Ultraäänitekniikka ja säilyttäminen

Solurakenteiden hajottamista (lyysiä) ultraäänen avulla käytetään solujen sisäisten yhdisteiden uuttamiseen tai mikrobi-inaktivoitumiseen.

Tausta

Mikrobiologiassa liittyy lähinnä ultraääni solujen häiriö (lyysi) tai hajoaminen (Allinger 1975-malli). Kun nesteitä sonikoidaan suurilla voimakkuuksilla, nestemäiseen väliaineeseen etenevät ääni-aallot johtavat vuorotellen korkeapaine- (puristus-) ja matalapaineisia (harvinainen) syklejä, joiden nopeudet riippuvat taajuudesta.
Alhaisen paineen syklin aikana suuritehoiset ultraääni-aallot muodostavat pienet tyhjökuplat tai tyhjiöt nesteeseen. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne kutistuvat voimakkaasti korkeapaineisen syklin aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Implosion aikana saavutetaan hyvin korkeita lämpötiloja (n. 5000 K) ja paineita (noin 2 000 m) paikallisesti. Kavitaatiokuplan implosio johtaa myös nestemäisiin suihkukoneisiin, joiden nopeus on jopa 280 m / s. Tuloksena olevat leikkausvoimat rikkovat soluverhokäyrää mekaanisesti ja parantavat materiaalin siirtoa. Ultrasoundilla voi olla joko tuhoavia tai rakentavia vaikutuksia soluihin riippuen käytetyistä sonikointiparametreista.

solujen hajoamista

Voimakkaissa sonikaatioentsyymeissä tai proteiineissa voidaan vapautua soluista tai solunsisäisistä organeleista seurauksena solujen hajoamista. Tässä tapauksessa liuottimeen liuotettava yhdiste suljetaan liukenemattomaan rakenteeseen. Jotta se voidaan erottaa, solukalvo on hävitettävä. Solujen häiriö on herkkä prosessi, koska soluseinän kyky kestää suurta osmoottista painetta sisältä. Solujen häiriön hyvä hallinta on välttämätöntä, jotta vältettäisiin kaikkien solunsisäisten tuotteiden, kuten solujätteiden ja nukleiinihappojen tai tuotteen denaturoinnin, esteetön vapautuminen.
Ultrasonication toimii hyvin hallittavana keinona solujen hajoamiselle. Tätä varten ultraäänen mekaaniset vaikutukset aikaansaavat nopeamman ja täydellisemmän liuottimen tunkeutumisen solumateriaaleihin ja parantavat massansiirtoa. Ultrasound saavuttaa suuremman liuottimen tunkeutumisen kasvikudokseen ja parantaa massansiirtoa. Kavitaation aiheuttavat ultraääniaallot häiritsevät soluseinämiä ja helpottavat matriisikomponenttien vapautumista.

Joukkoliikenne

Yleensä ultraääni voi johtaa solumembraanien permeabilisointiin ioneille (Mummery 1978), ja se voi vähentää solukalvojen selektiivisyyttä merkittävästi. Ultraäänen mekaaninen aktiivisuus tukee liuottimien diffuusiota kudokseen. Koska ultraääni rikkoo soluseinää mekaanisesti kavitaation leikkausvoimilla, se helpottaa siirtoa solusta liuottimeen. Ultraäänikavitaation hiukkaskoko vähentää pinta-alaa kosketuksessa kiinteän aineen ja nestefaasin välillä.

Proteiini ja entsyymiuutto

Erityisesti soluihin ja solunsisäisiin hiukkasiin varastoitujen entsyymien ja proteiinien uuttaminen on ainutlaatuinen ja tehokas ultraäänitutkimuksen (Työskentelee yrityksessä Kim 1989), koska kasvien ja siementen sisältämien orgaanisten yhdisteiden uuttaminen liuottimella voidaan merkittävästi parantaa. Siksi ultraäänellä on potentiaalinen hyöty uusien uusien potentiaalisesti bioaktiivisten komponenttien uuttamisessa ja eristämisessä, esimerkiksi nykyisissä prosesseissa muodostetuista käyttämättömistä sivutuotevirroista. Ultrasound voi myös auttaa tehostamaan entsyymikäsittelyn vaikutuksia ja vähentämään tarvittavan entsyymin määrää tai lisäämään uutettavissa olevien asiaankuuluvien yhdisteiden saantoa.

Lipidit ja proteiinit

Ultronaatiota käytetään usein kasvien siementen, kuten soijapavun (esim. Jauhojen tai rasvattomien soijapapujen) tai muiden öljysiementen, uuttamiseen lipidien ja proteiinien uuttamiseksi. Tällöin soluseinien tuhoutuminen helpottaa puristusta (kylmä tai kuuma) ja vähentää siten jäljellä olevaa öljyä tai rasvaa puristuskakussa.

Jatkuvan ultraääniuuton vaikutusta dispergoituneen proteiinin saantoon osoitettiin Moulton et ai. Sonikaatio lisäsi dispergoituneen proteiinin talteenottoa asteittain, kun hiutale / liuotussuhde muuttui 1:10 - 1:30. Se osoitti, että ultraääni pystyy pie- tämään soijaproteiinia melkein millä tahansa kaupallisella läpäisyllä ja että vaadittu sonikoitumisenergia oli pienin, kun käytettiin paksumpia lietteitä. (Moulton et ai. 1982)

Soveltuu: hedelmäistä valmistettu sitrusöljy, maapähkinästä, maapähkinästä, rapsista, yrttiöljystä (echinacea), kannasta, soijasta, maissista

Fenolisten yhdisteiden ja anto- syaniinien vapautuminen

Entsyymejä, kuten pektinaaseja, sellulaaseja ja hemisellulaaseja, käytetään laajalti mehuteollisuudessa, jotta hajotetaan soluseinät ja parannetaan mehun irrotettavuutta. Soluseinämatriisin häiriö myös vapauttaa komponentit, kuten fenoliyhdisteet mehuksi. Ultrasound parantaa uuttoprosessia ja siten voi johtaa fenolisen yhdisteen, alkaloidien ja mehun tuoton lisääntymiseen, joka yleensä jää painokakkuun.

Ultraäänikäsittelyn hyödylliset vaikutukset fenolisten yhdisteiden ja antosyaanien vapautumiseen rypäleistä ja marjamatriisista, erityisesti mustikoista (vaccinium myrtillus) ja mustaherukoista (ribes) osaksi mehua, tutkittiin VTT Biotekniikka, Suomi (MAXFUN EU-hanke) käyttäen Ultraääni Processor UIP2000hd sulatuksen, mursingin ja entsyymin inkubaation jälkeen. Soluseinämien entsymaattinen käsittely (Pectinex BE-3L mustikoita ja biopektinaasi CCM mustaherukoita varten) parannettiin yhdistettynä ultraäänitutkimukseen. “Yhdysvaltojen hoito lisää bilberrymeen fenoliyhdisteiden konsentraatiota yli 15%: lla. […] Yhdysvaltain (ultraääni) vaikutus oli merkittävämpi mustaherukoilla, jotka ovat haasteellisempia marjoita mehun jalostuksessa kuin mustikoita, koska niiden pektiini on korkea ja eri soluseinämäarkkitehtuuri. […] fenoliyhdisteiden pitoisuus mehussa lisääntyi 15-25% käyttäen US-ultraäänikäsittelyä entsyymi-inkuboinnin jälkeen.” (Mokkila et ai. 2004)

Mikrobiologinen ja entsyymi-inaktivointi

Mikrobiologinen ja entsyymi-inaktivointi (säilöntä) esimerkiksi hedelmämehuissa ja kastikkeissa on toinen ultraäänen käyttö elintarviketeollisuudessa. Nykyään lämpötilan kohottamisen säilyttäminen lyhyen ajanjakson ajan (Pasteurization) on edelleen yleisin mikrobien tai entsyymin inaktivaation prosessointimenetelmä, joka johtaa pidempään säilyvyyteen (säilöntä). Korkean lämpötilan altistumisen vuoksi tämä lämpömenetelmällä on usein haittoja monille elintarviketuotteille.
Uusien aineiden tuottaminen lämpökatalysoiduista reaktioista ja makromolekyylien modifiointi sekä kasvien ja eläinten rakenteiden muodonmuutos voivat heikentää laadun heikkenemistä. Siksi lämpökäsittely voi aiheuttaa ei-toivottuja muutoksia aistiharjoituksiin, kuten koostumukseen, makuun, väriin, hajuihin ja ravitsemuksellisiin ominaisuuksiin eli vitamiineihin ja proteiineihin. Ultrasound on tehokas ei-terminen (minimaalinen) käsittelyvaihtoehto.

Kavitaation ja luoduilla radikaaleilla paikallisesti syntyvä lämpö voi johtaa entsyymien inaktivointiin sonikaatiolla (El'piner 1964). Riittävästi alhaisilla sonikointitasoilla soluihin voi esiintyä rakenteellisia ja aineenvaihdunnallisia muutoksia ilman niiden tuhoamista. Useimmissa raaka-aineissa ja muokkaamattomissa hedelmissä ja vihanneksissa esiintyvän peroksidaasin aktiivisuutta voidaan vähentää huomattavasti ultraäänellä, ja se voi liittyä erityisesti aromien ja ruskettavien pigmenttien kehittymiseen. Lämpöä kestävät entsyymit, kuten lipaasi ja proteaasi, jotka kestävät erittäin korkean lämpötilan käsittelyä ja jotka voivat vähentää lämpökäsitellyn maidon ja muiden päiväkotien laatua ja säilyvyysaikaa, voidaan tehokkaammin inaktivoida ultraäänen, lämmön ja paineen samanaikaisella käytöllä (MTS).

Ultrasound on osoittanut potentiaalinsa elintarvikkeisiin tarttuvien taudinaiheuttajien tuhoamisessa E. coli, salmonella, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium-kystat, ja poliovirus.

Sovelletaan: hillon, marmeladin tai täytteiden säilyttämiseen, esim. Jäätelöön, hedelmämehuihin ja kastikkeisiin, lihatuotteisiin, meijeriin

Ultrasoundin synergian lämpötila ja paine

Ultrasonication on usein tehokkaampi yhdistettynä muihin mikrobien vastaisiin menetelmiin, kuten:

• termo-sonikaatio eli lämpö ja ultraääni
• mano-sonication, eli paine ja ultraääni
• mano-thermo-sonication, eli paine, lämpö ja ultraääni

Suosittelemme ultraäänen yhdistelmähoitoa lämmön ja / tai paineen kanssa Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae ja Aeromonas hydrophila.

Prosessien kehittäminen

Toisin kuin muut ei-termiset prosessit, kuten korkean hydrostaattisen paineen (HP), kompressoidun hiilidioksidin (cCO2) ja ylikriittisen hiilidioksidin (ScCO2) ja suuren sähkökentän pulssien (HELP) avulla ultraääni voidaan helposti testata laboratoriossa tai penkki- – tuottaen toistettavia tuloksia mittakaavassa. Intensiteetti ja kavitaatioominaisuudet voidaan helposti sovittaa erityiseen uuttoprosessiin erityisten tavoitteiden kohdistamiseksi. Amplitudia ja paineita voidaan vaihdella laajalla alueella, esim. Energian tehokkaimman uuttoasennuksen tunnistamiseksi. Vaikeiden kudosten tulisi läpäistä maceration, hionta tai jauhe ennen ultraääni.

E. coli

Tuottaa pieniä määriä rekombinanttiproteiineja niiden biologisten ominaisuuksien tutkimiseen ja karakterisointiin, E. coli on valittu bakteeri. Puhdistustunnisteet, esim. Polyhistidiini-häntä, beeta-galaktosidaasi tai maltoosi-sitova
proteiinit, yhdistetään yleisesti rekombinanttiproteiineihin, jotta ne voidaan erottaa soluuutteista puhtaudella, joka on riittävä useimpiin analyyttisiin tarkoituksiin. Ultronaatio mahdollistaa proteiinin vapautumisen maksimoimisen, erityisesti kun tuotannon saanto on alhainen ja säilyttää rekombinanttiproteiinin rakenne ja aktiivisuus.

Häiriö E. coli solujen suhteen kokonaisen kymosiiniproteiinin uuttamiseksi Kim ja Zayas.

Saffronin uuttaminen

Saffron tunnetaan kalleimpana mausteena maailmanmarkkinoilla, ja sitä erottuu herkkä maku, karvas maku ja houkutteleva keltainen väri. Saffron-mauste saadaan sahramikrokkaan punaisesta stigmasta. Kuivumisen jälkeen näitä osia käytetään mausteena keittiössä tai väriaineena. Saffronin intensiivinen ominaisuusmaku johtuu erityisesti kolmesta yhdisteestä: krokotista, picrokrosiinista ja safranalista.

Kadkhodaee ja Hemmati-Kakhki ovat osoittaneet tutkimuksessa, että ultrasonication lisäsi merkittävästi uuton saantoa ja pienensi käsittelyaikaa huomattavasti. Itse asiassa ultrasuodatuksen tulokset olivat selvästi parempia kuin perinteinen kylmän veden poisto, jota ISO ehdottaa. Heidän tutkimuksessaan Kadkhodaee ja Hemmati-Kakhki ovat käyttäneet Hielscherin ultraäänilaitteella UP50H. Paras tulos on saavutettu pulssi-sonikoinnilla. Tämä tarkoittaa, että lyhyet pulssivälit olivat tehokkaampia kuin jatkuva ultraäänihoito.

hapetus

Ohjatulla intensiteetillä ultraäänen soveltaminen biotransformaatioon ja fermentaatioon voi johtaa parantuneeseen bioprosessointiin indusoitujen biologisten vaikutusten vuoksi ja helpotetun solumassansiirron vuoksi. Ultraäänen (20 kHz) kontrolloidun käytön vaikutus kolesterolin hapettumiseen kolesteroniin levittämällä Rhodococcus erytropolis ATCC 25544 (aikaisemmin Nokardia erytropoli) tutkittiin Baari.

Kolesteroli + O₂ = kolest-4-en-3-oni + H₂O₂

Tämä järjestelmä on tyypillistä sterolien ja steroidien mikrobien muutoksille siinä, että substraatti ja tuotteet ovat veteen liukenemattomia kiinteitä aineita. Siksi tämä järjestelmä on melko ainutlaatuinen siinä, että sekä solut että kiinteät aineet voivat altistua ultraäänelle (Baari, 1987). Kun riittävän alhainen ultraääniintensiteetti, joka säilyi solujen rakenteellisen eheyden ja ylläpitäen niiden metabolisen aktiivisuuden, Bar havaitsi merkittävän parannuksen biotransformaation kineettisissä nopeuksissa 1,0 ja 2,5 g / l kolesterolipitoisissa mikrobisuspensioissa sonicated 5s: n välein 10mn jonka teho on 0,2 W / cm². Ultrasuurilla ei ollut vaikutusta kolesterolin (2,5 g / l) entsymaattiseen hapetukseen kolesterolioksidaasilla.

Edullinen tekniikka

Ultraäänikavitaation hyödyntäminen uuttoa ja ruoan säilyttämistä varten on uusi voimakas jalostustekniikka, jota ei voida käyttää turvallisesti ja ympäristöystävällisesti vaan myös tehokkaasti ja taloudellisesti. Homo- genointi- ja säilöntävaikutusta voidaan helposti käyttää hedelmämehuissa ja soseissa (esim. Appelsiini, omena, greippi, mango, rypäle, luumu) sekä kasviskuveja ja keittoja, kuten tomaattikastiketta tai parsakeittoa.

Kirjallisuus

Allinger, H. (1975): Amerikkalainen laboratorio, 7 (10), 75 (1975).

Bar, R. (1987): Ultraääni Enhanced Bioprosessit, julkaisussa: Biotechnology and Engineering, Voi. 32, s. 655 - 663 (1987).

El'piner, IE (1964): Ultrasound: fysikaaliset, kemialliset ja biologiset vaikutukset (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: Aktiivisten yhdisteiden ultraääniuuttaminen Saffronista, julkaisussa: Internet Publication.

Kim, SM und Zayas, JF (1989): Kymosiinihoidon käsittelyparametri ultraäänellä; julkaisussa J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Yhdistetään teho ultraääni entsyymien kanssa marjamehun käsittelyyn, osoitteessa: 2. int. Conf. Elintarvikkeiden ja juomien biokatalyysi, 19-22.9.2004, Stuttgart, Saksa.

Moulton, KJ, Wang, LC (1982): Pilotti-laitoksen tutkimus jatkuvasta ultraäänitutkimuksesta soijaproteiinista julkaisussa: Journal of Food Science, Volume 47, 1982.

Mummery, CL (1978): Ultrasoundin vaikutus fibroblasteihin in vitro: Ph.D. Tutkielma, Lontoon yliopisto, Lontoo, Englanti, 1978.