Extracción y conservación por ultrasonidos
La extracción y conservación por ultrasonidos utiliza ultrasonidos de potencia para la desintegración de las estructuras celulares (lisis). La rotura de las células con ultrasonidos da lugar a una extracción muy eficaz de los compuestos intracelulares, así como a la inactivación microbiana. Debido a sus numerosas ventajas, la ultrasonicación se utiliza ampliamente para la extracción y conservación en la industria alimentaria. Obtenga más información sobre las ventajas de la extracción por ultrasonidos y el procesado de alimentos.
Ultrasonidos de potencia para la extracción y conservación de alimentos y productos botánicos
Extracción ultrasónica: 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 implica el uso de ondas ultrasónicas para crear burbujas de alta presión en un material líquido o semisólido, que se colapsan rápidamente, generando un calor y una presión intensos que alteran las paredes celulares del material y liberan los compuestos deseados.
Principio de funcionamiento de la extracción y conservación por ultrasonidos
El principio básico 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 (unos 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 cierto tamaño, se colapsan de forma repentina y violenta, generando una onda de choque y liberando energía en forma de calor y presión.
Este proceso provoca la disrupción mecánica de las paredes celulares, liberando los compuestos deseados del material al disolvente líquido. A continuación, los compuestos liberados pueden separarse del disolvente mediante técnicas de separación estándar como la filtración o la centrifugación.
Ultrasonidos UP400St para la extracción no térmica eficaz de material vegetal.
Conservación por ultrasonidos: La conservación por ultrasonidos se basa en los mismos efectos cavitacionales que la extracción por ultrasonidos. En el caso de la conservación, los ultrasonidos de potencia se aplican para prolongar la vida útil de los alimentos perecederos utilizando ondas sonoras de alta frecuencia para inhibir el crecimiento de microorganismos causantes del deterioro. El proceso consiste en exponer los alimentos a ondas ultrasónicas que alteran las paredes celulares de bacterias, levaduras y mohos, provocando su destrucción o inhibición.
Este proceso provoca la disrupción mecánica de las paredes celulares de los microorganismos, lo que conduce a su destrucción o inhibición. Las ondas ultrasónicas también pueden aumentar la permeabilidad de las membranas celulares, permitiendo que los conservantes y otros agentes antimicrobianos penetren y maten a los microorganismos con mayor eficacia.
La conservación por ultrasonidos es preferible a los métodos de conservación tradicionales porque ofrece varias ventajas, como un menor tiempo de procesamiento, mayor eficacia y la capacidad de preservar las propiedades y sabores naturales de los alimentos. Se utiliza en una amplia gama 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 velocidades de extracción más rápidas, excelente calidad del producto, mayor rendimiento, tratamiento no térmico puramente mecánico y capacidad para extraer una gama más amplia de compuestos. Se utiliza en una amplia gama de industrias, como la alimentaria y de bebidas, la farmacéutica y la cosmética.
Potente cavitación ultrasónica en Cascatroda Hielscher UIP1000hdT
Extracción ultrasónica de proteínas y enzimas
En particular, la extracción de enzimas y proteínas almacenadas en células y partículas subcelulares es una aplicación única y eficaz de los ultrasonidos de alta intensidad, ya que se puede mejorar significativamente la extracción de compuestos orgánicos contenidos en el cuerpo de plantas y semillas mediante un disolvente. Por lo tanto, los ultrasonidos tienen un beneficio potencial en la extracción y aislamiento de nuevos componentes potencialmente bioactivos, por ejemplo, a partir de corrientes de subproductos no utilizados que se forman 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 relevantes extraíbles.
Extracción ultrasónica de lípidos y proteínas
La ultrasonicación se utiliza frecuentemente para mejorar la extracción de lípidos y proteínas de semillas de plantas, como soja (por ejemplo, harina o harina desgrasada) u otras semillas oleaginosas. En este caso, la destrucción de las paredes celulares facilita el prensado (frío o caliente), disminuyendo así el aceite o la grasa remanente de la torta de prensado.
La influencia de la extracción ultrasónica continua en el rendimiento de la proteína dispersa fue demostrada por Moulton et al. La sonicación aumentó progresivamente la recuperación de proteína dispersa a medida que la relación copos/disolvente cambiaba de 1:10 a 1:30. Se demostró que el ultrasonido es capaz de peptizar la proteína de soja en casi cualquier rendimiento comercial y que la energía de sonicación requerida era la más baja, cuando se utilizaban lechadas más espesas.
Aislamiento ultrasónico de compuestos fenólicos y antocianinas
En el procesamiento de zumos, se utilizan ampliamente enzimas, tales como pectinasas, celulasas y hemicelulasas, para degradar las paredes celulares y mejorar la extractibilidad del jugo. La ruptura de la pared celular también libera componentes en el zumo, como compuestos fenólicos. Los ultrasonidos mejoran el proceso de extracción, dando como resultado un aumento del rendimiento en compuestos fenólicos, alcaloides y zumo que, habitualmente, se retienen en la torta de prensado.
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. “El tratamiento con ultrasonidos aumenta la concentración de compuestos fenólicos en el zumo de arándanos en más del 15 %. […] La influencia de los US (ultrasonidos) resultó más significativa con las grosellas negras, que son bayas más difíciles de procesar para zumo, que con los arándanos debido a su alto contenido de pectina y a una arquitectura diferente de la pared celular. […] La concentración de compuestos fenólicos en el zumo aumentó en un 15-25 % utilizando el tratamiento US (ultrasonidos) después de la incubación enzimática.” (cf. Mokkila et al., 2004)
Ultrasonicador 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 procesado de alimentos. Hoy en día, la conservación por elevación de la temperatura durante cortos períodos de tiempo (pasteurización) sigue siendo el método de procesamiento más común para la inactivación microbiana o enzimática que conduce a una mayor vida útil (conservación). Debido a la exposición a altas temperaturas, la pasteurización térmica convencional presenta a menudo desventajas para los productos alimenticios.
La generación de nuevas sustancias a partir de reacciones catalizadas por calor, la alteración de macromoléculas y estructuras vegetales y animales pueden dar como resultado una pérdida de calidad. Es decir, el tratamiento térmico puede causar cambios no deseados en los atributos sensoriales del producto en, por ejemplo, su textura, sabor, color, olor y propiedades nutricionales, como vitaminas y proteínas. Los ultrasonidos constituyen una alternativa eficaz para un procesamiento no térmico (o 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. A niveles de sonicación suficientemente bajos, pueden producirse cambios estructurales y metabólicos en las células sin destruirlas. La actividad de la peroxidasa, que se encuentra en la mayoría de las frutas y verduras crudas y sin escaldar y puede estar particularmente asociada con el desarrollo de sabores desagradables y pigmentos pardos, puede reducirse sustancialmente mediante el uso de ultrasonidos. Las enzimas termorresistentes, como la lipasa y la proteasa, que soportan el tratamiento a temperatura ultraelevada y pueden reducir la calidad y la vida útil de la leche tratada térmicamente y otros productos lácteos, pueden inactivarse de forma más eficaz mediante la aplicación simultánea de ultrasonidos, calor y presión (MTS).
Los ultrasonidos han demostrado su potencial en la destrucción de patógenos transmitidos por los alimentos, como E. coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, quistes de Cryptosporidium y Poliovirus.
Aplicable a: conservación de confituras, mermeladas o coberturas, zumos y salsas de frutas, productos cárnicos, lácteos y helados.
Sinergias de los ultrasonidos con la temperatura y la presión
La ultrasonicación es a menudo más eficaz cuando se combina con otros métodos antimicrobianos, tales como:
- Termosonicación, es decir, calor y ultrasonidos
- Manosonicación, es decir, presión y ultrasonidos
- Manotermosonicación, es decir, presión, calor y ultrasonidos
Se recomienda la aplicación combinada de ultrasonidos con calor y/o presión 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 por calor, la alta presión hidrostática (HP), el dióxido de carbono comprimido (cCO2) y el dióxido de carbono supercrítico (ScCO2), los pulsos de alto campo eléctrico (HELP) o las microondas, los ultrasonidos pueden ensayarse fácilmente a escala de laboratorio o de sobremesa – generando resultados reproducibles para su ampliación. La intensidad y las características de la cavitación pueden adaptarse fácilmente al proceso de extracción específico para alcanzar objetivos concretos. La amplitud y la presión pueden variar en un amplio rango, 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 por sonda ultrasónica son la facilidad de manipulación del extracto, la rapidez de ejecución, la ausencia de residuos, el alto rendimiento, el respeto del medio ambiente, la mejora de la calidad y la prevención de la degradación del extracto.
(cf. Chemat et al., 2011)
- Extracción más completa
- Conservación no térmica
- mayor rendimiento
- Altos nutrientes, calidad alimentaria superior
- proceso rápido
- Proceso en frío / no térmico
- fácil y seguro de manejar
- bajo mantenimiento
Ultrasonidos de alto rendimiento para extracción y conservación
Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye ultrasonidos de alto rendimiento para una extracción y conservación eficaces. El uso de equipos de ultrasonidos Hielscher para la extracción y conservación de alimentos es una potente tecnología de procesamiento que no sólo puede aplicarse de forma segura y respetuosa con el medio ambiente, sino también de forma eficiente y económica. El efecto de homogeneización y conservación puede utilizarse fácilmente para cualquier producto alimenticio líquido o pastoso, incluidos zumos y purés de frutas (por ejemplo, naranja, manzana, pomelo, mango, uva, ciruela), así como para salsas y sopas de verduras (por ejemplo, salsa de tomate o sopa de espárragos), productos lácteos, huevos y carne.
Nuestra cartera de homogeneizadores y extractores ultrasónicos abarca desde dispositivos portátiles de mano hasta sistemas de producción totalmente industriales para el procesamiento en línea de grandes volúmenes a escala comercial.
Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany
Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos 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 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo 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.
Literatura / 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.
- 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.
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- 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.
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- 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.
Información interesante
Ruptura celular por ultrasonidos
Bajo sonicación intensa, las enzimas o proteínas pueden liberarse de las 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 desintegración celular es un proceso delicado, debido a la capacidad de la pared celular para soportar una elevada presión osmótica en su interior. Se requiere un buen control de la disrupción celular, para evitar una liberación sin obstáculos de todos los productos intracelulares, incluidos los restos celulares y los ácidos nucleicos, o la desnaturalización del producto.
La ultrasonicación supone un método controlado para la disrupción celular, ya que los efectos mecánicos de los ultrasonidos permiten una penetración más rápida y completa del disolvente en el material celular, mejorando así la transferencia de masa. Es decir, los ultrasonidos consiguen una mayor penetración de un disolvente en el tejido vegetal y mejoran la transferencia de masa. Las ondas ultrasónicas generan cavitación que rompe las paredes celulares y facilita la liberación de los componentes del citoplasma.
La transferencia de masa mejorada por ultrasonidos favorece la extracción
En general, los ultrasonidos pueden provocar una permeabilización de las membranas celulares a los iones, y pueden reducir significativamente la selectividad de las membranas celulares. La actividad mecánica de los ultrasonidos favorece la difusión de disolventes en el tejido. Como el ultrasonido rompe mecánicamente la pared celular por las fuerzas de cizallamiento de la cavitación, facilita la transferencia de la célula al disolvente. La reducción del tamaño de las partículas por la cavitación ultrasónica aumenta la superficie de contacto entre el sólido y la fase líquida.
Lisis ultrasónica e inactivación de E. coli
Para producir pequeñas cantidades de proteínas recombinantes para el estudio y la caracterización de sus propiedades biológicas, E. coli es la bacteria de elección. Las etiquetas de purificación, por ejemplo la cola de polihistidina, la beta-galactosidasa o las proteínas de unión a maltosa, suelen unirse a las proteínas recombinantes para hacerlas separables de los extractos celulares con una pureza suficiente para la mayoría de los fines analíticos. La ultrasonicación permite maximizar la liberación de la proteína, en particular cuando el rendimiento de producción es bajo, y preservar la estructura y la actividad de la proteína recombinante.
Oxidación ultrasónica
A intensidades controladas, la aplicación de ultrasonidos a la biotransformación y la fermentación bien puede dar lugar a un bioprocesamiento mejorado, debido a los efectos biológicos inducidos y a la transferencia de masa celular facilitada. 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 (antes Nocardia erythropolis).
Este sistema es típico de las transformaciones microbianas de esteroles y esteroides en el sentido de que el sustrato y los productos son sólidos insolubles en agua. Por lo tanto, este sistema es bastante singular en el sentido de que tanto las células como los sólidos pueden estar sometidos al efecto de los ultrasonidos. A una intensidad ultrasónica lo suficientemente baja como para preservar la integridad estructural de las células y mantener su actividad metabólica, Bar observó una mejora significativa en las tasas cinéticas de la biotransformación en lodos microbianos de 1,0 y 2,5 g/L de colesterol cuando se sonicaban durante 5s cada 10mn con una potencia de 0,2W/cm². El ultrasonido no mostró ningún efecto sobre la oxidación enzimática del colesterol (2,5 g/L) por la colesterol oxidasa.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.