Ultraheli ekstraheerimine ja säilitamine
Ultraheli ekstraheerimine ja säilitamine kasutab rakustruktuuride lagundamiseks (lüüs) võimsat ultraheli. Rakkude purustamine ultraheli abil toob kaasa väga tõhusa rakusiseste ühendite ekstraheerimise ja mikroobide inaktiveerimise. Arvukate eeliste tõttu kasutatakse ultraheli ekstraheerimiseks ja säilitamiseks toiduainetetööstuses laialdaselt ultraheli. Lisateave ultraheli ekstraheerimise ja toiduainete töötlemise eeliste kohta!
Võimsus ultraheli toidu ja botaaniliste preparaatide ekstraheerimiseks ja säilitamiseks
Ultraheli ekstraheerimine: Ultraheli ekstraheerimine on protsess, mis kasutab kõrgsageduslikke helilaineid, et eraldada ühendeid erinevatest materjalidest, nagu taimed, puuviljad ja köögiviljad. Protsess hõlmab ultraheli lainete kasutamist kõrgsurvemullide loomiseks vedelas või pooltahkes materjalis, mis varisevad kiiresti kokku, tekitades intensiivset soojust ja rõhku, mis häirib materjali rakuseinu ja vabastab soovitud ühendid.
Ultraheli ekstraheerimise ja säilitamise tööpõhimõte
Ultraheli ekstraheerimise põhiprintsiip põhineb nähtusel, mida nimetatakse akustiliseks kavitatsiooniks. Kui vedelik puutub kokku suure intensiivsusega ja madala sagedusega ultraheli lainetega (umbes 20 kHz), tekitab see rõhulaineid, mis tekitavad vedelikus pisikesi vaakummulle. Need mullid kasvavad, kui ultraheli intensiivsus suureneb, ja kui nad saavutavad teatud suuruse, varisevad nad äkki ja vägivaldselt, tekitades lööklaine ja vabastades energiat soojuse ja rõhu kujul.
See protsess põhjustab rakuseinte mehaanilisi häireid, vabastades soovitud ühendid materjalist vedelasse lahustisse. Vabanenud ühendeid saab seejärel lahustist eraldada, kasutades standardseid eraldamismeetodeid, nagu filtreerimine või tsentrifuugimine.
Ultrasonikaator UP400St taimse materjali tõhusaks mittetermiliseks ekstraheerimiseks.
Ultraheli säilitamine: Ultraheli säilitamine põhineb samadel kavitatsioonilistel mõjudel nagu ultraheli ekstraheerimine. Säilitamiseks rakendatakse kiiresti riknevate toiduainete säilivusaja pikendamiseks võimsuse ultraheli, kasutades riknemist põhjustavate mikroorganismide kasvu pärssimiseks kõrgsageduslikke helilaineid. Protsess hõlmab toidu kokkupuudet ultraheli lainetega, mis häirivad bakterite, pärmide ja hallitusseente rakuseinu, mis viib nende hävitamiseni või pärssimiseni.
See protsess põhjustab mikroorganismide rakuseinte mehaanilisi häireid, mis viib nende hävitamiseni või pärssimiseni. Ultraheli lained võivad suurendada ka rakumembraanide läbilaskvust, võimaldades säilitusainetel ja muudel antimikroobsetel ainetel tungida mikroorganismidesse ja tappa neid tõhusamalt.
Ultraheli säilitamine on eelistatud traditsioonilistele säilitusmeetoditele, sest see pakub mitmeid eeliseid, nagu lühem töötlemisaeg, suurem efektiivsus ja võime säilitada toidu looduslikke omadusi ja maitseid. Seda kasutatakse mitmesugustes toiduainetes, nagu kastmed, mahlad, piimatooted, munad ja liha, et pikendada nende säilivusaega ja tagada nende ohutus.
Ultraheli ekstraheerimise ja säilitamise tehnikat eelistatakse traditsioonilistele ekstraheerimis- ja säilitamismeetoditele, sest see pakub mitmeid eeliseid, nagu kiirem ekstraheerimiskiirus, suurepärane toote kvaliteet, suurem saagis, puhtalt mehaaniline mittetermiline töötlemine ja võime ekstraheerida laiemat valikut ühendeid. Seda kasutatakse paljudes tööstusharudes, nagu toiduained ja joogid, farmaatsiatooted ja kosmeetika.
Võimas ultraheli kavitatsioon kell Hielscher UIP1000hdT kaskatrode
Ultraheli valk ja ensüümide ekstraheerimine
Eelkõige on rakkudes ja subtsellulaarsetes osakestes säilitatavate ensüümide ja valkude ekstraheerimine ainulaadne ja efektiivne suure intensiivsusega ultraheli rakendamine, kuna taimede ja seemnete kehas sisalduvate orgaaniliste ühendite ekstraheerimist lahustiga saab oluliselt parandada. Seetõttu on ultrahelil potentsiaalne kasu uute potentsiaalselt bioaktiivsete komponentide ekstraheerimisel ja eraldamisel, nt praegustes protsessides moodustunud mittekasutatavatest kõrvalsaaduste voogudest. Ultraheli võib samuti aidata intensiivistada ensüümravi mõju ja sellega vähendada vajaliku ensüümi kogust või suurendada ekstraheeritavate asjakohaste ühendite saagist.
lipiidide ja valkude ultraheli ekstraheerimine
Ultraheli kasutatakse sageli lipiidide ja valkude ekstraheerimise parandamiseks taimede seemnetest, nagu sojaoad (nt jahu või rasvatustatud sojaoad) või muud õliseemned. Sellisel juhul hõlbustab rakuseinte hävitamine pressimist (külm või kuum) ja vähendab seeläbi pressimiskoogis õli või rasva jääke.
Pideva ultraheli ekstraheerimise mõju dispergeeritud valgu saagisele näitasid Moulton et al. Ultrahelitöötlus suurendas dispergeeritud valgu taastumist järk-järgult, kuna helveste / lahusti suhe muutus 1:10-lt 1:30-le. See näitas, et ultraheli on võimeline sojavalku peptiseerima peaaegu igasuguse kaubandusliku läbilaskevõimega ja et nõutav ultrahelitöötluse energia oli madalaim, kui kasutati paksemaid läga.
Fenoolsete ühendite ja antotsüaniinide ultraheli eraldamine
Ensüüme, nagu pektinaasid, tsellulaasid ja hemitsellulaasid, kasutatakse mahla töötlemisel laialdaselt, et lagundada rakuseinu ja parandada mahla ekstraheeritavust. Rakuseina maatriksi katkemine vabastab mahla ka komponente, näiteks fenoolseid ühendeid. Ultraheli parandab ekstraheerimisprotsessi ja võib seetõttu põhjustada fenoolse ühendi, alkaloidide ja mahla saagise suurenemist, mis tavaliselt jäetakse pressikooki.
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. “USA ravi suurendab mustikamahla fenoolsete ühendite kontsentratsiooni rohkem kui 15%. […] USA (ultraheli) mõju oli märkimisväärsem mustade sõstarde puhul, mis on mahla töötlemisel keerulisemad marjad kui mustikad nende kõrge pektiinisisalduse ja erineva rakuseina arhitektuuri tõttu. […] fenoolsete ühendite kontsentratsioon mahlas suurenes 15-25%, kasutades USA (ultraheli) ravi pärast ensüümi inkubeerimist.” (vrd Mokkila et al., 2004)
Ultrasonikaator UIP6000hdT pideva kaevandamisega tööstuslikus rajatises.
Mikroobide ja ensüümide inaktiveerimine
Mikroobide ja ensüümide inaktiveerimine (säilitamine), nt puuviljamahlades ja kastmetes, on veel üks ultraheli rakendus toiduainete töötlemisel. Tänapäeval on temperatuuri tõstmine lühikese aja jooksul (pastöriseerimine) endiselt kõige levinum mikroobide või ensüümide inaktiveerimise töötlemismeetod, mis viib pikema säilivusajani (säilitamine). Kõrge temperatuuriga kokkupuute tõttu on tavapärasel termilisel pastöriseerimisel toiduainete jaoks sageli puudusi.
Uute ainete tootmine kuumuse katalüüsitud reaktsioonidest ja makromolekulide modifitseerimisest, samuti taimede ja loomade struktuuride deformatsioon võib kvaliteedi vähenemise korral väheneda. Seetõttu võib termiline töötlus põhjustada sensoorsete omaduste, st tekstuuri, maitse, värvi, lõhna ja toiteväärtuste, st vitamiinide ja valkude soovimatuid muutusi. Ultraheli on tõhus mittetermiline (minimaalne) töötlemise alternatiiv.
Erinevalt tavapärastest kuumtöötlustest kasutab ultraheli säilitamine ensüümide inaktiveerimiseks akustilise kavitatsiooni energia- ja nihkejõude. Piisavalt madalal ultrahelitöötluse tasemel võivad rakkudes esineda struktuursed ja metaboolsed muutused ilma nende hävitamiseta. Peroksidaasi aktiivsust, mida leidub enamikus toores ja blanšeerimata puu- ja köögiviljades ning mida võib eriti seostada ebameeldivate maitsete ja pruunistavate pigmentide arenguga, saab ultraheli abil oluliselt vähendada. Termoresistentseid ensüüme, nagu lipaas ja proteaas, mis taluvad ülikõrget temperatuuri ja mis võivad vähendada kuumtöödeldud piima ja muude päevikutoodete kvaliteeti ja säilivusaega, saab tõhusamalt inaktiveerida ultraheli, kuumuse ja rõhu (MTS) samaaegse kasutamisega.
Ultraheli on näidanud oma potentsiaali toidu kaudu levivate patogeenide, nagu E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium tsüstide ja polioviiruse hävitamisel.
Kohaldatav: moosi, marmelaadi või lisandite, puuviljamahlade ja kastmete, lihatoodete, piimatoodete ja jäätise säilitamine.
Ultraheli sünergia temperatuuri ja rõhuga
Ultraheli on sageli tõhusam, kui seda kombineeritakse teiste mikroobivastaste meetoditega, näiteks:
- termo-ultrahelitöötlus, s.t. soojus ja ultraheli
- Mano-ultrahelitöötlus, s.t. rõhk ja ultraheli
- mano-termo-ultrahelitöötlus, s.t. rõhk, soojus ja ultraheli
Ultraheli kombineeritud kasutamine kuumuse ja / või rõhuga on soovitatav Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae ja Aeromonas hydrophila puhul.
Ultraheli vs muud toidu säilitamise tehnikad
Erinevalt teistest termilistest ja mittetermilistest protsessidest, nagu kõrgsurve homogeniseerimine, soojuse pastöriseerimine, kõrgsurvetöötlus (HPP), kokkusurutud süsinikdioksiid (cCO2) ja ülekriitiline süsinikdioksiid (ScCO2), kõrge elektrivälja impulsid (HELP) või mikrolaineahi, saab ultraheli hõlpsasti testida laboris või pink-top skaalal – reprodutseeritavate tulemuste loomine laiendamiseks. Intensiivsust ja kavitatsiooniomadusi saab hõlpsasti kohandada konkreetse ekstraheerimisprotsessiga, et seada konkreetsed eesmärgid. Amplituudi ja rõhku saab varieerida laias vahemikus, nt selleks, et teha kindlaks kõige energiatõhusam ekstraheerimisseade.
Muud ultraheli sondi tüüpi ekstraheerimise kasutamisega seotud eelised on ekstrakti lihtne käitlemine, kiire täitmine, jääkide puudumine, kõrge saagikus, keskkonnasõbralik, parem kvaliteet ja ekstrakti lagunemise ennetamine.
(vrd Chemat et al., 2011)
- Täielikum ekstraheerimine
- Mittetermiline säilitamine
- suurem saagikus
- Kõrge toitainesisaldus, esmaklassiline toidukvaliteet
- kiire protsess
- Külm / mittetermiline protsess
- lihtne ja ohutu kasutada
- madal hooldus
Suure jõudlusega ultrasonikaatorid ekstraheerimiseks ja preseravatsiooniks
Hielscher Ultrasonics projekteerib, toodab ja levitab suure jõudlusega ultrasonikaatoreid tõhusaks ekstraheerimiseks ja säilitamiseks. Hielscheri ultraheli seadmete kasutamine ekstraheerimiseks ja toidu säilitamiseks on võimas töötlemistehnoloogia, mida ei saa mitte ainult ohutult ja keskkonnasõbralikult rakendada, vaid ka tõhusalt ja ökonoomselt. Homogeniseerivat ja säilitavat toimet saab hõlpsasti kasutada mis tahes vedela või pastataolise toiduaine, sealhulgas puuviljamahlade ja -püreede (nt apelsin, õun, greip, mango, viinamari, ploom), samuti köögiviljakastmete ja suppide (nt tomatikaste või sparglisupp), piimatoodete, munade ja liha puhul.
Meie ultraheli homogenisaatorite ja ekstraktorite portfell ulatub käeshoitavatest, kaasaskantavatest seadmetest kuni täielikult tööstuslike tootmissüsteemideni suurte mahtude töötlemiseks kaubanduslikul tasandil.
Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal
Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.
Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 0.5 kuni 1,5 ml | mujal liigitamata | VialTweeter | 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
| 10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150L | 3 kuni 15L/min | UIP6000hdT |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Kirjandus / Viited
- 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.
- Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk(2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.
- 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.
- Alex Patist, Darren Bates (2008): Ultrasonic innovations in the food industry: From the laboratory to commercial production. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 9, Issue 2, 2008. 147-154.
- 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.
Faktid, mida tasub teada
Ultraheli rakkude lagunemine
Intensiivse ultrahelitöötluse korral võib rakkude lagunemise tulemusena rakkudest või subtsellulaarsetest organellidest vabaneda ensüüme või valke. Sel juhul suletakse lahustisse lahustatav ühend lahustumatusse struktuuri. Selle ekstraheerimiseks tuleb rakumembraan hävitada. Rakkude katkestamine on tundlik protsess, sest rakuseina võime taluda kõrget osmootilist rõhku sees. Rakkude häirete üle on vaja head kontrolli, et vältida kõigi rakusiseste toodete, sealhulgas rakujäätmete ja nukleiinhapete takistamatut vabanemist või toote denatureerimist.
Ultraheli on hästi kontrollitav vahend rakkude lagunemiseks. Selleks tagavad ultraheli mehaanilised mõjud lahusti kiirema ja täielikuma tungimise rakulistesse materjalidesse ja parandavad massiülekannet. Ultraheli saavutab lahusti suurema tungimise taime koesse ja parandab massiülekannet. Kavitatsiooni tekitavad ultraheli lained häirivad rakuseinu ja hõlbustavad maatriksikomponentide vabanemist.
Ultraheli täiustatud massiülekanne soodustab ekstraheerimist
Üldiselt võib ultraheli põhjustada rakumembraanide permeabiliseerumist ioonideks ja see võib oluliselt vähendada rakumembraanide selektiivsust. Ultraheli mehaaniline aktiivsus toetab lahustite difusiooni koesse. Kuna ultraheli lõhub rakuseina mehaaniliselt kavitatsiooni nihkejõudude abil, hõlbustab see rakust ülekannet lahustisse. Osakeste suuruse vähendamine ultraheli kavitatsiooniga suurendab tahke ja vedela faasi vahel kokkupuutuvat pinda.
Ultraheli lüüs ja E.coli inaktiveerimine
Väikeses koguses rekombinantsete valkude tootmiseks nende bioloogiliste omaduste uurimiseks ja iseloomustamiseks on E.coli valitud bakter. Puhastussildid, nt polühistidiini saba, beeta-galaktosidaas või maltoosi siduvad valgud, ühendatakse tavaliselt rekombinantsete valkudega, et muuta need eraldatavaks rakuekstraktidest puhtusega, mis on piisav enamiku analüütiliste eesmärkide jaoks. Ultraheli võimaldab maksimeerida valgu vabanemist, eriti kui toodangu saagis on madal ja säilitada rekombinantse valgu struktuur ja aktiivsus.
Ultraheli oksüdatsioon
Kontrollitud intensiivsuse korral võib ultraheli kasutamine biotransformatsioonile ja fermentatsioonile põhjustada suurenenud biotöötlust, mis on tingitud indutseeritud bioloogilistest mõjudest ja raku massiülekande hõlbustamisest. Ultraheli (20 kHz) kontrollitud rakenduse mõju kolesterooli oksüdatsioonile kolesteenooniks Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (endine Nocardia erythropolis) puhkerakkude kaudu uuris Bar (1987).
See süsteem on tüüpiline steroolide ja steroidide mikroobsetele transformatsioonidele, kuna substraat ja tooted on vees lahustumatud tahked ained. Seetõttu on see süsteem üsna ainulaadne, kuna nii rakud kui ka tahked ained võivad olla ultraheli mõju all. Piisavalt madala ultraheli intensiivsusega, mis säilitas rakkude struktuurse terviklikkuse ja säilitas nende metaboolse aktiivsuse, täheldas Bar biotransformatsiooni kineetilise kiiruse olulist suurenemist mikroobide läga 1,0 ja 2,5 g / l kolesteroolis, kui seda ultraheliga töödeldi 5s iga 10 miljoni järel väljundvõimsusega 0,2W / cm². Ultraheli ei näidanud mõju kolesterooli ensümaatilisele oksüdatsioonile (2,5g/l) kolesterooli oksüdaasi poolt.
Mis on kõrgsurvetöötlus toidu säilitamisel?
Kõrgsurvetöötlus (HPP) on mittetermiline toidu säilitamise tehnika, mis inaktiveerib mikroorganisme ja ensüüme, säilitades samal ajal toote sensoorsed ja toiteväärtused. See hõlmab pakendatud toidu allutamist hüdrostaatilisele rõhule, mis on tavaliselt vahemikus 300–600 MPa (megapaskalid) sekunditeks kuni minutiteks. Kõrgsurvetöötluse suur väljakutse on selle väga suur energiatarbimine. Lisateavet selle kohta, kuidas ultrahelitöötlus aitab vähendada HPP energianõudlust!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates Lab kuni tööstuslik suurus.