Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-Extraktion von Mycoprotein

Mykoproteine sind aus Pilzen gewonnene Proteine, welche für den menschlichen Verzehr gewonnen werden und hauptsächlich für die Herstellung von Fleischersatzprodukten oder "Fake Meat" verwendet werden. Die Ultraschall-Extraktion und -Homogenisierung ist eine hocheffiziente Methode zur Freisetzung von Mykoprotein aus den Pilzsporen und erzielt sehr hohe Proteinausbeuten in einer sehr kurzen Verarbeitungszeit.

Mykoprotein

Mycoprotein ist ein Einzelzellprotein, das in Pilzen vorkommt. Mit seinem hohen Protein- und Ballaststoffgehalt gilt Mycoprotein als eine gesunde und nachhaltige Quelle für ernährungsphysiologisch wertvolle Aminosäuren. Mycoprotein enthält typischerweise etwa 45 % Protein und 25 % Ballaststoffe bezogen auf das Trockengewicht. Mycoprotein ist reich an essentiellen Aminosäuren und mit einer Zusammensetzung von ca. 41% Gesamtprotein bietet es einen ähnlichen Proteingehalt wie Spirulina. Dies macht Mycoprotein zu einer interessanten Proteinquelle für Vegetarier und Veganer. Mycoprotein ist reich an Ballaststoffen. Sein Ballaststoffgehalt besteht zu ca. einem Drittel aus Chitin (N-Acetylglucosamin) und zu zwei Dritteln aus β-Glucanen (1,3-Glucan und 1,6-Glucan). Dieser hohe Protein- und Ballaststoffgehalt macht Mycoprotein zu einem gesunden und nachhaltigen Rohstoff für Lebensmittel.
(vgl. Finnigan et al. 2019)

Mycoprotein-Extraktion mittels Ultraschall

Um Mykoprotein zu produzieren, wird essbarer Pilz gezüchtet und in Bioreaktoren kultiviert. Dies bedeutet, dass das Protein in der Pilzart, z.B. Fusarium venenatum, eingeschlossen ist. Um das Mykoprotein freizusetzen, ist eine leistungsfähige Zellaufschluss- und Extraktionstechnik erforderlich, welche den Pilz lysiert. Während der Lyse werden die Zellwände des Mikroorganismus gestört und aufgebrochen, so dass das intrazelluläre Material wie Proteine, Lipide und andere Nährstoffe freigesetzt werden. Ultraschall ist eine etablierte Technik, welche in der Lebensmittelproduktion und Biotechnologie eingesetzt wird, um Zellen und Gewebe aufzubrechen und wertvolle Verbindungen zu extrahieren. Darüber hinaus ist es durch die gleichmäßige Homogenisierung, welche durch Ultraschall erreicht wird, einfach, das Mykoprotein in innovative Lebensmittelprodukte mit verschiedenen Texturen, Geschmacksrichtungen und Verwendungen zu verwandeln, z.B. Fleischersatzprodukte, proteinreiche Snacks, Milchersatzprodukte und Desserts.

Ultraschall-unterstützte Extraktion wird verwendet, um Mykoprotein von Pilzarten zu isolieren

Kinetik der Proteinfreisetzung aus Fusarium Venenatum durch Beschallung in Kombination mit Vermahlung
Quelle: Prakash et al. 2014

Fallstudie – Freisetzung von Mykoproteinen mittels Ultraschall

Prakash et al. (2014) untersuchten die Auswirkungen der Beschallung auf die Mykoproteinfreisetzung aus Fusarium Venenatum. Sie erreichten eine maximale Proteinfreisetzungsrate K von 0,680 min mit 580μg an extrahiertem Mykoprotein.

Ultraschallunterstützte Extraktion wird verwendet, um Mykoprotein von Pilzarten zu isolieren

Wirkung der Beschallung in Kombination mit Vermahlung auf die Proteinfreisetzung von Fusarium venenatum
Quelle: Prakash et al. 2014

Ultraschallprozessor UIP2000hdT (2kW) mit gerührtem Reaktor

Ultraschallhomogenisator UIP2000hdT (2kW) mit kontinuierlich gerührtem Batch-Reaktor

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Vorteile der Mykoproteinextraktion mittels Ultraschall

  • Hohe Ausbeute / vollständige Extraktion
  • hohe Qualität
  • Schnell
  • Mild, nicht-thermisch
  • präzise steuerbar
  • Kosteneffizient
  • einfach und sicher zu bedienen

Ultraschall-Extraktion – Wirkprinzip und Vorteile

Die Ultraschallextraktion basiert auf dem Phänomen der akustischen (Ultraschall-) Kavitation. Wenn intensive Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit oder Slurry eingekoppelt werden, komprimieren und expandieren abwechselnd Hoch- und Niederdruckzyklen die Flüssigkeit und erzeugen winzige Vakuumblasen im Medium. Diese Vakuumblasen wachsen über mehrere Hoch-/Niederdruckzyklen an, bis sie einen Punkt erreichen, an dem die Gasblase keine weitere Energie mehr aufnehmen kann. Am Punkt des maximalen Wachstums implodiert die Blase während eines Hochdruckzyklus heftig. Während der Implosion der Blase treten lokal extreme Bedingungen wie sehr hohe Temperaturen, Drücke und entsprechende Druck- und Temperaturunterschiede sowie Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 280 m/sec auf. Diese intensiven Kräfte perforieren und brechen Zellwände und fördern den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und der umgebenden Flüssigkeit. Das intrazelluläre Material wie Proteine, Lipide und andere bioaktive Verbindungen werden auf die Flüssigkeit übertragen und können von dort aus leicht für nachgelagerte Prozesse abgetrennt werden.

Vorteile der Ultraschall-Extraktion

Die ultraschall-gestützte Extraktion (UAE) ist eine hocheffiziente Technik, um intrazelluläres Material wie Proteine, Lipide und bioaktive Substanzen (z.B. Vitamine und Polyphenole) freizusetzen und zu isolieren. Die Beschallung ist eine prozessintensivierende Methode, die den Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und der Flüssigkeit erhöht. Die Ultraschallextraktion führt zu höheren Ausbeuten, verkürzter Verarbeitungszeit, besserer Extraktqualität sowie zu geringeren Verarbeitungskosten und geringerem Energieverbrauch.

Ultraschall-Homogenisatoren für die Verarbeitung von Mykoproteinen

Ultraschall-Disruptoren und -Extraktoren sind bewährte Geräte in der Lebensmittelverarbeitung. Aufgrund der hohen Scherkräften, welche durch die Ultraschallkavitation entstehen, werden Ultraschallgeräte erfolgreich eingesetzt, um bioaktive Verbindungen aus Pflanzenmaterial zu isolieren und zwei oder mehr Phasen zu einer einheitlichen Mischung zu homogenisieren.
Hielscher Ultrasonics bietet ein breites Portfolio an Hochleistungs-Ultraschallgeräten vom Labor- bis zum Industriemaßstab.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7 Betrieb kontinuierlich gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Prozess-Standardisierung mit Hielscher Ultrasconics

Extrakte, die in Lebensmitteln oder Pharmazeutika verwendet werden, sollten in Übereinstimmung mit Good Manufacturing Practices (GMP) und unter standardisierten Verarbeitungsspezifikationen hergestellt werden. Die digitalen Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind mit einer intelligenten Software ausgestattet, mit der sich der Beschallungsprozess einfach und präzise einstellen und steuern lässt. Die automatische Datenaufzeichnung schreibt alle Ultraschall-Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur, Druck (wenn Temperatur- und Drucksensoren montiert sind) mit Datum und Zeitstempel auf die eingebaute SD-Karte. Dies erlaubt Ihnen, jede mit Ultraschall verarbeitete Charge zu prüfen. Gleichzeitig wird die Reproduzierbarkeit und eine gleichbleibend hohe Produktqualität gewährleistet.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
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
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur / Literaturhinweise



Wissenswertes

Was ist Mycoprotein?

Mycoprotein ist ein so genanntes Einzelzellprotein. Das heißt, es stammt aus einem einzelligen Organismus. Bei Mykoproteinen handelt es sich bei dem Einzeller um einen Pilz. Daher wird das Mykoprotein auch als Pilzprotein bezeichnet. Die Silbe "myco“ leitet sich von dem griechischen Wort "mykes" ab, was Pilz bedeutet.
Für die Produktion von Mykoprotein ist Fusarium venenatum die am häufigsten verwendete Pilzart. Es handelt sich dabei um einen Mikropilz der Gattung Fusarium und bietet einen hohen Proteingehalt.
Um Mykoprotein kommerziell zu produzieren, werden Pilzsporen kultiviert und in einer Suspension aus Glukose und anderen Nährstoffen fermentiert. Zu den nachgelagerten Verarbeitungsschritte des Mykoproteins gehören das Dämpfen, Kühlen und Gefrieren der RNA-reduzierten Pilzbiomasse. Schließlich erhält man eine protein- und ballaststoffreiche Masse, welche in verschiedene Lebensmittel wie Fleischersatz oder Lebensmittelzusatzstoffe weiterverarbeitet wird. Mycoprotein wird hauptsächlich zur Herstellung von so genanntem "Fake Meat" verwendet, bei dem es sich um Fleischersatzprodukte bzw. Fleischanaloga handelt.