Τεχνολογία Υπερήχων Hielscher

Υπερήχων Εκχύλιση και Διατήρηση

Η αποσύνθεση κυτταρικών δομών (λύση) μέσω υπερήχων χρησιμοποιείται για την εκχύλιση ενδοκυτταρικών ενώσεων ή για την μικροβιακή αδρανοποίηση.

Ιστορικό

Στη μικροβιολογία, ο υπερηχογράφος συνδέεται κυρίως με διαταραχή κυττάρων (λύση) ή Αποσύνθεση (Όλινγκερ 1975). Όταν ηχοβολούν τα υγρά σε υψηλές εντάσεις, τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται μέσα στο υγρό μέσο οδηγούν σε εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωσης), με ρυθμούς ανάλογα με τη συχνότητα.
Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης, τα υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης δημιουργούν μικρές κενές ή κενά στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες φθάσουν έναν όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια της έκρηξης επιτυγχάνονται πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000 K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm). Η εμφάνιση της φούσκας σπηλαίωσης οδηγεί επίσης σε ρεύματα υγρού μέχρι ταχύτητας 280m / s Οι προκύπτουσες διατμητικές δυνάμεις διασπούν μηχανικά το περίβλημα του κυττάρου και βελτιώνουν τη μεταφορά υλικού. Ο υπέρηχος μπορεί να έχει είτε καταστροφικές είτε εποικοδομητικές επιδράσεις στα κύτταρα, ανάλογα με τις χρησιμοποιούμενες παραμέτρους υπερήχων.

αποικοδόμηση κυττάρων

Κάτω από έντονα ένζυμα υπερήχων ή πρωτεΐνες μπορούν να απελευθερωθούν από τα κύτταρα ή τα υποκυτταρικά οργανίδια ως αποτέλεσμα του αποικοδόμηση κυττάρων. Στην περίπτωση αυτή, η ένωση που πρόκειται να διαλυθεί σε ένα διαλύτη περικλείεται σε μία αδιάλυτη δομή. Προκειμένου να εξαχθεί, η κυτταρική μεμβράνη πρέπει να καταστραφεί. Η διαταραχή των κυττάρων είναι μια ευαίσθητη διαδικασία, επειδή η κυτταρική τοιχοποιία μπορεί να αντέξει υψηλή οσμωτική πίεση μέσα. Απαιτείται καλός έλεγχος της διάσπασης των κυττάρων, για να αποφευχθεί η ανεμπόδιστη απελευθέρωση όλων των ενδοκυτταρικών προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων κυτταρικών υπολειμμάτων και νουκλεϊνικών οξέων, ή μετουσίωση του προϊόντος.
Η υπερήχους χρησιμεύει ως ένα καλά ελεγχόμενο μέσο για την αποσύνθεση των κυττάρων. Για το λόγο αυτό, οι μηχανικές επιδράσεις του υπερήχου παρέχουν ταχύτερη και πληρέστερη διείσδυση του διαλύτη σε κυτταρικά υλικά και βελτιώνουν τη μεταφορά μάζας. Ο υπερηχογράφος επιτυγχάνει μεγαλύτερη διείσδυση διαλύτη σε φυτικό ιστό και βελτιώνει τη μεταφορά μάζας. Τα υπερηχητικά κύματα που προκαλούν σπηλαίωση διαταράσσουν τα κυτταρικά τοιχώματα και διευκολύνουν την απελευθέρωση συστατικών μήτρας.

Μαζική μεταφορά

Γενικά, ο υπέρηχος μπορεί να οδηγήσει σε διαπερατότητα των κυτταρικών μεμβρανών σε ιόντα (Μαμά 1978), και μπορεί να μειώσει σημαντικά την επιλεκτικότητα των κυτταρικών μεμβρανών. Η μηχανική δραστηριότητα του υπερήχου υποστηρίζει τη διάχυση των διαλυτών στον ιστό. Καθώς ο υπέρηχος σπάει το κυτταρικό τοίχωμα μηχανικά από τις δυνάμεις διάτμησης σπηλαίωσης, διευκολύνει τη μεταφορά από το κύτταρο στον διαλύτη. Η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων από την υπερηχητική σπηλαίωση αυξάνει την επιφάνεια στην επαφή μεταξύ της στερεής και της υγρής φάσης.

Εξόρυξη πρωτεϊνών και ενζύμων

Συγκεκριμένα, η εξαγωγή ενζύμων και πρωτεϊνών αποθηκευμένων σε κύτταρα και υποκυτταρικά σωματίδια είναι μια μοναδική και αποτελεσματική εφαρμογή υπερήχων υψηλής έντασης (Κιμ 1989), καθώς η εκχύλιση των οργανικών ενώσεων που περιέχονται στο σώμα φυτών και σπόρων με διαλύτη μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά. Συνεπώς, ο υπέρηχος έχει ένα δυνητικό όφελος στην εκχύλιση και απομόνωση νέων δυνητικά βιοδραστικών συστατικών, π.χ. από μη χρησιμοποιούμενα ρεύματα υποπροϊόντων που σχηματίζονται στις τρέχουσες διεργασίες. Ο υπέρηχος μπορεί επίσης να συμβάλει στην εντατικοποίηση των επιδράσεων της ενζυμικής θεραπείας και με αυτόν τον τρόπο να μειώσει την ποσότητα του αναγκαίου ενζύμου ή να αυξήσει την απόδοση των εκχυλίσιμων σχετικών ενώσεων.

Λιπίδια και πρωτεΐνες

Η υπερήχους χρησιμοποιείται συχνά για να βελτιώσει την εκχύλιση λιπιδίων και πρωτεϊνών από σπόρους φυτών, όπως σόγια (π.χ. αλεύρι ή απολιπανθείσα σόγια) ή άλλους ελαιούχους σπόρους. Στην περίπτωση αυτή, η καταστροφή των τοιχωμάτων των κυψελών διευκολύνει την πίεση (κρύα ή ζεστά) και έτσι μειώνει το υπολειμματικό έλαιο ή λίπος στο πίτα πίεσης.

Η επίδραση της συνεχούς υπερηχητικής εκχύλισης στην απόδοση διασκορπισμένης πρωτεΐνης καταδείχθηκε από την Moulton et αϊ. Η υπερήχηση αύξησε προοδευτικά την ανάκτηση της διεσπαρμένης πρωτεΐνης καθώς η αναλογία νιφάδων / διαλυτών άλλαξε από 1:10 σε 1:30. Έδειξε ότι ο υπέρηχος είναι ικανός να πεπτώνει πρωτεΐνη σόγιας σχεδόν σε οποιαδήποτε εμπορική απόδοση και ότι η απαιτούμενη ενέργεια υπερήχων ήταν η χαμηλότερη, όταν χρησιμοποιήθηκαν παχύτεροι πολτοί. (Moulton et αϊ. 1982),

Ισχύει για: Έλαιο εσπεριδοειδών από φρούτα, εκχύλιση πετρελαίου από μουστάρδα, φιστίκι, κράμβη, ελαιόλαδο (echinacea), κράμβη, σόγια, καλαμπόκι

Απελευθέρωση φαινολικών ενώσεων και ανθοκυανινών

Τα ένζυμα, όπως οι πηκτινάσες, οι κυτταρινάσες και οι ημικελλουλάσες, χρησιμοποιούνται ευρέως στην επεξεργασία χυμών για την αποικοδόμηση των κυτταρικών τοιχωμάτων και τη βελτίωση της εκχυλίσιμότητας του χυμού. Η διάσπαση της μήτρας κυτταρικού τοιχώματος επίσης απελευθερώνει συστατικά, όπως φαινολικές ενώσεις, στο χυμό. Ο υπέρηχος βελτιώνει τη διαδικασία εκχύλισης και επομένως μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της φαινολικής ένωσης, των αλκαλοειδών και της απόδοσης του χυμού, που συνήθως απομένουν στο κέικ τύπου.

Τα ευεργετικά αποτελέσματα της υπερηχητικής επεξεργασίας στην απελευθέρωση φαινολικών ενώσεων και ανθοκυανινών από μήτρα σταφυλιών και μούρων, ιδίως από τα βακκίνια (Μυρμητιούχο βακίνιο) και μαύρη σταφίδα (Ribes) σε χυμό, διερευνήθηκε από το VTT Βιοτεχνολογία, Φινλανδία (MAXFUN EU-Project) χρησιμοποιώντας ένα επεξεργαστή υπερήχων UIP2000hd μετά την απόψυξη, τη ζύμωση και την επώαση ενζύμων. Η διάσπαση των κυτταρικών τοιχωμάτων με ενζυματική επεξεργασία (Pectinex ΒΕ-3L για τα πιπεριά και Βιοπεπτινάση CCM για μαύρη σταφίδα) βελτιώθηκε όταν συνδυάστηκε με υπερήχους. “Η θεραπεία των ΗΠΑ αυξάνει τη συγκέντρωση των φαινολικών ενώσεων του χυμού από μύρτιλλο κατά περισσότερο από 15%. […] Η επιρροή των ΗΠΑ (υπερηχογράφημα) ήταν πιο σημαντική με τη μαύρη κορινθιακή σταφίδα, η οποία είναι πιο προκλητική μούρα στην επεξεργασία χυμών από τα πιπεριά λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς τους σε πηκτίνη και διαφορετική αρχιτεκτονική κυτταρικού τοιχώματος. […] η συγκέντρωση των φαινολικών ενώσεων στο χυμό αυξήθηκε κατά 15-25% με τη χρήση της επεξεργασίας των ΗΠΑ (υπερήχων) μετά από επώαση με ένζυμα.” (Mokkila et αϊ. 2004),

Μικροβιακή και Ενζυμική Απενεργοποίηση

Η μικροβιακή και η απενεργοποίηση ενζύμων (συντήρηση), π.χ. σε χυμούς φρούτων και σάλτσες είναι μια άλλη εφαρμογή υπερήχων στην επεξεργασία τροφίμων. Σήμερα, η συντήρηση με ανύψωση της θερμοκρασίας για σύντομες χρονικές περιόδους (παστερίωση) εξακολουθεί να είναι η πιο κοινή μέθοδος επεξεργασίας για μικροβιακή ή ενζυμική απενεργοποίηση που οδηγεί σε μεγαλύτερη διάρκεια ζωής (συντήρηση). Λόγω της έκθεσης σε υψηλή θερμοκρασία, αυτή η θερμική μέθοδος έχει συχνά μειονεκτήματα για πολλά προϊόντα διατροφής.
Η παραγωγή νέων ουσιών από θερμικά καταλυόμενες αντιδράσεις και η τροποποίηση μακρομορίων καθώς και η παραμόρφωση φυτικών και ζωικών δομών μπορεί να μειωθεί σε απώλεια ποιότητας. Ως εκ τούτου, η θερμική επεξεργασία μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητες αλλοιώσεις των αισθητήριων χαρακτηριστικών, δηλαδή της υφής, της γεύσης, του χρώματος, της οσμής και των θρεπτικών ιδιοτήτων, δηλαδή των βιταμινών και των πρωτεϊνών. Ο υπέρηχος είναι μια αποτελεσματική μη θερμική (ελάχιστη) εναλλακτική λύση επεξεργασίας.

Η θερμότητα που παράγεται τοπικά από την σπηλαίωση και οι δημιουργούμενες ρίζες μπορούν να οδηγήσουν σε αδρανοποίηση των ενζύμων με υπερήχους (El'piner 1964). Σε επαρκώς χαμηλά επίπεδα υπερήχων, οι δομικές και μεταβολικές μεταβολές μπορούν να εμφανιστούν στα κύτταρα χωρίς την καταστροφή τους. Η δραστικότητα της υπεροξειδάσης, η οποία απαντάται στα περισσότερα ακατέργαστα και μη φλεγόμενα φρούτα και λαχανικά και μπορεί να σχετίζεται ιδιαίτερα με την ανάπτυξη των αρωμάτων και των χρωστικών που προκαλούν καφετιά, μπορεί να μειωθεί σημαντικά με τη χρήση υπερήχων. Τα θερμοανθεκτικά ένζυμα όπως η λιπάση και η πρωτεάση που αντέχουν σε επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας και τα οποία μπορούν να μειώσουν την ποιότητα και τη διάρκεια αποθήκευσης του θερμικά επεξεργασμένου γάλακτος και άλλων γαλακτοκομικών προϊόντων, μπορούν να αδρανοποιηθούν αποτελεσματικότερα με την ταυτόχρονη εφαρμογή υπερήχων, θερμότητας και πίεσης (MTS).

Ο υπέρηχος έχει αποδείξει τις δυνατότητές του στην καταστροφή παθογόνων που μεταδίδονται από τρόφιμα, όπως Ε. Coli, σαλμονέλες, Ασκάρης, Giardia, Κύστεις κρυπτοσποριδίου, και τον Πολιοϊό.

Ισχύει για: τη διατήρηση μαρμελάδας, μαρμελάδας ή γαρνιτούρας, π.χ. για παγωτό, χυμούς φρούτων και σάλτσες, προϊόντα κρέατος, γαλακτοκομικά προϊόντα

Συνέργειες υπερήχων με θερμοκρασία και πίεση

Η υπερήχους είναι συχνά πιο αποτελεσματική όταν συνδυάζεται με άλλες αντιμικροβιακές μεθόδους, όπως:

  • θερμο-υπερήχων, δηλαδή θερμότητας και υπερήχων
  • mano-sonication, δηλαδή πίεση και υπερήχων
  • χειροθεραπεία, δηλαδή πίεση, θερμότητα και υπερήχους

Συνιστάται η συνδυασμένη εφαρμογή υπερήχων με θερμότητα ή / και πίεση Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae και Aeromonas hydrophila.

Ανάπτυξη διαδικασιών

Σε αντίθεση με άλλες μη θερμικές διεργασίες, όπως η υψηλή υδροστατική πίεση (HP), το συμπιεσμένο διοξείδιο του άνθρακα (cCO2) και το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα (ScCO2) και οι υψηλοί παλμοί ηλεκτρικού πεδίου (HELP), ο υπέρηχος μπορεί εύκολα να δοκιμαστεί σε εργαστηριακή κλίμακα – δημιουργώντας αναπαραγώγιμα αποτελέσματα για μεγέθυνση. Η ένταση και τα χαρακτηριστικά σπηλαίωσης μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν στη συγκεκριμένη διαδικασία εκχύλισης για να στοχεύσουν συγκεκριμένους στόχους. Το πλάτος και η πίεση μπορούν να ποικίλουν σε ένα ευρύ φάσμα, π.χ. για τον προσδιορισμό της πιο ενεργειακά αποδοτικής ρύθμισης εξαγωγής. Οι σκληροί ιστοί πρέπει να υφίστανται διαβροχή, άλεση ή κονιοποίηση πριν από την υπερήχηση.

Ε. Coli

Για την παραγωγή μικρών ποσοτήτων ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών για τη μελέτη και τον χαρακτηρισμό των βιολογικών τους ιδιοτήτων, Ε. Coli είναι το βακτήριο της επιλογής. Ετικέτες καθαρισμού, π.χ. ουρά πολυϊστιδίνης, β-γαλακτοσιδάση ή δέσμευση μαλτόζης
πρωτεΐνες, συνδέονται συνήθως με ανασυνδυασμένες πρωτεΐνες προκειμένου να καταστούν διαχωρίσιμες από τα κυτταρικά εκχυλίσματα με καθαρότητα επαρκή για τους περισσότερους αναλυτικούς σκοπούς. Η υπερήχους επιτρέπει τη μεγιστοποίηση της απελευθέρωσης πρωτεΐνης, ιδιαίτερα όταν η απόδοση παραγωγής είναι χαμηλή και για να διατηρηθεί η δομή και η δραστικότητα της ανασυνδυασμένης πρωτεΐνης.

Η διακοπή του Ε. Coli για την εκχύλιση της συνολικής πρωτεΐνης χυμοζίνης μελετήθηκε από το Κιμ και Ζάια.

Εξαγωγή κρόκου

Το σαφράν είναι γνωστό ως το πιο ακριβό μπαχαρικό στην παγκόσμια αγορά και διακρίνεται από τη λεπτή γεύση, την πικρή γεύση και το ελκυστικό κίτρινο χρώμα. Το μπαχαρικό σαφράν λαμβάνεται από το κόκκινο στίγμα του λουλουδιού του κρόκου σαφράν. Μετά την ξήρανση, αυτά τα μέρη χρησιμοποιούνται ως καρυκεύματα στην κουζίνα ή ως χρωστικές ουσίες. Η έντονη χαρακτηριστική γεύση του σαφράν προκύπτει ιδιαίτερα από τρεις ενώσεις: κροκίνες, πικροκροκίνη και σαφράν.

Οι Kadkhodaee και Hemmati-Kakhki έδειξαν σε μια μελέτη ότι η υπερήχηση αύξησε σημαντικά την απόδοση της εκχύλισης και μείωσε σημαντικά το χρόνο επεξεργασίας. Στην πραγματικότητα, τα αποτελέσματα με την εκχύλιση υπερήχων ήταν εμφανώς καλύτερα από ότι με την παραδοσιακή εκχύλιση κρύου νερού, που προτείνεται από το ISO. Για την έρευνά τους, ο Kadkhodaee και ο Hemmati-Kakhki χρησιμοποίησαν το Hielscher υπερηχητική συσκευή UP50H. Τα καλύτερα αποτελέσματα έχουν επιτευχθεί με παλμική κατεργασία με υπερήχους. Αυτό σημαίνει ότι τα σύντομα διαστήματα παλμών ήταν πιο αποτελεσματικά από μια συνεχή υπερηχητική επεξεργασία.

Οξείδωση

Σε ελεγχόμενες εντάσεις, η εφαρμογή υπερήχων σε βιομετασχηματισμό και ζύμωση μπορεί να οδηγήσει σε μια ενισχυμένη βιοδιαδικασία, λόγω επαγόμενων βιολογικών επιδράσεων και λόγω της διευκόλυνσης της κυτταρικής μεταφοράς της μάζας. Η επίδραση της ελεγχόμενης εφαρμογής του υπερήχου (20 kHz) στην οξείδωση της χοληστερόλης στη χοληστενόνη από κύτταρα ηρεμίας Ροδοκόκκοι ερυθροπολη ATCC 25544 (πρώην Ναρκωτική ερυθροποίηση) διερευνήθηκε από τον Μπαρ.

Χοληστερόλη + Ο2 = χολιστ-4-εν-3-όνη + Η2ο2

Αυτό το σύστημα είναι χαρακτηριστικό των μικροβιακών μετασχηματισμών στερολών και στεροειδών στο ότι το υπόστρωμα και τα προϊόντα είναι αδιάλυτα στο νερό στερεά. Επομένως, το σύστημα αυτό είναι μάλλον μοναδικό στο ότι τόσο τα κύτταρα όσο και τα στερεά μπορεί να υπόκεινται στην επίδραση υπερήχων (Μπαρ, 1987). Σε επαρκώς χαμηλή ένταση υπερήχων που διατηρούσε τη δομική ακεραιότητα των κυττάρων και διατήρησε τη μεταβολική τους δραστηριότητα, ο Bar παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση των κινητικών ρυθμών της βιομετατροπής σε μικροβιακούς πολτούς της χοληστερόλης 1,0 και 2,5 g / L όταν υπεβλήθη σε υπερήχους για 5s κάθε 10mn με μια ισχύ εξόδου 0,2W / cm2. Ο υπέρηχος δεν έδειξε καμία επίδραση στην ενζυματική οξείδωση της χοληστερόλης (2,5 g / L) από την οξειδάση χοληστερόλης.

Πλεονεκτική Τεχνολογία

Η χρήση υπερηχητικής σπηλαίωσης για εκχύλιση και διατήρηση τροφίμων είναι μια νέα ισχυρή τεχνολογία επεξεργασίας που όχι μόνο μπορεί να εφαρμοστεί με ασφάλεια και φιλική προς το περιβάλλον, αλλά και αποτελεσματικά και οικονομικά. Το αποτέλεσμα της ομογενοποίησης και συντήρησης μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί για χυμούς φρούτων και πουρέ (π.χ. πορτοκάλι, μήλο, γκρέιπφρουτ, μάνγκο, σταφύλι, δαμάσκηνα) καθώς και για σάλτσες και σούπες λαχανικών, όπως σάλτσα ντομάτας ή σπαράγγια.

Ζητήστε περισσότερες πληροφορίες!

Χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα, εάν επιθυμείτε να ζητήσετε πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τη χρήση υπερήχων για την εξόρυξη και τη συντήρηση.









Παρακαλείστε να σημειώσετε ότι η Πολιτική Απορρήτου.


Βιβλιογραφία

Allinger, Η. (1975): Αμερικανικό εργαστήριο, 7 (10), 75 (1975).

Μπαρ, R. (1987): Υπερηχογραφικές Βελτιωμένες Βιολογικές Επεξεργασίες, στο: Biotechnology and Engineering, Vol. 32, Ρρ. 655-663 (1987).

El'piner, ΙΕ (1964): Υπερήχων: Φυσικές, χημικές και βιολογικές επιδράσεις (Bureau Consultants, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, Α .: Υπερήχων Εκχύλιση Ενεργών Ενεργειών από Σαφράν, στην: Δημοσίευση στο Διαδίκτυο.

Kim, SM και Zayas, JF (1989): Παράμετρος επεξεργασίας της εκχύλισης χυμοσίνης με υπερήχους. στο J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, Μ., Mustranta, Α., Buchert, J., Poutanen, Κ (2004): Συνδυασμός υπερήχων ισχύος με ένζυμα στην επεξεργασία χυμού φρούτων, στο: 2η Int. Conf. Biocatalysis of Food and Drinks, 19-22.9.2004, Στουτγάρδη, Γερμανία.

Moulton, KJ, Wang, LC (1982): Μια μελέτη πιλοτικής-φυτικής συνεχούς υπερήχων εκχύλισης πρωτεΐνης σόγιας, στην: Journal of Food Science, τόμος 47, 1982.

Mummery, CL (1978): Η επίδραση του υπερήχου σε ινοβλάστες in vitro, στο: Ph.D. Διατριβή, Πανεπιστήμιο του Λονδίνου, Λονδίνο, Αγγλία, 1978.