Učinci sonikacije na mahunarke i sjemenke

Ultrazvučna obrada postala je vrijedna tehnologija za modificiranje, kondicioniranje i analizu biljnih materijala poput leće i mahunarki. Akustičnom kavitacijom i kontroliranim mehaničkim silama sonikacija poboljšava hidrataciju, ubrzava ekstrakciju, mijenja mikrostrukture i poboljšava prijenos tvari. Ti su učinci vrlo privlačni za istraživanje sjemena, znanost o hrani, poljoprivredu, biorafiniranje i analitička istraživanja.

Ultrazvučna obrada sjemenki i suhih zrna mahunarki u bilo kojem mjerilu

Velika prednost ultrazvuka visokog intenziteta jest mogućnost precizne kontrole amplitude, intenziteta i unosa energije, osobito pri upotrebi sonikatora sa sondom tvrtke Hielscher Ultrasonics. Ti sustavi – dostupni u laboratorijskom, pilotnom i industrijskom mjerilu – omogućuju ponovljivu i prilagodljivu obradu, od blage predsjetvene pripreme sjemena ili poticanja klijanja ubrzanom hidratacijom i aktivacijom enzima do učinkovite ekstrakcije hranjivih tvari.

Otkrijte kako ultrazvuk visokog intenziteta poboljšava obradu leće i mahunarki u ovoj demonstraciji s ultrazvučnim uređajem sa sondom Hielscher UP400ST. U videozapisu leća je izložena kontroliranoj ultrazvučnoj kavitaciji, snažnom fizikalnom mehanizmu koji poboljšava hidrataciju, ubrzava difuzijske procese i potiče oslobađanje vrijednih spojeva. Ultrazvučna obrada potiče brzu hidrataciju sjemena, sonoporaciju staničnih stijenki i poboljšan prijenos tvari, zbog čega je učinkovita metoda za predsjetvenu pripremu sjemena, preradu hrane i ekstrakciju. Kada se kavitacijski mjehurići uruše u blizini površine sjemena, stvaraju mikromlazove i smične sile koje otvaraju mikrokanale u sjemenoj lupini – omogućujući učinkovitije prodiranje vode i otopljenih tvari. Ultrazvučna obrada široko se primjenjuje u znanosti o hrani, poljoprivredi, biotehnologiji i proizvodnji sastojaka biljnog podrijetla.

Akustična kavitacija i njezini učinci na materijale mahunarki

Sonikacija se temelji na akustičnoj kavitaciji – brzom nastajanju i kolapsu mikromjehurića u tekućinama. Nastali mikromlazovi, smične sile i fluktuacije tlaka djeluju na tkiva leće i mahunarki na vrlo specifične načine.

Tri glavna mehanizma određuju učinak na sjemenke:

Ubrzavanje hidratacije
Kavitacija narušava granični sloj između vode i površine sjemenke, poboljšavajući prijenos vode u sjemenu lupinu i supke.

Učinci uključuju:
- Brže namakanje/hidrataciju
- Ujednačenije bubrenje
- Poboljšanu difuziju vode kroz sjemenu lupinu
Sonoporacija i mikrostrukturne promjene
Mehaničko naprezanje uzrokovano kolapsom kavitacijskih mjehurića stvara nanopore i mikropore u sjemenoj lupini i unutarnjim tkivima – pojava poznata kao sonoporacija.

Posljedice:
- Povećana propusnost
- Brže izluživanje ili unos otopljenih tvari
- Povećana dostupnost za djelovanje enzima
- Poboljšan potencijal klijanja
Poboljšanje ekstrakcije
Ultrazvuk olakšava oslobađanje:
- Proteina
- Polifenola
- Ulja i lipida
- Prehrambenih vlakana
- Bioaktivnih spojeva

To je rezultat razaranja staničnih stijenki, boljeg prodiranja otapala i povećanog prijenosa tvari.

Sonikacija poboljšava klijanje sjemena: ultrazvučna kavitacija stvara mikropukotine u sjemenoj lupini, poboljšava imbibiciju, hidrataciju i unos hranjivih tvari, što rezultira prekidom dormantnosti, većim udjelom proklijalih sjemenki, većom brzinom rasta i boljim razvojem klijanaca

Shematski sažetak učinaka ultrazvuka na sjemenke i mehanizama djelovanja.
Istraživanje i shema: ©Nogueira et al., 2023

Utjecaj amplitude i intenziteta ultrazvuka na sjemenke

Amplituda ultrazvuka izravno određuje mehaničku energiju koja se prenosi sjemenkama. Podešavanje amplitude omogućuje rukovateljima preciznu prilagodbu procesa osjetljivosti i svrsi primjene. Svi Hielscher sonikatori omogućuju precizno podešavanje amplitude, što ih čini svestranim alatima za predsjetvenu pripremu sjemena, poticanje klijanja i ekstrakciju hranjivih tvari.

Niske amplitude – idealne za predsjetvenu pripremu i imbibiciju sjemena

Blaga kavitacija
Povećana hidratacija sonoporacijom, ali bez oštećenja tkiva
Kontrolirana imbibicija sjemena za predsjetvenu pripremu
Aktivacija metaboličkih putova
Poboljšana stopa klijanja i vitalnost sjemena

Imbibicija sjemena – početna faza upijanja vode prije klijanja – može se precizno ubrzati i optimizirati ultrazvukom:

Kavitacija razbija površinsku napetost
Voda učinkovitije ulazi u mikropilu
Barijere povezane s dormantnošću omekšavaju
Predsjetveno pripremljeno sjeme brže klija i razvija snažnije klijance

Srednje amplitude – strukturna modifikacija i umjerena ekstrakcija

Povećana propusnost stanica
Djelomično razrahljivanje staničnih stijenki
Brža hidratacija za preradu hrane
Povećani prinosi ekstrakcije bez potpune razgradnje tkiva

Idealno za:

Poboljšanje topljivosti proteina
Modificiranje svojstava škroba
Pripremu materijala za fermentaciju

Visoke amplitude – razaranje stanica i ekstrakcija

Intenzivna kavitacija i smicanje
Potpuna razgradnja strukture
Optimalno za izolaciju proteina ili ekstrakciju fitokemikalija
Primjenjuje se kada sjemenke ne trebaju ostati vijabilne

To je uobičajeni raspon za industrijsku ekstrakciju:

Ulja / lipida
Proteina i peptida
Polifenola
Funkcionalnih vlakana

Hielscher sonikatori za predsjetvenu pripremu sjemena, poticanje klijanja, hidrataciju i ekstrakciju

Hielscher sonikatori nude svestranu i znanstveno utemeljenu metodu za modificiranje leće i mahunarki. Od ubrzavanja imbibicije i predsjetvene pripreme sjemena do poboljšanja ekstrakcije i omogućavanja proizvodnje sastojaka u industrijskom mjerilu, ultrazvuk visokog intenziteta pruža jedinstvene prednosti u istraživačkom i komercijalnom sektoru.

Uz sonikatore sa sondom tvrtke Hielscher Ultrasonics koji omogućuju preciznu kontrolu – dostupne u laboratorijskom i potpuno industrijskom mjerilu – korisnici mogu precizno prilagoditi uvjete obrade za blago poboljšanje fizioloških procesa ili intenzivno mehaničko razaranje, čime ultrazvuk postaje temeljna tehnologija za istraživanje biljaka nove generacije, preradu prehrambenih sastojaka i održivo biorafiniranje.

Tablica u nastavku daje okvirni prikaz 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	UIP16000hdT
n.a.	veći	skupina uređaja UIP16000hdT

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

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

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom i poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji se odlikuju najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću upotrebe. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su zahtjevima za oznaku CE te ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Povezane teme

Literatura / reference

Kiliçli, Mahmut; Toker, Omersaid (2022): Some physicochemical and technological properties of cooking water of pulses as a canned industry waste: effect of ultrasound treatment during soaking. International Journal of Food Engineering 2022.
Ranjbari, A.; Kashaninejad, Mahdi; Aalami, Mehran; Khomeiri, Morteza; Gharekhani, Mehdi (2013): Effect of ultrasonic pre-treatment on water absorption characteristics of chickpeas (Cicer arietinum). Latin American applied research 43, 2013. 153-159.
Godlewska, K.; Biesiada, A.; Michalak, I.; Pacyga, P. (2020): The Effect of Botanical Extracts Obtained through Ultrasound-Assisted Extraction on White Head Cabbage (Brassica Oleracea L. Var. Capitata L.) Seedlings Grown under Controlled Conditions. Sustainability 2020, 12, 1871.
Yaldagard M.; Reza Mortazavi S.A.; Tabatabaie F. (2008): Application of Ultrasonic Waves as a Priming Technique for Accelerating and Enhancing the Germination of Barley Seed: Optimization of Method by the Taguchi Approach. Journal of The Institute for Brewing Vol. 114, Issue1, 2008. 14-21.
Ranjbari, A. & Kashaninejad, Mahdi; Aalami, Mehran; Khomeiri, Morteza; Gharekhani, Mehdi (2013): Effect of ultrasonic pre-treatment on water absorption characteristics of chickpeas (Cicer arietinum). Latin American applied research 43, 2013. 153-159.

Često postavljana pitanja

Jesu li mahunarke i suha zrna mahunarki sjemenke?

I mahunarke i suha zrna mahunarki jesu sjemenke, ali ti pojmovi opisuju različite kategorije. Mahunarke su botanička kategorija i odnose se na sve biljke iz porodice Fabaceae koje stvaraju mahune sa sjemenkama, uključujući soju, kikiriki, svježi grašak, zelene mahune, djetelinu i mnoge krmne kulture. Suha zrna mahunarki poljoprivredna su i prehrambena kategorija te se odnose isključivo na suhe jestive sjemenke podskupine vrsta mahunarki koje se beru isključivo radi sjemena, poput leće, suhog graha, slanutka i suhog graška.

Koja je razlika između mahunarki i suhih zrna mahunarki?

Mahunarke se odnose na biljke iz porodice Fabaceae koje stvaraju mahune, dok suha zrna mahunarki označavaju suhe jestive sjemenke određenih kultura mahunarki poput leće, slanutka i suhog graha.

Što je klijanje?

Klijanje je proces u kojem sjemenka upija vodu, aktivira metaboličke putove te počinje razvijati korijen i izdanak.

Što je klijanje potpomognuto ultrazvukom?

Klijanje potpomognuto ultrazvukom primjena je kontrolirane ultrazvučne kavitacije za ubrzavanje hidratacije sjemena, povećanje propusnosti membrana i poticanje biokemijske aktivnosti, što rezultira bržim i ujednačenijim klijanjem.