Extracción y conservación por ultrasonidos
La extracción y la conservación por ultrasonidos utilizan ultrasonidos de potencia para desintegrar las estructuras celulares (lisis). La ruptura celular mediante ultrasonidos permite una extracción muy eficiente de compuestos intracelulares, así como la inactivación microbiana. Gracias a sus numerosas ventajas, la ultrasonicación se utiliza ampliamente para la extracción y la conservación en la industria alimentaria. ¡Descubra las ventajas de la extracción por ultrasonidos y del procesamiento de alimentos!
Ultrasonidos de potencia para la extracción y la conservación de alimentos y materiales vegetales
Extracción por ultrasonidos: La extracción por ultrasonidos es un proceso que utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para extraer compuestos de diversos materiales, como plantas, frutas y verduras. El proceso utiliza ondas ultrasónicas para crear burbujas de alta presión en un material líquido o semisólido, que colapsan rápidamente y generan calor y presión intensos que rompen las paredes celulares del material y liberan los compuestos deseados.
Principio de funcionamiento de la extracción y la conservación por ultrasonidos
El principio fundamental de la extracción por ultrasonidos se basa en el fenómeno conocido como cavitación acústica. Cuando un líquido se expone a ondas ultrasónicas de alta intensidad y baja frecuencia (aprox. 20 kHz), se generan ondas de presión que crean diminutas burbujas de vacío en el líquido. Estas burbujas aumentan de tamaño a medida que aumenta la intensidad de los ultrasonidos y, cuando alcanzan un determinado tamaño, colapsan de forma repentina y violenta, generando una onda de choque y liberando energía en forma de calor y presión.
Este proceso provoca la ruptura mecánica de las paredes celulares y libera los compuestos deseados del material en el disolvente líquido. Los compuestos liberados pueden separarse posteriormente del disolvente mediante técnicas de separación habituales, como la filtración o la centrifugación.
Sonicador UP400St para la extracción eficiente y no térmica de material vegetal.
Conservación por ultrasonidos: La conservación por ultrasonidos se basa en los mismos efectos de cavitación que la extracción por ultrasonidos. Para la conservación, se aplican ultrasonidos de potencia con el fin de prolongar la vida útil de los alimentos perecederos, utilizando ondas sonoras de alta frecuencia para inhibir el crecimiento de los microorganismos que causan su deterioro. El proceso consiste en exponer los alimentos a ondas ultrasónicas que rompen las paredes celulares de bacterias, levaduras y mohos, provocando su destrucción o inhibición.
Este proceso provoca la ruptura mecánica de las paredes celulares de los microorganismos, causando su destrucción o inhibición. Las ondas ultrasónicas también pueden aumentar la permeabilidad de las membranas celulares, lo que permite que los conservantes y otros agentes antimicrobianos penetren y eliminen los microorganismos con mayor eficacia.
La conservación por ultrasonidos se prefiere a los métodos tradicionales de conservación porque ofrece varias ventajas, como un menor tiempo de procesamiento, una mayor eficiencia y la capacidad de preservar las propiedades y los sabores naturales de los alimentos. Se utiliza en una amplia variedad de productos alimentarios, como salsas, zumos, productos lácteos, huevos y carne, para prolongar su vida útil y garantizar su seguridad.
La técnica de extracción y conservación por ultrasonidos se prefiere a los métodos tradicionales de extracción y conservación porque ofrece varias ventajas, como una extracción más rápida, una excelente calidad del producto, un mayor rendimiento, un tratamiento puramente mecánico y no térmico y la capacidad de extraer una gama más amplia de compuestos. Se utiliza en una amplia variedad de industrias, como la alimentaria y de bebidas, la farmacéutica y la cosmética.
Potente cavitación ultrasónica en Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Extracción de proteínas y enzimas por ultrasonidos
En particular, la extracción de enzimas y proteínas almacenadas en células y partículas subcelulares es una aplicación singular y eficaz de los ultrasonidos de alta intensidad, ya que puede mejorarse considerablemente la extracción mediante un disolvente de los compuestos orgánicos presentes en las plantas y las semillas. Por tanto, los ultrasonidos pueden aportar ventajas a la extracción y el aislamiento de nuevos componentes potencialmente bioactivos, por ejemplo, a partir de corrientes de subproductos no aprovechadas que se generan en los procesos actuales. Los ultrasonidos también pueden ayudar a intensificar los efectos del tratamiento enzimático y, de este modo, reducir la cantidad de enzima necesaria o aumentar el rendimiento de los compuestos de interés que pueden extraerse.
Extracción de lípidos y proteínas por ultrasonidos
La ultrasonicación se utiliza a menudo para mejorar la extracción de lípidos y proteínas de semillas vegetales, como la soja (por ejemplo, harina de soja o soja desgrasada), u otras semillas oleaginosas. En este caso, la destrucción de las paredes celulares facilita el prensado (en frío o en caliente) y reduce así el aceite o la grasa residual en la torta de prensado.
Moulton et al. demostraron la influencia de la extracción continua por ultrasonidos en el rendimiento de proteína dispersa. La sonicación aumentó progresivamente la recuperación de proteína dispersa a medida que la relación entre las hojuelas y el disolvente pasó de 1:10 a 1:30. Se demostró que los ultrasonidos pueden peptizar la proteína de soja a prácticamente cualquier capacidad de procesamiento comercial y que la energía de sonicación necesaria era la más baja cuando se utilizaban suspensiones más espesas.
Aislamiento de compuestos fenólicos y antocianinas por ultrasonidos
Las enzimas, como las pectinasas, celulasas y hemicelulasas, se utilizan ampliamente en el procesamiento de zumos para degradar las paredes celulares y mejorar la extracción del zumo. La ruptura de la matriz de la pared celular también libera componentes, como los compuestos fenólicos, en el zumo. Los ultrasonidos mejoran el proceso de extracción y, por tanto, pueden aumentar la recuperación de compuestos fenólicos, alcaloides y zumo que habitualmente quedan en la torta de prensado.
VTT Biotechnology, Finlandia, investigó los efectos beneficiosos del tratamiento ultrasónico sobre la liberación de compuestos fenólicos y antocianinas de la matriz de uvas y bayas al zumo, en particular de arándanos (Vaccinium myrtillus) y grosellas negras (>Ribes nigrum), utilizando un procesador ultrasónico UIP2000hd tras la descongelación, el triturado y la incubación enzimática. La ruptura de las paredes celulares mediante tratamiento enzimático (Pectinex BE-3 L para los arándanos y Biopectinase CCM para las grosellas negras) mejoró al combinarse con ultrasonidos. «El tratamiento con US aumenta la concentración de compuestos fenólicos del zumo de arándanos en más de un 15%. […] La influencia de los US (ultrasonidos) fue más significativa en las grosellas negras, que presentan mayores dificultades en el procesamiento de zumos que los arándanos debido a su elevado contenido de pectina y a la diferente arquitectura de sus paredes celulares. […] la concentración de compuestos fenólicos en el zumo aumentó un 15-25% al aplicar un tratamiento con US (ultrasonidos) después de la incubación enzimática.» (véase Mokkila et al., 2004)
Sonicador UIP6000hdT en una instalación industrial de extracción continua.
Inactivación microbiana y enzimática
La inactivación microbiana y enzimática (conservación), por ejemplo, en zumos de frutas y salsas, es otra aplicación de los ultrasonidos en el procesamiento de alimentos. Actualmente, la conservación mediante el aumento de la temperatura durante periodos breves (pasteurización) sigue siendo el método de procesamiento más habitual para la inactivación microbiana o enzimática que permite prolongar la vida útil (conservación). Debido a la exposición a altas temperaturas, la pasteurización térmica convencional suele presentar inconvenientes para los productos alimentarios.
La formación de nuevas sustancias a partir de reacciones catalizadas por el calor, la modificación de macromoléculas y la deformación de estructuras vegetales y animales pueden provocar una pérdida de calidad. Por tanto, el tratamiento térmico puede causar alteraciones indeseadas de los atributos sensoriales, es decir, la textura, el sabor, el color y el olor, y de las cualidades nutricionales, como las vitaminas y las proteínas. Los ultrasonidos constituyen una alternativa eficiente de procesamiento no térmico (mínimo).
A diferencia de los tratamientos térmicos convencionales, la conservación por ultrasonidos utiliza la energía y las fuerzas de cizallamiento de la cavitación acústica para inactivar las enzimas. Con niveles de sonicación suficientemente bajos, pueden producirse cambios estructurales y metabólicos en las células sin destruirlas. La actividad de la peroxidasa, presente en la mayoría de las frutas y verduras crudas y sin escaldar y especialmente asociada al desarrollo de sabores anómalos y pigmentos de pardeamiento, puede reducirse considerablemente mediante ultrasonidos. Las enzimas termorresistentes, como la lipasa y la proteasa, que soportan el tratamiento a temperatura ultraalta y pueden reducir la calidad y la vida útil de la leche tratada térmicamente y de otros productos lácteos, pueden inactivarse con mayor eficacia mediante la aplicación simultánea de ultrasonidos, calor y presión (MTS).
Los ultrasonidos han demostrado su potencial para destruir patógenos transmitidos por los alimentos, como E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, quistes de Cryptosporidium y Poliovirus.
Aplicable a: conservación de mermeladas, mermeladas de cítricos o coberturas, zumos de frutas y salsas, productos cárnicos, productos lácteos y helados.
Sinergias de los ultrasonidos con la temperatura y la presión
La ultrasonicación suele ser más eficaz cuando se combina con otros métodos antimicrobianos, como:
- termosonicación, es decir, calor y ultrasonidos
- manosonicación, es decir, presión y ultrasonidos
- manotermosonicación, es decir, presión, calor y ultrasonidos
La aplicación combinada de ultrasonidos con calor y/o presión se recomienda para Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae y Aeromonas hydrophila.
Ultrasonidos frente a otras técnicas de conservación de alimentos
A diferencia de otros procesos térmicos y no térmicos, como la homogeneización a alta presión, la pasteurización térmica, el procesamiento a alta presión (HPP), el dióxido de carbono comprimido (cCO2) y el dióxido de carbono supercrítico (ScCO2), los pulsos de campo eléctrico de alta intensidad (HELP) o las microondas, los ultrasonidos pueden probarse fácilmente a escala de laboratorio o con equipos de sobremesa, generando resultados reproducibles para el escalado. La intensidad y las características de la cavitación pueden adaptarse fácilmente al proceso de extracción concreto para alcanzar objetivos específicos. La amplitud y la presión pueden variarse dentro de un amplio intervalo, por ejemplo, para identificar la configuración de extracción más eficiente desde el punto de vista energético.
Otras ventajas relacionadas con el uso de la extracción ultrasónica mediante sonda son la facilidad de manipulación del extracto, la rapidez de ejecución, la ausencia de residuos, el alto rendimiento, el respeto al medio ambiente, la mejora de la calidad y la prevención de la degradación del extracto.
(véase Chemat et al., 2011)
- Extracción más completa
- Conservación no térmica
- Mayores rendimientos
- Alto contenido de nutrientes y calidad alimentaria superior
- Proceso rápido
- Proceso en frío / no térmico
- Funcionamiento sencillo y seguro
- Bajo mantenimiento
Sonicadores de alto rendimiento para la extracción y la conservación
Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye sonicadores de alto rendimiento para una extracción y una conservación eficientes. El uso de equipos ultrasónicos de Hielscher para la extracción y la conservación de alimentos constituye una potente tecnología de procesamiento que puede aplicarse de forma segura y respetuosa con el medio ambiente, además de eficiente y económica. El efecto de homogeneización y conservación puede aprovecharse fácilmente en cualquier producto alimentario líquido o pastoso, incluidos los zumos y purés de frutas (por ejemplo, naranja, manzana, pomelo, mango, uva y ciruela), así como en salsas y sopas de verduras (por ejemplo, salsa de tomate o sopa de espárragos), productos lácteos, huevos y carne.
Nuestra gama de homogeneizadores y extractores ultrasónicos abarca desde dispositivos de mano y portátiles hasta sistemas de producción plenamente industriales para el procesamiento en línea de grandes volúmenes a escala comercial.
Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania
Los sonicadores de Hielscher son conocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de uso permiten integrar nuestros sonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los sonicadores de Hielscher afrontan fácilmente condiciones adversas y entornos exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los sonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los sonicadores de Hielscher cumplen la normativa CE y satisfacen los requisitos de UL, CSA y RoHs.
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter | 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150 L | 3 a 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Bibliografía / Referencias
- 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.
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- Mummery, C.L. (1978): The effect of ultrasound on fibroblasts in vitro, in: Ph.D. Thesis, University of London, London, England, 1978.
Información de interés
Desintegración celular por ultrasonidos
Una sonicación intensa puede liberar enzimas o proteínas de células u orgánulos subcelulares como resultado de la desintegración celular. En este caso, el compuesto que debe disolverse en un disolvente está encerrado en una estructura insoluble. Para extraerlo, es necesario destruir la membrana celular. La ruptura celular es un proceso delicado debido a la capacidad de la pared celular para soportar una elevada presión osmótica interna. Es necesario controlar adecuadamente la ruptura celular para evitar la liberación sin control de todos los productos intracelulares, incluidos los restos celulares y los ácidos nucleicos, o la desnaturalización del producto.
La ultrasonicación constituye un medio que permite controlar adecuadamente la desintegración celular. Para ello, los efectos mecánicos de los ultrasonidos permiten una penetración más rápida y completa del disolvente en los materiales celulares y mejoran la transferencia de masa. Los ultrasonidos logran una mayor penetración del disolvente en el tejido vegetal y mejoran la transferencia de masa. Las ondas ultrasónicas que generan cavitación rompen las paredes celulares y facilitan la liberación de los componentes de la matriz.
La mejora de la transferencia de masa mediante ultrasonidos favorece la extracción
En general, los ultrasonidos pueden permeabilizar las membranas celulares a los iones y reducir considerablemente su selectividad. La acción mecánica de los ultrasonidos favorece la difusión de los disolventes en el tejido. Como los ultrasonidos rompen mecánicamente la pared celular mediante las fuerzas de cizallamiento de la cavitación, facilitan la transferencia desde la célula al disolvente. La reducción del tamaño de las partículas mediante cavitación ultrasónica aumenta la superficie de contacto entre las fases sólida y líquida.
Lisis e inactivación de E.coli por ultrasonidos
Para producir pequeñas cantidades de proteínas recombinantes destinadas al estudio y la caracterización de sus propiedades biológicas, E.coli es la bacteria de elección. Las etiquetas de purificación, como una cola de polihistidina, la beta-galactosidasa o las proteínas de unión a maltosa, suelen fusionarse con las proteínas recombinantes para permitir su separación de los extractos celulares con una pureza suficiente para la mayoría de los fines analíticos. La ultrasonicación permite maximizar la liberación de proteínas, especialmente cuando el rendimiento de producción es bajo, y preservar la estructura y la actividad de la proteína recombinante.
Oxidación por ultrasonidos
A intensidades controladas, la aplicación de ultrasonidos a la biotransformación y la fermentación puede mejorar el bioprocesamiento gracias a los efectos biológicos inducidos y a la facilitación de la transferencia de masa celular. Bar (1987) investigó la influencia de la aplicación controlada de ultrasonidos (20 kHz) en la oxidación del colesterol a colestenona por células en reposo de Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (anteriormente Nocardia erythropolis).
Este sistema es típico de las transformaciones microbianas de esteroles y esteroides, ya que tanto el sustrato como los productos son sólidos insolubles en agua. Por tanto, este sistema es bastante singular, puesto que tanto las células como los sólidos pueden estar sujetos al efecto de los ultrasonidos. A una intensidad ultrasónica suficientemente baja como para preservar la integridad estructural de las células y mantener su actividad metabólica, Bar observó un aumento significativo de las velocidades cinéticas de biotransformación en suspensiones microbianas con 1,0 y 2,5 g/L de colesterol al aplicar sonicación durante 5s cada 10mn con una potencia de salida de 0,2 W/cm². Los ultrasonidos no mostraron ningún efecto sobre la oxidación enzimática del colesterol (2,5 g/L) por la colesterol oxidasa.
¿Qué es el procesamiento a alta presión en la conservación de alimentos?
El procesamiento a alta presión (HPP) es una técnica no térmica de conservación de alimentos que inactiva los microorganismos y las enzimas, manteniendo las cualidades sensoriales y nutricionales del producto. Consiste en someter los alimentos envasados a presiones hidrostáticas, normalmente entre 300 y 600 MPa (megapascales), durante periodos de segundos a minutos. Uno de los principales retos del procesamiento a alta presión es su consumo energético muy elevado. ¡Descubra cómo la sonicación puede ayudar a reducir la demanda energética del HPP!
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde la escala de laboratorio hasta la escala industrial.