מיצוי ושימור אולטרסוניים
מיצוי ושימור אולטרסוניים משתמשים באולטרסאונד רב עוצמה לפירוק מבנים תאיים (ליזיס). פירוק תאים באמצעות אולטרסאונד מאפשר מיצוי יעיל ביותר של תרכובות תוך תאיות וכן השבתת מיקרואורגניזמים. בזכות יתרונותיה הרבים, סוניקציה נמצאת בשימוש נרחב למיצוי ולשימור בתעשיית המזון. למדו עוד על היתרונות של מיצוי אולטרסוני ועיבוד מזון באמצעות אולטרסאונד!
אולטרסאונד רב עוצמה למיצוי ולשימור של מזון וחומרים צמחיים
מיצוי אולטרסוני: מיצוי אולטרסוני הוא תהליך המשתמש בגלי קול בתדר גבוה למיצוי תרכובות ממגוון חומרים כגון צמחים, פירות וירקות. התהליך כולל שימוש בגלים אולטרסוניים ליצירת בועות בלחץ גבוה בחומר נוזלי או מוצק למחצה. הבועות קורסות במהירות ויוצרות חום ולחץ עזים, המפרקים את דופנות התאים של החומר ומשחררים את התרכובות הרצויות.
עקרון הפעולה של מיצוי ושימור אולטרסוניים
העיקרון הבסיסי של מיצוי אולטרסוני מבוסס על התופעה המכונה קוויטציה אקוסטית. כאשר נוזל נחשף לגלים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך (בקירוב 20 kHz), נוצרים בו גלי לחץ היוצרים בועות ריק זעירות בנוזל. בועות אלה גדלות ככל שעוצמת האולטרסאונד עולה, וכאשר הן מגיעות לגודל מסוים, הן קורסות בפתאומיות ובעוצמה רבה, יוצרות גל הלם ומשחררות אנרגיה בצורת חום ולחץ.
תהליך זה גורם לפירוק מכני של דופנות התאים ומשחרר את התרכובות הרצויות מהחומר אל הממס הנוזלי. לאחר מכן ניתן להפריד את התרכובות שהשתחררו מהממס באמצעות טכניקות הפרדה מקובלות כגון סינון או צנטריפוגה.
מכשיר האולטרסאונד UP400St למיצוי יעיל של חומר צמחי ללא טיפול תרמי.
שימור אולטרסוני: שימור אולטרסוני מבוסס על אותן השפעות קוויטציה כמו מיצוי אולטרסוני. לצורכי שימור, משתמשים באולטרסאונד רב עוצמה להארכת חיי המדף של מוצרי מזון מתכלים באמצעות גלי קול בתדר גבוה, המעכבים את צמיחתם של מיקרואורגניזמים הגורמים לקלקול. התהליך כולל חשיפת המזון לגלים אולטרסוניים המפרקים את דופנות התאים של חיידקים, שמרים ועובשים, וכך גורמים להשמדתם או לעיכוב צמיחתם.
תהליך זה גורם לפירוק מכני של דופנות התאים של מיקרואורגניזמים, וכך מביא להשמדתם או לעיכוב צמיחתם. גלים אולטרסוניים יכולים גם להגביר את חדירותם של קרומי התאים, ולאפשר לחומרים משמרים ולחומרים אחרים הפועלים נגד מיקרואורגניזמים לחדור ולהרוג את המיקרואורגניזמים ביעילות רבה יותר.
שימור אולטרסוני מועדף על פני שיטות שימור מסורתיות משום שהוא מציע כמה יתרונות, כגון זמן עיבוד קצר יותר, יעילות גבוהה יותר והיכולת לשמר את התכונות והטעמים הטבעיים של המזון. משתמשים בו במגוון רחב של מוצרי מזון כגון רטבים, מיצים, מוצרי חלב, ביצים ובשר, כדי להאריך את חיי המדף שלהם ולהבטיח את בטיחותם.
טכניקת המיצוי והשימור האולטרסוניים מועדפת על פני שיטות מיצוי ושימור מסורתיות משום שהיא מציעה כמה יתרונות, כגון קצבי מיצוי מהירים יותר, איכות מוצר מעולה, תפוקה גבוהה יותר, טיפול מכני בלבד ללא טיפול תרמי והיכולת למצות מגוון רחב יותר של תרכובות. משתמשים בה במגוון רחב של תעשיות כגון מזון ומשקאות, תרופות וקוסמטיקה.
קוויטציה אולטרסונית עוצמתית ב־ Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
מיצוי אולטרסוני של חלבונים ואנזימים
בפרט, מיצוי אנזימים וחלבונים המאוחסנים בתאים ובחלקיקים תת־תאיים הוא יישום ייחודי ויעיל של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה, שכן ניתן לשפר במידה ניכרת את המיצוי באמצעות ממס של תרכובות אורגניות המצויות בתוך צמחים וזרעים. לפיכך, לאולטרסאונד יש תועלת פוטנציאלית במיצוי ובבידוד של רכיבים חדשים בעלי פעילות ביולוגית פוטנציאלית, למשל מזרמי תוצרי לוואי שאינם מנוצלים ונוצרים בתהליכים קיימים. אולטרסאונד יכול גם לסייע בהגברת השפעותיו של טיפול אנזימטי, ובכך להפחית את כמות האנזים הדרושה או להגדיל את תפוקת התרכובות הרלוונטיות הניתנות למיצוי.
מיצוי אולטרסוני של ליפידים וחלבונים
סוניקציה משמשת לעיתים קרובות לשיפור המיצוי של ליפידים וחלבונים מזרעי צמחים, כגון פולי סויה (למשל קמח סויה או פולי סויה שהשומן הוצא מהם) או זרעי שמן אחרים. במקרה זה, הרס דופנות התאים מקל על הכבישה (הקרה או החמה) ובכך מפחית את שאריות השמן או השומן בכוספה.
השפעתו של מיצוי אולטרסוני רציף על תפוקת החלבון המפוזר הודגמה על ידי Moulton ועמיתיו. הסוניקציה הגדילה בהדרגה את שיעור ההשבה של החלבון המפוזר כאשר יחס הפתיתים לממס השתנה מ־1:10 ל־1:30. המחקר הראה שאולטרסאונד מסוגל לבצע פפטיזציה של חלבון סויה כמעט בכל תפוקה מסחרית, ושאנרגיית הסוניקציה הנדרשת הייתה הנמוכה ביותר כאשר נעשה שימוש בתרחיפים סמיכים יותר.
בידוד אולטרסוני של תרכובות פנוליות ואנתוציאנינים
אנזימים כגון פקטינאזות, צלולאזות והמיצלולאזות נמצאים בשימוש נרחב בעיבוד מיצים כדי לפרק את דופנות התאים ולשפר את יכולת מיצוי המיץ. פירוק המטריצה של דופן התא משחרר למיץ גם רכיבים כגון תרכובות פנוליות. אולטרסאונד משפר את תהליך המיצוי ולכן עשוי להגדיל את התפוקה של תרכובות פנוליות, אלקלואידים ומיץ, שנותרים בדרך כלל בכוספה.
ההשפעות המועילות של טיפול אולטרסוני על שחרור תרכובות פנוליות ואנתוציאנינים ממטריצה של ענבים ופירות יער אל המיץ, ובפרט מאוכמניות אירופיות (Vaccinium myrtillus) ומדומדמניות שחורות (>Ribes nigrum), נחקרו על ידי VTT Biotechnology בפינלנד באמצעות מעבד אולטרסוני UIP2000hd לאחר הפשרה, מעיכה והדגרה עם אנזימים. פירוק דופנות התאים באמצעות טיפול אנזימטי (Pectinex BE-3L לאוכמניות אירופיות ו־Biopectinase CCM לדומדמניות שחורות) השתפר כאשר שולב עם אולטרסאונד. "טיפול ב־US מעלה את ריכוז התרכובות הפנוליות במיץ אוכמניות אירופיות ביותר מ־15%. […] השפעתו של US (אולטרסאונד) הייתה משמעותית יותר בדומדמניות שחורות, שהן פירות יער מאתגרים יותר לעיבוד למיץ מאשר אוכמניות אירופיות בשל תכולת הפקטין הגבוהה שלהן והמבנה השונה של דופן התא. […] ריכוז התרכובות הפנוליות במיץ עלה ב־15–25% בעקבות שימוש בטיפול ב־US (אולטרסאונד) לאחר הדגרה עם אנזימים." (ראו Mokkila et al., 2004)
מכשיר אולטרסוני UIP6000hdT במתקן תעשייתי למיצוי רציף.
השבתת מיקרואורגניזמים ואנזימים
השבתת מיקרואורגניזמים ואנזימים (שימור), למשל במיצי פירות וברטבים, היא יישום נוסף של אולטרסאונד בעיבוד מזון. כיום, שימור באמצעות העלאת הטמפרטורה לפרקי זמן קצרים (פסטור) הוא עדיין שיטת העיבוד הנפוצה ביותר להשבתת מיקרואורגניזמים או אנזימים, המובילה לחיי מדף ארוכים יותר (שימור). בשל החשיפה לטמפרטורה גבוהה, לפסטור התרמי המקובל יש לעיתים קרובות חסרונות עבור מוצרי מזון.
היווצרות חומרים חדשים בתגובות המזורזות בחום ושינויים במקרומולקולות, וכן עיוות של מבנים צמחיים ובעלי חיים, עלולים לגרום לאובדן איכות. לכן, טיפול תרמי עלול לגרום לשינויים בלתי רצויים בתכונות החושיות, כלומר במרקם, בטעם, בצבע ובריח, ובאיכויות התזונתיות, כלומר בוויטמינים ובחלבונים. אולטרסאונד הוא חלופה יעילה לעיבוד לא תרמי (מינימלי).
בניגוד לטיפולי חום מקובלים, שימור אולטרסוני משתמש באנרגיה ובכוחות הגזירה של קוויטציה אקוסטית כדי להשבית אנזימים. ברמות נמוכות דיין של סוניקציה יכולים להתרחש בתאים שינויים מבניים ומטבוליים ללא הרס התאים. ניתן להפחית במידה ניכרת באמצעות אולטרסאונד את פעילותו של האנזים פראוקסידאז, המצוי ברוב הפירות והירקות הגולמיים שלא עברו חליטה ושעשוי להיות קשור במיוחד להתפתחות טעמי לוואי ופיגמנטים הגורמים להשחמה. אנזימים עמידים בחום, כגון ליפאז ופרוטאז, העומדים בטיפול בטמפרטורה גבוהה במיוחד ועלולים להפחית את איכותם ואת חיי המדף של חלב שעבר טיפול בחום ושל מוצרי חלב אחרים, ניתנים להשבתה יעילה יותר באמצעות יישום בו־זמני של אולטרסאונד, חום ולחץ (MTS).
אולטרסאונד הוכיח את הפוטנציאל שלו בהשמדת פתוגנים המועברים במזון, כגון E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, ציסטות של Cryptosporidium ו־Poliovirus.
מתאים לשימוש עבור: שימור ריבה, ריבת הדרים או תוספות, מיצי פירות ורטבים, מוצרי בשר, מוצרי חלב וגלידה.
סינרגיות של אולטרסאונד עם טמפרטורה ולחץ
סוניקציה יעילה לעיתים קרובות יותר בשילוב עם שיטות אנטימיקרוביאליות אחרות, כגון:
- תרמו־סוניקציה, כלומר חום ואולטרסאונד
- מנו־סוניקציה, כלומר לחץ ואולטרסאונד
- מנו־תרמו־סוניקציה, כלומר לחץ, חום ואולטרסאונד
היישום המשולב של אולטרסאונד עם חום ו/או לחץ מומלץ עבור Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae ו־Aeromonas hydrophila.
אולטרסאונד לעומת טכניקות אחרות לשימור מזון
בניגוד לתהליכים תרמיים ולא תרמיים אחרים, כגון הומוגניזציה בלחץ גבוה, פסטור בחום, עיבוד בלחץ גבוה (HPP), פחמן דו־חמצני דחוס (cCO2) ופחמן דו־חמצני על־קריטי (ScCO2), פולסים של שדה חשמלי גבוה (HELP) או גלי מיקרו, ניתן לבדוק אולטרסאונד בקלות בקנה מידה מעבדתי או במערכות שולחניות – ולהפיק תוצאות הניתנות לשחזור לצורך הגדלת קנה המידה. ניתן להתאים בקלות את העוצמה ואת מאפייני הקוויטציה לתהליך המיצוי המסוים כדי להשיג יעדים מוגדרים. ניתן לשנות את המשרעת ואת הלחץ בטווח רחב, למשל כדי לזהות את מערך המיצוי היעיל ביותר מבחינה אנרגטית.
יתרונות נוספים הקשורים לשימוש במיצוי אולטרסוני באמצעות גשוש הם קלות הטיפול בתמצית, ביצוע מהיר, היעדר שאריות, תפוקה גבוהה, ידידותיות לסביבה, איכות משופרת ומניעת התפרקות התמצית.
(ראו Chemat et al., 2011)
- מיצוי מלא יותר
- שימור לא תרמי
- תפוקות גבוהות יותר
- תכולה גבוהה של רכיבי תזונה, איכות מזון מעולה
- תהליך מהיר
- תהליך קר / לא תרמי
- קל ובטוח לתפעול
- דרישות תחזוקה נמוכות
מכשירי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים למיצוי ולשימור
Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומשווקת מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים למיצוי ולשימור יעילים. השימוש בציוד האולטרסוני של Hielscher למיצוי ולשימור מזון הוא טכנולוגיית עיבוד רבת עוצמה שניתן ליישם בבטחה ובאופן ידידותי לסביבה, וגם ביעילות ובחיסכון. ניתן לנצל בקלות את השפעת ההומוגניזציה והשימור בכל מוצר מזון נוזלי או דמוי משחה, לרבות מיצי פירות ומחיות פירות (למשל תפוז, תפוח, אשכולית, מנגו, ענבים ושזיף), וכן ברטבי ירקות ובמרקים (למשל רוטב עגבניות או מרק אספרגוס), במוצרי חלב, בביצים ובבשר.
מגוון ההומוגנייזרים האולטרסוניים ומכשירי המיצוי שלנו נע ממכשירים ניידים המוחזקים ביד ועד למערכות ייצור תעשייתיות מלאות לעיבוד רציף בקו של נפחים גדולים בקנה מידה מסחרי.
תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה
המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר של איכות ותכנון. עמידות וקלות תפעול מאפשרות שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.
Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.
הטבלה שלהלן נותנת מושג על קיבולת העיבוד המשוערת של המכשירים האולטרסוניים שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 0.5 עד 1.5mL | n.a. | VialTweeter | 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 עד 150L | 3 עד 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | אשכול של UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבוב, דיספרסיה, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, בקנה מידה של פיילוט ובקנה מידה תעשייתי.
ספרות / מקורות
- 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.
עובדות שכדאי לדעת
פירוק תאים אולטרסוני
בסוניקציה עזה, אנזימים או חלבונים יכולים להשתחרר מתאים או מאברונים תת-תאיים כתוצאה מפירוק תאים. במקרה זה, התרכובת שיש להמיס בממס כלואה במבנה בלתי מסיס. כדי למצות אותה, יש להרוס את קרום התא. פירוק תאים הוא תהליך רגיש בשל יכולתה של דופן התא לעמוד בלחץ אוסמוטי פנימי גבוה. נדרשת בקרה טובה על פירוק התאים כדי למנוע שחרור בלתי מבוקר של כל התוצרים התוך-תאיים, לרבות שברי תאים וחומצות גרעין, או דנטורציה של התוצר.
סוניקציה משמשת אמצעי הניתן לבקרה טובה לפירוק תאים. לשם כך, ההשפעות המכניות של האולטרסאונד מאפשרות חדירה מהירה ומלאה יותר של ממס לחומרים תאיים ומשפרות את מעבר המסה. אולטרסאונד מאפשר חדירה רבה יותר של ממס לרקמת צמח ומשפר את מעבר המסה. גלים אולטרסוניים היוצרים קוויטציה מפרקים דופנות תאים ומסייעים לשחרור רכיבי המטריצה.
מעבר מסה משופר באמצעות אולטרסאונד מקדם מיצוי
באופן כללי, אולטרסאונד יכול להגביר את חדירותם של קרומי תאים ליונים, והוא יכול להפחית באופן משמעותי את הבררנות של קרומי התאים. הפעילות המכנית של האולטרסאונד מסייעת לדיפוזיה של ממסים לתוך הרקמה. כאשר האולטרסאונד מפרק את דופן התא באופן מכני באמצעות כוחות הגזירה של הקוויטציה, הוא מקל על המעבר מהתא אל הממס. הקטנת גודל החלקיקים באמצעות הקוויטציה האולטרסונית מגדילה את שטח המגע בין הפאזה המוצקה לפאזה הנוזלית.
ליזיס ואינאקטיבציה של E.coli באמצעות אולטרסאונד
לייצור כמויות קטנות של חלבונים רקומביננטיים לצורך חקר ואפיון תכונותיהם הביולוגיות, E.coli הוא החיידק המועדף. תגי טיהור, כגון זנב פוליהיסטידין, בטא-גלקטוזידאז או חלבונים קושרי מלטוז, מחוברים בדרך כלל לחלבונים רקומביננטיים כדי לאפשר את הפרדתם מתמציות תאים בדרגת טוהר המספיקה לרוב המטרות האנליטיות. סוניקציה מאפשרת למקסם את שחרור החלבון, במיוחד כאשר תפוקת הייצור נמוכה, ולשמר את המבנה והפעילות של החלבון הרקומביננטי.
חמצון אולטרסוני
בעוצמות מבוקרות, יישום אולטרסאונד בביוטרנספורמציה ובתסיסה עשוי בהחלט לשפר את העיבוד הביולוגי, הודות להשפעות הביולוגיות המושרות ולהקלה על מעבר החומר התאי. השפעת היישום המבוקר של אולטרסאונד (20kHz) על חמצון כולסטרול לכולסטנון באמצעות תאים במנוחה של Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (לשעבר Nocardia erythropolis) נחקרה על ידי Bar (1987).
מערכת זו אופיינית להתמרות מיקרוביאליות של סטרולים וסטרואידים בכך שהמצע והתוצרים הם מוצקים שאינם מסיסים במים. לפיכך, מערכת זו ייחודית למדי בכך שגם התאים וגם המוצקים עשויים להיות נתונים להשפעת האולטרסאונד. בעוצמת אולטרסאונד נמוכה דיה, ששמרה על שלמות המבנה של התאים ועל פעילותם המטבולית, הבחין Bar בעלייה משמעותית בקצבים הקינטיים של הביוטרנספורמציה בתרחיפים מיקרוביאליים המכילים כולסטרול בריכוזים של 1.0 ו-2.5 g/L, כאשר עברו סוניקציה במשך 5s בכל 10mn בהספק מוצא של 0.2W/cm². לאולטרסאונד לא הייתה השפעה על החמצון האנזימטי של כולסטרול (2.5g/L) באמצעות כולסטרול אוקסידאז.
מהו עיבוד בלחץ גבוה בשימור מזון?
עיבוד בלחץ גבוה (HPP) הוא שיטת שימור מזון לא תרמית המשביתה מיקרואורגניזמים ואנזימים תוך שמירה על התכונות החושיות והתזונתיות של המוצר. השיטה כוללת חשיפת מזון ארוז ללחצים הידרוסטטיים הנעים בדרך כלל בין 300 ל-600 MPa (מגה-פסקל), למשך שניות עד דקות. אתגר מרכזי של עיבוד בלחץ גבוה הוא צריכת האנרגיה הגבוהה מאוד שלו. קראו עוד על האופן שבו סוניקציה יכולה לסייע בהפחתת דרישת האנרגיה של HPP!
