Hielscher Ultralydsteknologi

Ultrasonic Ekstraktion og Preservation

Disintegrationen af ​​cellestrukturer (lysis) ved hjælp af ultralyd anvendes til ekstraktion af intracellulære forbindelser eller til mikrobiell inaktivering.

Baggrund

I mikrobiologi er ultralyd primært forbundet med celleforstyrrelse (lysis) eller disintegration (Allinger 1975). Ved lydbehandling af væsker ved høje intensiteter resulterer lydbølgerne, som formeres i væskemedierne, i alternerende højtryks- (kompression) og lavtrykscykluser med frekvenser, der afhænger af frekvensen.
Under lavtrykscyklussen skaber højintensitets ultralydbølger små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne når et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, falder de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen betegnes som kavitation. Under implosionen nås meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000atm) lokalt. Implanteringen af ​​kavitationsboblen resulterer også i flydende stråler med en hastighed på op til 280m / s. De resulterende forskydningskræfter brækker cellehylsteret mekanisk og forbedrer materialoverførslen. Ultralyd kan have enten ødelæggende eller konstruktive virkninger for celler afhængigt af de anvendte sonikationsparametre.

celle desintegration

Under intens lydbehandling kan enzymer eller proteiner frigives fra celler eller subcellulære organeller som følge af celle desintegration. I dette tilfælde er forbindelsen, der skal opløses i et opløsningsmiddel, indesluttet i en uopløselig struktur. For at ekstrahere det skal cellemembranen destrueres. Celleforstyrrelser er en følsom proces, fordi cellevæggen er i stand til at modstå højt osmotisk tryk inde. God kontrol med celleforstyrrelsen er nødvendig for at undgå en uhindret frigivelse af alle intracellulære produkter, herunder celleaffald og nukleinsyrer eller produktdaturering.
Ultralydning tjener som et godt styrbart middel til celleudskillelse. Til dette giver de mekaniske effekter af ultralyd hurtigere og mere fuldstændig indtrængning af opløsningsmiddel i cellulære materialer og forbedrer masseoverførslen. Ultralyd opnår større penetration af et opløsningsmiddel i et plantevæv og forbedrer massoverførslen. Ultralydbølger, der frembringer kavitation, forstyrrer cellevægge og letter frigivelsen af ​​matrixkomponenter.

masseoverførsel

I almindelighed kan ultralyd føre til en permeabilisering af cellemembraner til ioner (Mummery 1978), og det kan reducere selektiviteten af ​​cellemembranerne signifikant. Ultralydets mekaniske aktivitet understøtter diffusionen af ​​opløsningsmidler i vævet. Da ultralyd bryder cellevæggen mekanisk af kavitationsforskydningskræfterne, letter det overførslen fra cellen til opløsningsmidlet. Partikelstørrelsesreduktionen ved ultralydskavitationen øger overfladearealet i kontakt mellem faststof og væskefase.

Protein og enzym-ekstraktion

Især er ekstraktionen af ​​enzymer og proteiner, der er lagret i celler og subcellulære partikler, en unik og effektiv anvendelse af ultralyd med høj intensitet (Kim 1989), da ekstraktionen af ​​organiske forbindelser indeholdt i planter og frø med et opløsningsmiddel kan forbedres signifikant. Derfor har ultralyd en potentiel fordel ved udvinding og isolering af nye potentielt bioaktive komponenter, fx fra ikke-udnyttede biproduktstrømme dannet i aktuelle processer. Ultralyd kan også bidrage til at intensivere effekten af ​​enzymbehandling, og derved reducere mængden af ​​enzym, der er nødvendigt eller øge udbyttet af ekstraherbare relevante forbindelser.

Lipider og proteiner

Ultralyd anvendes ofte til at forbedre ekstraktionen af ​​lipider og proteiner fra plantefrø, såsom sojabønner (f.eks. Mel eller fedtet sojabønner) eller andre oliefrø. I dette tilfælde letter ødelæggelsen af ​​cellevægge pressen (kold eller varm) og derved reducerer den resterende olie eller fedt i pressekagen.

Indflydelsen fra kontinuerlig ultralydsekstraktion til udbyttet af dispergeret protein blev demonstreret af Moulton et al. Sonikationen øgede opsvinget af dispergeret protein progressivt, da flak / opløsningsmiddelforholdet ændrede sig fra 1:10 til 1:30. Det viste at ultralyd er i stand til at peptisere sojaprotein ved næsten enhver kommerciel gennemstrømning, og at den krævede sonikeringsenergi var den laveste, når tykkere opslæmninger blev anvendt. (Moulton et al. 1982)

Gælder for: Citrusolie fra frugt, olieudvinding fra jordens sennep, jordnøddeolie, raps, urtensolie (echinacea), canola, soja, majs

Liberation af fenolforbindelser og Anthocyaniner

Enzymer, såsom pectinaser, cellulaser og hemicellulaser, anvendes i vid udstrækning i saftbehandling for at nedbryde cellevægge og forbedre saftudvindingsevnen. Forstyrrelsen af ​​cellevægsmatrixen frigiver også komponenter, såsom phenolforbindelser i saften. Ultralyd forbedrer udvindingsprocessen og kan derfor føre til en forøgelse af phenolforbindelsen, alkaloiderne og saftudbyttet, der almindeligvis efterlades i pressekagen.

De gavnlige virkninger af ultralydsbehandling ved frigørelsen af ​​phenolforbindelser og anthocyaniner fra druemost og bærmatrix, især fra blåbær (Af Vaccinium myrtillus) og solbær (Ribes) i saft, blev undersøgt af VTT Bioteknologi, Finland (MAXFUN EU-Project) ved hjælp af en Ultralydprocessor UIP2000hd efter optøning, mashing og enzyminkubation. Forstyrrelsen af ​​cellevæggene ved enzymatisk behandling (Pectinex BE-3L for bilbær og Biopectinase CCM for solbær) blev forbedret, når det kombineredes med ultralyd. “Amerikansk behandling øger koncentrationen af ​​phenolforbindelser af blåbærjuice med mere end 15%. […] USAs påvirkning (ultralyd) var mere signifikant med solbær, der er mere udfordrende bær i saftbehandling end blåbær på grund af deres høje indhold af pektin og forskellige cellevægsarkitekturer. […] koncentrationen af ​​phenolforbindelser i saften steg med 15-25% ved anvendelse af amerikansk (ultralyd) behandling efter enzyminkubation.” (Mokkila et al. 2004)

Mikrobiell og enzyminaktivering

Mikrobiell og enzym inaktivering (konservering), fx i frugtsaft og saucer er en anden anvendelse af ultralyd i fødevareforarbejdning. I dag er bevaring ved forhøjelse af temperaturen i korte perioder (Pasteurization) stadig den mest almindelige behandlingsmetode til mikrobiell eller enzym inaktivering, der fører til længere holdbarhed (bevaring). På grund af udsættelse for høj temperatur har denne termiske metode ofte ulemper for mange fødevarer.
Produktionen af ​​nye stoffer fra varmekatalyserede reaktioner og modificeringen af ​​makromolekyler samt deformationen af ​​plante- og dyrestrukturer kan reducere med tab af kvalitet. Derfor kan termisk behandling forårsage uønskede ændringer af sensoriske egenskaber, dvs. tekstur, smag, farve, lugt og næringsmæssige kvaliteter, dvs. vitaminer og proteiner. Ultralyd er et effektivt ikke-termisk (minimal) behandlingsalternativ.

Varme produceret lokalt af kavitationen og de skabte radikaler kan føre til inaktivering af enzymer ved sonikering (El'piner 1964). Ved tilstrækkeligt lave niveauer af sonikering kan strukturelle og metaboliske forandringer forekomme i celler uden ødelæggelse. Aktiviteten af ​​peroxidase, som findes i de fleste rå og ublegede frugter og grøntsager og kan være særligt forbundet med udviklingen af ​​smagsstoffer og brunepigmenter, kan reduceres væsentligt ved brug af ultralyd. Termoresistente enzymer, såsom lipase og protease, der modstår ultrahøj temperaturbehandling, og som kan reducere kvaliteten og holdbarheden af ​​varmebehandlet mælk og andre dagbogsprodukter, kan inaktiveres mere effektivt ved samtidig anvendelse af ultralyd, varme og tryk (MTS).

Ultralyd har vist sit potentiale i ødelæggelsen af ​​fødevarebårne patogener, som E coli, salmonella, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium cyster, og poliovirus.

Gælder for: konservering af syltetøj, marmelade eller påfyldning, f.eks. Til is, frugtsaft og saucer, kødprodukter, mejeri

Synergier af ultralyd med temperatur og tryk

Ultralydbehandling er ofte mere effektiv, når den kombineres med andre anti-mikrobielle metoder, såsom:

  • termo-sonication, dvs. varme og ultralyd
  • mano-sonication, dvs. tryk og ultralyd
  • mano-termo-sonikering, 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.

Processudvikling

I modsætning til andre ikke-termiske processer, såsom højt hydrostatisk tryk (HP), komprimeret kuldioxid (cCO2) og superkritisk kuldioxid (ScCO2) og høje elektriske feltpulser (HELP), kan ultralyd let testes i laboratorie- eller bænkskala – generere reproducerbare resultater for opskalering. Intensiteten og kavitationsegenskaberne kan let tilpasses til den specifikke udvindingsproces for at målrette specifikke mål. Amplitude og tryk kan varieres bredt, fx for at identificere den mest energieffektive ekstraktionsopsætning. Hårde væv skal gennemgå maceration, slibning eller pulverisering før ultralydbehandling.

E coli

For at producere små mængder rekombinante proteiner til undersøgelsen og karakterisering af deres biologiske egenskaber, E coli er den valgte bakterie. Rensningstagere, fx polyhistidinhale, beta-galactosidase eller maltose-binding
proteiner, er almindeligt forbundet til rekombinante proteiner for at gøre dem separable fra celleekstrakter med en renhed, der er tilstrækkelig til de fleste analytiske formål. Ultralydning tillader at maksimere proteinfrigivelsen, især når produktionsudbyttet er lavt og for at bevare strukturen og aktiviteten af ​​det rekombinante protein.

Forstyrrelsen af E coli celler for at ekstrahere det samlede chymosinprotein blev undersøgt af Kim og Zayas.

Saffronekstraktion

Saffron er kendt som dyreste krydderi på verdensmarkedet og kendetegnes af dets delikate smag, bitter smag og attraktive gule farve. Safran krydderier er hentet fra den røde stigmatisering af blomst af saffron krokus. Efter tørring anvendes disse dele som krydderier i køkkenet eller som farvestof. Saffons intensive karakteristiske smag resulterer især af tre forbindelser: krokiner, picrocrocin og safranal.

Kadkhodaee og Hemmati-Kakhki har i en undersøgelse vist, at ultralydbehandling øgede udvindingsudbyttet betydeligt og reducerede behandlingstiden betydeligt. Faktisk var resultaterne ved ultralydsudvinding markant bedre end ved traditionel koldvandsudvinding, som foreslås af ISO. Til deres forskning har Kadkhodaee og Hemmati-Kakhki brugt Hielscher's ultralydsenhed UP50H. De bedste resultater er opnået med pulserende lydbehandling. Det betyder, at korte pulsintervaller var mere effektive end en kontinuerlig ultralydbehandling.

Oxidation

Ved styrede intensiteter kan anvendelsen af ​​ultralyd til biotransformation og fermentering godt resultere i en forbedret bioprocessing på grund af inducerede biologiske virkninger og på grund af letter cellulær masseoverførsel. Påvirkningen af ​​den styrede anvendelse af ultralyd (20kHz) på oxideringen af ​​kolesterol til cholestenon ved at hvile celler af Almindelig Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (tidligere Nocardia erythropolis) blev undersøgt af Bar.

Kolesterol + O2 = cholest-4-en-3-on + H2den2

Dette system er typisk for mikrobielle transformationer af steroler og steroider, idet substratet og produkterne er vanduopløselige faste stoffer. Derfor er dette system ret unikt, fordi både cellerne og de faste stoffer kan være udsat for effekten af ​​ultralyd (Bar, 1987). Ved en tilstrækkelig lav ultralydintensitet, som bevarede cellernes strukturelle integritet og opretholdt deres metaboliske aktivitet, observerede Bar en signifikant forbedring i biotransformationens kinetiske hastigheder i mikrobielle opslæmninger på 1,0 og 2,5 g / l cholesterol, når de sonikeres i 5 sek hver 10 min med en effekt på 0,2 W / cm². Ultralyd viste ingen effekt på cholesteroloxidaseens enzymatiske oxidation (2,5 g / L).

Fordelagtig teknologi

Udnyttelsen af ​​ultralydkavitation til udvinding og madbevarelse er en ny kraftfuld bearbejdningsteknologi, som ikke kun kan anvendes sikkert og miljøvenligt, men også effektivt og økonomisk. Homogeniserings- og konserveringseffekten kan let anvendes til frugtsaft og pureer (f.eks. Appelsin, æble, grapefrugt, mango, drue, blomme) samt til grøntsagssauer og supper, som tomatsauce eller aspargesuppe.

Bed om mere information!

Brug venligst nedenstående formular, hvis du ønsker at anmode om yderligere oplysninger om brug af ultralyd til udvinding og bevaring.









Bemærk venligst, at vores Fortrolighedspolitik.


Litteratur

Allinger, H. (1975): Amerikansk laboratorium, 7 (10), 75 (1975).

Bar, R. (1987): Ultralydforbedrede bioprocesser, i: Bioteknologi og Engineering, Vol. 32, Pp. 655-663 (1987).

El'piner, IE (1964): Ultralyd: Fysiske, kemiske og biologiske effekter (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: Ultralydsekstraktion af aktive forbindelser fra Saffron, i: Internet-publikation.

Kim, SM og Zayas, JF (1989): Behandlingsparameter for chymosinekstraktion ved hjælp af ultralyd; i J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Kombinerer ultralyd med enzymer i bær juice behandling, ved: 2. Int. Conf. Biokatalyse af mad og drikkevarer, 19-22.9.2004, Stuttgart, Tyskland.

Moulton, KJ, Wang, LC (1982): En pilot-plantestudie af kontinuerlig ultralydsekstraktion af sojabønneprotein, i: Journal of Food Science, bind 47, 1982.

Mummery, CL (1978): Virkningen af ​​ultralyd på fibroblaster in vitro, i: Ph.D. Speciale, University of London, London, England, 1978.