ההתפוררות של מבנים תאיים (ימס) באמצעות אולטרסאונד משמשת להפקת תרכובות תוך-תאיים או עבור איון מיקרוביאלי.

רקע כללי

במיקרוביולוגיה, אולטרסאונד מזוהה בעיקר עם תא שיבוש (ימס) אוֹ הִתפּוֹרְרוּת (אלינגר 1975). כאשר sonicating נוזל בעצימויות גבוהות, גלי הקול להפיץ לכלי התקשורת הנוזלית לגרום לסירוגין בלחץ גבוה (דחיסה) בלחץ נמוך (דִבלוּל) מחזורי, עם שיעורי תלויים בתדירות.
במהלך המחזור בלחץ נמוך, גלים קוליים בעצמה גבוהה ליצור בועות ואקום קטנות או חללים הנזילים. כאשר הבועות להשיג נפח שבו הם כבר לא יכולים לספוג אנרגיה, שהם מתמוטטים באלימות במהלך מחזור בלחץ גבוה. תופעה זו נקראת cavitation. במהלך הקריסה בטמפרטורות גבוהות מאוד (כ. 5,000K) ולחצים (בערך. 2,000atm) הם הגיעו באופן מקומי. ההתפוצצות של בועת cavitation גם תוצאות מטוסי נוזל של עד 280 / s מהירות כוחות הגזירה וכתוצאה לשבור את מעטפת התא באופן מכאני ולשפר העברת חומר. אולטראסאונד יכול להיות גם השפעות הרסניות או קונסטרוקטיבית לתאים בהתאם לפרמטרים sonication המועסקים.

התפוררות התא

תחת אנזימים או חלבוני sonication אינטנסיביים יכול להשתחרר מתאים או אברונים subcellular כתוצאה התפוררות התא. במקרה זה, במתחם להיות מומס לתוך ממס מוקף מבנה לא מסיס. כדי לחלץ אותו, את קרום התא חייב להיות destructed. הפרעה סלולרית היא תהליך רגיש, בגלל היכולת של דופן התא כדי לעמוד בלחץ האוסמוטי גבוה בפנים. איזון טוב של שיבוש התא נדרש, כדי למנוע שחרור ללא הפרעה של כל המוצרים התאיים כולל פסולת תא וחומצות גרעין, או denaturation המוצר.
Ultrasonication משמש כאמצעי היטב לשליטה על התפוררות התא. לשם כך, ההשפעות המכאניות של אולטרסאונד לספק מהר יותר חדירות מלאה של ממס לתוך חומרים הסלולר ולשפר מעבר מסה. אולטראסאונד משיגה חדירה גדולה יותר של חומר ממיס לתוך רקמת הצמח ומשפר את מעבר מסה. גלי אולטרסאונד יצירת cavitation לשבש קירות התא ולאפשר את שחרורו של מרכיבי מטריקס.

העברת מסה

באופן כללי, אולטרסאונד יכול להוביל permeabilization של קרום התא כדי יונים (מואקרי 1978,) וזה יכול להפחית את הסלקטיביות של קרום התא באופן משמעותי. הפעילות המכנית של אולטרסאונד תומך דיפוזיה של ממיסים לתוך הרקמה. כמו אולטרסאונד שובר את דופן התא באופן מכני על ידי כוחות גזירה cavitation, זה מקל על העברת מהתא לתוך ממס. צמצום גודל החלקיקים על ידי cavitation קולי מגדיל את שטח הפנים במגע בין מוצק השלב הנוזלי.

חלבון ו Extraction Enzyme

בפרט החילוץ של אנזימים וחלבונים מאוחסן בתאים וחלקיקי subcellular הוא יישום ייחודי ויעיל של אולטראסאונד בעצמה גבוהה (קים 1989), כמו החילוץ של תרכובות אורגניות בתוך הגוף של צמחים וזרעים ידי ממס יכול להיות שיפור משמעותי. לכן יש אולטרסאונד תועלת פוטנציאלית החילוץ ובידוד של רכיבים ביו פוטנציאלי רומן, למשל: מן הלא מנוצל זרמי תוצר הלוואי נוצרו בתהליכים נוכחיים. אולטראסאונד יכול גם לסייע להגביר את ההשפעות של טיפול אנזים, ועל ידי זה להפחית את כמות אנזים צורך או להגדיל את התשואה של תרכובות רלוונטיות הניתנות לשליפה.

שומנים וחלבונים

Ultrasonication משמש לעתים קרובות כדי לשפר את השאיבה של שומנים וחלבונים מן זרעי צמחים, כגון סויה (לדוגמא קמח או סויה נטולה שומן) או זרעי שמן אחרים. במקרה זה, ההרס של קירות התא ומקל על הלחיצה (קר או חם) ובכך מפחיתה את משקעי שמן או שומן בעוגה הקשה.

ההשפעה של מיצוי רציף קולי לתשואה של חלבון התפזר הודגמה על ידי et al מולטון. Sonication הגדילה את ההתאוששות של חלבון התפזרו בהדרגה כיחס פתית / ממיס השתנה מ 01:10 כדי 1:30. זה הראה כי אולטרסאונד הוא מסוגל peptize חלבון סויה כמעט בכל תפוקה מסחרית שאנרגית sonication נדרשה הייתה הנמוכה ביותר, כאשר והכלומניקים עבים שמשו. (מולטון ואח. 1982)

החלים: שמן הדרים מפירות, מיצוי שמן חרדל הקרקע, בוטנים, אונס, שמן עשב (אכינצאה), קנולה, סויה, תירס

שחרור של תרכובות פנוליות ו אנתוציאנינים

אנזימים, כגון pectinases, cellulases ו hemicellulases נמצאים בשימוש נרחב בעיבוד מיץ כדי להשפיל קירות התא ולשפר את המיץ extractability. השיבוש של מטריצת דופן התא גם משחרר רכיבים, כגון תרכובות פנוליות לתוך המיץ. אולטראסאונד משפר את תהליך החילוץ ולכן יכול להוביל לעלייה במתחם פנוליות, תשואת אלקלואידים ומיץ, עזבה נפוץ עוגת העיתונות.

ההשפעות המיטיבות של טיפול קולי על השחרור של תרכובות פנוליות ו אנתוציאנינים מן ענבי מטריצה ​​ברה, בפרט מן האוכמניות (Vaccinium מירטיליוס) ודומדמניות שחורות (ריבס) לתוך מיץ, נחקר על ידי ביוטכנולוגיה VTT, פינלנד (MAXFUN האיחוד האירופי פרויקט) באמצעות UIP2000hd מעבד קולי לאחר הפשרה, מעיכה ו דגירת אנזים. שיבוש של קירות התא על ידי טיפול אנזימטי (Pectinex BE-3L עבור האוכמניות וכן Biopectinase CCM עבור דומדמניות שחורות) השתפר בשילוב עם אולטרסאונד. “טיפול ארה"ב להעלות את ריכוז תרכובות פנוליות של מיץ אוכמניות ידי יותר מ 15%. […] השפעת ארה"ב (אולטרסאונד) הייתה יותר משמעותית עם דומדמניות שחורות, שהן גרגר יותר מאתגר בעיבוד מיץ מ אוכמניות בשל התוכן של פקטין הגבוה שלהם ואדריכלות דופן תא שונה. […] ריכוז תרכובות פנוליות במיץ גדל ב 15-25% באמצעות ארה"ב (אולטרסאונד) טיפול לאחר הדגירה האנזים.” (Mokkila ואח. 2004)

מיקרוביאליים איון Enzyme

מיקרוביאליים איון אנזים (שימור), למשל: ב מיצים ורטבים פירות הוא יישום אחר של אולטרסאונד בעיבוד מזון. היום, לשימור על ידי העלאת הטמפרטורה לפרקי זמן קצרים (פסטור) הוא עדיין השיטה הנפוצה ביותר לעיבוד עבור איון חיידקים או אנזים מוביל חיי מדף ארוכים יותר (שימור). בגלל החשיפה בטמפרטורה גבוהה, שיטת תרמית זו יש חסרונות לעתים קרובות עבור מוצרי מזון רבים.
ייצור חומרים חדשים מתגובות-מזורז חום ואת השינוי של מקרומולקולות כמו גם העיוות של מבני צמחים ובעלי חיים עשויים להפחית לאובדן האיכות. לכן, טיפול תרמי יכול לגרום לשינויים בלתי רצויים של תכונות חושיות, דהיינו מרקם, טעם, צבע, ריח, ואיכויות תזונתיות, למשל ויטמינים וחלבונים. אולטראסאונד היא חלופת עיבוד יעילה הלא-תרמית (מינימאלית).

החום שנוצר באופן מקומי על ידי cavitation ואת הרדיקלים שנוצר יכול להוביל איון של אנזימים על ידי sonication (El'piner 1964). ברמות נמוכות מספיק של sonication שינויים מבניים מטבולית יכולים להתרחש בתאים ללא ההרס שלהם. הפעילות של Peroxidase, הנמצא ברוב הפירות גלם בלתי קלויים ירקות יכול להיות קשור במיוחד עם התפתחות מחוץ טעמים פיגמנטים השחמה ניתן להפחית באופן משמעותי על ידי שימוש אולטרסאונד. אנזימים עמידים חומים, כגון lipase ו פרוטאז כי לעמוד טיפול אולטרא-גבוהה טמפרטורה אשר יכול להפחית את איכות חיי מדף של חלב שטופל חום ומוצרי חלב אחרים יכול להיות מובטל בצורה יעילה יותר על ידי היישום בו הזמני של אולטרסאונד, חום ולחץ (MTS).

אולטראסאונד הוכיחה את הפוטנציאל שלה חורבן פתוגנים שמקורן במזון, כמו אי - קולי, Salmonellae, Ascaris, טפילים, ציסטות Cryptosporidium, ו נגיף הפוליו.

החלים: שימור של ריבה, ריבה או תוספות, למשל: עבור הגלידה, מיצי פירות ורטבים, מוצרי בשר, חלב

סינרגיה של אולטראסאונד עם טמפרטורה ולחץ

Ultrasonication הוא בדרך כלל יעיל יותר כאשר הוא משולב עם שיטות אנטי מיקרוביאליים אחרים, כגון:

• התרמו-sonication, עם ייצוג גרפי ו אולטרסאונד
• מנו-sonication, לחץ דהיינו ואולטרסאונד
• מנה-התרמו-sonication, לחץ למשל, חום אולטרסאונד

היישום המשולב של אולטרסאונד עם חום ו / או לחץ מומלץ subtilis Bacillus, coagulans Bacillus, cereus Bacillus, בצילוס sterothermophilus, שמר האפייה, ועל hydrophila Aeromonas.

פיתוח תהליך

בניגוד לתהליכים הלא-תרמיים אחרים, כגון לחץ ההידרוסטטי גבוה (HP), פחמן דו חמצני דחוס (cCO2) ופחמן דו חמצני סופר (ScCO2) וקטניות שדה חשמליות גבוהות (HELP), אולטרסאונד ניתן לבדוק בקלות מידה במעבדה או ספסל-top – יצירת תוצאות לשחזור עבור למעלה מידה. האינטנסיביות ואת המאפיינים cavitation ניתן להתאים בקלות את תהליך החילוץ ספציפי כדי למקד מטרות ספציפיות. משרעת הלחץ יכול להיות מגוונות, במגוון רחב, למשל, כדי לזהות את התקנת המיצוי היעיל ביותר האנרגיה. רקמות קשוחות צריכות לעבור שרייה, טחינה או ריסוק לפני ultrasonication.

אי - קולי

כדי לייצר כמויות קטנות של חלבונים רקומביננטיים לחקר ואפיון של המאפיינים הביולוגיים שלהם, אי - קולי הוא החיידק של בחירה. תגיות טיהור, למשל: זנב polyhistidine, בטא-galactosidase, או מלטוז מחייב
חלבונים, מצטרפים בדרך כלל חלבונים רקומביננטיים על מנת להפוך אותם להפרדה מן תמציות תאים עם טוהר מספיק עבור רוב למטרות אנליטיות. Ultrasonication מאפשר למקסם את שחרור החלבון, בפרט כאשר תשואת הייצור נמוכה כדי לשמר את המבנה ואת הפעילות של החלבון רקומביננטי.

שיבוש אי - קולי תאים על מנת לחלץ את החלבון הכולל Chymosin נחקרו על ידי קים זאייאס.

הפקת זעפרן

הזעפרן שמכונה ביותר תבלין יקר על השוק העולמי מתאפיין בטעם העדין שלה, טעם מר וצבע צהוב אטרקטיבי. הספייס הזעפרן מתקבל הסטיגמה האדום של פרח כרכום זעפרן. לאחר הייבוש, חלקים אלה משמשים לתיבול במטבח או כסוכן צביעה. הטעם האופייני האינטנסיבי של תוצאות זעפרן במיוחד משלוש תרכובות: crocins, picrocrocin ו safranal.

Kadkhodaee ו Hemmati-Kakhki הראו במחקר כי ultrasonication הגדיל את תשואת החילוץ משמעותית והקטין את זמן העיבוד ניכר. למעשה, תוצאות על ידי מיצוי אולטרסאונד היו באופן בולט יותר מאשר על ידי מיצוי במים קר מסורתי, אשר מוצע על ידי ISO. עבור המחקר שלהם, Kadkhodaee ו Hemmati-Kakhki השתמשו Hielscher של UP50H התקן קולי. התוצאות הכי הושגו עם sonication פעם. משמעות הדבר היא כי מרווחי דופק קצרים היו יעילים יותר לטיפול קולי מתמשך.

חִמצוּן

בעצימויות מבוקרת, את היישום של אולטרסאונד כדי biotransformation ותסיסה עשוי לגרום bioprocessing משופרת, בשל תופעות ביולוגיות מושרות ובשל המוני עברת הסלולר קל. ההשפעה של יישום מבוקר של אולטרסאונד (20kHz) על חמצון של כולסטרול כדי cholestenone ידי נח תאים של מעלה אריפוליס ATCC 25,544 (לשעבר נוקרדיה אריפוליס) נחקר על ידי בָּר.

כולסטרול + O₂ = Cholest-4-en-3-one + H₂הו₂

מערכת זו אופיינית של טרנספורמציות מיקרוביאלי של סטרולים וסטרואידים בכך את המצע ואת המוצרים הם מוצקים מים מסיסים. לכן, מערכת זו היא ייחודית למדי בשני כי התאים ואת המוצקים עשויים להיות כפופים ההשפעה של אולטרסאונד (בר, 1987). בעצימות קוליות נמוכות מספיק ששמרו על שלמות המבנית של תאי ומתוחזק פעילות מטבולית שלהם, בר שנצפה שיפור משמעותי בשיעורי הקינטית של biotransformation ב והכלומניקים מיקרוביאלי של 1.0 ו 2.5 כולסטרול g / L כאשר sonicated עבור 5s כל 10mn עם פלט כוח של 0.2W / סמ"ר. אולטראסאונד הראה שום השפעה על חמצון אנזימטי של כולסטרול (2.5g / L) על ידי מונואמין כולסטרול.

טכנולוגיה כדאית

ניצול cavitation הקולי עבור מיצוי ושימור מזון הוא טכנולוגיה לעיבוד עצמה חדשה שלא ניתן ליישם רק בשלום ידידותי לסביבה, אלא גם ביעילות כלכלית. ניתן להשתמש במשטח homogenizing ותוצאת שמירה בקלות מיצי פירה פרות (לדוגמא תפוזים, תפוחים, אשכוליות, מנגו, ענבים, שזיף), כמו גם עבור רטבי ירקות ומרקים, כמו רוטב עגבניות או מרק אספרגוס.

סִפְרוּת

לוינגר, ה. (1975): אמריקאי מעבדה, 7 (10), 75 (1975).

בר, ר '(1987): Bioprocesses משופרת אולטרסאונד, ב: הנדסת ביוטכנולוגיה, Vol. 32, pp. 655-663 (1987).

El'piner, S.I. (1964): אולטראסאונד: גופני, כימית, וכן אפקטים ביולוגיים (לשכת יועצים, ניו יורק, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: הפקת סאונד של חומרים פעילים מן הזעפרן, ב: אינטרנט פרסום.

קים, ס מ ו זאייאס, J.F. (1989): עיבוד פרמטר של מיצוי chymosin ידי אולטרסאונד; ב J. מזון Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, א, Buchert, J., Poutanen, K (2004): שילוב אולטרסאונד כוח עם אנזימים בעיבוד מיץ פירות יער, בכתובת: Int 2. Conf. Biocatalysis של מזון ומשקאות, 19-22.9.2004, שטוטגרט, גרמניה.

מולטון, K.J., וואנג, L.C. (1982): מחקר פיילוט-Plant של הפקת סאונד הרציפה של חלבון סויה, ב: Journal of Food Science, Volume 47, 1982.

מוסיקה, C.L. (1978): ההשפעה של אולטרסאונד על הפיברובלסטים במבחנה, ב: דוקטורט תזה, אוניברסיטת לונדון, לונדון, אנגליה, 1978.