Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Estrazione e conservazione ad ultrasuoni

La disintegrazione delle strutture cellulari (lisi) per mezzo di ultrasuoni viene utilizzata per l'estrazione di composti intracellulari o per l'inattivazione microbica.

Sfondo

In microbiologia, gli ultrasuoni sono principalmente associati a rottura delle cellule (lisi) o Disintegrazione (Allinger 1975). Nel caso di liquidi sonori ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel liquido si traducono in cicli alternati di alta (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con frequenze variabili a seconda della frequenza.
Durante il ciclo a bassa pressione, onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (ca. 5.000K) e pressioni (ca. 2.000atm) molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione provoca anche getti di liquido con velocità fino a 280m/s. Le forze di taglio risultanti rompono meccanicamente l'involucro della cella e migliorano il trasferimento del materiale. Gli ultrasuoni possono avere effetti distruttivi o costruttivi per le cellule a seconda dei parametri di sonicazione utilizzati.

disintegrazione delle cellule

Sotto intensa sonicazione gli enzimi o le proteine possono essere rilasciati dalle cellule o dagli organelli subcellulari come risultato di disintegrazione delle cellule. In questo caso, il composto da sciogliere in un solvente è racchiuso in una struttura insolubile. Per poterlo estrarre, la membrana cellulare deve essere distrutta. La rottura della cella è un processo sensibile, perché la parete cellulare è in grado di resistere ad alte pressioni osmotiche all'interno. È necessario un buon controllo dell'alterazione cellulare, per evitare il rilascio senza ostacoli di tutti i prodotti intracellulari, compresi i detriti cellulari e gli acidi nucleici, o la denaturazione del prodotto.
L'ultrasonicazione serve come mezzo ben controllabile per la disintegrazione cellulare. Per questo, gli effetti meccanici degli ultrasuoni forniscono una penetrazione più rapida e completa del solvente nei materiali cellulari e migliorano il trasferimento di massa. L'ecografia consente di ottenere una maggiore penetrazione di un solvente nel tessuto vegetale e migliora il trasferimento di massa. Le onde ultrasoniche che generano cavitazione disturbano le pareti cellulari e facilitano il rilascio dei componenti della matrice.

Trasferimento di massa

In generale, gli ultrasuoni possono portare ad una permeabilizzazione delle membrane cellulari agli ioni (Mummia 1978), e può ridurre significativamente la selettività delle membrane cellulari. L'attività meccanica degli ultrasuoni favorisce la diffusione di solventi nel tessuto. Poiché l'ultrasuono rompe meccanicamente la parete cellulare per effetto delle forze di taglio di cavitazione, facilita il trasferimento dalla cellula al solvente. La riduzione delle dimensioni delle particelle per cavitazione ultrasonica aumenta la superficie di contatto tra il solido e la fase liquida.

Estrazione di proteine ed enzimi

In particolare l'estrazione di enzimi e proteine immagazzinati nelle cellule e nelle particelle subcellulari è un'applicazione unica ed efficace degli ultrasuoni ad alta intensità (Kim 1989), in quanto l'estrazione di composti organici contenuti nel corpo delle piante e dei semi con un solvente può essere notevolmente migliorata. Pertanto, gli ultrasuoni hanno un potenziale beneficio nell'estrazione e nell'isolamento di nuovi componenti potenzialmente bioattivi, ad esempio da flussi di sottoprodotti non utilizzati formatisi nei processi attuali. Gli ultrasuoni possono anche aiutare ad intensificare gli effetti del trattamento enzimatico, riducendo così la quantità di enzimi necessari o aumentando la produzione di composti rilevanti estraibili.

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 della continua estrazione ad ultrasuoni sulla resa di proteine disperse è stata dimostrata da Moulton et al. La sonicazione ha aumentato progressivamente il recupero delle proteine disperse man mano che il rapporto fiocchi/solvente è cambiato da 1:10 a 1:30. Ha dimostrato che gli ultrasuoni sono in grado di peptizzare le proteine della soia a quasi tutte le produzioni commerciali e che l'energia di sonicazione richiesta era la più bassa, quando si utilizzavano fanghi più spessi. (Moulton et al. 1982)

Applicabile a: Olio di agrumi da frutta, estrazione di senape macinata, arachidi, colza, olio di colza, olio di erbe (echinacea), colza, soia, mais.

Liberazione 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.

Gli effetti benefici del trattamento ad ultrasuoni sulla liberazione dei composti fenolici e degli antociani dalla matrice dell'uva e delle bacche, in particolare dai mirtilli (Vaccinium myrtillus) e ribes nero (Ribes nigrum) in succo, è stato studiato da VTT Biotecnologia, Finlandia (progetto UE MAXFUN) usando un Processore ad ultrasuoni UIP2000hd dopo lo scongelamento, il mashing e l'incubazione enzimatica. L'alterazione delle pareti cellulari mediante trattamento enzimatico (Pectinex BE-3L per i mirtilli e Biopectinase CCM per il ribes nero) è stata migliorata in combinazione con gli ultrasuoni. “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.” (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. La conservazione per innalzamento della temperatura per brevi periodi di tempo (pastorizzazione) è ancora oggi il metodo di lavorazione più comune per l'inattivazione microbica o enzimatica che porta ad una maggiore durata di conservazione (conservazione). A causa dell'esposizione a temperature elevate, questo metodo termico presenta spesso svantaggi per molti 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).

Il calore generato localmente dalla cavitazione e dai radicali creati può portare all'inattivazione degli enzimi per sonicazione (El'piner 1964). A livelli sufficientemente bassi di sonicazione possono verificarsi cambiamenti strutturali e metabolici nelle cellule senza la loro distruzione. L'attività della perossidasi, che si trova nella maggior parte di frutta e verdura cruda e non sbiancata e che può essere particolarmente associata allo sviluppo di sapori e pigmenti dorati, può essere notevolmente ridotta grazie all'uso degli ultrasuoni. Gli enzimi termoresistenti, come la lipasi e la proteasi, che resistono a trattamenti ad alta temperatura e che possono ridurre la qualità e la durata di conservazione del latte trattato termicamente e di altri prodotti caseari, possono essere inattivati più efficacemente mediante l'applicazione simultanea di ultrasuoni, calore e pressione (MTS).

L'ecografia ha dimostrato il suo potenziale nella distruzione di agenti patogeni di origine alimentare, quali E.coli, Salmonelle, Ascari, Giardia, Cisti di criptosporidioe Poliovirus.

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

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 raccomandata per Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae e Aeromonas hydrophila..

Sviluppo del processo

A differenza di altri processi non termici, come l'alta pressione idrostatica (HP), l'anidride carbonica compressa (cCO2) e l'anidride carbonica supercritica (ScCO2) e gli impulsi ad alto campo elettrico (HELP), gli ultrasuoni possono essere facilmente testati in laboratorio o su scala da banco. – generando risultati riproducibili per lo scale-up. L'intensità e le caratteristiche di cavitazione possono essere facilmente adattate allo specifico processo di estrazione per raggiungere obiettivi specifici. L'ampiezza e la pressione possono essere variate in un'ampia gamma, ad esempio per identificare la configurazione di estrazione più efficiente dal punto di vista energetico. I tessuti duri devono essere sottoposti a macerazione, macinazione o polverizzazione prima dell'ecografia.

E.coli

Produrre piccole quantità di proteine ricombinanti per lo studio e la caratterizzazione delle loro proprietà biologiche, E.coli è il batterio di prima scelta. Etichette di purificazione, ad es. coda in polistidina, beta-galattosidasi o legante il maltosio.
proteine, sono comunemente unite alle proteine ricombinanti per renderle separabili dagli estratti cellulari con una purezza sufficiente per la maggior parte degli scopi analitici. L'ultrasonicazione permette di massimizzare il rilascio di proteine, in particolare quando la resa di produzione è bassa e di preservare la struttura e l'attività della proteina ricombinante.

La distruzione di E.coli cellule al fine di estrarre la proteina chimosina totale è stato studiato da Kim e Zayas.

Estrazione dello zafferano

Lo zafferano è conosciuto come la spezia più costosa sul mercato mondiale e si distingue per il suo sapore delicato, il sapore amaro e l'attraente colore giallo. La spezia allo zafferano si ottiene dallo stigma rosso del fiore del croco di zafferano. Dopo l'essiccazione, queste parti sono utilizzate come condimento in cucina o come colorante. Il sapore intenso e caratteristico dello zafferano deriva soprattutto da tre composti: crocine, picrocrocrocina e safranale.

Kadkhodaee e Hemmati-Kakhki hanno dimostrato in uno studio che l'ultrasuono ha aumentato significativamente la resa di estrazione e ridotto notevolmente i tempi di lavorazione. Infatti, i risultati dell'estrazione ad ultrasuoni sono stati nettamente migliori rispetto all'estrazione tradizionale con acqua fredda, proposta dall'ISO. Per le loro ricerche, Kadkhodaee e Hemmati-Kakhki hanno utilizzato i prodotti Hielscher's dispositivo ad ultrasuoni UP50H. I migliori risultati sono stati raggiunti con la sonicazione pulsata. Ciò significa che brevi intervalli di impulsi sono stati più efficaci di un trattamento a ultrasuoni continuo.

Ossidazione

A intensità controllate, l'applicazione degli ultrasuoni alla biotrasformazione e alla fermentazione può portare ad un miglioramento del bioprocesso, grazie agli effetti biologici indotti e al trasferimento di massa cellulare facilitato. L'influenza dell'applicazione controllata degli ultrasuoni (20 kHz) sull'ossidazione del colesterolo al colestenone da parte delle cellule a riposo di Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (precedentemente Nocardia eritropolis) è stata indagata da Bar.

Colesterolo + O2 = cholest-4-en-3-one + H2O2

Questo sistema è tipico delle trasformazioni microbiche di steroli e steroidi in quanto il substrato e i prodotti sono solidi insolubili in acqua. Pertanto, questo sistema è piuttosto unico in quanto sia le cellule che i solidi possono essere soggetti all'effetto degli ultrasuoni (Bar, 1987). Ad un'intensità ultrasonica sufficientemente bassa che ha preservato l'integrità strutturale delle cellule e mantenuto la loro attività metabolica, Bar ha osservato un significativo aumento dei tassi cinetici di biotrasformazione in fanghi microbici di 1,0 e 2,5 g/L di colesterolo quando sonicato per 5s ogni 10mn con una potenza di uscita di 0,2W/cm². Gli ultrasuoni non hanno mostrato alcun effetto sull'ossidazione enzimatica del colesterolo (2.5g/L) da parte della colesterolo ossidasi.

Tecnologia vantaggiosa

L'utilizzo della cavitazione ad ultrasuoni per l'estrazione e la conservazione degli alimenti è una nuova potente tecnologia di lavorazione che non solo può essere applicata in modo sicuro ed ecologico, ma anche efficiente ed economico. L'effetto omogeneizzante e conservante può essere facilmente utilizzato per succhi e puree di frutta (es. arancia, mela, pompelmo, mango, uva, prugna, prugna) così come per salse e minestre di verdura, come salsa di pomodoro o zuppa di asparagi.

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Letteratura

Allinger, H. (1975): American Laboratory, 7 (10), 75 (1975).

Bar, R. (1987): Bioprocessi ad ultrasuoni potenziatidentro: Biotecnologia e ingegneria, Vol. 32, Pp. 655-663 (1987).

El'piner, I.E. (1964): Ultrasuoni: Effetti fisici, chimici e biologici (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R.; Hemmati-Kakhki, A.: Estrazione ad ultrasuoni dei composti attivi dallo zafferano, in: Pubblicazione su Internet.

Kim, S.M. und Zayas, J.F. (1989): Parametro di elaborazione di estrazione della chimosina mediante ultrasuoni; in J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Combinando l'ultrasuono di potenza con gli enzimi nella lavorazione del succo di bacchea: 2° Int. Conf. Biocatalisi degli alimenti e delle bevande, 19-22.9.2004, Stoccarda, Germania.

Moulton, K.J., Wang, L.C. (1982): Uno studio pilota dell'impianto di estrazione continua ad ultrasuoni delle proteine della soia, in: Journal of Food Science, Volume 47, 1982.

Mummia, C.L. (1978): L'effetto degli ultrasuoni sui fibroblasti in vitro, in: Tesi di dottorato, Università di Londra, Londra, Inghilterra, 1978.