Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Extracción y conservación por ultrasonidos

La ruptura de estructuras celulares (lisis) mediante ultrasonidos se utiliza para la extracción de compuestos intracelulares o para la inactivación microbiana.

Antecedentes

En microbiología, los ultrasonidos se asocian principalmente con la disrupción celular (lisis) o ruptura (Allinger 1975).
Cuando se sonican líquidos a altas intensidades, las ondas acústicas que se propagan a través del medio líquido generan ciclos alternos de alta presión (compresión) y de baja presión (rarefacción), a una tasa que depende de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío en el líquido. Cuando éstas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber más energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión se alcanzan localmente temperaturas (aproximadamente 5000 K) y presiones (aproximadamente 2000 atm) muy altas. La implosión de las burbujas de cavitación también produce chorros de líquido de hasta 280 m/s de velocidad. Las fuerzas de cizalla resultantes rompen mecánicamente la envoltura celular, incrementando la transferencia de material. Los ultrasonidos pueden tener tanto efectos destructivos como constructivos para las células dependiendo de los parámetros de sonicación empleados.

Ruptura celular

Bajo una sonicación intensa, las enzimas o proteínas pueden ser liberadas de células u orgánulos subcelulares como resultado de la ruptura celular. En este caso, el compuesto a disolver en un solvente está en el interior de una estructura insoluble. Con el fin de extraerlo, se ha de destruir la membrana celular. La ruptura celular se trata de un proceso sensible, debido a la capacidad de la pared celular para soportar la alta presión osmótica del interior. Por ello, se requiere un buen manejo del proceso de rotura celular para evitar una liberación descontrolada de todos los productos intracelulares, incluyendo desechos celulares y ácidos nucleicos, o evitar 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.

Transferencia de masa

En general, los ultrasonidos dan como resultado una permeabilización de la membrana celular a los iones (Mummery 1978) y pueden reducir significativamente su selectividad. La acción mecánica de los ultrasonidos mejora la difusión de disolventes hacia el tejido. Mientras que los ultrasonidos rompen mecánicamente la pared celular por las fuerzas de cizalla provocadas por la cavitación, también se facilita la transferencia de masa desde la célula al solvente. Además, la reducción del tamaño de las partículas producida por la cavitación acústica incrementa la superficie de contacto entre la fase sólida y la fase líquida.

Extracción de proteínas y enzimas

La extracción de enzimas y proteínas almacenadas en células y orgánulos celulares es una aplicación particularmente singular y eficaz de los ultrasonidos de alta intensidad (Kim 1989), ya que puede mejorar significativamente la extracción de compuestos orgánicos contenidos en los tejidos de plantas y semillas empleando disolventes. Es decir, los ultrasonidos suponen un potencial beneficio para la extracción y aislamiento de nuevos compuestos bioactivos, por ejemplo, a partir de subproductos no aprovechados en su proceso actual. Los ultrasonidos también pueden intensificar los efectos de un tratamiento enzimático y, por ello, reducir la cantidad de enzima necesaria y aumentar el rendimiento de los compuestos extraíbles de interés.

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 continua por ultrasonidos en el rendimiento de proteína dispersa fue demostrada por Moulton et al. La sonicación aumentó progresivamente la recuperación de proteína dispersa a medida que la proporción de copos/solvente se varió de 1:10 a 1:30. Se demostró que el ultrasonido es capaz de peptizar proteína de soja a casi cualquier escala comercial y que la energía ultrasónica requerida es menor cuanto mayor es la densidad de la suspensión. (Moulton et al. 1982)

Aplicable a: Aceites cítricos de frutas, extracción de aceite de mostaza molida, cacahuete, colza, aceite de hierbas (echinacea), canola, soja, maíz

Liberación 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.

Los efectos beneficiosos del tratamiento con ultrasonidos en la liberación de compuestos fenólicos y antocianinas de la matriz de uva y bayas, en concreto, de arándanos (Vaccinium myrtillus) y grosellas negras (Ribes nigrum) en el zumo fueron investigados por VTT Biotechnology, Finlandia (Proyecto MAXFUN-EU) utilizando un procesador ultrasónico UIP2000hd después de descongelar, macerar e incubar enzimas. La interrupción de las paredes celulares mediante tratamiento enzimático (Pectinex BE-3L para los arándanos y Biopectinase CCM para grosellas negras) se mejoró cuando se combinó con ultrasonido. "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." (Mokkila et al. 2004)

Inactivación microbiana y enzimática

La inactivación microbiana y enzimática (conservación), por ejemplo, en zumos de frutas y salsas, es otra de las aplicaciones de los ultrasonidos en el procesado de alimentos. Hoy en día, la conservación por incremento de la temperatura durante cortos períodos de tiempo (pasteurización) continúa siendo el método de tratamiento más frecuente para la inactivación microbiana o enzimática y aumentar así la vida útil del alimento (conservación). Debido a la exposición a altas temperaturas, este método térmico presenta a menudo desventajas para muchos 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).

El calor generado por la cavitación y los radicales libres creados pueden producir una inactivación de las enzimas por efecto de la sonicación (El'piner 1964). Sin embargo, a niveles suficientemente bajos se pueden llevar a cabo cambios estructurales y metabólicos dentro de las células sin destruirlas. La actividad de la peroxidasa, que se encuentra en la mayoría de las frutas y hortalizas crudas y no cocinadas y que además puede estar estrechamente relacionada con la aparición de sabores desagradables y oscurecimientos, puede reducirse sustancialmente mediante el uso de ultrasonidos. Las enzimas termorresistentes, como las lipasas y las proteasas, que resisten el tratamiento a ultra alta temperatura y que reducen la calidad y la vida útil de la leche tratada térmicamente así como de otros productos lácteos, pueden ser inactivadas más eficientemente mediante la aplicación simultánea de ultrasonidos, calor y presión (MTS).

Los ultrasonidos han demostrado su potencial en la destrucción de patógenos transmitidos por alimentos, como E. coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, ooquistes de Cryptosporidiumy Poliovirus.

Aplicable a: conservación de mermeladas, compotas o coberturas (por ejemplo, para helados), zumos de fruta y salsas, productos cárnicos, productos lácteos, etc.

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:

El uso combinado de ultrasonidos con calor y/o presión se recomienda para Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae y Aeromonas hydrophila.

Desarrollo del proceso

A diferencia de otros procesos no térmicos, como la alta presión hidrostática (HP), el dióxido de carbono comprimido (cCO2) y el dióxido de carbono supercrítico (ScCO2) y los pulsos de alto campo eléctrico (HEFP), los ultrasonidos se pueden probar fácilmente en el laboratorio o a escala piloto – obteniendo resultados reproducibles para su escalado. La intensidad y las características de la cavitación se pueden adaptar fácilmente a su proceso de extracción concreto para alcanzar sus objetivos específicos. Además, la amplitud y la presión se pueden variar dentro de un amplio rango para, por ejemplo, identificar la configuración más eficiente energéticamente para la extracción. Los tejidos más duros deben someterse primeramente a una etapa de maceración, trituración o pulverización antes de la ultrasonicación.

E. coli

Para producir pequeñas cantidades de proteínas recombinantes para estudiar y caracterizar sus propiedades biológicas, E. coli es la bacteria de referencia. Los marcajes de purificación con, por ejemplo, cola de polihistidina, beta-galactosidasa o proteínas con enlaces de maltosa
se utilizan comúnmente para marcar proteínas recombinantes con el fin de poder separarlas de extractos celulares con una pureza suficiente para posteriores ensayos analíticos. La ultrasonicación permite incrementar la liberación de proteínas, en concreto cuando el rendimiento es bajo, y permite además preservar la estructura y actividad de la proteína recombinante.

La lisis de células de E. coli las células con el fin de extraer la proteína quimosina total se estudiaron por Kim y Zayas.

Extracción de azafrán

El azafrán se conoce como la especia más cara del mercado mundial y se distingue por su delicado sabor amargo y su atractivo color amarillo. La especia del azafrán se obtiene del estigma rojo de la flor del azafrán. Después de su secado, estas partes de la planta se utilizan como condimento en la cocina o como colorante. El intenso sabor característico del azafrán proviene especialmente de tres compuestos: crocinas, picrocrocinas y safranal.

Kadkhodaee y Hemmati-Kakhki demostraron en un estudio que la ultrasonicación aumenta significativamente el rendimiento de extracción y reduce considerablemente el tiempo de procesamiento. De hecho, los resultados de la extracción por ultrasonidos fueron claramente mejores que los de la extracción tradicional en agua fría, que es estándar ISO. Para su investigación, Kadkhodaee y Hemmati-Kakhki utilizaron de Hielscher el dispositivo ultrasónico UP50H. Los mejores resultados se obtuvieron con sonicación pulsada. Esto significa que los intervalos de pulsos breves resultan más efectivos que un tratamiento ultrasónico continuo.

Oxidación

Bajo intensidades controladas, el uso de los ultrasonidos en procesos de biotransformación y fermentación puede dar como resultado un bioprocesamiento mejorado, debido tanto a los efectos biológicos inducidos como a la facilitación de la transferencia de masa celular. La influencia de la aplicación controlada de ultrasonidos (20 kHz) sobre la oxidación de colesterol a colestenona por células en reposo de Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (anteriormente Nocardia erythropolis) fue investigada por Bar.

Colesterol + O2 = Colest-4-en-3-ona + H2O2

Este sistema es típico de transformaciones microbianas de esteroles y esteroides en las que el sustrato y los productos son sólidos insolubles en agua. Por lo tanto, este sistema es bastante singular, ya que tanto las células como los sólidos pueden experimentar los efectos del ultrasonido (Bar, 1987). A una intensidad ultrasónica suficientemente baja como para preservar la integridad estructural de las células y mantener su actividad metabólica, Bar observó una mejora significativa de la velocidad de reacción para la biotransformación de suspensiones microbianas de 1,0 y 2,5 g/L de colesterol cuando se sonicaron durante 5 s cada 10 min con una intensidad 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.

Tecnología ventajosa

La utilización de la cavitación acústica en la extracción y conservación de alimentos es una nueva y poderosa tecnología de procesamiento que no sólo se puede aplicar de forma segura y respetuosa con el medio ambiente, sino que también resulta eficiente y económica. El efecto de homogeneización y conservación se puede aplicar fácilmente para zumos de frutas y purés (por ejemplo, naranja, manzana, pomelo, mango, uva, ciruela), así como para salsas vegetales y sopas, como salsa de tomate o sopa de espárragos.

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Referencias

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.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: Ultrasonic Extraction of Active Compounds from Saffron, in: Internet Publication.

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.

Dieser Vorgang ist typisch für die mikrobielle Transformación de Sterolen und Steroiden, in denen das Substrat und die Produkte wasserunlösliche Feststoffe sind. Demzufolge ist dieser Vorgang, in dem sowohl die Zellen als auch die Feststoffe durch die vom Ultraschall ausgehenden Efectos de sonido en el teclado,Bar, 1987). Bar konnte beobachten, dass bei einer ausreichend geringen Ultraschallintensität, bei der die Struktur der Zellen und die metabolische Aktivität aufrecht erhalten bleiben, eine erhebliche Steigerung der kinetischen Geschwindigkeit bei der Biotransformation in mikrobiellen Slurries erfolgt. Diese mikrobiellen Slurries mit 1,0 und 2,5g / l El colesterol se alimenta en 10 minutos para 5 secciones con un grosor de 0,2 W / cm² Beschallt Dabei zeigte Ultraschall keine Auswirkungen auf die enzymatische Oxidación (2,5 g / l) por Cholesteroloxidasa.

Eine vorteilhafte Technologie

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Literaturverweis

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