L'estrazione e la conservazione a ultrasuoni utilizzano gli ultrasuoni di potenza per la disintegrazione delle strutture cellulari (lisi). La rottura delle cellule con gli ultrasuoni determina un'estrazione altamente efficiente dei composti intracellulari e l'inattivazione microbica. Grazie ai numerosi vantaggi, gli ultrasuoni sono ampiamente utilizzati per l'estrazione e la conservazione nell'industria alimentare. Per saperne di più sui vantaggi dell'estrazione a ultrasuoni e della lavorazione degli alimenti!

Ultrasuoni di potenza per l'estrazione e la conservazione di alimenti e prodotti botanici

Estrazione ad ultrasuoni: L'estrazione a ultrasuoni è un processo che utilizza onde sonore ad alta frequenza per estrarre composti da una varietà di materiali come piante, frutta e verdura. Il processo prevede l'uso di onde ultrasoniche per creare bolle ad alta pressione in un materiale liquido o semisolido, che collassano rapidamente, generando calore e pressione intensi che rompono le pareti cellulari del materiale e rilasciano i composti desiderati.

Il principio di funzionamento dell'estrazione e della conservazione a ultrasuoni

Il principio di base dell'estrazione a ultrasuoni si basa sul fenomeno noto come cavitazione acustica. Quando un liquido è esposto a onde ultrasoniche di alta intensità e bassa frequenza (circa 20 kHz), si generano onde di pressione che creano piccole bolle di vuoto nel liquido. Queste bolle aumentano di dimensione all'aumentare dell'intensità degli ultrasuoni e, quando raggiungono una certa dimensione, collassano improvvisamente e violentemente, generando un'onda d'urto e rilasciando energia sotto forma di calore e pressione.
Questo processo provoca la rottura meccanica delle pareti cellulari, rilasciando i composti desiderati dal materiale nel solvente liquido. I composti rilasciati possono poi essere separati dal solvente utilizzando tecniche di separazione standard come la filtrazione o la centrifugazione.

Conservazione a ultrasuoni: La conservazione a ultrasuoni si basa sugli stessi effetti cavitazionali dell'estrazione a ultrasuoni. Per la conservazione, gli ultrasuoni di potenza vengono applicati per prolungare la durata di conservazione degli alimenti deperibili utilizzando onde sonore ad alta frequenza per inibire la crescita dei microrganismi che causano il deterioramento. Il processo prevede l'esposizione degli alimenti a onde ultrasoniche che distruggono le pareti cellulari di batteri, lieviti e muffe, provocandone la distruzione o l'inibizione.
Questo processo provoca la rottura meccanica delle pareti cellulari dei microrganismi, portandoli alla distruzione o all'inibizione. Le onde ultrasoniche possono anche aumentare la permeabilità delle membrane cellulari, consentendo ai conservanti e ad altri agenti antimicrobici di penetrare e uccidere i microrganismi in modo più efficace.
La conservazione a ultrasuoni è preferita ai metodi di conservazione tradizionali perché offre diversi vantaggi, come tempi di lavorazione più brevi, maggiore efficienza e capacità di preservare le proprietà e gli aromi naturali degli alimenti. Viene utilizzata in un'ampia gamma di prodotti alimentari, come salse, succhi di frutta, prodotti caseari, uova e carne, per prolungarne la durata di conservazione e garantirne la sicurezza.

La tecnica di estrazione e conservazione a ultrasuoni è preferita rispetto ai metodi di estrazione e conservazione tradizionali perché offre diversi vantaggi, come tassi di estrazione più rapidi, un'eccellente qualità del prodotto, una resa maggiore, un trattamento puramente meccanico e non termico e la capacità di estrarre una gamma più ampia di composti. Viene utilizzata in un'ampia gamma di settori, come quello alimentare e delle bevande, farmaceutico e cosmetico.

Estrazione di proteine ed enzimi con ultrasuoni

In particolare, l'estrazione di enzimi e proteine immagazzinati in cellule e particelle subcellulari è un'applicazione unica ed efficace degli ultrasuoni ad alta intensità, in quanto l'estrazione dei composti organici contenuti nel corpo delle piante e dei semi da parte di un solvente può essere notevolmente migliorata. Pertanto, gli ultrasuoni hanno un potenziale vantaggio nell'estrazione e nell'isolamento di nuovi componenti potenzialmente bioattivi, ad esempio da flussi di sottoprodotti non utilizzati che si formano nei processi attuali. Gli ultrasuoni possono anche contribuire a intensificare gli effetti del trattamento enzimatico, riducendo così la quantità di enzima necessaria o aumentando la resa di composti rilevanti estraibili.

Estrazione a ultrasuoni di lipidi e proteine

L'ultrasonicazione è spesso utilizzata per migliorare l'estrazione di lipidi e proteine dai semi delle piante, come la soia (ad esempio, farina o soia sgrassata) o altri semi oleosi. In questo caso, la distruzione delle pareti cellulari facilita la pressatura (a freddo o a caldo) e quindi riduce il residuo di olio o grasso nel panello di pressatura.

L'influenza dell'estrazione continua a ultrasuoni sulla resa delle proteine disperse è stata dimostrata da Moulton et al. La sonicazione ha aumentato progressivamente il recupero delle proteine disperse al variare del rapporto fiocchi/solvente da 1:10 a 1:30. È stato dimostrato che gli ultrasuoni sono in grado di peptizzare le proteine di soia a quasi tutte le produzioni commerciali e che l'energia di sonicazione richiesta è la più bassa quando si utilizzano impasti più densi.

Isolamento a ultrasuoni di composti fenolici e antociani

Enzimi, come pectinasi, cellulasi ed emicellulasi sono ampiamente utilizzati nella lavorazione del succo per degradare le pareti cellulari e migliorare l'estraibilità del succo. La rottura della matrice della parete cellulare rilascia anche componenti, come i composti fenolici nel succo. L'ecografia migliora il processo di estrazione e quindi può portare ad un aumento del composto fenolico, degli alcaloidi e della produzione di succo, comunemente lasciati nella press cake.

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. “Il trattamento negli Stati Uniti aumenta la concentrazione di composti fenolici del succo di mirtillo di oltre il 15%. […] L'influenza degli Stati Uniti (ultrasuoni) è stata più significativa con il ribes nero, che sono bacche più impegnative nella lavorazione dei succhi rispetto ai mirtilli a causa del loro alto contenuto di pectina e della diversa architettura delle pareti cellulari. […la concentrazione di composti fenolici nel succo è aumentata del 15-25% utilizzando il trattamento statunitense (ultrasuoni) dopo l'incubazione enzimatica.” (cfr. Mokkila et al., 2004)
 

Inattivazione microbica ed enzimatica

L'inattivazione microbica ed enzimatica (conservazione), ad esempio nei succhi di frutta e nelle salse, è un'altra applicazione degli ultrasuoni nella lavorazione degli alimenti. Oggi, la conservazione mediante l'innalzamento della temperatura per brevi periodi di tempo (pastorizzazione) è ancora il metodo di lavorazione più comune per l'inattivazione microbica o enzimatica che porta a una maggiore durata (conservazione). A causa dell'esposizione ad alte temperature, la pastorizzazione termica convenzionale presenta spesso degli svantaggi per i prodotti alimentari.
La produzione di nuove sostanze da reazioni catalizzate dal calore e la modificazione delle macromolecole e la deformazione delle strutture vegetali e animali possono ridurre la perdita di qualità. Pertanto, il trattamento termico può causare alterazioni indesiderate degli attributi sensoriali, cioè la consistenza, il sapore, il colore, l'odore e le qualità nutrizionali, cioè le vitamine e le proteine. Gli ultrasuoni sono un'efficiente alternativa di trattamento non termico (minimo).

A differenza dei trattamenti termici convenzionali, la conservazione a ultrasuoni sfrutta l'energia e le forze di taglio della cavitazione acustica per inattivare gli enzimi. A livelli sufficientemente bassi di sonicazione possono verificarsi cambiamenti strutturali e metabolici nelle cellule senza che queste vengano distrutte. L'attività della perossidasi, che si trova nella maggior parte della frutta e della verdura cruda e non sbollentata e che può essere particolarmente associata allo sviluppo di sapori sgradevoli e di pigmenti imbrunenti, può essere ridotta in modo sostanziale dall'uso degli ultrasuoni. Gli enzimi termoresistenti, come la lipasi e la proteasi, che resistono ai trattamenti ad altissima temperatura e che possono ridurre la qualità e la conservabilità del latte e di altri prodotti caseari trattati termicamente, possono essere inattivati più efficacemente con l'applicazione simultanea di ultrasuoni, calore e pressione (MTS).

Gli ultrasuoni hanno dimostrato il loro potenziale nella distruzione di agenti patogeni di origine alimentare, come E.coli, Salmonelle, Ascaridi, Giardia, cisti di Cryptosporidium e Poliovirus.

Applicabile a: conservazione di marmellate, confetture o condimenti, succhi di frutta e salse, prodotti a base di carne, latticini e gelati.
 

Sinergie degli ultrasuoni con temperatura e pressione

L'ultrasonicazione è spesso più efficace se combinata con altri metodi antimicrobici, come ad esempio:

• la termosonicazione, cioè il calore e gli ultrasuoni
• mano-sonication, cioè pressione e ultrasuoni.
• mano-termo-sonication, cioè pressione, calore e ultrasuoni

L'applicazione combinata di ultrasuoni con calore e/o pressione è consigliata per Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae e Aeromonas hydrophila.

Ultrasuoni e altre tecniche di conservazione degli alimenti

A differenza di altri processi termici e non, come l'omogeneizzazione ad alta pressione, la pastorizzazione a caldo, l'alta pressione idrostatica (HP), l'anidride carbonica compressa (cCO2) e supercritica (ScCO2), gli impulsi ad alto campo elettrico (HELP) o le microonde, gli ultrasuoni possono essere facilmente testati su scala di laboratorio o da banco. – generando risultati riproducibili per lo scale-up. L'intensità e le caratteristiche della cavitazione possono essere facilmente adattate al processo di estrazione specifico per raggiungere obiettivi specifici. L'ampiezza e la pressione possono essere variate in un ampio intervallo, ad esempio per identificare la configurazione di estrazione più efficiente dal punto di vista energetico.

Altri vantaggi legati all'uso dell'estrazione con sonda a ultrasuoni sono la facilità di manipolazione dell'estratto, la rapidità di esecuzione, l'assenza di residui, l'alta resa, l'ecocompatibilità, la qualità migliorata e la prevenzione della degradazione dell'estratto.
(cfr. Chemat et al., 2011)

Ultrasuonatori ad alte prestazioni per estrazione e preservazione

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce ultrasuonatori ad alte prestazioni per un'estrazione e una conservazione efficienti. L'utilizzo di apparecchiature a ultrasuoni Hielscher per l'estrazione e la conservazione degli alimenti è una potente tecnologia di lavorazione che può essere applicata non solo in modo sicuro ed ecologico, ma anche efficiente ed economico. L'effetto omogeneizzante e conservante può essere facilmente utilizzato per qualsiasi prodotto alimentare liquido o pastoso, compresi i succhi e le puree di frutta (ad esempio, arancia, mela, pompelmo, mango, uva, prugna), nonché per salse e zuppe di verdure (ad esempio, salsa di pomodoro o zuppa di asparagi), latticini, uova e carne.
Il nostro portafoglio di omogeneizzatori ed estrattori a ultrasuoni spazia da dispositivi portatili e maneggevoli a sistemi di produzione completamente industriali per il trattamento in linea di grandi volumi su scala commerciale.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: