Ultrazvučna ekstrakcija i konzerviranje

Ultrazvučna ekstrakcija i konzerviranje koriste ultrazvuk visoke snage za razgradnju staničnih struktura (lizu). Razaranje stanica ultrazvukom omogućuje vrlo učinkovitu ekstrakciju unutarstaničnih spojeva te inaktivaciju mikroorganizama. Zbog brojnih prednosti sonikacija se široko primjenjuje za ekstrakciju i konzerviranje u prehrambenoj industriji. Saznajte više o prednostima ultrazvučne ekstrakcije i obrade hrane!

Ultrazvuk visoke snage za ekstrakciju i konzerviranje hrane i biljnog materijala

Ultrazvučna ekstrakcija: Ultrazvučna ekstrakcija postupak je u kojem se visokofrekventni zvučni valovi upotrebljavaju za ekstrakciju spojeva iz različitih materijala, poput biljaka, voća i povrća. Postupak uključuje upotrebu ultrazvučnih valova za stvaranje mjehurića visokog tlaka u tekućem ili polučvrstom materijalu, koji brzo implodiraju, stvarajući intenzivnu toplinu i tlak koji razaraju stanične stijenke materijala i oslobađaju željene spojeve.

Načelo rada ultrazvučne ekstrakcije i konzerviranja

Osnovno načelo ultrazvučne ekstrakcije temelji se na pojavi poznatoj kao akustična kavitacija. Kada se tekućina izloži ultrazvučnim valovima visokog intenziteta i niske frekvencije (približno 20 kHz), nastaju tlačni valovi koji stvaraju sitne vakuumske mjehuriće u tekućini. Ti mjehurići rastu s povećanjem intenziteta ultrazvuka, a kada dosegnu određenu veličinu, naglo i snažno implodiraju, stvarajući udarni val i oslobađajući energiju u obliku topline i tlaka.
Taj postupak uzrokuje mehaničko razaranje staničnih stijenki, čime se željeni spojevi oslobađaju iz materijala u tekuće otapalo. Oslobođeni spojevi zatim se mogu odvojiti od otapala standardnim tehnikama odvajanja, poput filtracije ili centrifugiranja.

Ovaj videozapis prikazuje učinak sonikacije na stabilnost svježeg ekološkog soka od mrkve. Uključuje ubrzanu snimku čuvanja u hladnjaku kako bi se taj učinak prikazao. U proizvodnji sokova, smoothieja, pirea i umaka sonikatori Hielscher poboljšavaju stabilnost i teksturu te produljuju rok trajanja. Sonikacija svodi mikrobno kvarenje na najmanju mjeru te sprječava taloženje i razdvajanje koji se mogu pojaviti već nakon nekoliko dana. Ultrazvučna obrada može se primijeniti na velike šarže ili u protočnom sustavu neposredno prije punjenja. Sonikacija je isključivo mehanička metoda obrade. Idealna je za ekološke sokove od voća i povrća, piree, smoothieje ili umake.

Ultrazvučno konzerviranje: Ultrazvučno konzerviranje temelji se na istim kavitacijskim učincima kao i ultrazvučna ekstrakcija. Pri konzerviranju ultrazvuk visoke snage primjenjuje se za produljenje roka trajanja kvarljive hrane upotrebom visokofrekventnih zvučnih valova za inhibiciju rasta mikroorganizama koji uzrokuju kvarenje. Postupak uključuje izlaganje hrane ultrazvučnim valovima koji razaraju stanične stijenke bakterija, kvasaca i plijesni, što dovodi do njihova uništavanja ili inhibicije.
Taj postupak uzrokuje mehaničko razaranje staničnih stijenki mikroorganizama, što dovodi do njihova uništavanja ili inhibicije. Ultrazvučni valovi također mogu povećati propusnost staničnih membrana, omogućujući konzervansima i drugim antimikrobnim sredstvima učinkovitije prodiranje i uništavanje mikroorganizama.
Ultrazvučnom konzerviranju daje se prednost pred tradicionalnim metodama konzerviranja jer nudi nekoliko prednosti, poput kraćeg vremena obrade, veće učinkovitosti i mogućnosti očuvanja prirodnih svojstava i okusa hrane. Primjenjuje se na širok raspon prehrambenih proizvoda, poput umaka, sokova, mliječnih proizvoda, jaja i mesa, kako bi se produljio njihov rok trajanja i osigurala njihova sigurnost.

Tehnici ultrazvučne ekstrakcije i konzerviranja daje se prednost pred tradicionalnim metodama ekstrakcije i konzerviranja jer nudi nekoliko prednosti, poput brže ekstrakcije, izvrsne kvalitete proizvoda, većeg prinosa, isključivo mehaničke netoplinske obrade i mogućnosti ekstrakcije šireg raspona spojeva. Primjenjuje se u brojnim industrijama, poput industrije hrane i pića, farmaceutske i kozmetičke industrije.

Ultrazvučna ekstrakcija biljnog materijala daje veće prinose. Homogenizator Hielscher UIP2000hdT snage 2000 vata dovoljno je snažan za jednostavnu ekstrakciju šarži od 10 litara do 120 litara.

Ultrazvučna ekstrakcija proteina i enzima

Osobito je ekstrakcija enzima i proteina pohranjenih u stanicama i supstaničnim česticama jedinstvena i učinkovita primjena ultrazvuka visokog intenziteta jer se ekstrakcija organskih spojeva sadržanih u biljkama i sjemenkama pomoću otapala može znatno poboljšati. Stoga ultrazvuk može biti koristan za ekstrakciju i izolaciju novih, potencijalno bioaktivnih sastavnica, npr. iz neiskorištenih tokova nusproizvoda koji nastaju u postojećim procesima. Ultrazvuk također može pomoći u pojačavanju učinaka enzimske obrade i time smanjiti potrebnu količinu enzima ili povećati prinos relevantnih spojeva koji se mogu ekstrahirati.

Ultrazvučna ekstrakcija lipida i proteina

Sonikacija se često upotrebljava za poboljšanje ekstrakcije lipida i proteina iz biljnih sjemenki, primjerice soje (npr. brašna ili odmašćene soje) ili drugih uljarica. U tom slučaju razaranje staničnih stijenki olakšava prešanje (hladno ili vruće) i time smanjuje količinu preostalog ulja ili masti u prešnoj pogači.

Utjecaj kontinuirane ultrazvučne ekstrakcije na prinos dispergiranih proteina pokazali su Moulton i sur. Sonikacija je postupno povećavala iskorištenje dispergiranih proteina kako se omjer pahuljica i otapala mijenjao s 1:10 na 1:30. Pokazalo se da ultrazvuk može peptizirati sojine proteine pri gotovo svakom komercijalnom kapacitetu obrade te da je potrebna energija sonikacije bila najmanja kada su se upotrebljavale gušće suspenzije.

Ultrazvučna izolacija fenolnih spojeva i antocijana

Enzimi poput pektinaza, celulaza i hemicelulaza široko se primjenjuju u preradi sokova radi razgradnje staničnih stijenki i poboljšanja ekstrakcije soka. Razaranjem matrice stanične stijenke u sok se oslobađaju i sastavnice poput fenolnih spojeva. Ultrazvuk poboljšava proces ekstrakcije te stoga može povećati prinos fenolnih spojeva, alkaloida i soka koji obično ostaju u prešnoj pogači.

Povoljne učinke ultrazvučne obrade na oslobađanje fenolnih spojeva i antocijana iz matrice grožđa i bobičastog voća u sok, osobito iz borovnica (Vaccinium myrtillus) i crnog ribiza (>Ribes nigrum), istražio je VTT Biotechnology iz Finske primjenom ultrazvučnog procesora UIP2000hd nakon odmrzavanja, gnječenja i inkubacije s enzimima. Razaranje staničnih stijenki enzimskom obradom (Pectinex BE-3L za borovnice i Biopectinase CCM za crni ribiz) poboljšalo se u kombinaciji s ultrazvukom. “Obrada ultrazvukom (US) povećava koncentraciju fenolnih spojeva u soku od borovnice za više od 15%. […] Utjecaj US-a (ultrazvuka) bio je značajniji kod crnog ribiza, čije su bobice zahtjevnije za preradu u sok od borovnica zbog visokog sadržaja pektina i drukčije građe stanične stijenke. […] koncentracija fenolnih spojeva u soku povećala se za 15–25% primjenom obrade US-om (ultrazvukom) nakon inkubacije s enzimima.” (usp. Mokkila i sur., 2004)

U ovoj prezentaciji upoznajemo Vas s proizvodnjom biljnih ekstrakata. Objašnjavamo izazove proizvodnje visokokvalitetnih biljnih ekstrakata i kako Vam sonikator može pomoći da ih prevladate. Prezentacija prikazuje kako funkcionira ultrazvučna ekstrakcija. Saznat ćete koje prednosti možete očekivati pri uporabi sonikatora za ekstrakciju i kako ultrazvučni ekstraktor možete uključiti u proizvodnju svojih ekstrakata.

Inaktivacija mikroorganizama i enzima

Inaktivacija mikroorganizama i enzima (konzerviranje), npr. u voćnim sokovima i umacima, još je jedna primjena ultrazvuka u preradi hrane. Danas je konzerviranje kratkotrajnim povišenjem temperature (pasterizacija) još uvijek najčešća metoda obrade za inaktivaciju mikroorganizama ili enzima kojom se produljuje rok trajanja (konzerviranje). Zbog izlaganja visokoj temperaturi konvencionalna toplinska pasterizacija često ima nedostatke za prehrambene proizvode.
Nastajanje novih tvari u reakcijama kataliziranima toplinom i promjena makromolekula, kao i deformacija biljnih i životinjskih struktura, mogu dovesti do gubitka kvalitete. Stoga toplinska obrada može uzrokovati nepoželjne promjene senzorskih svojstava, tj. teksture, okusa, boje i mirisa, te nutritivnih svojstava, tj. vitamina i proteina. Ultrazvuk je učinkovita alternativa za netoplinsku (minimalnu) obradu.

Za razliku od konvencionalnih toplinskih obrada, ultrazvučno konzerviranje koristi energiju i smične sile akustične kavitacije za inaktivaciju enzima. Pri dovoljno niskim razinama sonikacije u stanicama mogu nastati strukturne i metaboličke promjene bez njihova uništenja. Aktivnost peroksidaze, koja se nalazi u većini sirovog i neblanširanog voća i povrća te se osobito može povezati s razvojem nepoželjnih okusa i pigmenata posmeđivanja, može se znatno smanjiti primjenom ultrazvuka. Enzimi otporni na toplinu, poput lipaze i proteaze, koji podnose obradu na ultravisokoj temperaturi i koji mogu smanjiti kvalitetu i rok trajanja toplinski obrađenog mlijeka i drugih mliječnih proizvoda, mogu se učinkovitije inaktivirati istodobnom primjenom ultrazvuka, topline i tlaka (MTS).

Ultrazvuk je pokazao potencijal za uništavanje patogena koji se prenose hranom, kao što su E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, ciste roda Cryptosporidium i Poliovirus.

Primjenjivo za: konzerviranje džema, marmelade ili preljeva, voćnih sokova i umaka, mesnih proizvoda, mliječnih proizvoda i sladoleda.

Ultrazvučni uređaji Hielscher mogu homogenizirati i pasterizirati tekuće proizvode od jaja (cijela jaja, bjelanjke, žumanjke) radi osiguravanja sigurnosti hrane i mehaničke stabilnosti. Ultrazvučni homogenizatori Hielscher stvaraju intenzivnu kavitaciju i velike smične sile koje uništavaju mikroorganizme. Ultrazvučna pasterizacija vrlo je djelotvorna i učinkovita alternativa za pasterizaciju pri niskim temperaturama. Tekuća jaja pasterizirana ultrazvukom pokazuju manju denaturaciju proteina, manji gubitak okusa, bolju homogenost i znatno veću energetsku učinkovitost.

Sinergijski učinci ultrazvuka s temperaturom i tlakom

Ultrazvučna obrada često je učinkovitija u kombinaciji s drugim antimikrobnim metodama, kao što su:

termosonikacija, tj. toplina i ultrazvuk
manosonikacija, tj. tlak i ultrazvuk
manotermosonikacija, tj. tlak, toplina i ultrazvuk

Kombinirana primjena ultrazvuka s toplinom i/ili tlakom preporučuje se za Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae i Aeromonas hydrophila.

Ultrazvuk u usporedbi s drugim tehnikama konzerviranja hrane

Za razliku od drugih toplinskih i netoplinskih postupaka, kao što su visokotlačna homogenizacija, toplinska pasterizacija, obrada visokim tlakom (HPP), komprimirani ugljikov dioksid (cCO2) i superkritični ugljikov dioksid (ScCO2), impulsi električnog polja visokog intenziteta (HELP) ili mikrovalovi, ultrazvuk se može lako ispitati u laboratorijskom mjerilu ili na stolnim uređajima – uz dobivanje ponovljivih rezultata za povećanje mjerila. Intenzitet i značajke kavitacije mogu se lako prilagoditi određenom postupku ekstrakcije radi postizanja specifičnih ciljeva. Amplituda i tlak mogu se mijenjati u širokom rasponu, npr. kako bi se utvrdila energetski najučinkovitija konfiguracija ekstrakcije.

Druge prednosti povezane s primjenom ultrazvučne ekstrakcije sondom uključuju jednostavno rukovanje ekstraktom, brzu provedbu, odsutnost ostataka, visok prinos, ekološku prihvatljivost, poboljšanu kvalitetu i sprječavanje razgradnje ekstrakta.
(usp. Chemat i sur., 2011)

Prednosti ultrazvučne obrade hrane

Potpunija ekstrakcija
Netoplinsko konzerviranje
Veći prinosi
Visok sadržaj hranjivih tvari, vrhunska kvaliteta hrane
Brz postupak
Hladni / netoplinski postupak
Jednostavno i sigurno rukovanje
Mali zahtjevi za održavanje

Ultrazvučni uređaji visokih performansi za ekstrakciju i konzerviranje

Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira ultrazvučne uređaje visokih performansi za učinkovitu ekstrakciju i konzerviranje. Primjena ultrazvučne opreme Hielscher za ekstrakciju i konzerviranje hrane moćna je tehnologija obrade koja se može primjenjivati sigurno i ekološki prihvatljivo, ali i učinkovito i ekonomično. Učinak homogenizacije i konzerviranja može se lako primijeniti na bilo koji tekući ili pastozni prehrambeni proizvod, uključujući voćne sokove i kaše (npr. od naranče, jabuke, grejpa, manga, grožđa, šljive), kao i umake i juhe od povrća (npr. umak od rajčice ili juhu od šparoga), mliječne proizvode, jaja i meso.
Naš asortiman ultrazvučnih homogenizatora i ekstraktora obuhvaća sve od ručnih, prijenosnih uređaja do potpuno industrijskih proizvodnih sustava za obradu velikih volumena u liniji u komercijalnim razmjerima.

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher usklađeni su sa zahtjevima za oznaku CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Volumen šarže	Protok	Preporučeni uređaji
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/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
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	veći	skup uređaja UIP16000

Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!

Povezane teme

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.

Korisne činjenice

Ultrazvučno razaranje stanica

Pri intenzivnoj sonikaciji enzimi ili proteini mogu se osloboditi iz stanica ili supstaničnih organela kao posljedica razaranja stanica. U tom je slučaju spoj koji treba otopiti u otapalu zatvoren u netopljivoj strukturi. Kako bi se ekstrahirao, stanična membrana mora se razoriti. Razaranje stanica osjetljiv je proces zbog sposobnosti stanične stijenke da izdrži visok unutarnji osmotski tlak. Potrebna je dobra kontrola razaranja stanica kako bi se izbjeglo nesputano oslobađanje svih unutarstaničnih proizvoda, uključujući stanične ostatke i nukleinske kiseline, ili denaturacija proizvoda.
Sonikacija služi kao sredstvo za razaranje stanica koje se može dobro kontrolirati. Pritom mehanički učinci ultrazvuka omogućuju brže i potpunije prodiranje otapala u stanične materijale te poboljšavaju prijenos tvari. Ultrazvuk omogućuje dublje prodiranje otapala u biljno tkivo i poboljšava prijenos tvari. Ultrazvučni valovi koji stvaraju kavitaciju razaraju stanične stijenke i olakšavaju oslobađanje sastavnica matriksa.

Ultrazvučno poboljšan prijenos tvari potiče ekstrakciju

Općenito, ultrazvuk može dovesti do povećanja propusnosti staničnih membrana za ione i može znatno smanjiti selektivnost staničnih membrana. Mehaničko djelovanje ultrazvuka pospješuje difuziju otapala u tkivo. Budući da ultrazvuk mehanički razara staničnu stijenku smičnim silama kavitacije, olakšava prijenos iz stanice u otapalo. Smanjenje veličine čestica ultrazvučnom kavitacijom povećava dodirnu površinu između čvrste i tekuće faze.

Ultrazvučna liza i inaktivacija E.coli

Za proizvodnju malih količina rekombinantnih proteina radi proučavanja i karakterizacije njihovih bioloških svojstava, E.coli je bakterija izbora. Oznake za pročišćavanje, npr. polihistidinski rep, beta-galaktozidaza ili proteini koji vežu maltozu, obično se povezuju s rekombinantnim proteinima kako bi se omogućilo njihovo izdvajanje iz staničnih ekstrakata uz čistoću dovoljnu za većinu analitičkih svrha. Sonikacija omogućuje maksimalno oslobađanje proteina, osobito kada je proizvodni prinos nizak, te očuvanje strukture i aktivnosti rekombinantnog proteina.

Ultrazvučna oksidacija

Pri kontroliranim intenzitetima primjena ultrazvuka u biotransformaciji i fermentaciji može znatno poboljšati bioprocesiranje zahvaljujući izazvanim biološkim učincima i olakšanom staničnom prijenosu tvari. Utjecaj kontrolirane primjene ultrazvuka (20kHz) na oksidaciju kolesterola u kolestenon pomoću mirujućih stanica Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (prije Nocardia erythropolis) istražio je Bar (1987).
Ovaj je sustav tipičan za mikrobne transformacije sterola i steroida jer su supstrat i proizvodi krutine netopljive u vodi. Stoga je ovaj sustav prilično jedinstven po tome što i stanice i krutine mogu biti podložne djelovanju ultrazvuka. Pri dovoljno niskom intenzitetu ultrazvuka koji je očuvao strukturni integritet stanica i održao njihovu metaboličku aktivnost, Bar je uočio znatno povećanje kinetičkih brzina biotransformacije u mikrobnim suspenzijama s 1,0 i 2,5 g/L kolesterola pri sonikaciji u trajanju od 5s svakih 10mn uz izlaznu snagu od 0,2W/cm². Ultrazvuk nije pokazao nikakav učinak na enzimsku oksidaciju kolesterola (2,5g/L) kolesterol-oksidazom.

Što je obrada visokim tlakom u konzerviranju hrane?

Obrada visokim tlakom (HPP) netoplinska je tehnika konzerviranja hrane koja inaktivira mikroorganizme i enzime uz očuvanje senzorskih i nutritivnih svojstava proizvoda. Uključuje izlaganje zapakirane hrane hidrostatskim tlakovima obično između 300 i 600 MPa (megapaskala) tijekom nekoliko sekundi do nekoliko minuta. Velik izazov obrade visokim tlakom njezina je vrlo visoka potrošnja energije. Pročitajte više o tome kako sonikacija može pomoći smanjiti energetske potrebe HPP-a!