Ultraheli ekstraheerimine ja säilitamine

Ultraheli ekstraheerimine ja säilitamine kasutab võimsat ultraheli rakustruktuuride lõhkumiseks (lüüsiks). Rakkude lõhkumine ultraheliga tagab rakusiseste ühendite väga tõhusa ekstraheerimise ning mikroobide inaktiveerimise. Arvukate eeliste tõttu kasutatakse ultraheli töötlust (sonikeerimist) laialdaselt toiduainetööstuses ekstraheerimiseks ja säilitamiseks. Lugege lähemalt ultraheli ekstraheerimise ja toidutöötluse eelistest!

Võimas ultraheli toidu ja taimsete materjalide ekstraheerimiseks ja säilitamiseks

Ultraheli ekstraheerimine: Ultraheli ekstraheerimine on protsess, mis kasutab kõrgsageduslikke helilaineid ühendite eraldamiseks mitmesugustest materjalidest, näiteks taimedest, puuviljadest ja köögiviljadest. Protsessi käigus tekitatakse ultrahelilainete abil vedelas või poolkindlas materjalis kõrgsurvemulle, mis kollapseeruvad kiiresti, tekitades intensiivset soojust ja survet, mis lõhub materjali rakuseinu ja vabastab soovitud ühendid.

Ultraheli ekstraheerimise ja säilitamise toimimispõhimõte

Ultraheli ekstraheerimise põhimõte rajaneb nähtusel, mida tuntakse akustilise kavitatsioonina. Kui vedelikku mõjutavad suure intensiivsusega ja madala sagedusega ultrahelilained (ca 20 kHz), tekitavad need survelaineid, mis moodustavad vedelikus pisikesi vaakumimulle. Need mullid kasvavad suuremaks ultraheli intensiivsuse suurenedes ning teatud suuruse saavutamisel kollapseeruvad äkitselt ja jõuliselt, tekitades lööklaine ning vabastades energiat soojuse ja rõhu kujul.
See protsess põhjustab rakuseinte mehaanilist lõhkumist, vabastades soovitud ühendid materjalist vedelasse lahustisse. Vabanenud ühendid on seejärel võimalik lahustist eraldada tavapäraste eraldustehnikatega, näiteks filtreerimise või tsentrifuugimisega.

See video näitab ultrahelitöötluse mõju värske maheporgandimahla stabiilsusele. Mõju ilmestamiseks sisaldab see kiirendatud videot külmkapis säilitamisest. Mahlade, smuutide, püreede ja kastmete tootmisel parandavad Hielscher ultraheliseadmed stabiilsust, tekstuuri ja säilivust. Ultrahelitöötlus vähendab mikroobset riknemist ning hoiab ära settimise ja kihistumise, mis võivad tekkida juba mõne päevaga. Ultraheliga saab töödelda suuri partiisid või kasutada seda läbivoolurežiimis vahetult enne villimist. Ultrahelitöötlus on puhtalt mehaaniline töötlemismeetod. See sobib ideaalselt mahepuu- ja köögiviljamahlade, püreede, smuutide ning kastmete töötlemiseks.

Ultraheli säilitamine: Ultraheli säilitamine põhineb samadel kavitatsiooniefektidel nagu ultraheli ekstraheerimine. Säilitamiseks kasutatakse võimsat ultraheli, et pikendada riknevate toiduainete säilivusaega, pärssides kõrgsageduslike helilainete abil riknemist põhjustavate mikroorganismide kasvu. Protsessi käigus puutub toit kokku ultrahelilainetega, mis lõhuvad bakterite, pärmseente ja hallituste rakuseinu, viies nende hävimise või pärssimiseni.
See protsess põhjustab mikroorganismide rakuseinte mehaanilist lõhkumist, viies nende hävimise või pärssimiseni. Ultrahelilained võivad suurendada ka rakumembraanide läbilaskvust, võimaldades säilitusainetel ja teistel antimikroobsetel ainetel tungida mikroorganismidesse ning neid tõhusamalt hävitada.
Ultraheli säilitamist eelistatakse traditsioonilistele säilitusmeetoditele, kuna see pakub mitmeid eeliseid, näiteks lühemat töötlusaega, suuremat tõhusust ning võimalust säilitada toidu looduslikud omadused ja maitsed. Seda kasutatakse paljudes toiduainetes, näiteks kastmetes, mahlades, piimatoodetes, munades ja lihas, et pikendada nende säilivusaega ning tagada nende ohutus.

Ultraheli ekstraheerimise ja säilitamise tehnikat eelistatakse traditsioonilistele ekstraheerimis- ja säilitusmeetoditele, kuna see pakub mitmeid eeliseid, näiteks kiiremat ekstraheerimiskiirust, suurepärast tootekvaliteeti, suuremat saagist, puhtalt mehaanilist mittetermilist töötlust ning võimalust ekstraheerida laiemat ühendite valikut. Seda kasutatakse paljudes tööstusharudes, näiteks toidu- ja joogitööstuses, farmaatsias ja kosmeetikas.

Taimse materjali ekstraheerimine ultraheliga annab suurema saagise. Hielscher 2000-vatine homogenisaator UIP2000hdT on piisavalt võimas, et hõlpsasti ekstraheerida 10 kuni 120 liitri suuruseid partiisid.

Valkude ja ensüümide ultraheli ekstraheerimine

Eriti rakkudes ja rakusisestes osakestes sisalduvate ensüümide ja valkude ekstraheerimine on suure intensiivsusega ultraheli ainulaadne ja tõhus rakendus, sest lahusti abil taimede ja seemnete koes sisalduvate orgaaniliste ühendite ekstraheerimist on võimalik oluliselt parandada. Seetõttu on ultrahelil potentsiaalne kasu uudsete, potentsiaalselt bioaktiivsete komponentide ekstraheerimisel ja isoleerimisel, nt praegustes protsessides tekkivatest kasutamata kõrvalvoogudest. Ultraheli võib aidata ka ensüümtöötluse mõju tugevdada ning seeläbi vähendada vajaliku ensüümi kogust või suurendada ekstraheeritavate oluliste ühendite saagist.

Lipiidide ja valkude ekstraheerimine ultraheliga

Ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutatakse sageli lipiidide ja valkude ekstraheerimise parandamiseks taimeseemnetest, näiteks sojaubadest (nt jahu või rasvatustatud sojaoad) või muudest õliseemnetest. Sel juhul hõlbustab rakuseinte hävitamine pressimist (külma või kuuma) ning vähendab seeläbi pressimisjääki jäävat õli või rasva.

Pideva ultraheliekstraktsiooni mõju dispergeeritud valgu saagisele demonstreerisid Moulton jt. Ultraheli töötlus suurendas dispergeeritud valgu taaskasutust järk-järgult, kui helveste ja lahusti suhe muutus vahemikus 1:10 kuni 1:30. See näitas, et ultraheli on võimeline soja valku peptiseerima peaaegu mis tahes kommertsliku läbilaskevõime juures ning et vajalik sonikeerimisenergia oli madalaim, kui kasutati paksemaid suspensioone.

Fenoolsete ühendite ja antotsüaniinide isoleerimine ultraheliga

Ensüüme, näiteks pektinaase, tsellulaase ja hemitsellulaase, kasutatakse mahlatöötluses laialdaselt rakuseinte lagundamiseks ja mahla ekstraheeritavuse parandamiseks. Rakuseina maatriksi lõhkumine vabastab mahla ka selliseid komponente nagu fenoolsed ühendid. Ultraheli parandab ekstraheerimisprotsessi ja võib seetõttu suurendada fenoolsete ühendite, alkaloidide ja mahla saagist, mis jääb tavaliselt pressimisjääki.

Ultraheli töötluse soodsat mõju fenoolsete ühendite ja antotsüaniinide vabanemisele viinamarjade ja marjade maatriksist mahlasse, eriti mustikatest (Vaccinium myrtillus) ja mustsõstardest (>Ribes nigrum), uuris Soome VTT Biotechnology, kasutades ultraheli protsessorit UIP2000hd pärast sulatamist, püreestamist ja ensüümidega inkubeerimist. Rakuseinte lõhkumine ensümaatilise töötlusega (Pectinex BE-3L mustikate ja Biopectinase CCM mustsõstarde jaoks) paranes, kui seda kombineeriti ultrahelile. “US-töötlus suurendas mustikamahla fenoolsete ühendite kontsentratsiooni enam kui 15%. […] US-i (ultraheli) mõju oli olulisem mustsõstarde puhul, mis on mahlatöötluses mustikatest keerulisemad marjad nende kõrge pektiinisisalduse ja erineva rakuseina ehituse tõttu. […] fenoolsete ühendite kontsentratsioon mahlas suurenes 15-25% US-i (ultraheli) töötluse abil pärast ensüümidega inkubeerimist.” (vrd Mokkila et al., 2004)

Selles ettekandes tutvustame taimsete ekstraktide valmistamist. Selgitame kvaliteetsete taimsete ekstraktide tootmisega seotud raskusi ja seda, kuidas ultraheliseade aitab neid ületada. Ettekanne näitab, kuidas ultraheliga ekstraheerimine toimib. Saate teada, milliseid eeliseid pakub ultraheliseadme kasutamine ekstraheerimisel ja kuidas võtta ultraheliekstraktor kasutusele oma ekstraktide tootmises.

Mikroobide ja ensüümide inaktiveerimine

Mikroobide ja ensüümide inaktiveerimine (säilitamine), nt puuviljamahlades ja kastmetes, on ultraheli teine rakendusvaldkond toiduainete töötlemisel. Tänapäeval on säilitamine temperatuuri lühiajalise tõstmise teel (pastöriseerimine) endiselt kõige levinum töötlemismeetod mikroobide või ensüümide inaktiveerimiseks, mis pikendab säilivusaega (säilitamine). Kõrge temperatuuri toime tõttu kaasnevad tavapärase termilise pastöriseerimisega toiduainete puhul sageli puudused.
Uute ainete teke kuumuse katalüüsitud reaktsioonides ja makromolekulide modifitseerumine ning taimsete ja loomsete struktuuride deformeerumine võivad põhjustada kvaliteedi languse. Seetõttu võib termiline töötlus põhjustada soovimatuid muutusi organoleptilistes omadustes, st tekstuuris, maitses, värvuses ja lõhnas, ning toiteväärtuslikes omadustes, st vitamiinides ja valkudes. Ultraheli on tõhus mittetermiline (minimaalne) töötlemisalternatiiv.

Erinevalt tavapärastest kuumtöötlustest kasutab ultrahelisäilitamine ensüümide inaktiveerimiseks akustilise kavitatsiooni energiat ja nihkejõude. Piisavalt madalal ultraheli töötluse tasemel võivad rakkudes toimuda struktuursed ja metaboolsed muutused ilma nende hävimiseta. Peroksidaasi aktiivsust, mida leidub enamikus toortes ja blanšeerimata puu- ja köögiviljades ning mida võib eriti seostada kõrvalmaitsete ja pruunistavate pigmentide tekkega, saab ultraheli kasutamisega oluliselt vähendada. Termoresistentseid ensüüme, nagu lipaas ja proteaas, mis taluvad ülikõrge temperatuuriga töötlust ja mis võivad vähendada kuumtöödeldud piima ja muude piimatoodete kvaliteeti ja säilivusaega, saab tõhusamalt inaktiveerida ultraheli, kuumuse ja rõhu samaaegse kasutamisega (MTS).

Ultraheli on näidanud oma potentsiaali toidu kaudu levivate patogeenide, nagu E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium’i tsüstid ja Poliovirus, hävitamisel.

Sobib: moosi, marmelaadi või kate- ja täidiste, puuviljamahlade ja kastmete, lihatoodete, piimatoodete ja jäätise säilitamiseks.

Hielscher ultraheliseadmetega saab homogeniseerida ja pastöriseerida vedelaid munatooteid (täismuna, munavalget ja munakollast), et tagada toiduohutus ja mehaaniline stabiilsus. Hielscher ultrahelihomogenisaatorid tekitavad mikroobide hävitamiseks intensiivset kavitatsiooni ja suuri nihkejõude. Ultrahelipastöriseerimine on väga tulemuslik ja tõhus alternatiiv madalatemperatuurilisele pastöriseerimisele. Ultraheliga pastöriseeritud vedelas munamassis denatureeruvad valgud vähem, maitsekadu on väiksem, ühtlus parem ja energiatõhusus märkimisväärselt suurem.

Ultraheli sünergia temperatuuri ja rõhuga

Ultraheli töötlus on sageli tõhusam, kui seda kombineerida teiste antimikroobsete meetoditega, näiteks:

termosonikeerimine, st kuumus ja ultraheli
manosonikeerimine, st rõhk ja ultraheli
mano-termosonikeerimine, st rõhk, kuumus ja ultraheli

Ultraheli kombineeritud kasutamist kuumuse ja/või rõhuga soovitatakse liikide Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae ja Aeromonas hydrophila puhul.

Ultraheli võrreldes teiste toidu säilitamise tehnikatega

Erinevalt teistest termilistest ja mittetermilistest protsessidest, nagu kõrgsurvehomogeniseerimine, kuumpastöriseerimine, kõrgsurvetöötlus (HPP), kokkusurutud süsinikdioksiid (cCO2) ja ülekriitiline süsinikdioksiid (ScCO2), kõrgepingelised elektrivälja impulsid (HELP) või mikrolaine, saab ultraheli lihtsalt katsetada labori- või lauamõõtkavas – see annab reprodutseeritavaid tulemusi mastaabi suurendamiseks. Intensiivsust ja kavitatsiooni iseloomustajaid saab lihtsalt kohandada konkreetsele ekstraheerimisprotsessile, et saavutada kindlaid eesmärke. Amplituudi ja rõhku saab muuta laias vahemikus, nt kõige energiatõhusama ekstraheerimisseadistuse leidmiseks.

Muud sondtüüpi ultraheliekstraheerimise kasutamisega seotud eelised on ekstrakti lihtne käsitsemine, kiire teostus, jääkide puudumine, kõrge saagis, keskkonnasõbralikkus, parem kvaliteet ja ekstrakti lagunemise vältimine.
(vrd Chemat et al., 2011)

Ultraheli abil toidu töötlemise eelised

Täielikum ekstraheerimine
Mittetermiline säilitamine
Suuremad saagised
Rohkesti toitaineid, esmaklassiline toidukvaliteet
Kiire protsess
Külm / mittetermiline protsess
Lihtne ja ohutu kasutada
Väike hooldusvajadus

Suure jõudlusega ultrahelisonikaatorid ekstraheerimiseks ja säilitamiseks

Hielscher Ultrasonics projekteerib, valmistab ja turustab suure jõudlusega ultrahelitöötlusseadmeid (ultrasonikaatoreid) tõhusaks ekstraheerimiseks ja säilitamiseks. Hielscheri ultrahelitehnika kasutamine ekstraheerimiseks ja toidu säilitamiseks on võimas töötlustehnoloogia, mida saab rakendada mitte ainult ohutult ja keskkonnasõbralikult, vaid ka tõhusalt ja ökonoomselt. Homogeniseerivat ja säilitavat toimet saab hõlpsasti kasutada mis tahes vedela või pastataolise toiduprodukti puhul, sealhulgas puuviljamahlad ja püreed (nt apelsin, õun, greipfruut, mango, viinamari, ploom), samuti köögiviljakastmed ja supid (nt tomatikaste või spargelsupp), piimatooted, munad ja liha.
Meie ultraheli homogenisaatorite ja ekstraktorite valik ulatub käeshoitavatest kaasaskantavatest seadmetest täismahus tööstuslike tootmissüsteemideni suurte mahtude inline-töötlemiseks kommertsmastaabis.

Projekteerimine, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja projekteerimisstandardite poolest. Töökindlus ja lihtne käsitsemine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid toimivad hõlpsasti ka rasketes tingimustes ja nõudlikes keskkondades.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu tipptehnoloogiat ja kasutajasõbralikkust pakkuvatele suure jõudlusega ultrasonikaatoritele. Loomulikult vastavad Hielscheri ultrasonikaatorid CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs-i nõudeid.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Partii maht	Vooluhulk	Soovitatavad seadmed
0,5 kuni 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 kuni 500mL	10 kuni 200mL/min	UP100H
10 kuni 2000mL	20 kuni 400mL/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
n.a.	10 kuni 100L/min	UIP16000
n.a.	suurem	klaster seadmetest UIP16000

Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!

Seotud teemad

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.

Teadmist väärt fakte

Rakkude ultrahelidesintegreerimine

Intensiivse ultraheli töötluse (sonikeerimise) korral võivad ensüümid või valgud rakkudest või rakusisestest organellidest vabaneda rakkude desintegreerimise tulemusena. Sel juhul on lahustisse viidav ühend suletud lahustumatusse struktuuri. Selle ekstraheerimiseks tuleb rakumembraan hävitada. Rakkude lõhkumine on tundlik protsess, sest rakuseina võime taluda sisemist kõrget osmootset rõhku. Rakkude lõhkumise head kontrolli on vaja, et vältida kõigi rakusiseste saaduste, sealhulgas rakujäätmete ja nukleiinhapete, takistamatut vabanemist või produkti denatureerumist.
Ultraheli töötlus on hästi kontrollitav vahend rakkude desintegreerimiseks. Selleks tagavad ultraheli mehaanilised mõjud lahusti kiirema ja täielikuma tungimise rakumaterjalidesse ning parandavad massiülekannet. Ultraheli saavutab lahusti sügavama tungimise taimekoesse ja parandab massiülekannet. Kavitatsiooni tekitavad ultraheli lained lõhuvad rakuseinu ja hõlbustavad maatriksi komponentide vabanemist.

Ultraheli abil parandatud massiülekanne soodustab ekstraheerimist

Üldiselt võib ultraheli põhjustada rakumembraanide läbilaskvuse suurenemist ioonidele ja see võib rakumembraanide selektiivsust oluliselt vähendada. Ultraheli mehaaniline toime soodustab lahustite difusiooni koesse. Kuna ultraheli lõhub rakuseina mehaaniliselt kavitatsiooni nihkejõudude abil, hõlbustab see ülekannet rakust lahustisse. Osakeste suuruse vähenemine ultraheli kavitatsiooni toimel suurendab tahke ja vedela faasi kokkupuutepinda.

E.coli ultraheli lüüs ja inaktiveerimine

Rekombinantsete valkude väikeste koguste tootmiseks nende bioloogiliste omaduste uurimiseks ja iseloomustamiseks on E.coli eelistatud bakter. Puhastusmärgised, nt polühistidiinisaba, beeta-galaktosidaas või maltoosi siduvad valgud, liidetakse rekombinantsete valkudega tavaliselt selleks, et neid oleks võimalik rakuekstraktidest eraldada enamiku analüütiliste eesmärkide jaoks piisava puhtusastmega. Ultraheli töötlus võimaldab valgu vabanemist maksimeerida, eriti kui tootmissaagis on madal, ning säilitada rekombinantse valgu struktuuri ja aktiivsust.

Ultraheliga oksüdeerimine

Kontrollitud intensiivsusel võib ultraheli rakendamine biotransformatsioonile ja kääritamisele hästi viia tõhustatud bioprotsessini, mis tuleneb esilekutsutud bioloogilistest toimetest ja hõlbustatud rakusisesest massiülekandest. Kontrollitud ultraheli (20kHz) rakendamise mõju kolesterooli oksüdeerumisele kolestenooniks Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (varem Nocardia erythropolis) puhkavate rakkude poolt uuris Bar (1987).
See süsteem on tüüpiline sterooli ja steroidide mikroobsetele muundamistele selle poolest, et substraat ja produktid on vees lahustumatud tahked ained. Seetõttu on see süsteem üsna ainulaadne selle poolest, et ultraheli mõju võib avalduda nii rakkudele kui ka tahketele osakestele. Piisavalt madala ultraheli intensiivsuse korral, mis säilitas rakkude struktuurse terviklikkuse ja nende metaboolse aktiivsuse, täheldas Bar biotransformatsiooni kineetiliste kiiruste olulist suurenemist mikroobsetes suspensioonides, mis sisaldasid 1,0 ja 2,5 g/L kolesterooli, kui neid töödeldi ultrahelis 5s iga 10mn järel väljundvõimsusega 0,2W/cm². Ultraheli ei avaldanud mõju kolesterooli (2,5g/L) ensümaatilisele oksüdeerumisele kolesterooloksüdaasi toimel.

Mis on kõrgsurvetöötlus toidu säilitamisel?

Kõrgsurvetöötlus (HPP) on mittetermiline toidu säilitamise meetod, mis inaktiveerib mikroorganisme ja ensüüme, säilitades samal ajal toote sensoorsed ja toiteväärtuslikud omadused. See hõlmab pakendatud toidu allutamist hüdrostaatilisele rõhule, tavaliselt vahemikus 300 kuni 600 MPa (megapaskalit), sekunditeks kuni minutiteks. Kõrgsurvetöötluse suur väljakutse on selle väga suur energiatarve. Loe lähemalt, kuidas ultraheli töötlus (sonikeerimine) aitab HPP energiavajadust vähendada!