Estrazione e conservazione a ultrasuoni

L’estrazione e la conservazione a ultrasuoni utilizzano ultrasuoni di potenza per la disgregazione delle strutture cellulari (lisi). La disgregazione delle cellule mediante ultrasuoni consente un’estrazione altamente efficiente dei composti intracellulari e l’inattivazione microbica. Grazie ai numerosi vantaggi, la sonicazione è ampiamente utilizzata per l’estrazione e la conservazione nell’industria alimentare. Scoprite di più sui vantaggi dell’estrazione e del trattamento degli alimenti a ultrasuoni!

Ultrasuoni di potenza per l’estrazione e la conservazione di alimenti e materiali vegetali

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

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

Il principio fondamentale dell’estrazione a ultrasuoni si basa sul fenomeno noto come cavitazione acustica. Quando un liquido viene esposto a onde ultrasoniche ad alta intensità e bassa frequenza (circa 20 kHz), si generano onde di pressione che creano minuscole bolle di vuoto nel liquido. Queste bolle aumentano di dimensioni all’aumentare dell’intensità degli ultrasuoni e, quando raggiungono una certa dimensione, collassano improvvisamente e violentemente, generando un’onda d’urto e liberando energia sotto forma di calore e pressione.
Questo processo provoca la disgregazione meccanica delle pareti cellulari, liberando i composti desiderati dal materiale nel solvente liquido. I composti liberati possono quindi essere separati dal solvente mediante 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 disgregano le pareti cellulari di batteri, lieviti e muffe, provocandone la distruzione o l’inibizione.
Questo processo provoca la disgregazione meccanica delle pareti cellulari dei microrganismi, determinandone la distruzione o l’inibizione. Le onde ultrasoniche possono inoltre 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 trattamento più brevi, maggiore efficienza e la capacità di preservare le proprietà e i sapori naturali degli alimenti. Viene utilizzata per un’ampia gamma di prodotti alimentari, come salse, succhi, prodotti lattiero-caseari, uova e carne, per prolungarne la durata di conservazione e garantirne la sicurezza.

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

Estrazione di proteine ed enzimi a ultrasuoni

In particolare, l’estrazione di enzimi e proteine presenti nelle cellule e nelle particelle subcellulari è un’applicazione peculiare ed efficace degli ultrasuoni ad alta intensità, poiché l’estrazione mediante solvente dei composti organici contenuti nelle strutture di piante e semi può essere notevolmente migliorata. Gli ultrasuoni possono quindi apportare benefici all’estrazione e all’isolamento di nuovi componenti potenzialmente bioattivi, ad esempio da flussi di sottoprodotti non utilizzati generati nei processi attuali. Gli ultrasuoni possono inoltre contribuire a intensificare gli effetti del trattamento enzimatico, riducendo così la quantità di enzima necessaria o aumentando la resa dei composti di interesse estraibili.

Estrazione di lipidi e proteine a ultrasuoni

La sonicazione viene spesso utilizzata per migliorare l’estrazione di lipidi e proteine dai semi delle piante, come i semi di soia (ad esempio farina di soia o semi di soia sgrassati) o altri semi oleosi. In questo caso, la distruzione delle pareti cellulari facilita la spremitura (a freddo o a caldo), riducendo così l’olio o il grasso residuo nel panello di spremitura.

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. Lo studio ha dimostrato che gli ultrasuoni sono in grado di peptizzare le proteine della soia a quasi qualsiasi capacità produttiva commerciale e che l’energia di sonicazione necessaria era minima quando venivano utilizzate sospensioni più dense.

Isolamento di composti fenolici e antociani a ultrasuoni

Enzimi come pectinasi, cellulasi ed emicellulasi sono ampiamente utilizzati nella lavorazione dei succhi per degradare le pareti cellulari e migliorare l’estraibilità del succo. La disgregazione della matrice della parete cellulare libera inoltre nel succo componenti come i composti fenolici. Gli ultrasuoni migliorano il processo di estrazione e possono quindi aumentare il recupero di composti fenolici, alcaloidi e succo, che normalmente rimangono nel panello di spremitura.

Gli effetti benefici del trattamento a ultrasuoni sulla liberazione nel succo di composti fenolici e antociani dalla matrice dell’uva e dei frutti di bosco, in particolare dai mirtilli neri (Vaccinium myrtillus) e dai ribes neri (>Ribes nigrum), sono stati studiati da VTT Biotechnology, Finlandia, utilizzando un processore a ultrasuoni UIP2000hd dopo scongelamento, triturazione e incubazione enzimatica. La disgregazione delle pareti cellulari mediante trattamento enzimatico (Pectinex BE-3L per i mirtilli neri e Biopectinase CCM per i ribes neri) è stata migliorata combinando il trattamento con gli ultrasuoni. “Il trattamento US aumenta la concentrazione dei composti fenolici nel succo di mirtillo nero di oltre il 15%. […] L’influenza degli US (ultrasuoni) è stata più significativa per i ribes neri, che presentano maggiori difficoltà nella lavorazione dei succhi rispetto ai mirtilli neri a causa del loro elevato contenuto di pectina e della diversa architettura della parete cellulare. […] la concentrazione dei composti fenolici nel succo è aumentata del 15–25% utilizzando il trattamento US (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 aumento della temperatura per brevi periodi (pastorizzazione) è ancora il metodo di trattamento più comune per l’inattivazione microbica o enzimatica, che consente una maggiore durata di conservazione. A causa dell’esposizione ad alte temperature, la pastorizzazione termica convenzionale comporta spesso svantaggi per i prodotti alimentari.
La produzione di nuove sostanze mediante reazioni catalizzate dal calore e la modifica delle macromolecole, così come la deformazione delle strutture vegetali e animali, possono comportare una perdita di qualità. Il trattamento termico può quindi causare alterazioni indesiderate delle caratteristiche sensoriali, ossia consistenza, sapore, colore e odore, e delle qualità nutrizionali, ossia vitamine e proteine. Gli ultrasuoni rappresentano un’efficiente alternativa di trattamento non termico e minimo.

A differenza dei trattamenti termici convenzionali, la conservazione a ultrasuoni utilizza l’energia e le forze di taglio della cavitazione acustica per inattivare gli enzimi. A livelli di sonicazione sufficientemente bassi, nelle cellule possono verificarsi cambiamenti strutturali e metabolici senza che esse vengano distrutte. L’attività della perossidasi, presente nella maggior parte della frutta e della verdura crude e non sottoposte a scottatura e particolarmente associata allo sviluppo di sapori anomali e pigmenti di imbrunimento, può essere notevolmente ridotta mediante l’impiego degli ultrasuoni. Gli enzimi termoresistenti, come lipasi e proteasi, che resistono al trattamento a temperatura ultra-alta e possono ridurre la qualità e la durata di conservazione del latte trattato termicamente e di altri prodotti lattiero-caseari, possono essere inattivati più efficacemente mediante l’applicazione simultanea di ultrasuoni, calore e pressione (MTS).

Gli ultrasuoni hanno dimostrato il proprio potenziale nella distruzione di patogeni di origine alimentare, come E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, cisti di Cryptosporidium e Poliovirus.

Applicabile a: conservazione di confetture, marmellate o guarnizioni, succhi di frutta e salse, prodotti a base di carne, prodotti lattiero-caseari e gelati.
 

Sinergie degli ultrasuoni con temperatura e pressione

La sonicazione è spesso più efficace se combinata con altri metodi antimicrobici, come:

• termosonicazione, ossia calore e ultrasuoni
• manosonicazione, ossia pressione e ultrasuoni
• manotermosonicazione, ossia 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.

Ultrasuoni a confronto con altre tecniche di conservazione degli alimenti

A differenza di altri processi termici e non termici, come l’omogeneizzazione ad alta pressione, la pastorizzazione termica, il trattamento ad alta pressione (HPP), l’anidride carbonica compressa (cCO2) e l’anidride carbonica supercritica (ScCO2), gli impulsi di campo elettrico ad alta intensità (HELP) o le microonde, gli ultrasuoni possono essere facilmente testati in laboratorio o su scala da banco – generando risultati riproducibili per il passaggio a una scala maggiore. L’intensità e le caratteristiche della cavitazione possono essere facilmente adattate al processo di estrazione specifico per raggiungere determinati obiettivi. Ampiezza e pressione possono essere variate in un ampio intervallo, ad esempio per individuare la configurazione di estrazione più efficiente dal punto di vista energetico.

Altri vantaggi legati all’impiego dell’estrazione a ultrasuoni con sonda sono la facilità di gestione dell’estratto, la rapidità di esecuzione, l’assenza di residui, l’elevata resa, il rispetto dell’ambiente, il miglioramento della qualità e la prevenzione della degradazione dell’estratto.
(cfr. Chemat et al., 2011)

Sonicatori ad alte prestazioni per estrazione e conservazione

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce sonicatori ad alte prestazioni per un’estrazione e una conservazione efficienti. L’impiego delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher per l’estrazione e la conservazione degli alimenti rappresenta una potente tecnologia di trattamento, applicabile in modo sicuro e rispettoso dell’ambiente, oltre che efficiente ed economico. L’effetto di omogeneizzazione e conservazione può essere facilmente sfruttato per qualsiasi prodotto alimentare liquido o pastoso, compresi succhi e puree di frutta (ad esempio arancia, mela, pompelmo, mango, uva, prugna), nonché salse e zuppe di verdure (ad esempio salsa di pomodoro o zuppa di asparagi), prodotti lattiero-caseari, uova e carne.
La nostra gamma di omogeneizzatori a ultrasuoni ed estrattori spazia dai dispositivi portatili utilizzabili a mano ai sistemi di produzione completamente industriali per il trattamento in linea di grandi volumi su scala commerciale.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono noti per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la semplicità di utilizzo consentono una facile integrazione dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano agevolmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alle disposizioni CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoHs.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: