Ultraääniuutto ja säilöntä

Ultraääniuutossa ja -säilönnässä käytetään teho-ultraääntä solurakenteiden hajottamiseen (lyysi). Solujen hajottaminen ultraäänellä mahdollistaa solunsisäisten yhdisteiden erittäin tehokkaan uuton sekä mikrobien inaktivoinnin. Lukuisten etujensa ansiosta ultraäänikäsittelyä käytetään laajalti elintarviketeollisuudessa uuttoon ja säilöntään. Lue lisää ultraääniuuton ja elintarvikkeiden ultraäänikäsittelyn eduista!

Teho-ultraääni elintarvikkeiden ja kasvimateriaalien uuttoon ja säilöntään

Ultraääniuutto: Ultraääniuutto on prosessi, jossa korkeataajuisia ääniaaltoja käytetään yhdisteiden uuttamiseen erilaisista materiaaleista, kuten kasveista, hedelmistä ja vihanneksista. Prosessissa ultraääniaaltojen avulla luodaan nesteeseen tai puolikiinteään materiaaliin korkeapaineisia kuplia, jotka luhistuvat nopeasti ja synnyttävät voimakasta lämpöä ja painetta. Ne hajottavat materiaalin soluseinämiä ja vapauttavat halutut yhdisteet.

Ultraääniuuton ja -säilönnän toimintaperiaate

Ultraääniuuton perusperiaate perustuu akustisena kavitaationa tunnettuun ilmiöön. Kun neste altistetaan voimakkaille, matalataajuisille ultraääniaalloille (noin 20 kHz), syntyy paineaaltoja, jotka muodostavat nesteeseen pieniä tyhjiökuplia. Nämä kuplat kasvavat ultraäänen intensiteetin lisääntyessä. Saavutettuaan tietyn koon ne luhistuvat äkillisesti ja rajusti, synnyttävät iskuaallon ja vapauttavat energiaa lämpönä ja paineena.
Tämä prosessi hajottaa soluseinämiä mekaanisesti ja vapauttaa halutut yhdisteet materiaalista nestemäiseen liuottimeen. Vapautuneet yhdisteet voidaan tämän jälkeen erottaa liuottimesta tavanomaisilla erotustekniikoilla, kuten suodatuksella tai sentrifugoinnilla.

 
Ultraäänisäilöntä: Ultraäänisäilöntä perustuu samoihin kavitaatiovaikutuksiin kuin ultraääniuutto. Säilönnässä teho-ultraääntä käytetään helposti pilaantuvien elintarvikkeiden säilyvyysajan pidentämiseen estämällä pilaantumista aiheuttavien mikro-organismien kasvua korkeataajuisilla ääniaalloilla. Prosessissa elintarvike altistetaan ultraääniaalloille, jotka hajottavat bakteerien, hiivojen ja homeiden soluseinämiä ja johtavat niiden tuhoutumiseen tai toiminnan estymiseen.
Tämä prosessi hajottaa mikro-organismien soluseinämiä mekaanisesti ja johtaa niiden tuhoutumiseen tai toiminnan estymiseen. Ultraääniaallot voivat myös lisätä solukalvojen läpäisevyyttä, jolloin säilöntäaineet ja muut antimikrobiset aineet pääsevät tunkeutumaan mikro-organismeihin ja tappamaan ne tehokkaammin.
Ultraäänisäilöntää suositaan perinteisiin säilöntämenetelmiin verrattuna, koska se tarjoaa useita etuja, kuten lyhyemmän käsittelyajan, paremman tehokkuuden ja mahdollisuuden säilyttää elintarvikkeen luonnolliset ominaisuudet ja maut. Sitä käytetään monenlaisissa elintarvikkeissa, kuten kastikkeissa, mehuissa, maitotuotteissa, kananmunissa ja lihassa, niiden säilyvyysajan pidentämiseksi ja turvallisuuden varmistamiseksi.

Ultraääniuutto- ja -säilöntätekniikkaa suositaan perinteisiin uutto- ja säilöntämenetelmiin verrattuna, koska se tarjoaa useita etuja, kuten nopeamman uuton, erinomaisen tuotelaadun, suuremman saannon, puhtaasti mekaanisen, ei-termisen käsittelyn ja mahdollisuuden uuttaa laajempi valikoima yhdisteitä. Sitä käytetään monilla teollisuudenaloilla, kuten elintarvike- ja juomateollisuudessa, lääketeollisuudessa ja kosmetiikkateollisuudessa.

Proteiinien ja entsyymien ultraääniuutto

Erityisesti soluihin ja solunsisäisiin hiukkasiin varastoituneiden entsyymien ja proteiinien uutto on ainutlaatuinen ja tehokas voimakkaan ultraäänen käyttökohde, sillä kasvien ja siementen sisällä olevien orgaanisten yhdisteiden uuttoa liuottimella voidaan parantaa merkittävästi. Ultraäänestä voi siksi olla hyötyä uusien, mahdollisesti bioaktiivisten komponenttien uuttamisessa ja eristämisessä esimerkiksi nykyisissä prosesseissa syntyvistä hyödyntämättömistä sivutuotevirroista. Ultraääni voi myös auttaa tehostamaan entsyymikäsittelyn vaikutuksia ja siten vähentää tarvittavan entsyymin määrää tai lisätä uutettavien, merkityksellisten yhdisteiden saantoa.

Lipidien ja proteiinien ultraääniuutto

Ultraäänikäsittelyä käytetään usein tehostamaan lipidien ja proteiinien uuttoa kasvien siemenistä, kuten soijapavuista (esimerkiksi jauhosta tai rasvattomista soijapavuista) tai muista öljysiemenistä. Tällöin soluseinämien tuhoutuminen helpottaa puristamista (kylmänä tai kuumana) ja vähentää siten puristuskakkuun jäävän öljyn tai rasvan määrää.

Moulton ym. osoittivat jatkuvatoimisen ultraääniuuton vaikutuksen dispergoituneen proteiinin saantoon. Ultraäänikäsittely lisäsi dispergoituneen proteiinin talteenottoa asteittain, kun hiutaleiden ja liuottimen suhde muuttui suhteesta 1:10 suhteeseen 1:30. Tulokset osoittivat, että ultraääni pystyy peptisoimaan soijaproteiinia lähes millä tahansa kaupallisen tuotannon käsittelykapasiteetilla ja että tarvittava ultraäänikäsittelyenergia oli pienimmillään käytettäessä sakeampia lietteitä.

Fenolisten yhdisteiden ja antosyaanien eristäminen ultraäänellä

Entsyymejä, kuten pektinaaseja, sellulaaseja ja hemisellulaaseja, käytetään laajalti mehujen käsittelyssä soluseinämien hajottamiseen ja mehun uutettavuuden parantamiseen. Soluseinämän matriisin hajottaminen vapauttaa mehuun myös komponentteja, kuten fenolisia yhdisteitä. Ultraääni parantaa uuttoprosessia ja voi siksi lisätä fenolisten yhdisteiden, alkaloidien ja mehun saantoa ottamalla talteen materiaalia, joka tavallisesti jää puristuskakkuun.

VTT Biotechnology Suomessa tutki ultraäänikäsittelyn myönteisiä vaikutuksia fenolisten yhdisteiden ja antosyaanien vapautumiseen rypäleiden ja marjojen matriisista mehuun, erityisesti mustikoista (Vaccinium myrtillus) ja mustaherukoista (>Ribes nigrum). Tutkimuksessa käytettiin ultraääniprosessoria UIP2000hd sulatuksen, murskauksen ja entsyymi-inkubaation jälkeen. Entsyymikäsittelyn aikaansaama soluseinämien hajotus (mustikoille Pectinex BE-3L ja mustaherukoille Biopectinase CCM) tehostui, kun se yhdistettiin ultraääneen. ”US-käsittely lisää mustikkamehun fenolisten yhdisteiden pitoisuutta yli 15%. […] US:n (ultraäänen) vaikutus oli merkittävämpi mustaherukoilla, jotka ovat mehunkäsittelyssä mustikoita haastavampia marjoja suuren pektiinipitoisuutensa ja erilaisen soluseinämärakenteensa vuoksi. […] mehun fenolisten yhdisteiden pitoisuus kasvoi 15–25%, kun entsyymi-inkubaation jälkeen käytettiin US-käsittelyä (ultraäänikäsittelyä).” (vrt. Mokkila ym., 2004)
 

Mikrobien ja entsyymien inaktivointi

Mikrobien ja entsyymien inaktivointi (säilöntä) esimerkiksi hedelmämehuissa ja kastikkeissa on toinen ultraäänen käyttökohde elintarvikkeiden käsittelyssä. Nykyään säilöntä nostamalla lämpötilaa lyhyeksi ajaksi (pastörointi) on edelleen yleisin mikrobien tai entsyymien inaktivointiin käytettävä käsittelymenetelmä, joka pidentää säilyvyysaikaa (säilöntä). Korkealle lämpötilalle altistumisen vuoksi perinteiseen lämpöpastörointiin liittyy usein haittoja elintarvikkeille.
Uusien aineiden muodostuminen lämmön katalysoimissa reaktioissa, makromolekyylien muuntuminen sekä kasvi- ja eläinrakenteiden muodonmuutokset voivat johtaa laadun heikkenemiseen. Lämpökäsittely voi siksi aiheuttaa ei-toivottuja muutoksia aistinvaraisiin ominaisuuksiin eli rakenteeseen, makuun, väriin ja hajuun sekä ravitsemuksellisiin ominaisuuksiin eli vitamiineihin ja proteiineihin. Ultraääni on tehokas, ei-terminen (minimaalinen) käsittelyvaihtoehto.

Perinteisistä lämpökäsittelyistä poiketen ultraäänisäilöntä hyödyntää akustisen kavitaation energiaa ja leikkausvoimia entsyymien inaktivointiin. Riittävän alhaisilla ultraäänikäsittelytasoilla soluissa voi tapahtua rakenteellisia ja aineenvaihdunnallisia muutoksia ilman solujen tuhoutumista. Peroksidaasin aktiivisuutta voidaan vähentää huomattavasti ultraäänen avulla. Peroksidaasia esiintyy useimmissa raaoissa ja ryöppäämättömissä hedelmissä ja vihanneksissa, ja se voi liittyä erityisesti virhemakujen ja ruskettavien pigmenttien muodostumiseen. Lämmönkestävät entsyymit, kuten lipaasi ja proteaasi, jotka kestävät iskukuumennuksen ja voivat heikentää lämpökäsitellyn maidon ja muiden maitotuotteiden laatua ja säilyvyysaikaa, voidaan inaktivoida tehokkaammin käyttämällä samanaikaisesti ultraääntä, lämpöä ja painetta (MTS).

Ultraääni on osoittanut potentiaalinsa elintarvikevälitteisten taudinaiheuttajien, kuten E.coli-bakteerien, salmonellojen, Ascaris-sukkulamatojen, Giardia-loisten, Cryptosporidium-kystien ja polioviruksen, tuhoamisessa.

Soveltuu seuraavien säilöntään: hillot, marmeladit tai kuorrutteet, hedelmämehut ja kastikkeet, lihatuotteet, maitotuotteet ja jäätelö.
 

Ultraäänen yhteisvaikutukset lämpötilan ja paineen kanssa

Ultraäänikäsittely on usein tehokkaampaa, kun se yhdistetään muihin antimikrobisiin menetelmiin, kuten:

• lämpöultraäänikäsittely eli lämpö ja ultraääni
• paineultraäänikäsittely eli paine ja ultraääni
• paine-lämpöultraäänikäsittely eli paine, lämpö ja ultraääni

Ultraäänen käyttöä yhdessä lämmön ja/tai paineen kanssa suositellaan seuraaville mikro-organismeille: Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae ja Aeromonas hydrophila.

Ultraääni verrattuna muihin elintarvikkeiden säilöntätekniikoihin

Toisin kuin muita termisiä ja ei-termisiä prosesseja, kuten korkeapainehomogenointia, lämpöpastörointia, korkeapainekäsittelyä (HPP), paineistettua hiilidioksidia (cCO2) ja ylikriittistä hiilidioksidia (ScCO2), voimakkaita sähkökenttäpulsseja (HELP) tai mikroaaltoja, ultraääntä voidaan helposti testata laboratorio- tai pöytälaitemittakaavassa – näin saadaan toistettavia tuloksia mittakaavan suurentamiseen. Intensiteetti ja kavitaatio-ominaisuudet voidaan helposti sovittaa tiettyyn uuttoprosessiin sen tavoitteiden saavuttamiseksi. Amplitudia ja painetta voidaan vaihdella laajalla alueella esimerkiksi energiatehokkaimman uuttolaitteiston määrittämiseksi.

Muita ultraäänianturiin perustuvan uuton etuja ovat uutteen helppo käsittely, nopea toteutus, jäämättömyys, suuri saanto, ympäristöystävällisyys, parempi laatu ja uutteen hajoamisen ehkäisy.
(vrt. Chemat ym., 2011)

Tehokkaat ultraäänilaitteet uuttoon ja säilöntään

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja myy tehokkaita ultraäänilaitteita tehokkaaseen uuttoon ja säilöntään. Hielscherin ultraäänilaitteiden käyttö uuttoon ja elintarvikkeiden säilöntään on tehokas käsittelyteknologia, jota voidaan soveltaa turvallisesti ja ympäristöystävällisesti sekä tehokkaasti ja taloudellisesti. Homogenoivaa ja säilyvyyttä parantavaa vaikutusta voidaan helposti hyödyntää missä tahansa nestemäisessä tai tahnamaisessa elintarvikkeessa, kuten hedelmämehuissa ja -soseissa (esimerkiksi appelsiini, omena, greippi, mango, rypäle, luumu) sekä kasviskastikkeissa ja -keitoissa (esimerkiksi tomaattikastike tai parsakeitto), maitotuotteissa, kananmunissa ja lihassa.
Ultraäänihomogenisaattorien ja -uuttolaitteiden valikoimamme ulottuu kädessä pidettävistä, kannettavista laitteista täysin teollisiin tuotantojärjestelmiin, joilla käsitellään suuria määriä jatkuvatoimisesti kaupallisessa mittakaavassa.

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscherin ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti tehokkaita ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusinta tekniikkaa edustava teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat tietenkin CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: