מיצוי ושימור אולטראסוני
מיצוי ושימור אולטראסוני משתמש באולטרסאונד כוח להתפוררות מבני תאים (ליזה). שבירת תאים באמצעות אולטרסאונד גורמת למיצוי יעיל ביותר של תרכובות תוך-תאיות וכן לנטרול מיקרוביאלי. בשל יתרונות רבים, ultrasonication נמצא בשימוש נרחב עבור מיצוי ושימור בתעשיית המזון. למידע נוסף על היתרונות של מיצוי קולי ועיבוד מזון!
אולטרסאונד כוח למיצוי ושימור מזון וצמחים
מיצוי קולי: מיצוי על-קולי הוא תהליך המשתמש בגלי קול בתדר גבוה כדי לחלץ תרכובות ממגוון חומרים כגון צמחים, פירות וירקות. התהליך כולל שימוש בגלים על-קוליים ליצירת בועות בלחץ גבוה בחומר נוזלי או מוצק למחצה, אשר קורסות במהירות, ומייצרות חום ולחץ עזים המשבשים את דפנות התא של החומר ומשחררים את התרכובות הרצויות.
עקרון העבודה של מיצוי קולי ושימור
העיקרון הבסיסי מאחורי מיצוי קולי מבוסס על התופעה המכונה קוויטציה אקוסטית. כאשר נוזל נחשף לגלים על-קוליים בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך (כ-20 קילוהרץ), הוא מייצר גלי לחץ היוצרים בועות ואקום זעירות בנוזל. בועות אלה גדלות ככל שעוצמת האולטרסאונד עולה, וכאשר הן מגיעות לגודל מסוים, הן קורסות באופן פתאומי ואלים, מייצרות גל הלם ומשחררות אנרגיה בצורת חום ולחץ.
תהליך זה גורם לשיבוש מכני של דפנות התא, ומשחרר את התרכובות הרצויות מהחומר לממס הנוזלי. לאחר מכן ניתן להפריד את התרכובות המשתחררות מהממס באמצעות טכניקות הפרדה סטנדרטיות כגון סינון או צנטריפוגה.

אולטרסוניקטור UP400St למיצוי יעיל ולא תרמי של חומר צמחי.
שימור אולטראסוניק: שימור קולי מבוסס על אותן השפעות קוויטציוניות כמו מיצוי קולי. לשימור, אולטרסאונד כוח מוחל כדי להאריך את חיי המדף של מזון מתכלה באמצעות גלי קול בתדר גבוה כדי לעכב את הצמיחה של מיקרואורגניזמים הגורמים קלקול. התהליך כרוך בחשיפת המזון לגלים על-קוליים המשבשים את דפנות התאים של חיידקים, שמרים ועובשים, מה שמוביל להרס או עיכוב שלהם.
תהליך זה גורם לשיבוש מכני של קירות התא של מיקרואורגניזמים, המוביל להרס או עיכוב שלהם. גלים על-קוליים יכולים גם להגביר את החדירות של קרום התא, ולאפשר לחומרים משמרים ולחומרים אנטי-מיקרוביאליים אחרים לחדור ולהרוג את המיקרואורגניזמים בצורה יעילה יותר.
שימור אולטראסוני מועדף על פני שיטות שימור מסורתיות מכיוון שהוא מציע מספר יתרונות כגון זמן עיבוד קצר יותר, יעילות גבוהה יותר ויכולת לשמר את התכונות והטעמים הטבעיים של המזון. הוא משמש במגוון רחב של מוצרי מזון כגון רטבים, מיצים, מוצרי חלב, ביצים ובשר כדי להאריך את חיי המדף שלהם ולהבטיח את בטיחותם.
טכניקת המיצוי והשימור האולטרסוני מועדפת על פני שיטות מיצוי ושימור מסורתיות מכיוון שהיא מציעה מספר יתרונות כגון שיעורי מיצוי מהירים יותר, איכות מוצר מעולה, תפוקה גבוהה יותר, טיפול מכני לא תרמי טהור והיכולת לחלץ מגוון רחב יותר של תרכובות. הוא משמש במגוון רחב של תעשיות כגון מזון ומשקאות, תרופות וקוסמטיקה.

קוויטציה קולית עוצמתית ב Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
מיצוי חלבון אולטראסוני ואנזימים
בפרט, מיצוי אנזימים וחלבונים המאוחסנים בתאים וחלקיקים תת-תאיים הוא יישום ייחודי ויעיל של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה, שכן מיצוי של תרכובות אורגניות הכלולות בגוף של צמחים וזרעים על ידי ממס יכול להיות משופר באופן משמעותי. לכן, לאולטרסאונד יש יתרון פוטנציאלי במיצוי ובידוד של רכיבים חדשים שעשויים להיות פעילים ביולוגית, למשל מזרמי תוצרי לוואי שאינם מנוצלים הנוצרים בתהליכים הנוכחיים. אולטרסאונד יכול גם לעזור להגביר את ההשפעות של טיפול אנזים, ובכך להפחית את כמות האנזים הדרוש או להגדיל את התשואה של תרכובות רלוונטיות למיצוי.
מיצוי קולי של שומנים וחלבונים
לעתים קרובות משתמשים באולטרה-סוניקציה כדי לשפר את מיצוי השומנים והחלבונים מזרעי צמחים, כגון פולי סויה (למשל קמח או פולי סויה נטולי שומן) או זרעי שמן אחרים. במקרה זה, הרס קירות התא מקל על הכבישה (קרה או חמה) ובכך מפחית את שאריות השמן או השומן בעוגת הכבישה.
ההשפעה של מיצוי קולי מתמשך על התשואה של חלבון מפוזר הודגמה על ידי מולטון ואחרים. הסוניקציה הגבירה את התאוששות החלבון המפוזר בהדרגה כאשר יחס הפתית/ממס השתנה מ-1:10 ל-1:30. המחקר הראה כי אולטרסאונד מסוגל לבצע פפטציה של חלבון סויה כמעט בכל תפוקה מסחרית, וכי אנרגיית הסוניקציה הנדרשת הייתה הנמוכה ביותר, כאשר נעשה שימוש בתרחיפים עבים יותר.
בידוד קולי של תרכובות פנוליות ואנתוציאנינים
אנזימים, כגון פקטינאזות, צלולאזות והמיצלולאזות נמצאים בשימוש נרחב בעיבוד מיץ על מנת לפרק את דפנות התא ולשפר את מיצוי המיץ. ההפרעה של מטריצת דופן התא משחררת גם רכיבים, כגון תרכובות פנוליות לתוך המיץ. אולטרסאונד משפר את תהליך המיצוי ולכן יכול להוביל לעלייה בתרכובת הפנולית, אלקלואידים ותפוקת המיץ, שבדרך כלל נשארים בעוגת העיתונות.
The beneficial effects of ultrasonic treatment on the liberation of phenolic compounds and anthocyanins from grape and berry matrix, in particular from bilberries (Vaccinium myrtillus) and black currants (>Ribes nigrum) into juice, was investigated by VTT Biotechnology, Finland using an ultrasonic processor UIP2000hd after thawing, mashing and enzyme incubation. The disruption of the cell walls by enzymatic treatment (Pectinex BE-3L for bilberries and Biopectinase CCM for black currants) was improved when combined with ultrasound. “הטיפול בארה"ב מעלה את ריכוז התרכובות הפנוליות של מיץ האוכמניות ביותר מ-15%. […ההשפעה של US (אולטרסאונד) הייתה משמעותית יותר עם דומדמניות שחורות, שהן פירות יער מאתגרים יותר בעיבוד מיץ מאשר אוכמניות בשל התכולה הגבוהה של פקטין וארכיטקטורת דופן התא השונה. […ריכוז התרכובות הפנוליות במיץ עלה ב-15-25% באמצעות טיפול US (אולטרסאונד) לאחר דגירה של אנזימים.” (ראה: Mokkila et al., 2004)

Ultrasonicator UIP6000hdT במתקן תעשייתי של מיצוי רציף.
השבתה מיקרוביאלית ואנזימים
השבתה מיקרוביאלית ואנזימית (שימור), למשל במיצי פירות ורטבים היא יישום נוסף של אולטרסאונד בעיבוד מזון. כיום, שימור על ידי העלאת הטמפרטורה לפרקי זמן קצרים (פסטור) הוא עדיין שיטת העיבוד הנפוצה ביותר לנטרול מיקרוביאלי או אנזים המוביל לחיי מדף ארוכים יותר (שימור). בגלל החשיפה לטמפרטורה גבוהה, הפסטור התרמי הקונבנציונאלי מגיע לעתים קרובות חסרונות עבור מוצרי מזון.
ייצור חומרים חדשים מתגובות זרזי חום ושינוי של מקרומולקולות, כמו גם עיוות של מבנים צמחיים ובעלי חיים עשויים להפחית את אובדן האיכות. לכן, טיפול תרמי עלול לגרום לשינויים בלתי רצויים בתכונות חושיות, כלומר מרקם, טעם, צבע, ריח ואיכויות תזונתיות, כלומר ויטמינים וחלבונים. אולטרסאונד הוא חלופה יעילה לעיבוד לא תרמי (מינימלי).
בניגוד לטיפולי חום קונבנציונליים, שימור אולטראסוני משתמש באנרגיה ובכוחות הגזירה של קוויטציה אקוסטית על מנת להשבית אנזימים. ברמות נמוכות מספיק של סוניקציה, שינויים מבניים ומטבוליים יכולים להתרחש בתאים ללא השמדתם. הפעילות של Peroxidase, אשר נמצא ברוב פירות וירקות גלם ולא מולבן והוא יכול להיות קשור במיוחד עם התפתחות של טעמים מחוץ פיגמנטים השחמה יכול להיות מופחת באופן משמעותי על ידי שימוש אולטרסאונד. אנזימים עמידים בפני תרמו, כגון ליפאז ופרוטאז העומדים בטיפול בטמפרטורה גבוהה במיוחד ואשר יכולים להפחית את האיכות ואת חיי המדף של חלב שטופל בחום ומוצרי יומן אחרים יכולים להיות מושבתים בצורה יעילה יותר על ידי יישום בו זמנית של אולטרסאונד, חום ולחץ (MTS).
אולטרסאונד הוכיח את הפוטנציאל שלו בהרס פתוגנים הנישאים במזון, כמו E.coli, סלמונלה, אסקריס, ג'יארדיה, ציסטות קריפטוספורידיום ונגיף הפוליו.
רלוונטי על: שימור ריבה, ריבה או תוספות, מיצי פירות ורטבים, מוצרי בשר, מוצרי חלב וגלידה.
סינרגיות של אולטרסאונד עם טמפרטורה ולחץ
אולטרסוניקציה היא לעתים קרובות יעילה יותר בשילוב עם שיטות אנטי מיקרוביאליות 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 שימור מזון אחרות
שלא כמו תהליכים תרמיים ולא תרמיים אחרים, כגון הומוגניזציה בלחץ גבוה, פסטור חום, עיבוד בלחץ גבוה (HPP), פחמן דו חמצני דחוס (cCO2) ופחמן דו חמצני סופר-קריטי (ScCO2), פולסי שדה חשמלי גבוה (HELP) או מיקרוגל, אולטרסאונד יכול להיבדק בקלות בקנה מידה מעבדה או ספסל עליון – הפקת תוצאות הניתנות לשחזור לצורך התרחבות. ניתן להתאים בקלות את העוצמה ואת מאפייני הקוויטציה לתהליך המיצוי הספציפי כדי להתמקד במטרות ספציפיות. ניתן לשנות את המשרעת והלחץ בטווח רחב, למשל כדי לזהות את מערך החילוץ החסכוני ביותר באנרגיה.
יתרונות נוספים הקשורים לשימוש במיצוי מסוג בדיקה קולית הם טיפול קל בתמצית, ביצוע מהיר, ללא שאריות, תשואה גבוהה, ידידותית לסביבה, איכות משופרת ומניעת השפלת תמצית.
(ראה: Chemat et al., 2011)
- מיצוי מלא יותר
- שימור לא תרמי
- תשואות גבוהות יותר
- חומרים מזינים גבוהים, איכות מזון פרימיום
- תהליך מהיר
- תהליך קר / לא תרמי
- קל ובטוח לתפעול
- תחזוקה נמוכה
Ultrasonicators ביצועים גבוהים עבור חילוץ ו preseravation
Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומפיצה Ultrasonicators ביצועים גבוהים עבור חילוץ יעיל ושימור. באמצעות ציוד קולי Hielscher עבור מיצוי ושימור מזון היא טכנולוגיית עיבוד רב עוצמה כי לא רק ניתן ליישם בבטחה ידידותית לסביבה, אלא גם ביעילות וכלכלית. אפקט ההומוגניזציה והשימור יכול לשמש בקלות עבור כל מוצר מזון נוזלי או דמוי משחה, כולל מיצי פירות ומחית (למשל תפוזים, תפוח, אשכולית, מנגו, ענבים, שזיף), כמו גם עבור רטבים ירקות ומרקים (למשל, רוטב עגבניות או מרק אספרגוס), מוצרי חלב, ביצים ובשר.
היצע המוצרים שלנו של הומוגנייזרים וחילוצים על-קוליים נע בין מכשירים ניידים המוחזקים ביד למערכות ייצור תעשייתיות לחלוטין לעיבוד מוטבע של נפחים גדולים בקנה מידה מסחרי.
תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה
Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.
Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:
נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
---|---|---|
00.5 עד 1.5 מ"ל | נ.א. | VialTweeter | 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
15 עד 150 ליטר | 3 עד 15 ליטר/דקה | UIP6000hdT |
נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
צרו קשר! / שאל אותנו!
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
התפוררות תאים על-קוליים
תחת סוניקציה אינטנסיבית, אנזימים או חלבונים יכולים להשתחרר מתאים או אברונים תת-תאיים כתוצאה מהתפרקות תאים. במקרה זה, התרכובת להיות מומס לתוך ממס מוקף במבנה מסיס. על מנת לחלץ אותו, יש להרוס את קרום התא. שיבוש התא הוא תהליך רגיש, מכיוון שדופן התא מסוגלת לעמוד בלחץ אוסמוטי גבוה בתוכו. נדרשת בקרה טובה על שיבוש התא, כדי למנוע שחרור ללא הפרעה של כל המוצרים התוך-תאיים, כולל פסולת תאים וחומצות גרעין, או דנטורציה של מוצרים.
אולטרה-סוניקציה משמשת כאמצעי נשלט היטב להתפוררות תאים. לשם כך, ההשפעות המכניות של אולטרסאונד מספקות חדירה מהירה ומלאה יותר של ממס לחומרים סלולריים ומשפרות את העברת המסה. אולטרסאונד משיג חדירה גדולה יותר של ממס לתוך רקמת הצמח ומשפר את העברת המסה. גלים קוליים המייצרים קוויטציה משבשים את קירות התא ומקלים על שחרור רכיבי המטריצה.
העברת מסה משופרת באולטרסאונד מקדמת מיצוי
באופן כללי, אולטרסאונד יכול להוביל לחדירה של קרום התא ליונים, והוא יכול להפחית את הסלקטיביות של קרום התא באופן משמעותי. הפעילות המכנית של האולטרסאונד תומכת בדיפוזיה של ממסים לתוך הרקמה. כאשר אולטרסאונד שובר את דופן התא באופן מכני על ידי כוחות הגזירה של הקוויטציה, הוא מקל על המעבר מהתא לממס. הקטנת גודל החלקיקים על ידי הקוויטציה העל-קולית מגדילה את שטח הפנים במגע בין הפאזה המוצקה לשלב הנוזלי.
ליזה קולית והשבתה של E.coli
כדי לייצר כמויות קטנות של חלבונים רקומביננטיים לצורך מחקר ואפיון התכונות הביולוגיות שלהם, E.coli הוא החיידק הנבחר. תגי טיהור, כגון זנב פוליהיסטידין, בטא-גלקטוזידאז או חלבונים קושרי מלטוז, מחוברים בדרך כלל לחלבונים רקומביננטיים על מנת להפוך אותם לנפרדים מתמציות תאים עם טוהר מספיק לרוב המטרות האנליטיות. אולטרה-סוניקציה מאפשרת למקסם את שחרור החלבון, במיוחד כאשר תפוקת הייצור נמוכה ולשמר את המבנה והפעילות של החלבון הרקומביננטי.
חמצון קולי
בעוצמות מבוקרות, היישום של אולטרסאונד לביוטרנספורמציה ותסיסה עשוי בהחלט לגרום לעיבוד ביולוגי משופר, בשל השפעות ביולוגיות מושרות ובשל העברת מסה תאית מקלה. השפעת היישום המבוקר של אולטרסאונד (20kHz) על חמצון כולסטרול לכולסטנון על ידי תאי מנוחה של Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (לשעבר Nocardia erythropolis) נחקרה על ידי בר (1987).
מערכת זו אופיינית לטרנספורמציות מיקרוביאליות של סטרולים וסטרואידים בכך שהמצע והתוצרים הם מוצקים בלתי מסיסים במים. לכן, מערכת זו היא ייחודית למדי כי הן התאים והן מוצקים עשויים להיות כפופים להשפעה של אולטרסאונד. בעוצמה על-קולית נמוכה מספיק ששמרה על שלמותם המבנית של התאים ושמרה על פעילותם המטבולית, בר הבחין בשיפור משמעותי בקצב הקינטי של הביוטרנספורמציה בתרחיפים מיקרוביאליים של כולסטרול 1.0 ו-2.5 גרם/ליטר כאשר סונקו במשך 5 שניות כל 10 דקות עם תפוקת כוח של 0.2W/cm². אולטרסאונד לא הראה השפעה על חמצון אנזימטי של כולסטרול (2.5 גרם / ליטר) על ידי כולסטרול אוקסידאז.
מהו עיבוד בלחץ גבוה בשימור מזון?
עיבוד בלחץ גבוה (HPP) היא טכניקת שימור מזון לא תרמית המשביתה מיקרואורגניזמים ואנזימים תוך שמירה על התכונות החושיות והתזונתיות של המוצר. זה כרוך בחשיפת מזון ארוז ללחצים הידרוסטטיים, בדרך כלל בין 300 ל 600 MPa (megapascals) במשך שניות עד דקות. אתגר מרכזי של עיבוד בלחץ גבוה הוא צריכת האנרגיה הגבוהה מאוד שלה. קרא עוד על האופן שבו סוניקציה יכולה לעזור להפחית את דרישת האנרגיה של HPP!

Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.