Ultrazvučno vađenje i konzerviranje
Ultrazvučna ekstrakcija i očuvanje koristi moćni ultrazvuk za razgradnju staničnih struktura (lizu). Razbijanje stanica ultrazvukom rezultira visoko učinkovitom ekstrakcijom unutarstaničnih spojeva kao i inaktivacijom mikroba. Zbog brojnih prednosti, ultrazvuk se naširoko koristi za ekstrakciju i očuvanje u prehrambenoj industriji. Saznajte više o prednostima ultrazvučne ekstrakcije i obrade hrane!
Snažni ultrazvuk za ekstrakciju i očuvanje hrane i biljaka
Ultrazvučna ekstrakcija: Ultrazvučna ekstrakcija je proces koji koristi visokofrekventne zvučne valove za izdvajanje spojeva iz raznih materijala kao što su biljke, voće i povrće. Proces uključuje korištenje ultrazvučnih valova za stvaranje visokotlačnih mjehurića u tekućem ili polučvrstom materijalu, koji se brzo kolabiraju, generirajući intenzivnu toplinu i pritisak koji ometaju stanične stijenke materijala i oslobađaju željene spojeve.
Princip rada ultrazvučne ekstrakcije i očuvanja
Osnovno načelo iza ultrazvučne ekstrakcije temelji se na fenomenu poznatom kao akustična kavitacija. Kada se tekućina izloži ultrazvučnim valovima visokog intenziteta i niske frekvencije (cca. 20 kHz), ona stvara valove pritiska koji stvaraju sićušne vakuumske mjehuriće u tekućini. Ovi mjehurići rastu u veličini kako se intenzitet ultrazvuka povećava, a kada dosegnu određenu veličinu, iznenada i nasilno kolabiraju, stvarajući udarni val i oslobađajući energiju u obliku topline i pritiska.
Ovaj proces uzrokuje mehaničko oštećenje staničnih stijenki, oslobađajući željene spojeve iz materijala u tekuće otapalo. Oslobođeni spojevi se zatim mogu odvojiti od otapala korištenjem standardnih tehnika odvajanja kao što su filtracija ili centrifugiranje.
Ultrasonicator UP400St za učinkovitu netermalnu ekstrakciju biljnog materijala.
Ultrazvučno očuvanje: Ultrazvučno očuvanje temelji se na istim kavitacijskim učincima kao i ultrazvučna ekstrakcija. Za konzerviranje, snažan ultrazvuk se primjenjuje kako bi se produžio rok trajanja kvarljive hrane korištenjem visokofrekventnih zvučnih valova za inhibiciju rasta mikroorganizama koji uzrokuju kvarenje. Proces uključuje izlaganje hrane ultrazvučnim valovima koji ometaju stanične stijenke bakterija, kvasaca i plijesni, što dovodi do njihovog uništenja ili inhibicije.
Ovaj proces uzrokuje mehanički poremećaj staničnih stijenki mikroorganizama, što dovodi do njihovog uništenja ili inhibicije. Ultrazvučni valovi također mogu povećati propusnost staničnih membrana, omogućujući konzervansima i drugim antimikrobnim sredstvima da prodru i učinkovitije ubiju mikroorganizme.
Ultrazvučno konzerviranje ima prednost u odnosu na tradicionalne metode konzerviranja jer nudi nekoliko prednosti kao što su kraće vrijeme obrade, veća učinkovitost i mogućnost očuvanja prirodnih svojstava i okusa hrane. Koristi se u širokom rasponu prehrambenih proizvoda kao što su umaci, sokovi, mliječni proizvodi, jaja i meso kako bi im se produžio rok trajanja i osigurala njihova sigurnost.
Ultrazvučna tehnika ekstrakcije i konzerviranja preferira se u odnosu na tradicionalne metode ekstrakcije i konzervacije jer nudi nekoliko prednosti kao što su brže stope ekstrakcije, izvrsna kvaliteta proizvoda, veći prinos, čisto mehanička netermalna obrada i mogućnost ekstrakcije šireg raspona spojeva. Koristi se u širokom rasponu industrija kao što su hrana i piće, farmaceutska i kozmetička industrija.
[/dvije_trećine]
Snažna ultrazvučna kavitacija na Hielscher UIP1000hdT kaskatroda
Ultrazvučna ekstrakcija proteina i enzima
Konkretno, ekstrakcija enzima i proteina pohranjenih u stanicama i podstaničnim česticama jedinstvena je i učinkovita primjena ultrazvuka visokog intenziteta, budući da se ekstrakcija organskih spojeva sadržanih u tijelu biljaka i sjemenki pomoću otapala može značajno poboljšati. Stoga ultrazvuk ima potencijalnu korist u ekstrakciji i izolaciji novih potencijalno bioaktivnih komponenti, npr. iz neiskorištenih tokova nusproizvoda nastalih u trenutnim procesima. Ultrazvuk također može pomoći u intenziviranju učinaka tretmana enzimima, i time smanjiti količinu potrebnog enzima ili povećati prinos relevantnih spojeva koji se mogu ekstrahirati.
Ultrazvučna ekstrakcija lipida i proteina
Ultrasonication se često koristi za poboljšanje ekstrakcije lipida i proteina iz biljnih sjemenki, kao što su soje (npr. brašna ili odmašćene soje) ili drugih uljarica. U ovom slučaju, uništavanje staničnih stijenki olakšava prešanje (hladno ili vruće) i time smanjuje ostatke ulja ili masti u kolaču od prešanja.
Utjecaj kontinuirane ultrazvučne ekstrakcije na prinos dispergiranog proteina pokazao je Moulton et al. Sonikacija je postupno povećavala oporavak raspršenog proteina kako se omjer pahuljica/otapalo mijenjao s 1:10 na 1:30. Pokazalo je da je ultrazvuk sposoban peptizirati sojin protein u gotovo svim komercijalnim količinama i da je potrebna energija sonikacije bila najniža kada su korištene deblje kaše.
Ultrazvučna izolacija fenolnih spojeva i antocijana
Enzimi, kao što su pektinaze, celulaze i hemicelulaze naširoko se koriste u obradi sokova kako bi razgradili stanične stijenke i poboljšali ekstrakciju soka. Poremećaj matriksa stanične stijenke također oslobađa komponente, kao što su fenolni spojevi u sok. Ultrazvuk poboljšava proces ekstrakcije i stoga može dovesti do povećanja fenolnih spojeva, alkaloida i prinosa soka, koji obično ostaju u prešanom kolaču.
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. “Američki tretman povećava koncentraciju fenolnih spojeva soka borovnice za više od 15%. […] Utjecaj UZ (ultrazvuka) bio je značajniji kod crnog ribiza koji je zbog visokog udjela pektina i drugačije strukture stanične stijenke bobičasto voće zahtjevnije u preradi soka od borovnice. […] koncentracija fenolnih spojeva u soku porasla je za 15-25% korištenjem US (ultrazvuka) tretmana nakon enzimske inkubacije.” (usp. Mokkila et al., 2004.)
Ultrazvučni uređaj UIP6000hdT u industrijskom postrojenju kontinuirane ekstrakcije.
Inaktivacija mikroba i enzima
Inaktivacija (konzerviranje) mikroba i enzima, npr. u voćnim sokovima i umacima, još je jedna primjena ultrazvuka u obradi hrane. Danas je konzerviranje povišenom temperaturom u kratkim vremenskim razdobljima (pasterizacija) još uvijek najčešća metoda obrade za inaktivaciju mikroba ili enzima koja dovodi do duljeg roka trajanja (konzerviranja). Zbog izlaganja visokoj temperaturi, konvencionalna toplinska pasterizacija često predstavlja nedostatke za prehrambene proizvode.
Proizvodnja novih tvari iz reakcija kataliziranih toplinom i modifikacija makromolekula, kao i deformacija biljnih i životinjskih struktura može smanjiti gubitak kvalitete. Stoga termička obrada može uzrokovati neželjene promjene senzorskih svojstava, tj. teksture, okusa, boje, mirisa i nutritivnih svojstava, tj. vitamina i proteina. Ultrazvuk je učinkovita alternativa ne-termalne (minimalne) obrade.
Za razliku od konvencionalnih toplinskih tretmana, ultrazvučno očuvanje koristi energiju i smične sile akustične kavitacije kako bi se deaktivirali enzimi. Na dovoljno niskim razinama ultrazvuka mogu se pojaviti strukturne i metaboličke promjene u stanicama bez njihovog uništenja. Aktivnost peroksidaze, koja se nalazi u većini sirovog i neblanširanog voća i povrća i može se posebno povezati s razvojem neugodnih okusa i pigmenata koji posmeđuju, može se značajno smanjiti korištenjem ultrazvuka. Termorezistentni enzimi, kao što su lipaza i proteaza, koji podnose tretman na ultra visokim temperaturama i koji mogu smanjiti kvalitetu i rok trajanja toplinski obrađenog mlijeka i drugih mliječnih proizvoda, mogu se učinkovitije inaktivirati istovremenom primjenom ultrazvuka, topline i pritiska (MTS).
Ultrazvuk je pokazao svoj potencijal u uništavanju patogena koji se prenose hranom, kao što su E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, ciste Cryptosporidium i poliovirus.
Primjenjivo za: čuvanje džema, marmelade ili preljeva, voćnih sokova i umaka, mesnih proizvoda, mliječnih proizvoda i sladoleda.
Sinergije ultrazvuka s temperaturom i tlakom
Ultrazvuk je često učinkovitiji u kombinaciji s drugim antimikrobnim metodama, kao što su:
- thermo-sonication, odnosno topline i ultrazvuka
- mano-sonication tj. tlak i ultrazvuk
- mano-thermo-sonication, tj. tlak, toplina i ultrazvuk
Kombinirana primjena ultrazvuka s toplinom i/ili pritiskom preporučuje se za Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae i Aeromonas hydrophila.
Ultrazvuk u odnosu na druge tehnike konzerviranja hrane
Za razliku od drugih toplinskih i netoplinskih procesa, kao što su visokotlačna homogenizacija, toplinska pasterizacija, visoki hidrostatski tlak (HP), komprimirani ugljikov dioksid (cCO2) i superkritični ugljikov dioksid (ScCO2), pulsiranje visokog električnog polja (HELP) ili mikrovalna pećnica, ultrazvuk se može lako testirati u laboratoriju ili na stolnoj vagi – generiranje ponovljivih rezultata za povećanje. Intenzitet i karakteristike kavitacije mogu se lako prilagoditi specifičnom procesu ekstrakcije kako bi se postigli specifični ciljevi. Amplituda i tlak mogu se mijenjati u širokom rasponu, npr. kako bi se identificirala energetski najučinkovitija ekstrakcija.
Druge prednosti povezane s upotrebom ekstrakcije ultrazvučnom sondom su jednostavno rukovanje ekstraktom, brza izvedba, bez ostataka, visok prinos, ekološki prihvatljiv, poboljšana kvaliteta i sprječavanje degradacije ekstrakta.
(usp. Chemat i sur., 2011.)
- Potpunija ekstrakcija
- Netermičko očuvanje
- veći prinosi
- Visoki hranjivi sastojci, vrhunska kvaliteta hrane
- brz proces
- Hladni / netoplinski proces
- jednostavan i siguran za rukovanje
- slabo održavanje
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za ekstrakciju i konzerviranje
Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne uređaje visokih performansi za učinkovito vađenje i očuvanje. Korištenje Hielscher ultrazvučne opreme za ekstrakciju i očuvanje hrane moćna je tehnologija obrade koja se ne može primijeniti samo na siguran i ekološki prihvatljiv način, već i učinkovito i ekonomično. Učinak homogeniziranja i konzerviranja može se lako koristiti za bilo koji tekući ili pastozni prehrambeni proizvod, uključujući voćne sokove i piree (npr. naranča, jabuka, grejp, mango, grožđe, šljiva), kao i za umake i juhe od povrća (npr. umak od rajčice ili juha od šparoga), mliječni proizvodi, jaja i meso.
Naš portfelj ultrazvučnih homogenizatora i ekstraktora kreće se od ručnih, prijenosnih uređaja do potpuno industrijskih proizvodnih sustava za inline obradu velikih količina na komercijalnoj razini.
Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta Proizvedeno u Njemačkoj
Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske objekte. Teški uvjeti i zahtjevna okruženja lako se nose s Hielscher ultrasonicators.
Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnu su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrasonicators sukladni su CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.5 do 1,5 ml | na | VialTweeter | 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Literatura / Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Ultrazvučna dezintegracija stanica
Pod intenzivnom sonikacijom enzimi ili proteini mogu se osloboditi iz stanica ili subcelularnih organela kao rezultat stanične dezintegracije. U ovom slučaju, spoj koji treba otopiti u otapalu zatvoren je u netopljivoj strukturi. Da bi se izvukao, stanična membrana mora biti uništena. Razbijanje stanica osjetljiv je proces zbog sposobnosti stanične stijenke da izdrži visoki osmotski tlak iznutra. Potrebna je dobra kontrola razaranja stanica kako bi se izbjeglo nesmetano otpuštanje svih unutarstaničnih proizvoda uključujući stanične ostatke i nukleinske kiseline ili denaturaciju proizvoda.
Ultrasonication služi kao dobro kontrolirano sredstvo za dezintegraciju stanica. U tu svrhu mehanički učinci ultrazvuka omogućuju brži i potpuniji prodor otapala u stanične materijale i poboljšavaju prijenos mase. Ultrazvukom se postiže veće prodiranje otapala u biljno tkivo i poboljšava prijenos mase. Ultrazvučni valovi koji stvaraju kavitaciju ometaju stanične stijenke i olakšavaju oslobađanje komponenti matriksa.
Ultrazvučno poboljšan prijenos mase potiče ekstrakciju
Općenito, ultrazvuk može dovesti do permeabilizacije staničnih membrana za ione i može značajno smanjiti selektivnost staničnih membrana. Mehanička aktivnost ultrazvuka podržava difuziju otapala u tkivo. Budući da ultrazvuk mehanički razbija staničnu stijenku kavitacijskim silama smicanja, olakšava prijenos iz stanice u otapalo. Smanjenje veličine čestica ultrazvučnom kavitacijom povećava površinu u kontaktu između krute i tekuće faze.
Ultrazvučna liza i inaktivacija E.coli
Za proizvodnju malih količina rekombinantnih proteina za proučavanje i karakterizaciju njihovih bioloških svojstava, E.coli je bakterija izbora. Oznake za pročišćavanje, npr. polihistidinski rep, beta-galaktozidaza ili proteini koji vežu maltozu, obično se spajaju s rekombinantnim proteinima kako bi se mogli odvojiti od staničnih ekstrakata s čistoćom dovoljnom za većinu analitičkih svrha. Ultrazvučna obrada omogućuje maksimalno povećanje oslobađanja proteina, posebno kada je proizvodni prinos nizak i očuvanje strukture i aktivnosti rekombinantnog proteina.
Ultrazvučna oksidacija
Pri kontroliranim intenzitetima, primjena ultrazvuka na biotransformaciju i fermentaciju može dobro rezultirati poboljšanom bioprocesijom, zbog induciranih bioloških učinaka i zbog olakšanog prijenosa stanične mase. Utjecaj kontrolirane primjene ultrazvuka (20 kHz) na oksidaciju kolesterola u kolestenon od strane stanica Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (ranije Nocardia erythropolis) istraživao je Bar (1987).
Ovaj sustav je tipičan za mikrobne transformacije sterola i steroida po tome što su supstrat i proizvodi krute tvari netopljive u vodi. Stoga je ovaj sustav prilično jedinstven po tome što i stanice i čvrste tvari mogu biti podložne učinku ultrazvuka. Pri dovoljno niskom intenzitetu ultrazvuka koji je očuvao strukturni integritet stanica i održao njihovu metaboličku aktivnost, Bar je uočio značajno povećanje kinetičkih stopa biotransformacije u mikrobnim kašama od 1,0 i 2,5 g/L kolesterola kada se sonicira 5 sekundi svakih 10 minuta s izlazna snaga od 0,2 W/cm². Ultrazvuk nije pokazao nikakav učinak na enzimsku oksidaciju kolesterola (2,5 g/L) pomoću kolesterol oksidaze.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.