Ultralydsekstraktion og konservering
Ultralydsekstraktion og konservering bruger ultralyd til opløsning af cellestrukturer (lyse). Nedbrydning af celler med ultralyd rersults i meget effektiv ekstraktion af intracellulære forbindelser samt mikrobiel inaktivering. På grund af mange fordele anvendes ultralydbehandling i vid udstrækning til ekstraktion og konservering i fødevareindustrien. Lær mere om fordelene ved ultralydsekstraktion og fødevareforarbejdning!
Power ultralyd til udvinding og konservering af fødevarer og botaniske stoffer
Ultralyd ekstraktion: Ultralydsekstraktion er en proces, der bruger højfrekvente lydbølger til at udvinde forbindelser fra en række forskellige materialer såsom planter, frugter og grøntsager. Processen involverer brugen af ultralydsbølger til at skabe højtryksbobler i et flydende eller halvfast materiale, som kollapser hurtigt og genererer intens varme og tryk, der forstyrrer materialets cellevægge og frigiver de ønskede forbindelser.
Arbejdsprincippet for ultralydsekstraktion og konservering
Det grundlæggende princip bag ultralydsekstraktion er baseret på fænomenet kendt som akustisk kavitation. Når en væske udsættes for ultralydsbølger af høj intensitet og lav frekvens (ca. 20 kHz), genererer den trykbølger, der skaber bittesmå vakuumbobler i væsken. Disse bobler vokser i størrelse, når ultralydens intensitet øges, og når de når en vis størrelse, kollapser de pludseligt og voldsomt, hvilket genererer en chokbølge og frigiver energi i form af varme og tryk.
Denne proces forårsager mekanisk forstyrrelse af cellevæggene og frigiver de ønskede forbindelser fra materialet til det flydende opløsningsmiddel. De frigivne forbindelser kan derefter adskilles fra opløsningsmidlet ved hjælp af standardseparationsteknikker såsom filtrering eller centrifugering.

Ultralydsapparat UP400St til effektiv ikke-termisk udvinding af plantemateriale.
Ultralyd konservering: Ultralydskonservering er baseret på de samme kavitationseffekter som ultralydsekstraktion. Til konservering anvendes ultralyd for at forlænge holdbarheden af letfordærvelige fødevarer ved at bruge højfrekvente lydbølger til at hæmme væksten af mikroorganismer, der forårsager fordærv. Processen involverer at udsætte maden for ultralydsbølger, der forstyrrer cellevæggene i bakterier, gær og skimmelsvampe, hvilket fører til deres ødelæggelse eller hæmning.
Denne proces forårsager mekanisk forstyrrelse af mikroorganismernes cellevægge, hvilket fører til deres ødelæggelse eller hæmning. Ultralydsbølger kan også øge permeabiliteten af cellemembraner, hvilket gør det muligt for konserveringsmidler og andre antimikrobielle midler at trænge ind og dræbe mikroorganismerne mere effektivt.
Ultralydskonservering foretrækkes frem for traditionelle konserveringsmetoder, fordi det giver flere fordele såsom kortere behandlingstid, højere effektivitet og evnen til at bevare madens naturlige egenskaber og smag. Det bruges i en bred vifte af fødevarer såsom saucer, juice, mejeriprodukter, æg og kød for at forlænge deres holdbarhed og sikre deres sikkerhed.
Ultralydsekstraktions- og konserveringsteknikken foretrækkes frem for traditionelle ekstraktions- og konserveringsmetoder, fordi den giver flere fordele såsom hurtigere ekstraktionshastigheder, fremragende produktkvalitet, højere udbytte, rent mekanisk ikke-termisk behandling og evnen til at udvinde en bredere vifte af forbindelser. Det bruges i en lang række industrier såsom mad og drikke, lægemidler og kosmetik.

Kraftig ultralydskavitation ved Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ultralyd protein og enzymekstraktion
Især ekstraktion af enzymer og proteiner, der er lagret i celler og subcellulære partikler, er en unik og effektiv anvendelse af ultralyd med høj intensitet, da ekstraktionen af organiske forbindelser indeholdt i kroppen af planter og frø ved hjælp af et opløsningsmiddel kan forbedres betydeligt. Derfor har ultralyd en potentiel fordel ved udvinding og isolering af nye potentielt bioaktive komponenter, f.eks. fra ikke-udnyttede biproduktstrømme dannet i nuværende processer. Ultralyd kan også være med til at intensivere effekten af enzymbehandling og derved reducere mængden af enzym, der er behov for, eller øge udbyttet af ekstraherbare relevante forbindelser.
Ultralydsekstraktion af lipider og proteiner
Ultralydbehandling bruges 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 derved den resterende olie eller fedt i pressekagen.
Indflydelsen af kontinuerlig ultralydsekstraktion til udbyttet af dispergeret protein blev demonstreret af Moulton et al. Sonikeringen øgede genvindingen af dispergeret protein gradvist, da flage / 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 nødvendige sonikeringsenergi var den laveste, når tykkere opslæmninger blev brugt.
Ultralydsisolering af phenolforbindelser og anthocyaniner
Enzymer, såsom pektinaser, cellulaser og hemicellulaser, bruges i vid udstrækning i juiceforarbejdning for at nedbryde cellevægge og forbedre juiceekstrakterbarheden. Forstyrrelsen af cellevægsmatrixen frigiver også komponenter, såsom phenolforbindelser i saften. Ultralyd forbedrer ekstraktionsprocessen og kan derfor føre til en stigning i phenolforbindelsen, alkaloider og juiceudbytte, der almindeligvis efterlades i pressekagen.
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. “Amerikansk behandling øger koncentrationen af phenolforbindelser af blåbærsaft med mere end 15%. […] Indflydelsen fra US (ultralyd) var mere signifikant med solbær, som er mere udfordrende bær i juiceforarbejdning end blåbær på grund af deres høje indhold af pektin og forskellig cellevægsarkitektur. […] koncentrationen af phenolforbindelser i saften steg med 15-25 % ved brug af UL-behandling (ultralyd) efter enzyminkubation.” (jf. Mokkila et al., 2004)

Ultralydsapparat UIP6000hdT i et industrielt anlæg med kontinuerlig udsugning.
Mikrobiel og enzyminaktivering
Mikrobiel og enzyminaktivering (konservering), f.eks. i frugtsaft og saucer, er en anden anvendelse af ultralyd i fødevareforarbejdningen. I dag er konservering ved forhøjelse af temperaturen i korte perioder (pasteurisering) stadig den mest almindelige behandlingsmetode til mikrobiel eller enzyminaktivering, der fører til længere holdbarhed (konservering). På grund af udsættelsen for høj temperatur kommer den konventionelle termiske pasteurisering ofte ulemper for fødevarer.
Produktionen af nye stoffer fra varmekatalyserede reaktioner og modifikation af makromolekyler samt deformation af plante- og dyrestrukturer kan reducere et kvalitetstab. Derfor kan termisk behandling forårsage uønskede ændringer af sensoriske egenskaber, dvs. tekstur, smag, farve, lugt og ernæringsmæssige egenskaber, dvs. vitaminer og proteiner. Ultralyd er et effektivt ikke-termisk (minimalt) behandlingsalternativ.
I modsætning til konventionelle varmebehandlinger bruger ultralydskonservering energi- og forskydningskræfterne ved akustisk kavitation for at inaktivere enzymer. Ved tilstrækkeligt lave niveauer af sonikering kan strukturelle og metaboliske ændringer forekomme i celler uden deres ødelæggelse. Aktiviteten af peroxidase, som findes i de fleste rå og ublancherede frugter og grøntsager og især kan være forbundet med udviklingen af bismag og bruningspigmenter, kan reduceres betydeligt ved brug af ultralyd. Termoresistente enzymer, såsom lipase og protease, der modstår ultra-højtemperaturbehandling, 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 i destruktionen af fødevarebårne patogener, som E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium cyster og Poliovirus.
Gælder for: konservering af marmelade, marmelade eller toppings, frugtsaft og saucer, kødprodukter, mejeriprodukter og is.
Synergier af ultralyd med temperatur og tryk
Ultralydbehandling er ofte mere effektiv, når den kombineres med andre antimikrobielle metoder, såsom:
- termosonikering, dvs. varme og ultralyd
- mano-sonikering, dvs. tryk og ultralyd
- mano-termo-sonikering, dvs. tryk, varme og ultralyd
Kombineret anvendelse af ultralyd med varme og/eller tryk anbefales til Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae og Aeromonas hydrophila.
Ultralyd vs andre teknikker til konservering af fødevarer
I modsætning til andre termiske og ikke-termiske processer, såsom højtrykshomogenisering, varmepasteurisering, højtryksbehandling (HPP), komprimeret kuldioxid (cCO2) og superkritisk kuldioxid (ScCO2), høje elektriske feltimpulser (HELP) eller mikrobølger, kan ultralyd nemt testes i laboratorie- eller bordskala – generering af reproducerbare resultater til opskalering. Intensiteten og kavitationsegenskaberne kan let tilpasses den specifikke ekstraktionsproces for at målrette specifikke mål. Amplitude og tryk kan varieres i et bredt område, f.eks. for at identificere den mest energieffektive udsugningsopsætning.
Andre fordele forbundet med brugen af ultralydssonde-type ekstraktion er nem håndtering af ekstrakt, hurtig udførelse, ingen rester, højt udbytte, miljøvenlig, forbedret kvalitet og forebyggelse af ekstraktnedbrydning.
(jf. Chemat et al., 2011)
- Mere komplet udsugning
- Ikke-termisk konservering
- Højere udbytter
- Høje næringsstoffer, førsteklasses fødevarekvalitet
- hurtig proces
- Kold / ikke-termisk proces
- Nem og sikker at betjene
- lav vedligeholdelse
Højtydende ultralydapparater til ekstraktion og preseravation
Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydapparater til effektiv ekstraktion og konservering. Brug af Hielscher ultralydsudstyr til ekstraktion og konservering af fødevarer er en kraftfuld behandlingsteknologi, der ikke kun kan anvendes sikkert og miljøvenligt, men også effektivt og økonomisk. Den homogeniserende og konserverende effekt kan nemt bruges til ethvert flydende eller pastalignende fødevareprodukt, herunder frugtsaft og puréer (f.eks. appelsin, æble, grapefrugt, mango, drue, blomme) samt til grøntsagssaucer og supper (f.eks. tomatsauce eller aspargessuppe), mejeriprodukter, æg og kød.
Vores portefølje af ultralydshomogenisatorer og ekstraktorer spænder fra håndholdte, bærbare enheder til fuldt industrielle produktionssystemer til inline-behandling af store mængder i kommerciel skala.
Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland
Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.
Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
---|---|---|
0.5 til 1,5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
15 til 150L | 3 til 15 l/min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Litteratur / Referencer
- 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, der er værd at vide
Ultralyd celle opløsning
Under intens sonikering kan enzymer eller proteiner frigives fra celler eller subcellulære organeller som følge af celleopløsning. I dette tilfælde er forbindelsen, der skal opløses i et opløsningsmiddel, lukket i en uopløselig struktur. For at udvinde det skal cellemembranen ødelægges. Celleafbrydelse er en følsom proces, fordi cellevæggens evne til at modstå højt osmotisk tryk indeni. God kontrol af celleforstyrrelsen er påkrævet for at undgå en uhindret frigivelse af alle intracellulære produkter, herunder celleaffald og nukleinsyrer, eller produktdenaturering.
Ultralydbehandling fungerer som et velkontrollerbart middel til celleopløsning. Til dette giver de mekaniske virkninger 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 masseoverførslen. Ultralydsbølger, der genererer kavitation, forstyrrer cellevægge og letter frigivelsen af matrixkomponenter.
Ultralydsforbedret masseoverførsel fremmer ekstraktion
Generelt kan ultralyd føre til en permeabilisering af cellemembraner til ioner, og det kan reducere cellemembranernes selektivitet betydeligt. Ultralydens 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 den faste og den flydende fase.
Ultralydslyse og inaktivering af E.coli
For at producere små mængder rekombinante proteiner til undersøgelse og karakterisering af deres biologiske egenskaber er E.coli den foretrukne bakterie. Rensningsmærker, f.eks. polyhistidinhale, beta-galactosidase eller maltosebindende proteiner, er almindeligvis forbundet med rekombinante proteiner for at gøre dem adskillelige fra celleekstrakter med en renhed, der er tilstrækkelig til de fleste analytiske formål. Ultralydbehandling gør det muligt at maksimere proteinfrigivelsen, især når produktionsudbyttet er lavt, og at bevare strukturen og aktiviteten af det rekombinante protein.
Ultralyd oxidation
Ved kontrollerede intensiteter kan anvendelsen af ultralyd til biotransformation og fermentering meget vel resultere i en forbedret biobehandling på grund af inducerede biologiske effekter og på grund af lettet cellulær masseoverførsel. Indflydelsen af den kontrollerede anvendelse af ultralyd (20kHz) på oxidationen af kolesterol til cholestenon af hvilende celler af Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (tidligere Nocardia erythropolis) blev undersøgt af Bar (1987).
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, idet både cellerne og de faste stoffer kan være udsat for effekten af ultralyd. Ved en tilstrækkelig lav ultralydsintensitet, der bevarede cellernes strukturelle integritet og opretholdt deres metaboliske aktivitet, observerede Bar en signifikant forbedring i de kinetiske hastigheder af biotransformationen i mikrobielle opslæmninger af 1,0 og 2,5 g / L kolesterol, når de sonikeres i 5 sekunder hver 10 mn med en effekt på 0,2 W / cm². Ultralyd viste ingen effekt på den enzymatiske oxidation af kolesterol (2,5 g/L) af kolesteroloxidase.
Hvad er højtryksbehandling i fødevarekonservering?
Højtryksbehandling (HPP) er en ikke-termisk fødevarekonserveringsteknik, der inaktiverer mikroorganismer og enzymer, samtidig med at produktets sensoriske og ernæringsmæssige egenskaber bevares. Det indebærer, at emballerede fødevarer udsættes for hydrostatiske tryk, typisk mellem 300 og 600 MPa (megapascal) i sekunder til minutter. En stor udfordring ved højtryksbehandling er det meget høje energiforbrug. Læs mere om, hvordan sonikering kan hjælpe med at reducere energibehovet for HPP!

Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.