/eller tryk anbefales til Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae og Aeromonas hydrophila.

Ultralyd sammenlignet med andre teknikker til fødevarekonservering

I modsætning til andre termiske og ikke-termiske processer såsom højtrykshomogenisering, varmepasteurisering, højtryksbehandling (HPP), komprimeret kuldioxid (cCO2) og superkritisk kuldioxid (ScCO2), pulser med høj elektrisk feltstyrke (HELP) eller mikrobølger kan ultralyd let afprøves i laboratorie- eller bordskala – med reproducerbare resultater til opskalering. Intensiteten og kavitationsegenskaberne kan let tilpasses den specifikke ekstraktionsproces for at opfylde bestemte mål. Amplitude og tryk kan varieres inden for et bredt interval, f.eks. for at identificere den mest energieffektive ekstraktionsopsætning.

Andre fordele ved ekstraktion med ultralydssonder er nem håndtering af ekstraktet, hurtig udførelse, ingen reststoffer, højt udbytte, miljøvenlighed, forbedret kvalitet og forebyggelse af nedbrydning af ekstraktet.
(jf. Chemat et al., 2011)

Højtydende ultralydsapparater til ekstraktion og konservering

Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydsapparater til effektiv ekstraktion og konservering. Anvendelse af Hielschers ultralydsudstyr til ekstraktion og fødevarekonservering er en kraftfuld forarbejdningsteknologi, der ikke alene kan anvendes sikkert og miljøvenligt, men også effektivt og økonomisk. Den homogeniserende og konserverende virkning kan let anvendes til ethvert flydende eller pastaagtigt fødevareprodukt, herunder frugtjuice og puréer (f.eks. appelsin, æble, grapefrugt, mango, drue, blomme) samt grøntsagssaucer og supper (f.eks. tomatsauce eller aspargessuppe), mejeriprodukter, æg og kød.
Vores sortiment af ultralydshomogenisatorer og ekstraktorer spænder fra håndholdte, bærbare apparater til fuldt industrielle produktionssystemer til inline-forarbejdning af store volumener i kommerciel skala.

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er kendt for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrielle anlæg. Hielschers ultralydsapparater håndterer uden problemer barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige forarbejdningskapacitet: