Ultraääniuutto ja säilyttäminen
Ultraääniuutto ja säilöntä käyttää tehon ultraääntä solurakenteiden hajoamiseen (lyysi). Solujen rikkominen ultraäänellä rersults erittäin tehokkaassa solunsisäisten yhdisteiden uuttamisessa sekä mikrobien inaktivoinnissa. Lukuisten etujen vuoksi ultrasonicationia käytetään laajalti uuttamiseen ja säilyttämiseen elintarviketeollisuudessa. Lisätietoja ultraääniuuton ja elintarvikkeiden jalostuksen eduista!
Teho-ultraääni elintarvikkeiden ja kasviperäisten aineiden uuttamiseen ja säilyttämiseen
Ultraääniuutto: Ultraääniuutto on prosessi, joka käyttää korkeataajuisia ääniaaltoja yhdisteiden uuttamiseksi erilaisista materiaaleista, kuten kasveista, hedelmistä ja vihanneksista. Prosessiin kuuluu ultraääniaaltojen käyttö korkeapainekuplien luomiseksi nestemäiseen tai puolikiinteään materiaaliin, jotka romahtavat nopeasti ja tuottavat voimakasta lämpöä ja painetta, joka häiritsee materiaalin soluseinämiä ja vapauttaa halutut yhdisteet.
Ultraääniuuton ja säilyttämisen toimintaperiaate
Ultraääniuuton perusperiaate perustuu ilmiöön, joka tunnetaan nimellä akustinen kavitaatio. Kun neste altistetaan korkean intensiteetin ja matalataajuisille ultraääniaalloille (noin 20 kHz), se tuottaa paineaaltoja, jotka luovat nesteeseen pieniä tyhjiökuplia. Nämä kuplat kasvavat kooltaan ultraäänen voimakkuuden kasvaessa, ja kun ne saavuttavat tietyn koon, ne romahtavat yhtäkkiä ja väkivaltaisesti, jolloin syntyy iskuaalto ja vapautetaan energiaa lämmön ja paineen muodossa.
Tämä prosessi aiheuttaa soluseinien mekaanisen häiriön vapauttamalla halutut yhdisteet materiaalista nestemäiseen liuottimeen. Vapautuneet yhdisteet voidaan sitten erottaa liuottimesta käyttämällä tavanomaisia erotustekniikoita, kuten suodatusta tai sentrifugointia.

Ultraäänilaite UP400St kasvimateriaalin tehokkaaseen ei-termiseen uuttamiseen.
Ultraääni säilyttää: Ultraäänisäilytys perustuu samoihin kavitaatiovaikutuksiin kuin ultraääniuutto. Säilytykseen käytetään tehon ultraääntä pilaantuvien elintarvikkeiden säilyvyyden pidentämiseksi käyttämällä korkeataajuisia ääniaaltoja pilaantumista aiheuttavien mikro-organismien kasvun estämiseksi. Prosessiin kuuluu ruoan altistaminen ultraääniaalloille, jotka häiritsevät bakteerien, hiivojen ja muottien soluseiniä, mikä johtaa niiden tuhoutumiseen tai estämiseen.
Tämä prosessi aiheuttaa mikro-organismien soluseinien mekaanisen häiriön, mikä johtaa niiden tuhoutumiseen tai estämiseen. Ultraääniaallot voivat myös lisätä solukalvojen läpäisevyyttä, jolloin säilöntäaineet ja muut antimikrobiset aineet tunkeutuvat ja tappavat mikro-organismit tehokkaammin.
Ultraäänisäilytys on edullinen perinteisiin säilytysmenetelmiin verrattuna, koska se tarjoaa useita etuja, kuten lyhyemmän käsittelyajan, paremman tehokkuuden ja kyvyn säilyttää elintarvikkeen luonnolliset ominaisuudet ja maut. Sitä käytetään monenlaisissa elintarvikkeissa, kuten kastikkeissa, mehuissa, maitotuotteissa, munissa ja lihassa niiden säilyvyyden pidentämiseksi ja turvallisuuden varmistamiseksi.
Ultraääniuutto- ja säilytystekniikka on edullinen perinteisiin uutto- ja säilytysmenetelmiin verrattuna, koska se tarjoaa useita etuja, kuten nopeammat uuttonopeudet, erinomainen tuotteen laatu, korkeampi saanto, puhtaasti mekaaninen ei-lämpökäsittely ja kyky uuttaa laajempi valikoima yhdisteitä. Sitä käytetään monilla teollisuudenaloilla, kuten elintarvike- ja juomateollisuudessa, lääkkeissä ja kosmetiikassa.

Tehokas ultraäänikavitaatio klo Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ultraääniproteiini ja entsyymiuutto
Erityisesti soluihin ja solunsisäisiin hiukkasiin varastoitujen entsyymien ja proteiinien uuttaminen on ainutlaatuinen ja tehokas korkean intensiteetin ultraäänen sovellus, koska kasvien ja siementen sisältämien orgaanisten yhdisteiden uuttamista liuottimella voidaan parantaa merkittävästi. Siksi ultraäänellä on potentiaalinen hyöty uusien mahdollisesti bioaktiivisten komponenttien uuttamisessa ja eristämisessä, esimerkiksi nykyisissä prosesseissa muodostuneista käyttämättömistä sivutuotevirroista. Ultraääni voi myös auttaa tehostamaan entsyymihoidon vaikutuksia ja vähentämään siten tarvittavan entsyymin määrää tai lisäämään uutettavien asiaankuuluvien yhdisteiden saantoa.
Lipidien ja proteiinien ultraääniuutto
Ultrasonicationia käytetään usein parantamaan lipidien ja proteiinien uuttamista kasvien siemenistä, kuten soijapavuista (esim. jauhot tai rasvattomat soijapavut) tai muista öljysiemenistä. Tässä tapauksessa soluseinien tuhoaminen helpottaa puristamista (kylmä tai kuuma) ja vähentää siten jäännösöljyä tai rasvaa puristuskakussa.
Jatkuvan ultraääniuuton vaikutuksen dispergoituneen proteiinin saantoon osoitti Moulton et ai. Sonikaatio lisäsi dispergoituneen proteiinin talteenottoa asteittain, kun hiutale / liuotinsuhde muuttui 1:10: stä 1:30: een. Se osoitti, että ultraääni kykenee peptisoimaan soijaproteiinia lähes missä tahansa kaupallisessa läpäisykyvyssä ja että vaadittu sonikaatioenergia oli pienin, kun käytettiin paksumpia lietteitä.
Fenoliyhdisteiden ja antosyaanien ultraäänieristys
Entsyymejä, kuten pektinaaseja, sellulaaseja ja hemisellulaaseja, käytetään laajalti mehun käsittelyssä soluseinien hajottamiseksi ja mehun uuttuvuuden parantamiseksi. Soluseinämatriisin hajoaminen vapauttaa myös komponentteja, kuten fenolisia yhdisteitä mehuun. Ultraääni parantaa uuttoprosessia ja voi siten johtaa fenoliyhdisteen, alkaloidien ja mehun saannon lisääntymiseen, joka yleensä jää puristekakkuun.
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. “Yhdysvaltain hoito lisää mustikkamehun fenoliyhdisteiden pitoisuutta yli 15%. […] Uä:n (ultraääni) vaikutus oli merkittävämpi mustaherukoilla, jotka ovat mustikkaa haastavampia marjoja mehunjalostuksessa korkean pektiinipitoisuutensa ja erilaisen soluseinäarkkitehtuurinsa vuoksi. […] fenoliyhdisteiden pitoisuus mehussa kasvoi 15-25% käyttämällä US (ultraääni) -käsittelyä entsyymi-inkubaation jälkeen.” (vrt. Mokkila ym., 2004)

Ultrasonicator UIP6000hdT jatkuvan uuttamisen teollisuuslaitoksessa.
Mikrobien ja entsyymien inaktivointi
Mikrobien ja entsyymien inaktivointi (säilöntä), esimerkiksi hedelmämehuissa ja kastikkeissa, on toinen ultraäänen sovellus elintarvikkeiden jalostuksessa. Nykyään säilyttäminen nostamalla lämpötilaa lyhyitä aikoja (pastörointi) on edelleen yleisin mikrobien tai entsyymien inaktivoinnin käsittelymenetelmä, joka johtaa pidempään säilyvyysaikaan (säilyvyys). Korkealle lämpötilalle altistumisen vuoksi tavanomainen lämpöpastörointi aiheuttaa usein haittoja elintarvikkeille.
Uusien aineiden tuotanto lämpökatalysoiduista reaktioista ja makromolekyylien modifikaatiosta sekä kasvien ja eläinten rakenteiden muodonmuutos voivat vähentyä laadun heikkenemisessä. Siksi lämpökäsittely voi aiheuttaa ei-toivottuja muutoksia aistinvaraisiin ominaisuuksiin eli rakenteeseen, makuun, väriin, hajuun ja ravitsemuksellisiin ominaisuuksiin eli vitamiineihin ja proteiineihin. Ultraääni on tehokas ei-terminen (minimaalinen) käsittelyvaihtoehto.
Toisin kuin tavanomaisissa lämpökäsittelyissä, ultraäänisäilytys käyttää akustisen kavitaation energiaa ja leikkausvoimia entsyymien inaktivoimiseksi. Riittävän alhaisilla sonikaatiotasoilla soluissa voi esiintyä rakenteellisia ja metabolisia muutoksia ilman niiden tuhoutumista. Peroksidaasin aktiivisuutta, jota esiintyy useimmissa raa'issa ja valkaisemattomissa hedelmissä ja vihanneksissa ja joka voi liittyä erityisesti sivumakujen ja ruskistavien pigmenttien kehittymiseen, voidaan vähentää merkittävästi ultraäänellä. Lämpökestävät entsyymit, kuten lipaasi ja proteaasi, jotka kestävät erittäin korkean lämpötilan käsittelyn ja jotka voivat heikentää lämpökäsitellyn maidon ja muiden päiväkirjatuotteiden laatua ja säilyvyyttä, voidaan inaktivoida tehokkaammin käyttämällä samanaikaisesti ultraääntä, lämpöä ja painetta (MTS).
Ultraääni on osoittanut potentiaalinsa elintarvikeperäisten patogeenien, kuten E.colin, Salmonellaen, Ascarisin, Giardian, Cryptosporidium-kystojen ja polioviruksen, tuhoamisessa.
Sovelletaan: hillon, marmeladin tai täytteen, hedelmämehujen ja -kastikkeiden, lihavalmisteiden, maitotuotteiden ja jäätelön säilöntään.
Ultraäänen synergiat lämpötilan ja paineen kanssa
Ultrasonication on usein tehokkaampi yhdistettynä muihin antimikrobisiin menetelmiin, kuten:
- lämpösonikaatio eli lämpö ja ultraääni
- mano-sonication, eli paine ja ultraääni
- mano-thermo-sonication, eli paine, lämpö ja ultraääni
Ultraäänen yhdistettyä käyttöä lämmön ja / tai paineen kanssa suositellaan Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae ja Aeromonas hydrophila.
Ultrasonics vs muut elintarvikkeiden säilytystekniikat
Toisin kuin muut lämpö- ja ei-termiset prosessit, kuten korkeapainehomogenointi, lämpöpastörointi, korkeapainekäsittely (HPP), puristettu hiilidioksidi (cCO2) ja ylikriittinen hiilidioksidi (ScCO2), korkean sähkökentän pulssit (HELP) tai mikroaaltouuni, ultraääni voidaan helposti testata laboratoriossa tai penkki-top-mittakaavassa – toistettavien tulosten tuottaminen skaalausta varten. Intensiteetti ja kavitaatio-ominaisuudet voidaan helposti mukauttaa tiettyyn uuttoprosessiin tiettyjen tavoitteiden kohdistamiseksi. Amplitudia ja painetta voidaan vaihdella laajalla alueella esimerkiksi energiatehokkaimpien uuttoasetusten tunnistamiseksi.
Muita ultraäänianturityyppisen uuton käyttöön liittyviä etuja ovat uutteen helppo käsittely, nopea toteutus, ei jäämiä, korkea saanto, ympäristöystävällinen, parannettu laatu ja uutteen hajoamisen estäminen.
(vrt. Chemat et al., 2011)
- Täydellisempi uutto
- Ei-terminen säilytys
- Korkeammat saannot
- Korkeat ravintoaineet, ensiluokkainen elintarvikkeiden laatu
- Nopea prosessi
- Kylmä / ei-terminen prosessi
- Helppo ja turvallinen käyttää
- vähän huoltoa vaativa
Korkean suorituskyvyn ultraääniastiat uuttamiseen ja esikäsittelyyn
Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakelee korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita tehokkaaseen uuttamiseen ja säilyttämiseen. Hielscherin ultraäänilaitteiden käyttö uuttamiseen ja elintarvikkeiden säilyttämiseen on tehokas käsittelytekniikka, jota voidaan soveltaa paitsi turvallisesti ja ympäristöystävällisesti myös tehokkaasti ja taloudellisesti. Homogenisoivaa ja säilövää vaikutusta voidaan helposti käyttää mihin tahansa nestemäiseen tai tahnamaiseen ruokaan, mukaan lukien hedelmämehut ja soseet (esim. appelsiini, omena, greippi, mango, rypäle, luumu) sekä kasviskastikkeisiin ja keittoihin (esim. tomaattikastike tai parsakeitto), maitotuotteisiin, muniin ja lihaan.
Ultraäänihomogenisaattoreiden ja uuttimien valikoimamme vaihtelee kädessä pidettävistä, kannettavista laitteista täysin teollisiin tuotantojärjestelmiin suurten määrien inline-käsittelyyn kaupallisessa mittakaavassa.
Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa
Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.
Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
---|---|---|
0.5 - 1.5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
15-150L | 3 - 15L / min | UIP6000hdT |
n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Kirjallisuus / Viitteet
- 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.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Ultraäänisolujen hajoaminen
Voimakkaassa sonikaatiossa entsyymejä tai proteiineja voidaan vapauttaa soluista tai solunsisäisistä organelleista solujen hajoamisen seurauksena. Tässä tapauksessa liuottimeen liuotettava yhdiste suljetaan liukenemattomaan rakenteeseen. Sen uuttamiseksi solukalvo on tuhottava. Solujen hajoaminen on herkkä prosessi, koska soluseinän kyky kestää korkeaa osmoottista painetta sisällä. Solujen häiriöiden hyvä hallinta on välttämätöntä, jotta vältetään kaikkien solunsisäisten tuotteiden, mukaan lukien solujätteet ja nukleiinihapot, esteetön vapautuminen tai tuotteen denaturoituminen.
Ultrasonication toimii hyvin hallittavana keinona solujen hajoamiseen. Tätä varten ultraäänen mekaaniset vaikutukset tarjoavat liuottimen nopeamman ja täydellisemmän tunkeutumisen solumateriaaleihin ja parantavat massansiirtoa. Ultraääni saavuttaa liuottimen suuremman tunkeutumisen kasvikudokseen ja parantaa massansiirtoa. Kavitaatiota tuottavat ultraääniaallot häiritsevät soluseinämiä ja helpottavat matriisikomponenttien vapautumista.
Ultraäänellä parannettu massansiirto edistää uuttamista
Yleensä ultraääni voi johtaa solukalvojen läpäisevyyteen ioneiksi, ja se voi vähentää solukalvojen selektiivisyyttä merkittävästi. Ultraäänen mekaaninen aktiivisuus tukee liuottimien diffuusiota kudokseen. Koska ultraääni rikkoo soluseinän mekaanisesti kavitaatioleikkausvoimilla, se helpottaa siirtymistä solusta liuottimeen. Hiukkaskoon pienentäminen ultraäänikavitaatiolla lisää kiinteän ja nestefaasin välistä pinta-alaa.
Ultraäänilyysi ja E.colin inaktivointi
Pienten määrien rekombinanttiproteiinien tuottamiseksi niiden biologisten ominaisuuksien tutkimiseksi ja karakterisoimiseksi E.coli on valittu bakteeri. Puhdistustunnisteet, kuten polyhistidiinihäntä, beeta-galaktosidaasi tai maltoosia sitovat proteiinit, liitetään yleensä rekombinanttiproteiineihin, jotta ne voidaan erottaa soluuutteista puhtaudella, joka riittää useimpiin analyyttisiin tarkoituksiin. Ultrasonication mahdollistaa proteiinin vapautumisen maksimoinnin, varsinkin kun tuotantosaanto on alhainen ja säilyttää rekombinanttiproteiinin rakenne ja aktiivisuus.
Ultraääni hapetus
Kontrolloiduilla intensiteeteillä ultraäänen soveltaminen biotransformaatioon ja käymiseen voi hyvinkin johtaa tehostettuun bioprosessointiin indusoitujen biologisten vaikutusten ja helpotetun solujen massansiirron vuoksi. Bar (1987) tutki ultraäänen (20 kHz) kontrolloidun käytön vaikutusta kolesterolin hapettumiseen kolestenoniksi Rhodococcus erythropolis ATCC 25544: n (entinen Nocardia erythropolis) leposolujen avulla.
Tämä järjestelmä on tyypillinen sterolien ja steroidien mikrobimuunnoksille siinä mielessä, että substraatti ja tuotteet ovat veteen liukenemattomia kiinteitä aineita. Siksi tämä järjestelmä on melko ainutlaatuinen siinä mielessä, että sekä solut että kiinteät aineet voivat altistua ultraäänen vaikutukselle. Riittävän alhaisella ultraääniintensiteetillä, joka säilytti solujen rakenteellisen eheyden ja säilytti niiden metabolisen aktiivisuuden, Bar havaitsi merkittävän parannuksen biotransformaation kineettisissä nopeuksissa mikrobilietteissä 1,0 ja 2,5 g / l kolesterolia, kun sonikoidaan 5s 10 minuutin välein teholla 0,2 W / cm². Ultraääni ei osoittanut vaikutusta kolesterolin entsymaattiseen hapettumiseen (2,5 g / l) kolesterolioksidaasin avulla.
Mikä on korkeapainekäsittely elintarvikkeiden säilönnässä?
Korkeapainekäsittely (HPP) on ei-terminen elintarvikkeiden säilöntätekniikka, joka inaktivoi mikro-organismeja ja entsyymejä säilyttäen samalla tuotteen aistinvaraiset ja ravitsemukselliset ominaisuudet. Siinä pakatut elintarvikkeet altistetaan hydrostaattisille paineille, tyypillisesti välillä 300–600 MPa (megapascalit) sekunneista minuutteihin. Korkeapainekäsittelyn suuri haaste on sen erittäin suuri energiankulutus. Lue lisää siitä, miten sonikaatio voi auttaa vähentämään HPP: n energiantarvetta!

Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.