Extraction et conservation par ultrasons
L’extraction et la conservation par ultrasons utilisent les ultrasons de puissance pour désintégrer les structures cellulaires (lyse). La rupture des cellules par ultrasons permet une extraction très efficace des composés intracellulaires ainsi qu’une inactivation microbienne. Grâce à leurs nombreux avantages, les ultrasons sont largement utilisés pour l’extraction et la conservation dans l’industrie alimentaire. Découvrez les avantages de l’extraction et du traitement des aliments par ultrasons !
Ultrasons de puissance pour l’extraction et la conservation des aliments et des matières végétales
Extraction par ultrasons : L’extraction par ultrasons est un procédé qui utilise des ondes sonores à haute fréquence pour extraire des composés de diverses matières, telles que les plantes, les fruits et les légumes. Le procédé utilise des ondes ultrasonores pour créer des bulles à haute pression dans une matière liquide ou semi-solide. Ces bulles s’effondrent rapidement, générant une chaleur et une pression intenses qui désorganisent les parois cellulaires de la matière et libèrent les composés recherchés.
Principe de fonctionnement de l’extraction et de la conservation par ultrasons
Le principe fondamental de l’extraction par ultrasons repose sur le phénomène appelé cavitation acoustique. Lorsqu’un liquide est exposé à des ondes ultrasonores de forte intensité et de basse fréquence (environ 20 kHz), des ondes de pression se forment et créent de minuscules bulles de vide dans le liquide. Ces bulles grossissent à mesure que l’intensité des ultrasons augmente et, lorsqu’elles atteignent une certaine taille, elles s’effondrent soudainement et violemment, générant une onde de choc et libérant de l’énergie sous forme de chaleur et de pression.
Ce processus provoque la rupture mécanique des parois cellulaires et libère les composés recherchés de la matière dans le solvant liquide. Les composés libérés peuvent ensuite être séparés du solvant à l’aide de techniques de séparation classiques, telles que la filtration ou la centrifugation.
Appareil à ultrasons UP400St pour l’extraction efficace et non thermique de matières végétales.
Conservation par ultrasons : La conservation par ultrasons repose sur les mêmes effets de cavitation que l’extraction par ultrasons. Pour la conservation, les ultrasons de puissance sont utilisés pour prolonger la durée de conservation des aliments périssables, au moyen d’ondes sonores à haute fréquence qui inhibent la croissance des microorganismes responsables de leur altération. Le procédé consiste à exposer les aliments à des ondes ultrasonores qui désorganisent les parois cellulaires des bactéries, des levures et des moisissures, entraînant leur destruction ou leur inhibition.
Ce processus provoque la rupture mécanique des parois cellulaires des microorganismes, entraînant leur destruction ou leur inhibition. Les ondes ultrasonores peuvent également augmenter la perméabilité des membranes cellulaires, permettant aux conservateurs et à d’autres agents antimicrobiens de pénétrer et de tuer les microorganismes plus efficacement.
La conservation par ultrasons est privilégiée par rapport aux méthodes de conservation traditionnelles, car elle offre plusieurs avantages, notamment un temps de traitement plus court, une efficacité supérieure et la capacité à préserver les propriétés et les saveurs naturelles des aliments. Elle est utilisée pour une large gamme de produits alimentaires, tels que les sauces, les jus, les produits laitiers, les œufs et la viande, afin de prolonger leur durée de conservation et d’assurer leur sécurité sanitaire.
La technique d’extraction et de conservation par ultrasons est privilégiée par rapport aux méthodes traditionnelles d’extraction et de conservation, car elle offre plusieurs avantages : une extraction plus rapide, une excellente qualité des produits, un rendement supérieur, un traitement non thermique purement mécanique et la possibilité d’extraire une gamme plus large de composés. Elle est utilisée dans de nombreux secteurs, notamment l’alimentation et les boissons, les produits pharmaceutiques et les cosmétiques.
Cavitation ultrasonore puissante au niveau de la Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Extraction de protéines et d’enzymes par ultrasons
L’extraction d’enzymes et de protéines présentes dans les cellules et les particules subcellulaires constitue notamment une application particulière et efficace des ultrasons de forte intensité, car l’extraction par solvant des composés organiques contenus dans les tissus végétaux et les graines peut être considérablement améliorée. Les ultrasons présentent donc un intérêt potentiel pour l’extraction et l’isolement de nouveaux composants potentiellement bioactifs, par exemple à partir de flux de sous-produits non valorisés générés par les procédés actuels. Les ultrasons peuvent également contribuer à intensifier les effets du traitement enzymatique, réduisant ainsi la quantité d’enzyme nécessaire ou augmentant le rendement en composés d’intérêt extractibles.
Extraction de lipides et de protéines par ultrasons
La sonication est souvent utilisée pour améliorer l’extraction des lipides et des protéines à partir de graines végétales, telles que le soja (par exemple sous forme de farine ou de graines dégraissées), ou d’autres graines oléagineuses. Dans ce cas, la destruction des parois cellulaires facilite le pressage à froid ou à chaud et réduit ainsi la quantité d’huile ou de graisse résiduelle dans le tourteau de pressage.
L’influence de l’extraction continue par ultrasons sur le rendement en protéines dispersées a été démontrée par Moulton et al. La sonication a progressivement augmenté la récupération des protéines dispersées lorsque le rapport flocons/solvant est passé de 1:10 à 1:30. Les résultats ont montré que les ultrasons permettent de peptiser les protéines de soja à pratiquement toute cadence de production commerciale et que l’énergie de sonication nécessaire était la plus faible lorsque des suspensions plus épaisses étaient utilisées.
Isolement de composés phénoliques et d’anthocyanes par ultrasons
Des enzymes telles que les pectinases, les cellulases et les hémicellulases sont largement utilisées dans la transformation des jus pour dégrader les parois cellulaires et améliorer l’extractibilité du jus. La désorganisation de la matrice de la paroi cellulaire libère également dans le jus des composants tels que les composés phénoliques. Les ultrasons améliorent le processus d’extraction et peuvent donc augmenter les rendements en composés phénoliques, en alcaloïdes et en jus, habituellement retenus dans le tourteau de pressage.
Les effets bénéfiques du traitement par ultrasons sur la libération, dans le jus, des composés phénoliques et des anthocyanes de la matrice du raisin et des baies, en particulier des myrtilles (Vaccinium myrtillus) et du cassis (>Ribes nigrum), ont été étudiés par VTT Biotechnology, en Finlande, à l’aide d’un appareil à ultrasons UIP2000hd après décongélation, broyage et incubation enzymatique. La rupture des parois cellulaires par traitement enzymatique (Pectinex BE-3L pour les myrtilles et Biopectinase CCM pour le cassis) a été améliorée lorsqu’elle était associée aux ultrasons. « Le traitement par US augmente de plus de 15% la concentration en composés phénoliques du jus de myrtille. […] L’influence des US (ultrasons) était plus marquée pour le cassis, dont la transformation en jus est plus difficile que celle des myrtilles en raison de sa teneur élevée en pectine et de l’architecture différente de ses parois cellulaires. […] La concentration en composés phénoliques du jus a augmenté de 15–25% grâce au traitement par US (ultrasons) après incubation enzymatique. » (cf. Mokkila et al., 2004)
Appareil à ultrasons UIP6000hdT dans une installation industrielle d’extraction continue.
Inactivation microbienne et enzymatique
L’inactivation microbienne et enzymatique à des fins de 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 la température pendant de courtes périodes (pasteurisation) reste la méthode de traitement la plus courante pour l’inactivation microbienne ou enzymatique permettant de prolonger la durée de conservation. En raison de l’exposition à des températures élevées, la pasteurisation thermique conventionnelle présente souvent des inconvénients pour les produits alimentaires.
La production de nouvelles substances par des réactions catalysées par la chaleur, la modification des macromolécules ainsi que la déformation des structures végétales et animales peuvent entraîner une perte de qualité. Le traitement thermique peut donc provoquer des modifications indésirables des caractéristiques sensorielles, à savoir la texture, la saveur, la couleur et l’odeur, ainsi que des qualités nutritionnelles, notamment les vitamines et les protéines. Les ultrasons constituent une alternative efficace de traitement non thermique minimal.
Contrairement aux traitements thermiques conventionnels, la conservation par ultrasons utilise l’énergie et les forces de cisaillement de la cavitation acoustique pour inactiver les enzymes. À des niveaux de sonication suffisamment faibles, des modifications structurelles et métaboliques peuvent se produire dans les cellules sans les détruire. L’activité de la peroxydase, présente dans la plupart des fruits et légumes crus et non blanchis et pouvant être particulièrement associée à l’apparition de saveurs indésirables et de pigments de brunissement, peut être considérablement réduite par les ultrasons. Les enzymes thermorésistantes, telles que les lipases et les protéases, qui résistent au traitement à ultra-haute température et 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 pour la destruction d’agents pathogènes d’origine alimentaire, tels que E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, les kystes de Cryptosporidium et Poliovirus.
Applications : conservation des confitures, des marmelades ou des garnitures, des jus de fruits et des sauces, des produits carnés, des produits laitiers et des crèmes glacées.
Synergies des ultrasons avec la température et la pression
La sonication est souvent plus efficace lorsqu’elle est associée à d’autres méthodes antimicrobiennes, telles que :
- la thermo-sonication, c’est-à-dire la chaleur et les ultrasons
- la mano-sonication, c’est-à-dire la pression et les ultrasons
- la mano-thermo-sonication, c’est-à-dire la pression, la chaleur et les ultrasons
L’application combinée d’ultrasons avec de la chaleur et/ou de la pression est recommandée pour Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae et Aeromonas hydrophila.
Les ultrasons comparés aux autres techniques de conservation des aliments
Contrairement à d’autres procédés thermiques et non thermiques, tels que l’homogénéisation à haute pression, la pasteurisation thermique, le traitement à haute pression (HPP), le dioxyde de carbone comprimé (cCO2) et le dioxyde de carbone supercritique (ScCO2), les impulsions de champ électrique élevé (HELP) ou les micro-ondes, les ultrasons peuvent être facilement testés à l’échelle du laboratoire ou sur paillasse – avec des résultats reproductibles pour le passage à une plus grande échelle. L’intensité et les caractéristiques de la cavitation peuvent être facilement adaptées au procédé d’extraction concerné afin d’atteindre des objectifs précis. L’amplitude et la pression peuvent être modifiées sur une large plage, par exemple pour déterminer la configuration d’extraction la plus efficace sur le plan énergétique.
L’extraction par ultrasons à sonde présente également d’autres avantages : manipulation aisée de l’extrait, exécution rapide, absence de résidus, rendement élevé, respect de l’environnement, amélioration de la qualité et prévention de la dégradation de l’extrait.
(cf. Chemat et al., 2011)
- Extraction plus complète
- Conservation non thermique
- Rendements supérieurs
- Teneur élevée en nutriments, qualité alimentaire supérieure
- Procédé rapide
- Procédé à froid / non thermique
- Utilisation simple et sûre
- Maintenance réduite
Appareils à ultrasons haute performance pour l’extraction et la conservation
Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des appareils à ultrasons haute performance pour une extraction et une conservation efficaces. L’utilisation des équipements à ultrasons Hielscher pour l’extraction et la conservation des aliments constitue une technologie de traitement puissante, qui peut être mise en œuvre de manière sûre et respectueuse de l’environnement, mais aussi efficace et économique. L’effet d’homogénéisation et de conservation peut être facilement exploité pour tout produit alimentaire liquide ou pâteux, notamment les jus et les purées de fruits (par exemple orange, pomme, pamplemousse, mangue, raisin, prune), les sauces et les soupes de légumes (par exemple sauce tomate ou soupe d’asperges), les produits laitiers, les œufs et la viande.
Notre gamme d’homogénéisateurs à ultrasons et d’extracteurs s’étend des appareils portables tenus à la main aux systèmes de production entièrement industriels pour le traitement en ligne de grands volumes à l’échelle commerciale.
Conception, fabrication et conseil – Qualité fabriquée en Allemagne
Les appareils à ultrasons Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception très élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration fluide dans les installations industrielles. Les appareils à ultrasons Hielscher supportent aisément les conditions difficiles et les environnements exigeants.
Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une importance particulière aux appareils à ultrasons haute performance alliant une technologie de pointe et une grande facilité d’utilisation. Bien entendu, les appareils à ultrasons Hielscher sont conformes aux exigences CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.
Le tableau ci-dessous donne une indication de la capacité approximative de traitement de nos appareils à ultrasons :
| Volume par lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 0,5 à 1,5mL | s. o. | VialTweeter | 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 à 150L | 3 à 15L/min | UIP6000hdT |
| s. o. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| s. o. | plus élevé | ensemble de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d’émulsification et d’extraction à l’échelle du laboratoire, à l’échelle pilote et à l’échelle industrielle.
Bibliographie / Références
- 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.
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- 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.
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- El’piner, I.E. (1964): Ultrasound: Physical, Chemical, and Biological Effects (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.
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- 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.
Informations utiles
Désintégration cellulaire par ultrasons
Sous l’effet d’une sonication intense, des enzymes ou des protéines peuvent être libérées des cellules ou des organites subcellulaires à la suite de la 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 cellulaire est un processus délicat, car la paroi cellulaire est capable de résister à une pression osmotique interne élevée. Une bonne maîtrise de la rupture cellulaire est nécessaire pour éviter la libération incontrôlée de tous les produits intracellulaires, y compris les débris cellulaires et les acides nucléiques, ou la dénaturation du produit.
La sonication constitue un moyen facilement contrôlable de désintégration cellulaire. Les effets mécaniques des ultrasons permettent une pénétration plus rapide et plus complète du solvant dans les matières cellulaires et améliorent le transfert de matière. Les ultrasons favorisent une pénétration plus profonde du solvant dans les tissus végétaux et améliorent le transfert de matière. Les ondes ultrasonores qui génèrent la cavitation désorganisent les parois cellulaires et facilitent la libération des composants de la matrice.
L’amélioration du transfert de matière par ultrasons favorise l’extraction
En général, les ultrasons peuvent rendre les membranes cellulaires perméables aux ions et réduire considérablement leur sélectivité. L’action mécanique des ultrasons favorise la diffusion des solvants dans les tissus. En rompant mécaniquement la paroi cellulaire par les forces de cisaillement de la cavitation, les ultrasons facilitent le transfert de la cellule vers le solvant. La réduction de la taille des particules par cavitation ultrasonore augmente la surface de contact entre les phases solide et liquide.
Lyse et inactivation d’E.coli par ultrasons
Pour produire de petites quantités de protéines recombinantes destinées à l’étude et à la caractérisation de leurs propriétés biologiques, E.coli est la bactérie de choix. Des marqueurs de purification, tels qu’une séquence de polyhistidine, la bêta-galactosidase ou des protéines de liaison au maltose, sont couramment fusionnés aux protéines recombinantes afin de permettre leur séparation des extraits cellulaires avec une pureté suffisante pour la plupart des analyses. La sonication 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.
Oxydation par ultrasons
À des intensités contrôlées, l’application des ultrasons à la biotransformation et à la fermentation peut améliorer les bioprocédés grâce aux effets biologiques induits et à la facilitation du transfert de matière cellulaire. L’influence d’une application contrôlée des ultrasons (20kHz) sur l’oxydation du cholestérol en cholesténone par des cellules au repos de Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (anciennement Nocardia erythropolis) a été étudiée par Bar (1987).
Ce système est typique des transformations microbiennes des stérols et des stéroïdes, dans lesquelles le substrat et les produits sont des solides insolubles dans l’eau. Il présente donc la particularité que les cellules comme les solides peuvent être soumis à l’effet des ultrasons. 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 vitesses de biotransformation dans des suspensions microbiennes contenant 1,0 et 2,5 g/L de cholestérol, soumises à une sonication de 5s toutes les 10mn avec une puissance de sortie de 0,2W/cm². Les ultrasons n’ont montré aucun effet sur l’oxydation enzymatique du cholestérol (2,5g/L) par la cholestérol oxydase.
Qu’est-ce que le traitement à haute pression pour la conservation des aliments ?
Le traitement à haute pression (HPP) est une technique non thermique de conservation des aliments qui inactive les microorganismes et les enzymes tout en maintenant les qualités sensorielles et nutritionnelles du produit. Il consiste à soumettre des aliments emballés à des pressions hydrostatiques généralement comprises entre 300 et 600 MPa (mégapascals), pendant quelques secondes à quelques minutes. Un défi majeur du traitement à haute pression est sa consommation d’énergie très élevée. Découvrez comment la sonication peut contribuer à réduire les besoins énergétiques du HPP !
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance, de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle.