Hielscher अल्ट्रासाउंड प्रौद्योगिकी

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण और संरक्षण

सेल संरचनाओं (lysis) अल्ट्रासाउंड के माध्यम से के विघटन के भीतर सेलुलर यौगिकों की निकासी के लिए या माइक्रोबियल निष्क्रियता के लिए प्रयोग किया जाता है।

पृष्ठभूमि

सूक्ष्म जीव विज्ञान में, अल्ट्रासाउंड मुख्य रूप से साथ जुड़ा हुआ है सेल व्यवधान (lysis) या विघटन (अल्लिंगर 1975)। जब उच्च तीव्रता में तरल पदार्थ sonicating, ध्वनि तरंगों है कि तरल मीडिया में प्रचार, उच्च दबाव (संपीड़न) और कम दबाव (विरलीकरण) चक्र बारी आवृत्ति के आधार पर दरों के साथ होती है।
कम दबाव चक्र के दौरान, उच्च तीव्रता अल्ट्रासोनिक तरंगों छोटे निर्वात बुलबुले या तरल में रिक्तियों पैदा करते हैं। बुलबुले एक मात्रा है, जिस पर वे अब ऊर्जा को अवशोषित कर सकते हैं प्राप्त है, वे एक उच्च दबाव चक्र के दौरान हिंसक पतन। इस घटना गुहिकायन कहा जाता है। विविधता बहुत उच्च तापमान (लगभग। 5,000K) और दबाव के दौरान (लगभग। 2,000atm) स्थानीय स्तर पर पहुंचा जा सकता है। गुहिकायन बुलबुले की विविधता भी 280m / s वेग के परिणामस्वरूप कतरनी बलों सेल लिफाफा यंत्रवत् तोड़ने के लिए और सामग्री हस्तांतरण में सुधार के तरल जेट विमानों में परिणाम है। अल्ट्रासाउंड कार्यरत sonication मानकों के आधार पर कोशिकाओं को या तो विनाशकारी या रचनात्मक प्रभाव हो सकता है।

सेल विघटन

तीव्र sonication के एंजाइमों या प्रोटीन के तहत की वजह से कोशिकाओं या subcellular organelles से जारी किया जा सकता सेल विघटन। इस मामले में, परिसर में एक विलायक एक अघुलनशील संरचना में संलग्न है घुलने की। ताकि इसे निकालने के लिए में, कोशिका झिल्ली विलुप्त होना चाहिए। क्योंकि कोशिका दीवार की क्षमता के अंदर उच्च आसमाटिक दबाव को झेलने के लिए सेल व्यवधान एक संवेदनशील प्रक्रिया है। सेल व्यवधान का अच्छा नियंत्रण की आवश्यकता है, सेल मलबे और न्यूक्लिक एसिड, या उत्पाद विकृतीकरण सहित सभी intracellular उत्पादों की एक निर्बाध रिहाई से बचने के लिए।
Ultrasonication सेल विघटन के लिए एक अच्छी तरह से चलाया साधन के रूप में कार्य करता है। इस के लिए, अल्ट्रासाउंड के यांत्रिक प्रभाव सेलुलर माल में विलायक की तेजी से और अधिक पूरा प्रवेश प्रदान करते हैं और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण में सुधार होगा। अल्ट्रासाउंड एक संयंत्र के ऊतकों में एक विलायक के अधिक से अधिक पैठ को प्राप्त होता है और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण में सुधार। अल्ट्रासोनिक तरंगों गुहिकायन पैदा सेल दीवारों को बाधित और मैट्रिक्स घटकों की रिहाई की सुविधा।

दूरी बदलना

सामान्य तौर पर, अल्ट्रासाउंड आयनों के लिए कोशिका झिल्ली के एक permeabilization को जन्म दे सकता (स्वांग 1978), और यह कोशिका झिल्ली चयनात्मकता काफी कम कर सकते हैं। अल्ट्रासाउंड के यांत्रिक गतिविधि ऊतक में सॉल्वैंट्स के प्रसार का समर्थन करता है। अल्ट्रासाउंड गुहिकायन कतरनी बलों द्वारा यंत्रवत् सेल की दीवार टूट जाता है के रूप में, यह विलायक में कक्ष से हस्तांतरण की सुविधा। अल्ट्रासोनिक गुहिकायन द्वारा कण आकार में कमी ठोस और द्रव चरण के बीच संपर्क में सतह क्षेत्र बढ़ जाती है।

प्रोटीन और एंजाइम निष्कर्षण

विशेष रूप से कोशिकाओं और subcellular के कणों में संग्रहीत एंजाइमों और प्रोटीन की निकासी के उच्च तीव्रता अल्ट्रासाउंड का एक अनूठा और प्रभावी आवेदन (हैकिम 1989), के रूप में एक विलायक द्वारा पौधों और बीजों के शरीर के भीतर निहित कार्बनिक यौगिकों के निष्कर्षण में काफी सुधार किया जा सकता है। इसलिए अल्ट्रासाउंड उपन्यास संभावित जैवसक्रिय घटकों, जैसे की निकासी में एक संभावित लाभ और अलगाव है से गैर उपयोग किया उपोत्पाद धाराओं वर्तमान प्रक्रियाओं में बनते। अल्ट्रासाउंड भी एंजाइम उपचार के प्रभाव को तेज करने के लिए मदद कर सकते हैं, और इस के लिए आवश्यक एंजाइम की मात्रा को कम या निष्कर्षण प्रासंगिक यौगिकों की उपज बढ़ाने के।

लिपिड और प्रोटीन

Ultrasonication अक्सर इस तरह के सोयाबीन (जैसे आटा या defatted सोयाबीन) के रूप में संयंत्र के बीज, या अन्य तिलहन से लिपिड और प्रोटीन की निकासी में सुधार करने के लिए किया जाता है। इस मामले में, सेल दीवारों के विनाश दबाने (ठंडा या गर्म) और इस तरह दबाने केक में अवशिष्ट तेल या वसा कम कर देता है की सुविधा।

छितरी प्रोटीन की उपज के लिए निरंतर अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण के प्रभाव से प्रदर्शन किया गया Moulton एट अल। sonication परत / विलायक 1:30 करने के लिए 1:10 से बदल अनुपात के रूप में उत्तरोत्तर छितरी प्रोटीन की वसूली में वृद्धि हुई। यह पता चला है कि अल्ट्रासाउंड लगभग किसी भी व्यावसायिक throughput पर सोया प्रोटीन peptize करने में सक्षम है और वह sonication ऊर्जा की आवश्यकता सबसे कम था, जब मोटा slurries इस्तेमाल किया गया। (Moulton एट अल। 1982)

फलों से खट्टे तेल, जमीन सरसों, मूंगफली, बलात्कार, जड़ी बूटी का तेल (Echinacea), कैनोला, सोया, मक्का से तेल निष्कर्षण: के लिए लागू

फेनिलक यौगिकों और Anthocyanins की मुक्ति

इस तरह के pectinases, cellulases और hemicellulases के रूप में एंजाइमों, व्यापक रूप से आदेश सेल दीवारों नीचा और रस extractability में सुधार करने में रस प्रसंस्करण में उपयोग किया जाता है। कोशिका दीवार मैट्रिक्स का व्यवधान भी इस तरह के रस में फेनिलक यौगिकों के रूप में घटकों, विज्ञप्ति। अल्ट्रासाउंड phenolic यौगिक, alkaloids और रस उपज में वृद्धि हुई है, आमतौर पर प्रेस केक में छोड़ दिया करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं निकासी की प्रक्रिया को बेहतर बनाता है और इसलिए।

लाभकारी bilberries से फेनिलक यौगिकों और अंगूर और बेर मैट्रिक्स से anthocyanins के मुक्ति पर अल्ट्रासोनिक उपचार के प्रभाव को, विशेष रूप से (वैक्सीनियम मिरटिलस) और काले किशमिश (Ribes) रस में, द्वारा जांच की गई थी VTT जैव प्रौद्योगिकी, फिनलैंड (MAXFUN यूरोपीय संघ और परियोजना) का उपयोग कर एक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर UIP2000hd विगलन, mashing और एंजाइम ऊष्मायन के बाद। जब अल्ट्रासाउंड के साथ संयुक्त एंजाइमी उपचार द्वारा सेल दीवारों के विघटन (bilberries के लिए Pectinex BE-3 एल और काले किशमिश के लिए Biopectinase सीसीएम) में सुधार किया गया था। “अमेरिका उपचार 15% से अधिक से ब्लूबेरी रस का फेनिलक यौगिकों की एकाग्रता में वृद्धि। […] अमेरिका (अल्ट्रासाउंड) के प्रभाव पेक्टिन और विभिन्न कोशिका दीवार वास्तुकला के अपने उच्च सामग्री के कारण काला किशमिश, जो bilberries से रस प्रसंस्करण में अधिक चुनौतीपूर्ण जामुन हैं के साथ और अधिक महत्वपूर्ण था। […] के रस में फेनिलक यौगिकों की एकाग्रता एंजाइम ऊष्मायन के बाद अमेरिका (अल्ट्रासाउंड) उपचार का उपयोग करके 15-25% की वृद्धि हुई।” (Mokkila एट अल। 2004)

माइक्रोबियल और एंजाइम निष्क्रियता

माइक्रोबियल और एंजाइम निष्क्रियता (संरक्षण), उदा फलों के रस और सॉस में खाद्य प्रसंस्करण में अल्ट्रासाउंड का एक और आवेदन है। आज, अल्प अवधि के (Pasteurization) के लिए तापमान की पदोन्नति द्वारा संरक्षण अभी भी माइक्रोबियल या एंजाइम निष्क्रियता कि लंबे समय तक शैल्फ जीवन (संरक्षण) की ओर जाता है के लिए सबसे आम प्रसंस्करण विधि है। उच्च तापमान के लिए जोखिम की वजह से, इस थर्मल विधि अक्सर कई खाद्य उत्पादों के लिए नुकसान है।
गर्मी उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं से नए पदार्थों के उत्पादन और बड़े अणुओं के संशोधन के साथ ही पौधों और जानवरों की संरचनाओं के विरूपण गुणवत्ता का नुकसान कम कर सकते हैं। इसलिए, थर्मल उपचार संवेदी गुण, अर्थात बनावट, स्वाद, रंग, गंध, और पोषण गुणों से, यानी विटामिन और प्रोटीन की अवांछनीय परिवर्तन हो सकता है। अल्ट्रासाउंड एक कुशल गैर थर्मल (न्यूनतम) प्रसंस्करण विकल्प नहीं है।

गुहिकायन और बनाया कण द्वारा स्थानीय रूप से उत्पन्न गर्मी sonication द्वारा एंजाइमों के एक निष्क्रियता का कारण बन सकता (El'piner 1964)। sonication के पर्याप्त रूप से कम स्तर पर संरचनात्मक और उपापचयी परिवर्तन उनके विनाश के बिना कोशिकाओं में हो सकता है। Peroxidase, जो सबसे अधिक कच्चे और unblanched फलों और सब्जियों में पाया जाता है और विशेष रूप से बंद जायके और भूरापन पिगमेंट के विकास के साथ जुड़ा हो सकता है की गतिविधि अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके काफी हद तक कम किया जा सकता है। इस तरह के lipase और प्रोटीज कि अति उच्च तापमान उपचार का सामना और जो कम कर सकते हैं के रूप में Thermoresistant एंजाइमों, गुणवत्ता और गर्मी का इलाज दूध और अन्य डेयरी उत्पादों की शेल्फ जीवन अल्ट्रासाउंड, गर्मी और दबाव के एक साथ आवेदन के द्वारा और अधिक प्रभावी ढंग से निष्क्रिय किया जा सकता है (MTS)।

अल्ट्रासाउंड खाद्य जनित रोगजनकों के विनाश में अपनी क्षमता का प्रदर्शन किया है, की तरह ई कोलाई, salmonellae, एस्केरिस, गिअर्डिया, क्रिप्टोस्पोरिडियम अल्सर, और पोलियो वायरस।

जैम, मुरब्बा या टॉपिंग, उदा के संरक्षण: के लिए लागू आइस क्रीम, फलों के रस और सॉस, मांस उत्पादों, डेयरी के लिए

तापमान और दबाव के साथ अल्ट्रासाउंड के सहयोग

Ultrasonication अक्सर अधिक प्रभावी जब इस तरह के रूप में अन्य विरोधी माइक्रोबियल तरीकों, के साथ संयुक्त है:

  • थर्मामीटरों sonication, यानी हीट और अल्ट्रासाउंड
  • मनो-sonication, यानि कि दबाव और अल्ट्रासाउंड
  • मनो-थर्मामीटरों sonication है, यानी दबाव, गर्मी और अल्ट्रासाउंड

गर्मी और / या दबाव के साथ अल्ट्रासाउंड के संयुक्त आवेदन के लिए सिफारिश की है बेसिलस subtilis, बेसिलस coagulans, बेसिलस cereus, बेसिलस sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae, और Aeromonas hydrophila

विकास की प्रक्रिया

इस तरह के उच्च हीड्रास्टाटिक दबाव (एचपी), संकुचित कार्बन डाइऑक्साइड (cCO2) और सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड (ScCO2) और उच्च बिजली के क्षेत्र दालों (सहायता) के रूप में अन्य गैर थर्मल प्रक्रियाओं, के विपरीत, अल्ट्रासाउंड आसानी से प्रयोगशाला या बेंच-टॉप पैमाने में परीक्षण किया जा सकता – पैमाने अप के लिए प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य परिणाम उत्पन्न। तीव्रता और गुहिकायन विशेषताओं आसानी से विशिष्ट लक्ष्यों को निशाना बनाने के लिए विशिष्ट निकासी की प्रक्रिया करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता। आयाम और दबाव एक विस्तृत श्रृंखला है, उदा अलग किया जा सकता सबसे ऊर्जा कुशल निष्कर्षण सेटअप की पहचान। कठिन ऊतकों ultrasonication करने से पहले थकावट, पीस या दलन से गुजरना चाहिए।

ई कोलाई

अध्ययन और उनके जैविक गुणों के लक्षण वर्णन के लिए पुनः संयोजक प्रोटीन की थोड़ी मात्रा का उत्पादन करने के लिए, ई कोलाई पसंद का जीवाणु है। शोधन टैग, उदा polyhistidine पूंछ, बीटा galactosidase, या माल्टोज़ बाध्यकारी
प्रोटीन, सामान्यतः ताकि उन्हें एक पवित्रता सबसे विश्लेषणात्मक प्रयोजनों के लिए पर्याप्त के साथ सेल के अर्क से पृथक करने करने के लिए पुनः संयोजक प्रोटीन के लिए जुड़े हुए हैं। Ultrasonication प्रोटीन रिहाई अधिकतम करने के लिए, विशेष रूप से जब उत्पादन उपज कम है और संरचना और पुनः संयोजक प्रोटीन की गतिविधि को बनाए रखने के लिए अनुमति देता है।

के विघटन ई कोलाई आदेश की कुल Chymosin प्रोटीन निकालने के लिए में कोशिकाओं द्वारा अध्ययन किया गया था किम और Zayas

केसर निष्कर्षण

केसर दुनिया के बाजार पर सबसे महंगा मसाला के रूप में जाना जाता है और उसकी नाजुक स्वाद, कड़वा स्वाद और आकर्षक पीले रंग से भिन्न है। केसर मसाले भगवा Crocus के फूल के लाल कलंक से प्राप्त होता है। सुखाने के बाद, इन भागों भोजन में या रंग एजेंट के रूप में एक मसाला के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं। crocins, picrocrocin और safranal: विशेष रूप से तीन यौगिकों से भगवा परिणामों के गहन विशेषता स्वाद।

Kadkhodaee और Hemmati-Kakhki एक अध्ययन से ultrasonication निष्कर्षण उपज में काफी वृद्धि हुई है और काफी प्रसंस्करण समय कम में पता चला है। वास्तव में, अल्ट्रासाउंड निष्कर्षण द्वारा परिणाम स्पष्ट रूप से पारंपरिक ठंडे पानी निकासी, जो आईएसओ द्वारा प्रस्तावित है द्वारा की तुलना में बेहतर थे। अपने अनुसंधान के लिए, Kadkhodaee और Hemmati-Kakhki Hielscher का इस्तेमाल किया है अल्ट्रासोनिक डिवाइस UP50H। सबसे अच्छा परिणाम स्पंदित sonication के साथ हासिल की है। इसका मतलब यह है कि छोटी नाड़ी अंतराल एक सतत अल्ट्रासोनिक उपचार की तुलना में अधिक प्रभावी रहे थे।

ऑक्सीकरण

नियंत्रित तीव्रता में biotransformation और किण्वन के लिए अल्ट्रासाउंड के आवेदन अच्छी तरह से एक बेहतर bioprocessing में, प्रेरित जैविक प्रभाव के कारण और सुविधा सेलुलर बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के कारण हो सकता है। कोलेस्ट्रॉल के ऑक्सीकरण पर (20kHz) अल्ट्रासाउंड के नियंत्रित आवेदन के प्रभाव की कोशिकाओं आराम से cholestenone को रोडोकॉकस एरिथ्रोपोलिस ATCC 25,544 (पूर्व में नोकार्डिया erythropolis) द्वारा जांच की गई थी बार

कोलेस्ट्रॉल + O2 = Cholest-4-एन-3-वन + H2हे2

इस प्रणाली स्टेरोल्स और कहा कि सब्सट्रेट में स्टेरॉयड के माइक्रोबियल परिवर्तनों की खासियत है और उत्पादों पानी अघुलनशील ठोस होते हैं। इसलिए, इस प्रणाली के बजाय कि दोनों कक्षों में अद्वितीय है और ठोस अल्ट्रासाउंड के प्रभाव के अधीन हो सकता (बार, 1987)। जब 5s हर 10mn के साथ के लिए sonicated एक पर्याप्त रूप से कम अल्ट्रासोनिक तीव्रता जो कोशिकाओं के संरचनात्मक अखंडता संरक्षित और उनके चयापचय गतिविधि को बनाए रखा है, बार 1.0 और 2.5 ग्राम / एल कोलेस्ट्रॉल के माइक्रोबियल slurries में biotransformation के गतिज दरों में एक महत्वपूर्ण वृद्धि मनाया 0.2W / सेमी² की एक बिजली उत्पादन। अल्ट्रासाउंड कोलेस्ट्रॉल oxidase द्वारा कोलेस्ट्रॉल के एंजाइमी ऑक्सीकरण (2.5 जी / एल) पर कोई प्रभाव नहीं दिखाया।

लाभप्रद प्रौद्योगिकी

निष्कर्षण और खाद्य संरक्षण के लिए अल्ट्रासोनिक गुहिकायन के उपयोग के लिए एक नया शक्तिशाली प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी है कि केवल सुरक्षित रूप से और पर्यावरण के अनुकूल, लेकिन यह भी कुशलतापूर्वक और आर्थिक रूप से नहीं लागू किया जा सकता है। homogenizing और संरक्षण प्रभाव आसानी से टमाटर की चटनी या शतावरी सूप की तरह, फलों के रस और purees के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है (जैसे संतरे, सेब, अंगूर, आम, अंगूर, बेर) के साथ ही सब्जी सॉस और सूप के लिए।

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साहित्य

Allinger, एच (1975): अमेरिकी प्रयोगशाला, 7 (10), 75 (1975)।

बार, आर (1987): अल्ट्रासाउंड बढ़ी bioprocesses, में: जैव प्रौद्योगिकी और इंजीनियरिंग, वॉल्यूम। 32, पीपी। 655-663 (1987)।

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Kadkhodaee, आर .; Hemmati-Kakhki, ए .: इंटरनेट प्रकाशन: केसर, में से सक्रिय यौगिकों की अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण।

किम, एस.एम. और Zayas, J.F. (1989): अल्ट्रासाउंड द्वारा chymosin निष्कर्षण के प्रसंस्करण पैरामीटर; जे खाद्य विज्ञान में। 54: 700।

Mokkila, एम, Mustranta, ए, Buchert, जे, Poutanen, कश्मीर (2004): बेर का रस प्रसंस्करण में एंजाइमों के साथ सत्ता अल्ट्रासाउंड संयोजन, पर: 2nd इंट। सम्मेलन। भोजन और पेय पदार्थ, 19-22.9.2004, स्टटगार्ट, जर्मनी के Biocatalysis।

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स्वांग, C.L. (1978): पीएच.डी.: इन विट्रो में fibroblasts, में पर अल्ट्रासाउंड के प्रभाव थीसिस, लंदन, लंदन, इंग्लैंड, 1978 के विश्वविद्यालय।