استخراج و نگهداری با فراصوت
در استخراج و نگهداری فراصوتی، از فراصوت پرتوان برای متلاشیکردن ساختارهای سلولی (لیز) استفاده میشود. شکستن سلولها با فراصوت به استخراج بسیار کارآمد ترکیبات درونسلولی و همچنین غیرفعالسازی میکروبی میانجامد. فراصوتدهی بهدلیل مزایای فراوان، کاربرد گستردهای در استخراج و نگهداری مواد غذایی دارد. دربارهٔ مزایای استخراج و فرآوری مواد غذایی با فراصوت بیشتر بدانید!
فراصوت پرتوان برای استخراج و نگهداری مواد غذایی و مواد گیاهی
استخراج فراصوتی: استخراج فراصوتی فرایندی است که از امواج صوتی با فرکانس بالا برای استخراج ترکیبات از مواد گوناگون، مانند گیاهان، میوهها و سبزیجات استفاده میکند. در این فرایند، امواج فراصوت حبابهای پرفشاری در یک مادهٔ مایع یا نیمهجامد ایجاد میکنند که بهسرعت فرومیپاشند و با تولید گرما و فشار شدید، دیوارههای سلولی ماده را تخریب و ترکیبات موردنظر را آزاد میکنند.
اصل عملکرد استخراج و نگهداری فراصوتی
اصل بنیادی استخراج فراصوتی بر پدیدهای به نام کاویتاسیون آکوستیکی استوار است. هنگامی که مایعی در معرض امواج فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین (حدود 20 kHz) قرار میگیرد، امواج فشاری ایجاد میشوند که حبابهای ریز خلأ را در مایع به وجود میآورند. با افزایش شدت فراصوت، اندازهٔ این حبابها بزرگتر میشود و وقتی به اندازهٔ مشخصی برسند، بهطور ناگهانی و شدید فرومیپاشند، موج ضربهای ایجاد میکنند و انرژی را بهشکل گرما و فشار آزاد میسازند.
این فرایند باعث تخریب مکانیکی دیوارههای سلولی و آزادشدن ترکیبات موردنظر از ماده به درون حلال مایع میشود. سپس میتوان ترکیبات آزادشده را با روشهای استاندارد جداسازی، مانند فیلتراسیون یا سانتریفیوژ، از حلال جدا کرد.
دستگاه فراصوتی UP400St برای استخراج غیرحرارتی و کارآمد مواد گیاهی.
نگهداری فراصوتی: نگهداری فراصوتی بر همان اثرات کاویتاسیونیِ استخراج فراصوتی استوار است. برای نگهداری، فراصوت پرتوان با استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا، رشد میکروارگانیسمهای عامل فساد را مهار میکند و ماندگاری مواد غذایی فسادپذیر را افزایش میدهد. در این فرایند، مواد غذایی در معرض امواج فراصوت قرار میگیرند که دیوارههای سلولی باکتریها، مخمرها و کپکها را تخریب میکنند و موجب نابودی یا مهار آنها میشوند.
این فرایند باعث تخریب مکانیکی دیوارههای سلولی میکروارگانیسمها میشود و به نابودی یا مهار آنها میانجامد. امواج فراصوت همچنین میتوانند نفوذپذیری غشاهای سلولی را افزایش دهند تا مواد نگهدارنده و سایر عوامل ضدمیکروبی مؤثرتر نفوذ کنند و میکروارگانیسمها را از بین ببرند.
نگهداری فراصوتی بهدلیل مزایایی مانند زمان فرآوری کوتاهتر، کارایی بالاتر و قابلیت حفظ ویژگیها و طعمهای طبیعی مواد غذایی، بر روشهای سنتی نگهداری ترجیح داده میشود. این روش برای افزایش ماندگاری و تضمین ایمنی طیف گستردهای از محصولات غذایی، مانند سسها، آبمیوهها، محصولات لبنی، تخممرغ و گوشت به کار میرود.
روش استخراج و نگهداری فراصوتی بهدلیل مزایایی مانند سرعت بیشتر استخراج، کیفیت عالی محصول، بازده بالاتر، تیمار غیرحرارتیِ کاملاً مکانیکی و قابلیت استخراج طیف گستردهتری از ترکیبات، بر روشهای سنتی استخراج و نگهداری ترجیح داده میشود. این روش در صنایع متنوعی مانند مواد غذایی و نوشیدنی، داروسازی و محصولات آرایشی کاربرد دارد.
کاویتاسیون فراصوتی قدرتمند در Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
استخراج فراصوتی پروتئین و آنزیم
بهویژه استخراج آنزیمها و پروتئینهای ذخیرهشده در سلولها و ذرات زیرسلولی، کاربردی منحصربهفرد و مؤثر از فراصوت با شدت بالا است، زیرا استخراج ترکیبات آلی موجود در پیکرهٔ گیاهان و دانهها با حلال میتواند بهطور چشمگیری بهبود یابد. بنابراین، فراصوت میتواند در استخراج و جداسازی اجزای نوینی که احتمالاً زیستفعال هستند، سودمند باشد؛ برای مثال، از جریانهای محصولات جانبیِ استفادهنشده که در فرایندهای کنونی ایجاد میشوند. فراصوت همچنین میتواند اثرات تیمار آنزیمی را تقویت کند و از این طریق مقدار آنزیم موردنیاز را کاهش دهد یا بازده ترکیبات موردنظرِ قابلاستخراج را افزایش دهد.
استخراج فراصوتی لیپیدها و پروتئینها
فراصوتدهی اغلب برای بهبود استخراج لیپیدها و پروتئینها از دانههای گیاهی، مانند سویا (برای مثال، آرد سویا یا سویای چربیگیریشده) یا سایر دانههای روغنی استفاده میشود. در این حالت، تخریب دیوارههای سلولی پرسکردن (سرد یا گرم) را تسهیل میکند و در نتیجه روغن یا چربی باقیمانده در کنجالهٔ پرس را کاهش میدهد.
تأثیر استخراج پیوستهٔ فراصوتی بر بازده پروتئین پراکندهشده توسط Moulton et al. نشان داده شد. با تغییر نسبت پرک به حلال از 1:10 به 1:30، فراصوتدهی بازیابی پروتئین پراکندهشده را بهتدریج افزایش داد. این مطالعه نشان داد که فراصوت تقریباً در هر ظرفیت پردازش تجاری قادر به پپتیزهکردن پروتئین سویا است و هنگام استفاده از دوغابهای غلیظتر، انرژی موردنیاز برای فراصوتدهی در کمترین مقدار خود قرار دارد.
جداسازی فراصوتی ترکیبات فنولی و آنتوسیانینها
آنزیمهایی مانند پکتینازها، سلولازها و همیسلولازها بهطور گسترده در فرآوری آبمیوه برای تجزیهٔ دیوارههای سلولی و بهبود قابلیت استخراج آبمیوه استفاده میشوند. تخریب ماتریس دیوارهٔ سلولی همچنین اجزایی مانند ترکیبات فنولی را به درون آبمیوه آزاد میکند. فراصوت فرایند استخراج را بهبود میبخشد و بنابراین میتواند بازیابی ترکیبات فنولی، آلکالوئیدها و آبمیوهای را که معمولاً در تفالهٔ پرس باقی میمانند، افزایش دهد.
اثرات سودمند تیمار فراصوتی بر آزادسازی ترکیبات فنولی و آنتوسیانینها از ماتریس انگور و میوههای ستهای، بهویژه بیلبری (Vaccinium myrtillus) و انگورفرنگی سیاه (>Ribes nigrum)، به درون آبمیوه، توسط VTT Biotechnology در فنلاند بررسی شد. در این بررسی، پس از یخزدایی، لهکردن و انکوباسیون آنزیمی، از پردازشگر فراصوتی UIP2000hd استفاده شد. تخریب دیوارههای سلولی با تیمار آنزیمی (Pectinex BE-3L برای بیلبری و Biopectinase CCM برای انگورفرنگی سیاه) در ترکیب با فراصوت بهبود یافت. «تیمار US غلظت ترکیبات فنولی آب بیلبری را بیش از 15% افزایش میدهد. […] تأثیر US (فراصوت) بر انگورفرنگی سیاه بیشتر بود؛ این میوه بهدلیل محتوای بالای پکتین و معماری متفاوت دیوارهٔ سلولی، در فرآوری آبمیوه نسبت به بیلبری چالشبرانگیزتر است. […] با استفاده از تیمار US (فراصوت) پس از انکوباسیون آنزیمی، غلظت ترکیبات فنولی در آبمیوه 15–25% افزایش یافت.» (ر.ک. Mokkila et al., 2004)
دستگاه فراصوتی UIP6000hdT در یک تأسیسات صنعتی استخراج پیوسته.
غیرفعالسازی میکروبها و آنزیمها
غیرفعالسازی میکروبها و آنزیمها (نگهداری)، برای مثال در آبمیوهها و سسها، از دیگر کاربردهای فراصوت در فرآوری مواد غذایی است. امروزه، نگهداری از طریق افزایش دما برای مدت کوتاه (پاستوریزاسیون) همچنان رایجترین روش فرآوری برای غیرفعالسازی میکروبها یا آنزیمها است که به افزایش ماندگاری (نگهداری) میانجامد. پاستوریزاسیون حرارتی متداول، بهدلیل قرارگرفتن مواد غذایی در معرض دمای بالا، اغلب معایبی برای محصولات غذایی دارد.
تولید مواد جدید در واکنشهایی که گرما آنها را کاتالیز میکند، تغییر ماکرومولکولها و همچنین تغییر شکل ساختارهای گیاهی و جانوری ممکن است به افت کیفیت منجر شود. بنابراین، تیمار حرارتی میتواند تغییرات نامطلوبی در ویژگیهای حسی، یعنی بافت، طعم، رنگ و بو، و ویژگیهای تغذیهای، یعنی ویتامینها و پروتئینها ایجاد کند. فراصوت جایگزینی کارآمد برای فرآوری غیرحرارتی (حداقلی) است.
برخلاف تیمارهای حرارتی متداول، نگهداری فراصوتی از انرژی و نیروهای برشی کاویتاسیون آکوستیکی برای غیرفعالسازی آنزیمها استفاده میکند. در سطوح بهاندازهٔ کافی پایین فراصوتدهی، تغییرات ساختاری و متابولیکی میتوانند بدون نابودی سلولها در آنها رخ دهند. فعالیت پراکسیداز، که در بیشتر میوهها و سبزیجات خام و بلانچنشده یافت میشود و بهویژه میتواند با ایجاد طعمهای نامطلوب و رنگدانههای قهوهایشدن مرتبط باشد، با استفاده از فراصوت بهطور چشمگیری کاهش مییابد. آنزیمهای مقاوم به حرارت مانند لیپاز و پروتئاز، که تیمار با دمای فوقبالا را تحمل میکنند و میتوانند کیفیت و ماندگاری شیر حرارتدیده و سایر محصولات لبنی را کاهش دهند، با اعمال همزمان فراصوت، گرما و فشار (MTS) مؤثرتر غیرفعال میشوند.
فراصوت توانایی خود را در نابودی عوامل بیماریزای منتقله از غذا، مانند E.coli، Salmonellae، Ascaris، Giardia، کیستهای Cryptosporidium و Poliovirus نشان داده است.
قابلاستفاده برای: نگهداری مربا، مارمالاد یا تاپینگها، آبمیوهها و سسها، محصولات گوشتی، لبنیات و بستنی.
همافزایی فراصوت با دما و فشار
فراصوتدهی اغلب در ترکیب با سایر روشهای ضدمیکروبی مؤثرتر است، از جمله:
- ترموسونیکیشن، یعنی گرما و فراصوت
- مانوسونیکیشن، یعنی فشار و فراصوت
- مانوترموسونیکیشن، یعنی فشار، گرما و فراصوت
کاربرد ترکیبی فراصوت با گرما و/یا فشار برای Bacillus subtilis، Bacillus coagulans، Bacillus cereus، Bacillus sterothermophilus، Saccharomyces cerevisiae و Aeromonas hydrophila توصیه میشود.
فراصوت در مقایسه با سایر روشهای نگهداری مواد غذایی
برخلاف سایر فرایندهای حرارتی و غیرحرارتی، مانند هموژنیزاسیون پرفشار، پاستوریزاسیون حرارتی، فرآوری پرفشار (HPP)، دیاکسید کربن فشرده (cCO2) و دیاکسید کربن فوقبحرانی (ScCO2)، پالسهای میدان الکتریکی بالا (HELP) یا مایکروویو، فراصوت را میتوان بهآسانی در مقیاس آزمایشگاهی یا رومیزی آزمایش کرد – و نتایج تکرارپذیری برای افزایش مقیاس به دست آورد. شدت و ویژگیهای کاویتاسیون را میتوان بهآسانی با فرایند استخراج موردنظر سازگار کرد تا اهداف مشخصی محقق شوند. دامنه و فشار را میتوان در بازهای گسترده تغییر داد؛ برای مثال، برای شناسایی آرایش استخراج با بیشترین بهرهوری انرژی.
مزایای دیگر استفاده از استخراج فراصوتی از نوع پروبی عبارتاند از سهولت کار با عصاره، اجرای سریع، نبود باقیمانده، بازده بالا، سازگاری با محیطزیست، بهبود کیفیت و جلوگیری از تخریب عصاره.
(ر.ک. Chemat et al., 2011)
- استخراج کاملتر
- نگهداری غیرحرارتی
- بازده بالاتر
- محتوای بالای مواد مغذی، کیفیت ممتاز مواد غذایی
- فرایند سریع
- فرایند سرد / غیرحرارتی
- کاربری آسان و ایمن
- نیاز کم به نگهداری و تعمیرات
دستگاههای فراصوتی با عملکرد بالا برای استخراج و نگهداری
Hielscher Ultrasonics دستگاههای فراصوتی با عملکرد بالا را برای استخراج و نگهداری کارآمد طراحی، تولید و عرضه میکند. استفاده از تجهیزات فراصوتی Hielscher برای استخراج و نگهداری مواد غذایی، فناوری فرآوری قدرتمندی است که علاوه بر ایمنی و سازگاری با محیطزیست، کارآمد و اقتصادی نیز هست. اثر هموژنسازی و نگهداری را میتوان بهآسانی برای هر محصول غذایی مایع یا خمیری به کار برد؛ از جمله آبمیوهها و پورهها (مانند پرتقال، سیب، گریپفروت، انبه، انگور و آلو)، سسها و سوپهای سبزیجات (مانند سس گوجهفرنگی یا سوپ مارچوبه)، لبنیات، تخممرغ و گوشت.
مجموعهٔ هموژنایزرها و استخراجکنندههای فراصوتی ما از دستگاههای قابلحمل و قابل نگهداشتن در دست تا سامانههای تولید کاملاً صنعتی برای فرآوری درونخطی حجمهای زیاد در مقیاس تجاری را در بر میگیرد.
طراحی، تولید و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان
دستگاههای فراصوتی Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بیدردسر دستگاههای فراصوتی ما در تأسیسات صنعتی را امکانپذیر میکنند. دستگاههای فراصوتی Hielscher بهآسانی از عهدهٔ شرایط سخت و محیطهای پرچالش برمیآیند.
Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهی ISO است و بر دستگاههای فراصوتی با عملکرد بالا، مجهز به پیشرفتهترین فناوری و با کاربری آسان، تأکید ویژهای دارد. البته دستگاههای فراصوتی Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده میکنند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی فرآوری دستگاههای فراصوتی ما ارائه میدهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاههای پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابلاعمال نیست | VialTweeter | 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابلاعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابلاعمال نیست | بیشتر | مجموعهای از دستگاههای UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
منابع علمی / مراجع
- 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.
نکات دانستنی
متلاشیسازی سلولی با فراصوت
در فراصوتدهی شدید، آنزیمها یا پروتئینها میتوانند در نتیجهٔ متلاشیشدن سلول، از سلولها یا اندامکهای زیرسلولی آزاد شوند. در این حالت، ترکیبی که باید در حلال حل شود، درون ساختاری نامحلول محصور است. برای استخراج آن، غشای سلولی باید تخریب شود. تخریب سلولی فرایندی حساس است، زیرا دیوارهٔ سلولی توانایی تحمل فشار اسمزی بالای درون سلول را دارد. کنترل مناسب تخریب سلولی برای جلوگیری از آزادشدن مهارنشدهٔ همهٔ محصولات درونسلولی، از جمله بقایای سلولی و اسیدهای نوکلئیک، یا دناتورهشدن محصول ضروری است.
فراصوتدهی ابزاری با کنترلپذیری مناسب برای متلاشیسازی سلولی است. در این فرایند، اثرات مکانیکی فراصوت نفوذ سریعتر و کاملتر حلال به مواد سلولی را فراهم میکنند و انتقال جرم را بهبود میبخشند. فراصوت نفوذ حلال به بافت گیاهی را افزایش میدهد و انتقال جرم را بهبود میبخشد. امواج فراصوت با ایجاد کاویتاسیون، دیوارههای سلولی را تخریب و آزادسازی اجزای ماتریس را تسهیل میکنند.
بهبود انتقال جرم با فراصوت، استخراج را تقویت میکند
بهطور کلی، فراصوت میتواند نفوذپذیری غشاهای سلولی به یونها را افزایش دهد و گزینشپذیری غشاهای سلولی را بهطور چشمگیری کاهش دهد. فعالیت مکانیکی فراصوت به انتشار حلالها به درون بافت کمک میکند. از آنجا که فراصوت با نیروهای برشی کاویتاسیون، دیوارهٔ سلولی را بهصورت مکانیکی میشکند، انتقال از سلول به درون حلال را تسهیل میکند. کاهش اندازهٔ ذرات بهوسیلهٔ کاویتاسیون فراصوتی، سطح تماس میان فاز جامد و مایع را افزایش میدهد.
لیز و غیرفعالسازی فراصوتی E.coli
برای تولید مقادیر کم پروتئینهای نوترکیب بهمنظور مطالعه و تعیین ویژگیهای زیستی آنها، E.coli باکتری منتخب است. برچسبهای خالصسازی، مانند دنبالهٔ پلیهیستیدین، بتاگالاکتوزیداز یا پروتئینهای متصلشونده به مالتوز، معمولاً به پروتئینهای نوترکیب متصل میشوند تا بتوان آنها را با خلوص کافی برای بیشتر اهداف تحلیلی از عصارههای سلولی جدا کرد. فراصوتدهی امکان بهحداکثررساندن آزادسازی پروتئین، بهویژه هنگامی که بازده تولید پایین است، و حفظ ساختار و فعالیت پروتئین نوترکیب را فراهم میکند.
اکسیداسیون فراصوتی
در شدتهای کنترلشده، استفاده از فراصوت در زیستتبدیل و تخمیر میتواند بهدلیل اثرات زیستی القاشده و تسهیل انتقال جرم سلولی، به بهبود فرآوری زیستی منجر شود. تأثیر کاربرد کنترلشدهٔ فراصوت (20kHz) بر اکسیداسیون کلسترول به کلستناون توسط سلولهای در حال استراحت Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (با نام پیشین Nocardia erythropolis) توسط Bar (1987) بررسی شد.
این سامانه از این نظر نمونهای معمول از تبدیلهای میکروبی استرولها و استروئیدها است که سوبسترا و محصولات آن جامدات نامحلول در آب هستند. بنابراین، این سامانه از این جهت نسبتاً منحصربهفرد است که هم سلولها و هم جامدات میتوانند تحتتأثیر فراصوت قرار گیرند. در شدت فراصوتیِ بهاندازهٔ کافی پایین که یکپارچگی ساختاری سلولها و فعالیت متابولیکی آنها را حفظ میکرد، Bar افزایش چشمگیری در نرخهای سینتیکی زیستتبدیل در دوغابهای میکروبی حاوی 1٫0 و 2٫5 g/L کلسترول مشاهده کرد؛ این دوغابها هر 10mn بهمدت 5s با توان خروجی 0٫2W/cm² تحت فراصوتدهی قرار گرفتند. فراصوت هیچ تأثیری بر اکسیداسیون آنزیمی کلسترول (2٫5g/L) توسط کلسترول اکسیداز نشان نداد.
فرآوری پرفشار در نگهداری مواد غذایی چیست؟
فرآوری پرفشار (HPP) یک روش غیرحرارتی نگهداری مواد غذایی است که ضمن حفظ ویژگیهای حسی و تغذیهای محصول، میکروارگانیسمها و آنزیمها را غیرفعال میکند. در این روش، مواد غذایی بستهبندیشده برای چند ثانیه تا چند دقیقه در معرض فشار هیدروستاتیکی معمولاً بین 300 و 600 MPa (مگاپاسکال) قرار میگیرند. یکی از چالشهای عمدهٔ فرآوری پرفشار، مصرف بسیار بالای انرژی آن است. دربارهٔ اینکه فراصوتدهی چگونه میتواند به کاهش انرژی موردنیاز HPP کمک کند، بیشتر بخوانید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در اندازههای آزمایشگاهی تا صنعتی تولید میکند.
