Ekstraksi dan Pengawetan Ultrasonik

Ekstraksi dan pengawetan ultrasonik menggunakan ultrasonik berdaya tinggi untuk menghancurkan struktur sel (lisis). Pemecahan sel dengan ultrasonik menghasilkan ekstraksi senyawa intraseluler yang sangat efisien sekaligus inaktivasi mikroba. Karena berbagai keunggulannya, sonikasi digunakan secara luas untuk ekstraksi dan pengawetan dalam industri pangan. Pelajari lebih lanjut tentang manfaat ekstraksi ultrasonik dan pengolahan pangan!

Ultrasonik Berdaya Tinggi untuk Ekstraksi dan Pengawetan Pangan serta Bahan Botani

Ekstraksi Ultrasonik: Ekstraksi ultrasonik adalah proses yang menggunakan gelombang suara berfrekuensi tinggi untuk mengekstraksi senyawa dari berbagai bahan seperti tumbuhan, buah, dan sayuran. Proses ini melibatkan penggunaan gelombang ultrasonik untuk menciptakan gelembung bertekanan tinggi dalam bahan cair atau semipadat, yang kemudian runtuh dengan cepat, menghasilkan panas dan tekanan yang intens sehingga merusak dinding sel bahan tersebut dan melepaskan senyawa yang diinginkan.

Prinsip Kerja Ekstraksi dan Pengawetan Ultrasonik

Prinsip dasar ekstraksi ultrasonik didasarkan pada fenomena yang dikenal sebagai kavitasi akustik. Ketika cairan terpapar gelombang ultrasonik berintensitas tinggi dan berfrekuensi rendah (sekitar 20 kHz), terbentuk gelombang tekanan yang menciptakan gelembung vakum kecil dalam cairan. Gelembung ini membesar seiring meningkatnya intensitas ultrasonik, dan ketika mencapai ukuran tertentu, gelembung tersebut runtuh secara tiba-tiba dan dahsyat, menghasilkan gelombang kejut serta melepaskan energi dalam bentuk panas dan tekanan.
Proses ini menyebabkan disrupsi mekanis pada dinding sel, sehingga melepaskan senyawa yang diinginkan dari bahan ke dalam pelarut cair. Senyawa yang dilepaskan kemudian dapat dipisahkan dari pelarut menggunakan teknik pemisahan standar seperti filtrasi atau sentrifugasi.

Video ini memperlihatkan pengaruh sonikasi terhadap kestabilan jus wortel organik segar. Video ini juga menyertakan rekaman selang waktu selama penyimpanan berpendingin untuk menunjukkan pengaruh tersebut. Dalam produksi jus, smoothie, puree, dan saus, sonikator Hielscher meningkatkan kestabilan, tekstur, dan umur simpan. Sonikasi meminimalkan kerusakan akibat mikroba serta mencegah pengendapan dan pemisahan yang dapat terjadi hanya dalam beberapa hari. Pemrosesan ultrasonik dapat diterapkan pada batch besar atau secara inline, tepat sebelum pengisian. Sonikasi merupakan metode pemrosesan yang sepenuhnya mekanis. Metode ini ideal untuk jus buah dan sayuran organik, puree, smoothie, atau saus.

Pengawetan Ultrasonik: Pengawetan ultrasonik didasarkan pada efek kavitasi yang sama dengan ekstraksi ultrasonik. Untuk pengawetan, ultrasonik berdaya tinggi diterapkan guna memperpanjang masa simpan pangan yang mudah rusak dengan menggunakan gelombang suara berfrekuensi tinggi untuk menghambat pertumbuhan mikroorganisme penyebab kerusakan. Proses ini melibatkan pemaparan pangan terhadap gelombang ultrasonik yang merusak dinding sel bakteri, khamir, dan kapang, sehingga menyebabkan penghancuran atau penghambatan mikroorganisme tersebut.
Proses ini menyebabkan disrupsi mekanis pada dinding sel mikroorganisme, sehingga menyebabkan penghancuran atau penghambatannya. Gelombang ultrasonik juga dapat meningkatkan permeabilitas membran sel, sehingga bahan pengawet dan agen antimikroba lainnya dapat menembus dan membunuh mikroorganisme secara lebih efektif.
Pengawetan ultrasonik lebih disukai daripada metode pengawetan tradisional karena menawarkan beberapa keunggulan seperti waktu pemrosesan yang lebih singkat, efisiensi yang lebih tinggi, dan kemampuan mempertahankan sifat serta cita rasa alami pangan. Metode ini digunakan pada beragam produk pangan seperti saus, jus, produk susu, telur, dan daging untuk memperpanjang masa simpan dan memastikan keamanannya.

Teknik ekstraksi dan pengawetan ultrasonik lebih disukai daripada metode ekstraksi dan pengawetan tradisional karena menawarkan beberapa keunggulan seperti laju ekstraksi yang lebih cepat, kualitas produk yang sangat baik, rendemen yang lebih tinggi, perlakuan nontermal yang sepenuhnya mekanis, dan kemampuan mengekstraksi ragam senyawa yang lebih luas. Teknik ini digunakan di berbagai industri seperti makanan dan minuman, farmasi, serta kosmetik.

Ekstraksi ultrasonik bahan tumbuhan menghasilkan rendemen yang lebih tinggi. Homogenizer Hielscher UIP2000hdT berdaya 2000 watt cukup kuat untuk mengekstraksi batch berukuran 10 liter hingga 120 liter dengan mudah.

Ekstraksi Protein dan Enzim Ultrasonik

Khususnya, ekstraksi enzim dan protein yang tersimpan dalam sel dan partikel subseluler merupakan aplikasi ultrasonik berintensitas tinggi yang unik dan efektif, karena ekstraksi senyawa organik yang terkandung dalam tubuh tumbuhan dan biji menggunakan pelarut dapat ditingkatkan secara signifikan. Oleh karena itu, ultrasonik berpotensi memberikan manfaat dalam ekstraksi dan isolasi komponen baru yang berpotensi bioaktif, misalnya dari aliran produk samping yang belum dimanfaatkan dan terbentuk dalam proses yang berlangsung saat ini. Ultrasonik juga dapat membantu meningkatkan efek perlakuan enzim, sehingga mengurangi jumlah enzim yang diperlukan atau meningkatkan rendemen senyawa relevan yang dapat diekstraksi.

Ekstraksi Lipid dan Protein Ultrasonik

Sonikasi sering digunakan untuk meningkatkan ekstraksi lipid dan protein dari biji tumbuhan, seperti kedelai (misalnya tepung kedelai atau kedelai yang telah dihilangkan lemaknya) atau biji penghasil minyak lainnya. Dalam hal ini, penghancuran dinding sel mempermudah pengepresan (dingin atau panas) sehingga mengurangi sisa minyak atau lemak dalam bungkil hasil pengepresan.

Pengaruh ekstraksi ultrasonik kontinu terhadap rendemen protein terdispersi ditunjukkan oleh Moulton et al. Sonikasi meningkatkan perolehan protein terdispersi secara bertahap ketika rasio serpihan/pelarut berubah dari 1:10 menjadi 1:30. Hasilnya menunjukkan bahwa ultrasonik mampu mempeptisasi protein kedelai pada hampir semua kapasitas pemrosesan komersial dan bahwa energi sonikasi yang diperlukan paling rendah ketika digunakan suspensi yang lebih kental.

Isolasi Senyawa Fenolik dan Antosianin Ultrasonik

Enzim, seperti pektinase, selulase, dan hemiselulase, digunakan secara luas dalam pengolahan jus untuk mendegradasi dinding sel dan meningkatkan kemudahan ekstraksi jus. Disrupsi matriks dinding sel juga melepaskan komponen, seperti senyawa fenolik, ke dalam jus. Ultrasonik meningkatkan proses ekstraksi sehingga dapat meningkatkan perolehan senyawa fenolik, alkaloid, dan jus yang biasanya tertinggal dalam bungkil hasil pengepresan.

Efek menguntungkan dari perlakuan ultrasonik terhadap pelepasan senyawa fenolik dan antosianin dari matriks anggur dan buah beri, khususnya dari bilberi (Vaccinium myrtillus) dan kismis hitam (>Ribes nigrum) ke dalam jus, diteliti oleh VTT Biotechnology, Finlandia, menggunakan prosesor ultrasonik UIP2000hd setelah pencairan bahan beku, pelumatan, dan inkubasi enzim. Disrupsi dinding sel melalui perlakuan enzim (Pectinex BE-3L untuk bilberi dan Biopectinase CCM untuk kismis hitam) meningkat ketika dikombinasikan dengan ultrasonik. “Perlakuan US meningkatkan konsentrasi senyawa fenolik dalam jus bilberi lebih dari 15%. […] Pengaruh US (ultrasonik) lebih signifikan pada kismis hitam, yang merupakan buah beri yang lebih sulit diolah menjadi jus dibandingkan bilberi karena kandungan pektinnya yang tinggi dan arsitektur dinding selnya yang berbeda. […] konsentrasi senyawa fenolik dalam jus meningkat sebesar 15–25% dengan menggunakan perlakuan US (ultrasonik) setelah inkubasi enzim.” (lihat Mokkila et al., 2004)

Dalam presentasi ini, kami memperkenalkan proses pembuatan ekstrak tumbuhan. Kami menjelaskan tantangan dalam menghasilkan ekstrak tumbuhan berkualitas tinggi dan bagaimana sonikator dapat membantu Anda mengatasinya. Presentasi ini menunjukkan cara kerja ekstraksi ultrasonik. Anda akan mempelajari manfaat yang dapat diperoleh dari penggunaan sonikator untuk ekstraksi serta cara mengintegrasikan ekstraktor ultrasonik ke dalam produksi ekstrak Anda.

Inaktivasi Mikroba dan Enzim

Inaktivasi mikroba dan enzim (pengawetan), misalnya dalam jus buah dan saus, merupakan aplikasi ultrasonik lainnya dalam pengolahan pangan. Saat ini, pengawetan melalui peningkatan suhu dalam waktu singkat (pasteurisasi) masih merupakan metode pemrosesan yang paling umum untuk inaktivasi mikroba atau enzim yang menghasilkan masa simpan lebih panjang (pengawetan). Karena paparan suhu tinggi, pasteurisasi termal konvensional sering menimbulkan kerugian bagi produk pangan.
Pembentukan zat baru dari reaksi yang dikatalisis oleh panas dan modifikasi makromolekul serta perubahan bentuk struktur tumbuhan dan hewan dapat menyebabkan penurunan kualitas. Oleh karena itu, perlakuan termal dapat menyebabkan perubahan yang tidak diinginkan pada atribut sensoris, yaitu tekstur, cita rasa, warna, aroma, dan kualitas gizi, yaitu vitamin dan protein. Ultrasonik merupakan alternatif pemrosesan nontermal (minimal) yang efisien.

Berbeda dengan perlakuan panas konvensional, pengawetan ultrasonik menggunakan energi dan gaya geser dari kavitasi akustik untuk menginaktivasi enzim. Pada tingkat sonikasi yang cukup rendah, perubahan struktural dan metabolik dapat terjadi dalam sel tanpa menghancurkannya. Aktivitas peroksidase, yang ditemukan dalam sebagian besar buah dan sayuran mentah yang belum diblansir dan dapat dikaitkan khususnya dengan timbulnya cita rasa menyimpang serta pigmen pencokelatan, dapat dikurangi secara substansial melalui penggunaan ultrasonik. Enzim tahan panas, seperti lipase dan protease yang tahan terhadap perlakuan suhu ultratinggi dan dapat menurunkan kualitas serta masa simpan susu yang diberi perlakuan panas dan produk susu lainnya, dapat diinaktivasi secara lebih efektif dengan penerapan ultrasonik, panas, dan tekanan secara bersamaan (MTS).

Ultrasonik telah menunjukkan potensinya dalam menghancurkan patogen bawaan pangan, seperti E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, kista Cryptosporidium, dan Poliovirus.

Dapat diterapkan untuk: pengawetan selai, marmalade atau topping, jus buah dan saus, produk daging, produk susu, dan es krim.

Sonikator Hielscher dapat menghomogenisasi dan mempasteurisasi produk telur cair berupa telur utuh, putih telur, dan kuning telur untuk menjamin keamanan pangan dan kestabilan mekanis. Homogenizer ultrasonik Hielscher menghasilkan kavitasi intens dan gaya geser tinggi untuk membunuh mikroba. Pasteurisasi ultrasonik merupakan alternatif pasteurisasi suhu rendah yang sangat efektif dan efisien. Telur cair yang dipasteurisasi melalui sonikasi menunjukkan denaturasi protein yang lebih sedikit, kehilangan cita rasa yang lebih rendah, homogenitas yang lebih baik, dan efisiensi energi yang jauh lebih tinggi.

Sinergi Ultrasonik dengan Suhu dan Tekanan

Sonikasi sering kali lebih efektif ketika dikombinasikan dengan metode antimikroba lainnya, seperti:

termo-sonikasi, yaitu panas dan ultrasonik
mano-sonikasi, yaitu tekanan dan ultrasonik
mano-termo-sonikasi, yaitu tekanan, panas, dan ultrasonik

Penerapan gabungan ultrasonik dengan panas dan/atau tekanan direkomendasikan untuk Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae, dan Aeromonas hydrophila.

Ultrasonik dibandingkan Teknik Pengawetan Pangan Lainnya

Berbeda dengan proses termal dan nontermal lainnya, seperti homogenisasi bertekanan tinggi, pasteurisasi panas, pemrosesan bertekanan tinggi (HPP), karbon dioksida terkompresi (cCO2) dan karbon dioksida superkritis (ScCO2), pulsa medan listrik tinggi (HELP) atau gelombang mikro, ultrasonik dapat dengan mudah diuji pada skala laboratorium atau skala meja – menghasilkan hasil yang dapat direproduksi untuk peningkatan skala. Intensitas dan karakteristik kavitasi dapat dengan mudah disesuaikan dengan proses ekstraksi tertentu untuk mencapai tujuan tertentu. Amplitudo dan tekanan dapat divariasikan dalam rentang yang luas, misalnya untuk mengidentifikasi konfigurasi ekstraksi yang paling hemat energi.

Keunggulan lain yang terkait dengan penggunaan ekstraksi ultrasonik tipe probe adalah kemudahan penanganan ekstrak, pelaksanaan yang cepat, tanpa residu, rendemen tinggi, ramah lingkungan, peningkatan kualitas, dan pencegahan degradasi ekstrak.
(lihat Chemat et al., 2011)

Keunggulan Pengolahan Pangan Ultrasonik

Ekstraksi lebih menyeluruh
Pengawetan nontermal
Rendemen lebih tinggi
Kandungan gizi tinggi, kualitas pangan premium
Proses cepat
Proses dingin / nontermal
Mudah dan aman dioperasikan
Kebutuhan perawatan rendah

Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Ekstraksi dan Pengawetan

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi, dan mendistribusikan sonikator berkinerja tinggi untuk ekstraksi dan pengawetan yang efisien. Penggunaan peralatan ultrasonik Hielscher untuk ekstraksi dan pengawetan pangan merupakan teknologi pemrosesan yang andal yang dapat diterapkan secara aman dan ramah lingkungan, sekaligus efisien dan ekonomis. Efek homogenisasi dan pengawetan dapat dengan mudah dimanfaatkan untuk semua produk pangan cair atau menyerupai pasta, termasuk jus dan puree buah (misalnya jeruk, apel, grapefruit, mangga, anggur, plum), serta saus dan sup sayuran (misalnya saus tomat atau sup asparagus), produk susu, telur, dan daging.
Portofolio homogenizer ultrasonik dan ekstraktor kami mencakup perangkat portabel yang dapat digenggam hingga sistem produksi industri sepenuhnya untuk pemrosesan inline bervolume besar pada skala komersial.

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Sonikator Hielscher terkenal karena standar kualitas dan desainnya yang tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasian memungkinkan integrasi sonikator kami ke dalam fasilitas industri secara lancar. Kondisi berat dan lingkungan yang menuntut dapat ditangani dengan mudah oleh sonikator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikasi ISO dan memberikan penekanan khusus pada sonikator berkinerja tinggi yang dilengkapi teknologi mutakhir serta mudah digunakan. Tentu saja, sonikator Hielscher memenuhi ketentuan CE dan persyaratan UL, CSA, serta RoHs.

Tabel di bawah ini memberikan gambaran tentang perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:

Volume Batch	Laju Alir	Perangkat yang Direkomendasikan
0,5 hingga 1,5mL	tidak berlaku	VialTweeter
1 hingga 500mL	10 hingga 200mL/min	UP100H
10 hingga 2000mL	20 hingga 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 hingga 20L	0,2 hingga 4L/min	UIP2000hdT
10 hingga 100L	2 hingga 10L/min	UIP4000hdT
15 hingga 150L	3 hingga 15L/min	UIP6000hdT
tidak berlaku	10 hingga 100L/min	UIP16000
tidak berlaku	lebih besar	kelompok unit UIP16000

Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!

Topik Terkait

Literatur / Referensi

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.

Fakta yang Perlu Diketahui

Disintegrasi Sel Ultrasonik

Dalam sonikasi intensif, enzim atau protein dapat dilepaskan dari sel atau organel subseluler akibat disintegrasi sel. Dalam hal ini, senyawa yang akan dilarutkan ke dalam pelarut terkurung dalam struktur yang tidak larut. Untuk mengekstraksinya, membran sel harus dihancurkan. Disrupsi sel merupakan proses yang sensitif karena kemampuan dinding sel untuk menahan tekanan osmotik yang tinggi di dalam sel. Pengendalian disrupsi sel yang baik diperlukan untuk menghindari pelepasan tanpa kendali seluruh produk intraseluler, termasuk debris sel dan asam nukleat, atau denaturasi produk.
Sonikasi berfungsi sebagai sarana disintegrasi sel yang dapat dikendalikan dengan baik. Untuk tujuan ini, efek mekanis ultrasonik memungkinkan penetrasi pelarut yang lebih cepat dan lebih menyeluruh ke dalam bahan seluler serta meningkatkan perpindahan massa. Ultrasonik menghasilkan penetrasi pelarut yang lebih besar ke dalam jaringan tumbuhan dan meningkatkan perpindahan massa. Gelombang ultrasonik yang menghasilkan kavitasi merusak dinding sel dan mempermudah pelepasan komponen matriks.

Perpindahan Massa yang Ditingkatkan secara Ultrasonik Mendukung Ekstraksi

Secara umum, ultrasonik dapat meningkatkan permeabilitas membran sel terhadap ion dan dapat mengurangi selektivitas membran sel secara signifikan. Aktivitas mekanis ultrasonik mendukung difusi pelarut ke dalam jaringan. Karena ultrasonik memecahkan dinding sel secara mekanis melalui gaya geser kavitasi, perpindahan dari sel ke dalam pelarut menjadi lebih mudah. Pengurangan ukuran partikel melalui kavitasi ultrasonik meningkatkan luas permukaan kontak antara fase padat dan fase cair.

Lisis dan Inaktivasi E.coli secara Ultrasonik

Untuk memproduksi sejumlah kecil protein rekombinan guna mempelajari dan mengarakterisasi sifat biologisnya, E.coli merupakan bakteri pilihan. Penanda pemurnian, misalnya ekor polihistidin, beta-galaktosidase, atau protein pengikat maltosa, biasanya digabungkan dengan protein rekombinan agar protein tersebut dapat dipisahkan dari ekstrak sel dengan kemurnian yang memadai untuk sebagian besar tujuan analitis. Sonikasi memungkinkan pelepasan protein dimaksimalkan, khususnya ketika rendemen produksi rendah, sekaligus mempertahankan struktur dan aktivitas protein rekombinan.

Oksidasi Ultrasonik

Pada intensitas yang terkendali, penerapan ultrasonik pada biotransformasi dan fermentasi dapat meningkatkan biopemrosesan berkat efek biologis yang diinduksi dan perpindahan massa seluler yang dipermudah. Pengaruh penerapan ultrasonik secara terkendali (20kHz) terhadap oksidasi kolesterol menjadi kolestenon oleh sel istirahat Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (sebelumnya Nocardia erythropolis) diteliti oleh Bar (1987).
Sistem ini merupakan contoh khas transformasi sterol dan steroid oleh mikroba karena substrat dan produknya merupakan padatan yang tidak larut dalam air. Oleh karena itu, sistem ini cukup unik karena baik sel maupun padatan dapat terkena efek ultrasonik. Pada intensitas ultrasonik yang cukup rendah untuk mempertahankan integritas struktural sel dan menjaga aktivitas metaboliknya, Bar mengamati peningkatan signifikan pada laju kinetik biotransformasi dalam suspensi mikroba dengan kolesterol 1,0 dan 2,5 g/L ketika disonikasi selama 5s setiap 10mn dengan keluaran daya 0,2W/cm². Ultrasonik tidak menunjukkan efek pada oksidasi enzimatis kolesterol (2,5g/L) oleh kolesterol oksidase.

Apa Itu Pemrosesan Bertekanan Tinggi dalam Pengawetan Pangan?

Pemrosesan Bertekanan Tinggi (HPP) adalah teknik pengawetan pangan nontermal yang menginaktivasi mikroorganisme dan enzim sambil mempertahankan kualitas sensoris dan gizi produk. Teknik ini melibatkan pemaparan pangan dalam kemasan terhadap tekanan hidrostatik yang biasanya berkisar antara 300 dan 600 MPa (megapascal) selama beberapa detik hingga beberapa menit. Tantangan utama pemrosesan bertekanan tinggi adalah konsumsi energinya yang sangat tinggi. Baca lebih lanjut tentang bagaimana sonikasi dapat membantu mengurangi kebutuhan energi HPP!