Die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf Leguminosen und Samen

Die Ultraschallbehandlung hat sich zu einer wertvollen Technologie zur Modifikation, Konditionierung und Analyse pflanzlicher Materialien wie Linsen und Leguminosen entwickelt. Durch akustische Kavitation und kontrollierte mechanische Kräfte verbessert die Beschallung die Hydratation, beschleunigt die Extraktion, verändert Mikrostrukturen und verbessert den Stofftransport. Diese Effekte sind für die Saatgutforschung, Lebensmittelwissenschaft, Landwirtschaft, Bioraffination und analytische Forschung besonders interessant.

Ultraschallbehandlung von Samen und Hülsenfrüchten in jedem Maßstab

Ein wesentlicher Vorteil von Leistungsultraschall ist die Möglichkeit, Amplitude, Intensität und Energieeintrag präzise zu steuern, insbesondere beim Einsatz der Ultraschallgeräte mit Sonotrode von Hielscher Ultrasonics. Diese Systeme – verfügbar für den Labor-, Pilot- und Industriemaßstab – ermöglichen eine reproduzierbare, einstellbare Behandlung, die von schonendem Saatgutpriming oder der Förderung der Keimung durch beschleunigte Hydratation und Enzymaktivierung bis hin zur effizienten Nährstoffextraktion reicht.

Entdecken Sie in dieser Demonstration mit dem Sonotrodengerät Hielscher UP400ST, wie Leistungsultraschall die Verarbeitung von Linsen und Hülsenfrüchten verbessert. Im Video werden Linsen kontrollierter Ultraschallkavitation ausgesetzt, einem wirkungsvollen physikalischen Mechanismus, der die Hydratation verbessert, Diffusionsprozesse beschleunigt und die Freisetzung wertvoller Verbindungen fördert. Die Ultraschallbehandlung fördert Effekte wie eine schnelle Hydratation der Samen, die Sonoporation von Zellwänden und einen verbesserten Stofftransport und ist damit ein wirksames Verfahren für die Saatgutvorbehandlung, die Lebensmittelverarbeitung und Extraktionsanwendungen. Wenn Kavitationsblasen nahe der Samenoberfläche kollabieren, erzeugen sie Mikrostrahlen und Scherkräfte, die Mikrokanäle in der Samenschale öffnen – dadurch können Wasser und gelöste Stoffe effizienter eindringen. Die Ultraschallverarbeitung wird in der Lebensmittelwissenschaft, Landwirtschaft, Biotechnologie und Herstellung pflanzlicher Inhaltsstoffe vielfach eingesetzt.

Akustische Kavitation und ihre Auswirkungen auf Materialien aus Leguminosen

Die Ultraschallbehandlung beruht auf akustischer Kavitation – der schnellen Bildung und dem Kollaps von Mikroblasen in Flüssigkeiten. Die dabei entstehenden Mikrostrahlen, Scherkräfte und Druckschwankungen wirken auf hochspezifische Weise auf das Gewebe von Linsen und Leguminosen ein.

Drei wesentliche Mechanismen bestimmen die Auswirkungen auf Samen:

Beschleunigung der Hydratation
Kavitation stört die Grenzschicht zwischen Wasser und Samenoberfläche und verbessert dadurch den Wassertransport in die Samenschale und die Keimblätter.

Zu den Effekten gehören:
- Schnelleres Einweichen und schnellere Hydratation
- Gleichmäßigere Quellung
- Verbesserte Wasserdiffusion durch die Testa
Sonoporation und mikrostrukturelle Veränderungen
Die mechanische Beanspruchung durch kollabierende Kavitationsblasen erzeugt Nano- und Mikroporen in der Samenschale und im inneren Gewebe – ein Vorgang, der als Sonoporation bezeichnet wird.

Folgen:
- Erhöhte Permeabilität
- Schnellere Auslaugung oder Aufnahme gelöster Stoffe
- Verbesserte Zugänglichkeit für Enzyme
- Verbessertes Keimungspotenzial
Verbesserung der Extraktion
Ultraschall erleichtert die Freisetzung von:
- Proteinen
- Polyphenolen
- Ölen und Lipiden
- Ballaststoffen
- Bioaktiven Verbindungen

Dies ist auf den Aufschluss der Zellwände, eine verbesserte Lösungsmittelpenetration und einen erhöhten Stofftransport zurückzuführen.

Die Ultraschallbehandlung verbessert die Keimung von Samen: Ultraschallkavitation erzeugt Mikrorisse in der Samenschale und verbessert Imbibition, Hydratation und Nährstoffaufnahme, wodurch die Dormanz aufgehoben, die Keimungsausbeute und Wachstumsrate erhöht und die Keimlingsentwicklung verbessert werden

Schematische Zusammenfassung der Auswirkungen von Ultraschall auf Samen und der Wirkmechanismen.
Studie und Schema: ©Nogueira et al., 2023

Einfluss von Ultraschallamplitude und -intensität auf Samen

Die Ultraschallamplitude bestimmt unmittelbar die mechanische Energie, die auf die Samen übertragen wird. Durch die Einstellung der Amplitude können Anwender den Prozess genau an die Empfindlichkeit und den Zweck der Anwendung anpassen. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen eine präzise Einstellung der Amplitude und sind dadurch vielseitige Werkzeuge für Saatgutpriming, Keimung und Nährstoffextraktion.

Niedrige Amplituden – ideal für Saatgutpriming und Imbibition

Schonende Kavitation
Erhöhte Hydratation durch Sonoporation, jedoch ohne Gewebeschädigung
Kontrollierte Imbibition der Samen für das Priming
Aktivierung von Stoffwechselwegen
Verbesserte Keimrate und Saatgutvitalität

Die Imbibition der Samen – die anfängliche Wasseraufnahmephase vor der Keimung – lässt sich mit Ultraschall gezielt beschleunigen und optimieren:

Kavitation bricht die Oberflächenspannung auf
Wasser dringt effizienter durch die Mikropyle ein
Mit der Dormanz verbundene Barrieren werden aufgeweicht
Durch Priming vorbehandelte Samen keimen schneller und bilden kräftigere Keimlinge

Mittlere Amplituden – strukturelle Modifikation und moderate Extraktion

Erhöhte Zellpermeabilität
Teilweise Lockerung der Zellwände
Schnellere Hydratation für die Lebensmittelverarbeitung
Verbesserte Extraktionsausbeuten ohne vollständigen Gewebeaufschluss

Ideal für:

Verbesserung der Proteinlöslichkeit
Modifikation der Stärkeeigenschaften
Vorbereitung von Materialien für die Fermentation

Hohe Amplituden – Zellaufschluss und Extraktion

Intensive Kavitation und Scherung
Vollständiger Strukturaufschluss
Optimal für die Proteinisolierung oder die Extraktion sekundärer Pflanzenstoffe
Einsatz, wenn die Samen nicht keimfähig bleiben sollen

Dies ist der typische Amplitudenbereich für die industrielle Extraktion von:

Ölen / Lipiden
Proteinen und Peptiden
Polyphenolen
Funktionellen Ballaststoffen

Ultraschallgeräte von Hielscher für Saatgutpriming, Keimung, Hydratation und Extraktion

Ultraschallgeräte von Hielscher bieten eine vielseitige und wissenschaftlich fundierte Methode zur Modifikation von Linsen und Leguminosen. Von der Beschleunigung der Imbibition und des Primings von Samen über die Verbesserung der Extraktion bis hin zur Herstellung von Inhaltsstoffen im industriellen Maßstab bietet Leistungsultraschall einzigartige Vorteile für Forschung und gewerbliche Anwendungen.

Mit den präzise steuerbaren Ultraschallgeräten mit Sonotrode von Hielscher Ultrasonics – verfügbar im Labor- und im vollindustriellen Maßstab – können Anwender die Prozessbedingungen genau auf eine schonende Verbesserung physiologischer Vorgänge oder einen intensiven mechanischen Aufschluss abstimmen. Dadurch wird Ultraschall zu einer Schlüsseltechnologie für die Pflanzenforschung der nächsten Generation, die Verarbeitung von Lebensmittelzutaten und die nachhaltige Bioraffination.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Chargenvolumen	Volumenstrom	Empfohlene Geräte
0,5 bis 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 bis 500mL	10 bis 200mL/min	UP100H
10 bis 2000mL	20 bis 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 bis 20L	0,2 bis 4L/min	UIP2000hdT
10 bis 100L	2 bis 10L/min	UIP4000hdT
15 bis 150L	3 bis 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 bis 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	höher	Verbund aus UIP16000hdT

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Entwicklungsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in Industrieanlagen. Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Quellen

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Ranjbari, A.; Kashaninejad, Mahdi; Aalami, Mehran; Khomeiri, Morteza; Gharekhani, Mehdi (2013): Effect of ultrasonic pre-treatment on water absorption characteristics of chickpeas (Cicer arietinum). Latin American applied research 43, 2013. 153-159.
Godlewska, K.; Biesiada, A.; Michalak, I.; Pacyga, P. (2020): The Effect of Botanical Extracts Obtained through Ultrasound-Assisted Extraction on White Head Cabbage (Brassica Oleracea L. Var. Capitata L.) Seedlings Grown under Controlled Conditions. Sustainability 2020, 12, 1871.
Yaldagard M.; Reza Mortazavi S.A.; Tabatabaie F. (2008): Application of Ultrasonic Waves as a Priming Technique for Accelerating and Enhancing the Germination of Barley Seed: Optimization of Method by the Taguchi Approach. Journal of The Institute for Brewing Vol. 114, Issue1, 2008. 14-21.
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Häufig gestellte Fragen

Sind Leguminosen und Hülsenfrüchte Samen?

Leguminosen und Hülsenfrüchte sind beide Samen, doch die Begriffe beschreiben unterschiedliche Kategorien. Leguminosen bilden die botanische Kategorie und bezeichnen alle Pflanzen der Familie Fabaceae, die Hülsen mit Samen bilden, darunter Sojabohnen, Erdnüsse, frische Erbsen, grüne Bohnen, Klee und viele Futterpflanzen. Hülsenfrüchte bilden die landwirtschaftliche und ernährungswissenschaftliche Kategorie und bezeichnen speziell die trockenen, essbaren Samen bestimmter Leguminosenarten, die ausschließlich zur Samengewinnung geerntet werden, beispielsweise Linsen, Trockenbohnen, Kichererbsen und Trockenerbsen.

Was ist der Unterschied zwischen Leguminosen und Hülsenfrüchten?

Leguminosen bezeichnen Pflanzen der Familie Fabaceae, die Hülsen bilden, während Hülsenfrüchte die trockenen, essbaren Samen bestimmter Leguminosenkulturen wie Linsen, Kichererbsen und Trockenbohnen bezeichnen.

Was ist Keimung?

Die Keimung ist der Prozess, bei dem ein Samen Wasser aufnimmt, Stoffwechselwege aktiviert und beginnt, eine Wurzel und einen Spross zu entwickeln.

Was ist ultraschallunterstützte Keimung?

Ultraschallunterstützte Keimung bezeichnet den Einsatz kontrollierter Ultraschallkavitation, um die Hydratation der Samen zu beschleunigen, die Membranpermeabilität zu erhöhen und die biochemische Aktivität anzuregen, wodurch die Keimung schneller und gleichmäßiger erfolgt.