Technologie des ultrasons Hielscher

Préservation et Extraction Ultrasonique

La désintégration des structures cellulaires (lyse) au moyen d'ultrasons est utilisé pour l'extraction des composés intracellulaires ou pour l'inactivation microbienne.

Contexte

En microbiologie, des ultrasons est principalement associée à rupture des cellules (de lyse) ou Désintégration (Allinger 1975). Lors de la sonication de liquides à des intensités élevées, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent alternativement des cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), avec des vitesses dépendant de la fréquence.
Pendant le cycle à basse pression, les ondes ultrasoniques à 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 d'énergie, elles s'effondrent violemment lors d'un cycle à haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Pendant l'implosion, des températures très élevées (environ 5000K) et des pressions (environ 2000atm) sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation se traduit également par des jets de liquide ayant une vitesse allant jusqu'à 280 m / s. Les forces de cisaillement résultantes brisent mécaniquement l'enveloppe cellulaire et améliorent le transfert de matière. L'échographie peut avoir des effets destructifs ou constructifs sur les cellules en fonction des paramètres de sonication employés.

désintégration cellulaire

Sous enzymes sonication intenses ou protéines peuvent être libérés à partir de cellules ou organites subcellulaires en raison de 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 rupture des cellules est un processus délicat, parce que la capacité de la paroi de la cellule à résister à la haute pression osmotique à l'intérieur. Un bon contrôle de la perturbation des cellules est nécessaire, pour éviter une libération sans entrave de tous les produits, y compris intracellulaires débris cellulaires et des acides nucléiques ou la dénaturation du produit.
Ultrasonication sert de moyen bien contrôlables pour la désintégration des cellules. Pour cela, les effets mécaniques des ultrasons permettent une pénétration plus rapide et plus complète du solvant dans des matériaux cellulaires et d'améliorer le transfert de masse. L'échographie permet d'obtenir une plus grande pénétration d'un solvant dans un tissu végétal et améliore le transfert de masse. de génération d'ondes ultrasonores cavitation perturber les parois cellulaires et facilitent la libération de composants de la matrice.

Transfert de masse

En général, les ultrasons peuvent conduire à une perméabilisation des membranes cellulaires aux ions (Maman 1978), Et il peut réduire la sélectivité des membranes cellulaires de manière significative. L'activité mécanique des ultrasons favorise la diffusion de solvants dans le tissu. Comme ultrasons rompt la paroi cellulaire mécaniquement par les forces de cisaillement de cavitation, il facilite le transfert de la cellule dans le solvant. La réduction de la taille des particules par la cavitation ultrasonore augmente la zone de surface en contact entre le solide et la phase liquide.

Les protéines et les enzymes d'extraction

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

Lipides et protéines

Ultrasons, est souvent utilisé pour améliorer l'extraction des lipides et des protéines à partir de graines de plantes, telles que le soja (par exemple de la farine ou de soja dégraissé) ou d'autres graines oléagineuses. Dans ce cas, la destruction des parois des cellules facilite le pressage (froid ou chaud) et réduit ainsi l'huile résiduelle ou de la graisse dans le gâteau de pressage.

L'influence de l'extraction en continu par ultrasons pour le rendement en protéine dispersée a été démontrée par Moulton et al.. La sonication a augmenté la récupération de la protéine dispersée progressivement à mesure que le rapport en flocons / solvant modifié 1:10-1:30. Il a montré que l'échographie est capable de peptiser protéines de soja presque à tout débit commercial et que l'énergie nécessaire sonication était le plus bas, quand on utilise des suspensions plus épaisses. (Moulton et coll. 1982)

Applicable à: huile à partir de fruits d'agrumes, l'extraction d'huile de moutarde au sol, l'arachide, le colza, l'huile de l'herbe (échinacée), le canola, le soja, le maïs

Libération des composés phénoliques et anthocyanines

Les enzymes, telles que pectinases, cellulases et hémicellulases sont largement utilisés dans le traitement du jus pour dégrader les parois cellulaires et d'améliorer la extractibilité du jus. La perturbation de la matrice de la paroi cellulaire libère également des composants, tels que des composés phénoliques dans le jus. L'échographie permet d'améliorer le processus d'extraction et peuvent donc conduire à une augmentation dans le composé phénolique, les alcaloïdes et le rendement du jus, généralement laissé dans le gâteau de presse.

Les effets bénéfiques du traitement par ultrasons sur la libération des composés phénoliques et des anthocyanines de raisin et de la matrice de baies, en particulier de myrtilles (Vaccinium myrtillus) Et de cassis (ribes) En jus, a été étudiée par VTT biotechnologie, la Finlande (MAXFUN UE-projet) au moyen d'un Sonificateur UIP2000hd après décongélation, brassage et l'incubation de l'enzyme. La rupture des parois cellulaires par traitement enzymatique (Pectinex BE-3L pour airelles et Biopectinase CCM pour cassis) a été améliorée lorsqu'il est combiné avec des ultrasons. “traitement des États-Unis d'augmenter la concentration de composés phénoliques de jus de myrtille de plus de 15%. […] L'influence des Etats-Unis (échographie) était plus importante avec des groseilles noires, qui sont des baies les plus difficiles dans le traitement de jus que airelles en raison de leur teneur élevée en pectine et architecture différente de la paroi cellulaire. […] La concentration des composés phénoliques dans le jus a augmenté de 15 à 25% en utilisant après incubation de l'enzyme de traitement ultrasonique (US).” (Mokkila et al. 2004)

Microbienne et enzymatique Inactivation

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 des aliments. Aujourd'hui, la conservation par élévation de température pendant de courtes périodes (pasteurisation) est toujours la méthode de traitement la plus courante pour l'inactivation microbienne ou enzymatique qui conduit à une durée de conservation plus longue (conservation). En raison de l'exposition à haute température, cette méthode thermique a souvent des inconvénients pour de nombreux produits alimentaires.
La production de nouvelles substances de réactions catalysées par la chaleur et la modification des macromolécules ainsi que la déformation des structures végétales et animales peuvent réduire une perte de qualité. Par conséquent, le traitement thermique peut provoquer des altérations indésirables des attributs sensoriels, à savoir la texture, la saveur, la couleur, l'odeur, et qualités nutritionnelles, à savoir vitamines et protéines. L'échographie est une alternative efficace de traitement non thermique (minimum).

La chaleur générée localement par la cavitation et les radicaux créés peut conduire à une inactivation des enzymes par traitement par ultrasons (El'piner 1964). A des niveaux suffisamment bas des changements structurels et métaboliques sonication peuvent se produire dans les cellules sans leur destruction. L'activité de Peroxydase, qui se trouve dans la plupart des fruits crus et non blanchies et légumes et peut être particulièrement associée au développement d'arômes et de pigments de brunissement peut être considérablement réduite par l'utilisation des ultrasons. enzymes thermorésistantes telles que la lipase et la protéase qui résistent traitement à ultra-haute température et qui peut réduire la qualité et la durée de conservation du lait traité thermiquement et d'autres produits laitiers peuvent être plus efficacement inactivé par l'application simultanée d'ultrasons, de chaleur et de pression (MTS).

L'échographie a démontré son potentiel dans la destruction des pathogènes d'origine alimentaire, comme E. coli, salmonelles, Ascaris, Giardia, kystes de CryptosporidiumEt Poliovirus.

Applicable à: préservation de la confiture, de marmelade ou garnitures, par exemple, pour, crèmes glacées jus de fruits et les sauces, les produits carnés, laitiers

Synergies des ultrasons avec la température et la pression

Ultrasons est souvent plus efficace lorsqu'il est combiné avec d'autres méthodes anti-microbiennes, telles que:

  • thermo-sonication, à savoir la chaleur et des ultrasons
  • mano-sonication, à savoir la pression et les ultrasons
  • mano-thermo-sonication, à savoir la pression, de la chaleur et des ultrasons

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

Développement de procédés

Contrairement à d'autres procédés non thermiques, telles que la pression hydrostatique élevée (HP), le dioxyde de carbone comprimé (cCO2) et du dioxyde de carbone supercritique (scCO2) et des impulsions de haute de champ électrique (HELP), les ultrasons peuvent être facilement testé en laboratoire ou paillasse échelle – générer des résultats reproductibles pour l'échelle. L'intensité et les caractéristiques de cavitation peuvent être facilement adaptées au procédé d'extraction spécifique pour cibler des objectifs spécifiques. L'amplitude et la pression peuvent varier dans un large intervalle, par exemple, d'identifier les plus configuration d'extraction efficace de l'énergie. les tissus durs devraient subir une macération, broyage ou pulvérisation avant ultrasonication.

E. coli

Pour 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, par exemple queue polyhistidine, la bêta-galactosidase, ou le maltose liant
protéines, sont souvent joint à des protéines recombinantes afin de les faire séparables à partir d'extraits cellulaires avec une pureté suffisante pour la plupart des fins d'analyse. Ultrasonication permet de maximiser la libération de la protéine, en particulier lorsque le rendement de production est faible et de préserver la structure et l'activité de la protéine recombinante.

La perturbation des E. coli des cellules afin d'en extraire la protéine totale a été étudiée par la chymosine Kim et Zayas.

safran Extraction

Le safran est connu comme l'épice la plus chère du marché mondial et se distingue par sa saveur délicate, son goût amer et sa couleur jaune attrayante. L'épice au safran est obtenue à partir du stigmate rouge de la fleur de crocus au safran. Après séchage, ces parties sont utilisées comme assaisonnement dans la cuisine ou comme colorant. La saveur caractéristique intensive du safran résulte surtout de trois composés: les crocines, la picrocrocine et le safranal.

Kadkhodaee et Hemmati-Kakhki ont montré dans une étude qui ultrasonication a augmenté le rendement d'extraction de manière significative et réduit considérablement le temps de traitement. En fait, les résultats par extraction par ultrasons étaient visiblement mieux que par extraction d'eau froide traditionnelle, qui est proposé par l'ISO. Pour leurs recherches, Kadkhodaee et Hemmati-Kakhki ont utilisé Hielscher de Appareil à ultrasons UP50H. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec sonication pulsé. Cela signifie que de courts intervalles d'impulsion sont plus efficaces qu'un traitement continu par ultrasons.

Oxydation

A des intensités contrôlées, l'application d'ultrasons à la biotransformation et la fermentation peut ainsi se traduire par une biotransformation améliorée, en raison des effets biologiques induits et en raison de transfert de masse facilité cellulaire. L'influence de l'application contrôlée de l'échographie (20kHz) sur l'oxydation du cholestérol en cholesténone par les cellules au repos de Rhodococcus érythropolis ATCC 25544 (anciennement Nocardia érythropolis) A été étudiée par Bar.

Le cholestérol + O2 = Cholest-4-en-3-one + H2la2

Ce système est typique des transformations microbiennes des sterols et des stéroïdes en ce que le substrat et les produits sont solides insolubles dans l'eau. Par conséquent, ce système est assez unique en ce que les cellules et les solides peuvent être soumis à l'effet des ultrasons (Barreau, 1987). À une intensité ultrasonore 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 lorsqu'il a été traité aux ultrasons toutes les 10mn avec une puissance de sortie de 0.2W / cm². L'échographie n'a montré aucun effet sur l'oxydation enzymatique du cholestérol (2,5 g / L) par la cholestérol oxydase.

technologie avantageux

L'utilisation de la cavitation par ultrasons pour l'extraction et la conservation des aliments est une nouvelle technologie de traitement puissant qui ne peut pas seulement être appliqué de manière sûre et respectueuse de l'environnement, mais aussi efficace et économique. La préservation et l'effet homogénéisant peuvent être facilement utilisés pour les jus de fruits et purées (par exemple orange, pomme, pamplemousse, mangue, raisin, prune), ainsi que pour les sauces et les 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) : Échographie de bioprocédés, En: Biotechnologie et ingénierie, vol. 32, Pp. 655-663 (1987).

El'piner, I.S. (1964): L'échographie: physique, chimique et effets biologiques (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: Extraction par ultrasons des composés actifs de Safran, dans: Internet Publication.

Kim, S. M. et Zayas, J.F. (1989): paramètre de traitement d'extraction de la chymosine par ultrasons; dans J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004) : La combinaison des ultrasons de puissance avec des enzymes dans le traitement du jus de baies, À: 2 Int. Conf. Biocatalyse de l'alimentation et les boissons, 19-22.9.2004, Stuttgart, Allemagne.

Moulton, K. J., Wang, L.C (1982): Une étude usine pilote d'extraction par ultrasons en continu de protéines de soja, dans: Journal of Food Science, Volume 47, 1982.

Mummery, CL (1978): L'effet des ultrasons sur des fibroblastes in vitro, in: Ph.D. Thèse, Université de Londres, Londres, Angleterre, 1978.