Hielscher – Technologie Ultrasons

Préservation et Extraction Ultrasonique

La désintégration des structures cellulaires (lyse) par ultrasons est utilisée pour l'extraction de composés intracellulaires ou pour l'inactivation microbienne.

Contexte général

En microbiologie, l'échographie est principalement associée à perturbation cellulaire (lyse) ou Désintégration (Allinger 1975). Lors de la sonication de liquides à haute intensité, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), avec des taux dépendant de la fréquence.
Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume auquel elles ne peuvent plus absorber l'énergie, elles s'effondrent violemment pendant un cycle à haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Pendant l'implosion, de très hautes températures (environ 5.000 K) et pressions (environ 2.000atm) sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation produit également des jets de liquide d'une vitesse pouvant atteindre 280 m/s. Les forces de cisaillement qui en résultent brisent mécaniquement l'enveloppe cellulaire et améliorent le transfert de matière. Les ultrasons peuvent avoir des effets destructeurs ou constructifs sur les cellules selon les paramètres de sonication utilisés.

désintégration cellulaire

Dans le cadre d'une sonication intense, des enzymes ou des protéines peuvent être libérées à partir de cellules ou d'organites sous-cellulaires en raison des facteurs suivants désintégration cellulaire. Dans ce cas, le composé à dissoudre dans un solvant est enfermé dans une structure insoluble. Pour l'extraire, la membrane cellulaire doit être détruite. La désintégration cellulaire est un processus sensible, car la paroi cellulaire est capable de résister à une pression osmotique élevée à l'intérieur. Un bon contrôle de la perturbation cellulaire est nécessaire pour éviter une libération sans entrave de tous les produits intracellulaires, y compris les débris cellulaires et les acides nucléiques, ou la dénaturation du produit.
L'ultrasonisation est un moyen bien contrôlable de désintégration cellulaire. Pour cela, les effets mécaniques des ultrasons permettent une pénétration plus rapide et plus complète du solvant dans les matériaux cellulaires et améliorent le transfert de masse. L'échographie permet une meilleure pénétration d'un solvant dans un tissu végétal et améliore le transfert de masse. Les ondes ultrasonores générant de la cavitation perturbent les parois cellulaires et facilitent la libération des composants de la matrice.

Transfert de masse

En général, les ultrasons peuvent conduire à une perméabilisation des membranes cellulaires aux ions (Maman 1978), et elle peut réduire considérablement la sélectivité des membranes cellulaires. L'activité mécanique des ultrasons favorise la diffusion des solvants dans les tissus. Comme les ultrasons brisent mécaniquement la paroi cellulaire par les forces de cisaillement de cavitation, ils facilitent le transfert de la cellule dans le solvant. La réduction de la taille des particules par cavitation ultrasonique augmente la surface de contact entre la phase solide et la phase liquide.

Extraction de protéines et d'enzymes

En particulier, l'extraction des enzymes et des protéines stockées dans les cellules et les particules sous-cellulaires est une application unique et efficace des ultrasons de haute intensité (Kim 1989), car l'extraction des composés organiques contenus dans l'organisme des plantes et des semences par un solvant peut être considérablement améliorée. Par conséquent, l'échographie a un avantage potentiel dans l'extraction et l'isolation de nouveaux composants potentiellement bioactifs, par exemple à partir de flux de sous-produits non utilisés formés dans les procédés actuels. L'échographie peut également aider à intensifier les effets du traitement enzymatique et, par conséquent, à réduire la quantité d'enzyme nécessaire ou à augmenter le rendement des composés extractibles pertinents.

Lipides et protéines

Les ultrasons sont souvent utilisés pour améliorer l'extraction des lipides et des protéines des graines de plantes, telles que les graines de soja (farine ou graines de soja dégraissées) ou autres graines oléagineuses. Dans ce cas, la destruction des parois cellulaires facilite le pressage (à froid ou à chaud) et réduit ainsi l'huile ou la graisse résiduelle dans le gâteau de pressage.

L'influence de l'extraction ultrasonore continue sur le rendement des protéines dispersées a été démontrée par Moulton et al.. La sonication a augmenté progressivement la récupération des protéines dispersées à mesure que le rapport flocons/solvant passait de 1:10 à 1:30. Elle a montré que les ultrasons sont capables de peptiser les protéines de soja à presque n'importe quel débit commercial et que l'énergie de sonication requise était la plus faible, lorsque des boues plus épaisses étaient utilisées. (Moulton et coll. 1982)

Applicable à : Huile d'agrumes de fruits, extraction d'huile de moutarde moulue, arachide, colza, huile d'herbes (échinacée), canola, soya, maïs.

Libération de composés phénoliques et d'anthocyanines

Les enzymes, telles que les pectinases, les cellulases et les hémicellulases sont largement utilisées dans le traitement du jus afin de dégrader les parois cellulaires et améliorer l'extractibilité du jus. La rupture de la matrice de la paroi cellulaire libère également des composants, tels que des composés phénoliques, dans le jus. Les ultrasons améliorent le processus d'extraction et peuvent donc conduire à une augmentation des composés phénoliques, des alcaloïdes et du rendement en jus, généralement laissés dans le gâteau de presse.

Les effets bénéfiques du traitement par ultrasons sur la libération de composés phénoliques et d'anthocyanines à partir de la matrice du raisin et des baies, en particulier des myrtilles (Vaccinium myrtillus) et de cassis (Ribes nigrum) dans le jus, a fait l'objet d'une enquête du VTT Biotechnology, Finlande (Projet MAXFUN UE) à l'aide d'un Appareil de traitement par ultrasons UIP2000hd après décongélation, brassage et incubation enzymatique. La rupture des parois cellulaires par traitement enzymatique (Pectinex BE-3L pour les myrtilles et Biopectinase CCM pour les cassis) a été améliorée en combinaison avec les ultrasons. “Le traitement américain augmente la concentration de composés phénoliques du jus de myrtille de plus de 15%. […] L'influence des US (ultrasons) a été plus importante chez les cassis, qui sont des baies plus difficiles à traiter que les myrtilles en raison de leur teneur élevée en pectine et de l'architecture différente des parois cellulaires. […La concentration de composés phénoliques dans le jus a augmenté de 15 à 25 % grâce à l'utilisation d'un traitement US (ultrasons) après incubation enzymatique.” (Mokkila et al. 2004)

Inactivation microbienne et enzymatique

L'inactivation microbienne et enzymatique (conservation), par exemple dans les jus de fruits et les sauces, est une autre application des ultrasons dans la transformation alimentaire. Aujourd'hui, la conservation par élévation de la température pendant de courtes périodes de temps (pasteurisation) est encore la méthode de traitement la plus courante pour l'inactivation microbienne ou enzymatique qui mène à une durée de conservation plus longue (conservation). En raison de l'exposition à des températures élevées, cette méthode thermique présente souvent des inconvénients pour de nombreux produits alimentaires.
La production de nouvelles substances à partir de réactions catalysées par la chaleur et la modification des macromolécules ainsi que la déformation des structures végétales et animales peuvent réduire la perte de qualité. Par conséquent, le traitement thermique peut entraîner des altérations indésirables des attributs sensoriels, c'est-à-dire de la texture, de la saveur, de la couleur, de l'odeur et des qualités nutritionnelles, c'est-à-dire des vitamines et des protéines. L'échographie est une alternative efficace de traitement non thermique (minimal).

La chaleur générée localement par la cavitation et les radicaux créés peut conduire à une inactivation des enzymes par sonication (El'piner 1964). À des niveaux suffisamment bas de sonication, des changements structurels et métaboliques peuvent se produire dans les cellules sans qu'elles ne soient détruites. L'activité de la peroxydase, que l'on trouve dans la plupart des fruits et légumes crus et non blanchis et qui peut être particulièrement associée au développement de saveurs étrangères et de pigments brunissants, peut être considérablement réduite par l'utilisation des ultrasons. Les enzymes thermorésistantes, comme la lipase et la protéase, qui résistent au traitement à ultra-haute température et qui peuvent réduire la qualité et la durée de conservation du lait traité thermiquement et d'autres produits laitiers peuvent être inactivées plus efficacement par l'application simultanée d'ultrasons, de chaleur et de pression (MTS).

Les ultrasons ont démontré leur potentiel dans la destruction d'agents pathogènes d'origine alimentaire, tels que E.coli, Salmonelles, Ascaris, Giardia, Kystes de Cryptosporidiumet Poliovirus.

Utilisation : conservation de confitures, marmelades ou nappages, par ex. pour glaces, jus et sauces de fruits, produits carnés, produits laitiers, etc.

Synergies des ultrasons avec la température et la pression

Les ultrasons sont souvent plus efficaces lorsqu'ils sont combinés à d'autres méthodes antimicrobiennes, telles que :

  • la thermo-sonication, c'est-à-dire la chaleur et les ultrasons
  • mano-sonication, c'est-à-dire pression et ultrasons
  • mano-thermo-sonication, c'est-à-dire pression, chaleur et ultrasons

L'application combinée des ultrasons et de la chaleur et/ou de la pression est recommandée pour Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae et Aeromonas hydrophila.

Développement de processus

Contrairement à d'autres procédés non thermiques, tels que la haute pression hydrostatique (HP), le dioxyde de carbone comprimé (cCO2), le dioxyde de carbone supercritique (ScCO2) et les impulsions à champ électrique élevé (HELP), les ultrasons peuvent être facilement testés en laboratoire ou sur table – générer des résultats reproductibles pour la mise à l'échelle. L'intensité et les caractéristiques de cavitation peuvent être facilement adaptées au processus d'extraction spécifique pour cibler des objectifs spécifiques. L'amplitude et la pression peuvent varier dans une large gamme, par exemple pour identifier la configuration d'extraction la plus économe en énergie. Les tissus durs doivent subir une macération, un broyage ou une pulvérisation avant l'échographie.

E.coli

Produire de petites quantités de protéines recombinantes pour l'étude et la caractérisation de leurs propriétés biologiques, E.coli est la bactérie de choix. Étiquettes de purification, p. ex. queue de polyhistidine, bêta-galactosidase ou liaison au maltose.
sont communément associées à des protéines recombinantes afin de les rendre séparables des extraits cellulaires avec une pureté suffisante pour la plupart des applications analytiques. L'ultrasonisation permet de maximiser la libération des protéines, en particulier lorsque le rendement de production est faible et de préserver la structure et l'activité de la protéine recombinante.

La perturbation de l'activité de l E.coli afin d'extraire la protéine chymosine totale a été étudiée par l'équipe de l Kim et Zayas.

Extraction de safran

Le safran est connu comme l'épice la plus chère sur le marché mondial et se distingue par sa saveur délicate, son goût amer et sa couleur jaune attractive. L'épice safranée est obtenue à partir du stigmate rouge de la fleur de crocus safrané. Après séchage, ces pièces sont utilisées comme assaisonnement en cuisine ou comme colorant. La saveur caractéristique et intense du safran provient surtout de trois composés : crocins, picrocrocine et safranal.

Kadkhodaee et Hemmati-Kakhki ont montré dans une étude que l'ultrasonication augmentait considérablement le rendement d'extraction et réduisait considérablement le temps de traitement. En fait, les résultats de l'extraction par ultrasons ont été nettement meilleurs que ceux de l'extraction traditionnelle à l'eau froide, qui est proposée par l'ISO. Pour leurs recherches, Kadkhodaee et Hemmati-Kakhki ont utilisé la méthode de Hielscher. appareil à ultrasons UP50H. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec la sonication pulsée. Cela signifie que de courts intervalles d'impulsions sont plus efficaces qu'un traitement ultrasonore continu.

Oxydation

À intensité contrôlée, l'application des ultrasons à la biotransformation et à la fermentation peut très bien entraîner une amélioration du biotraitement, en raison des effets biologiques induits et du transfert de masse cellulaire facilité. L'influence de l'application contrôlée des ultrasons (20 kHz) sur l'oxydation du cholestérol en cholesténone par les cellules au repos de Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (anciennement ATCC 25544 Nocardia erythropolis) a fait l'objet d'une enquête du Bar.

Cholestérol + O2 = cholest-4-fr-3-one + H2O2

Ce système est typique des transformations microbiennes des stérols et des stéroïdes en ce que le substrat et les produits sont des solides insolubles dans l'eau. Par conséquent, ce système est plutôt unique en ce sens que les cellules et les solides peuvent être soumis à l'effet des ultrasons (Barreau, 1987). À une intensité ultrasonique suffisamment faible pour préserver l'intégrité structurelle des cellules et maintenir leur activité métabolique, Bar a observé une augmentation significative des taux cinétiques de biotransformation dans les boues microbiennes de 1,0 et 2,5 g/L de cholestérol lors d'une sonication pendant 5 s toutes les 10mn avec une puissance de sortie de 0,2 W/cm². Les ultrasons n'ont montré aucun effet sur l'oxydation enzymatique du cholestérol (2,5 g/L) par la cholestérol oxydase.

Technologie avantageuse

L'utilisation de la cavitation ultrasonique pour l'extraction et la conservation des aliments est une nouvelle technologie de traitement puissante qui peut non seulement être utilisée de manière sûre et respectueuse de l'environnement, mais aussi de manière efficace et économique. L'effet d'homogénéisation et de conservation peut être facilement utilisé pour les jus et purées de fruits (par ex. orange, pomme, pamplemousse, mangue, raisin, prune) ainsi que pour les sauces et soupes de légumes, comme la sauce tomate ou la soupe aux asperges.

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Littérature

Allinger, H. (1975) : American Laboratory, 7 (10), 75 (1975).

Bar, R. (1987) : Bioprocédés améliorés par ultrasonspo, po, po Biotechnologie et génie, vol. 32, p. 2. 655-663 (1987).

El'piner, I.E. (1964) : Ultrasons : Physical, Chemical, and Biological Effects (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R. ; Hemmati-Kakhki, A.. : Extraction par ultrasons de composés actifs à partir du safran, in : Publication sur Internet.

Kim, S.M. et 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) : Combinaison d'ultrasons de puissance avec des enzymes dans le traitement du jus de baiesà l'adresse : 2e Int. Conf. Biocatalyse des aliments et des boissons, 19-22.9.2004, Stuttgart, Allemagne.

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) : L'effet des ultrasons sur les fibroblastes in vitro, in : Thèse de doctorat, Université de Londres, Londres, Angleterre, 1978.