Estrazione e conservazione a ultrasuoni
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 a 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.
ultrasuonatore UP400St per un'efficiente estrazione non termica di materiale vegetale.
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, latticini, 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 una maggiore velocità di estrazione, un'eccellente qualità del prodotto, una resa più elevata, 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.
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Potente cavitazione a ultrasuoni a Cascatrodo Hielscher UIP1000hdT
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
Gli ultrasuoni sono spesso utilizzati per migliorare l'estrazione di lipidi e proteine da semi di piante, come la soia (ad esempio farina o soia sgrassata) o altri semi oleosi. In questo caso, la distruzione delle pareti cellulari facilita la spremitura (a freddo o a caldo) e quindi riduce l'olio o il grasso residuo nel panetto 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. 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 antocianine
Gli enzimi, come le pectinasi, le cellulasi e le emicellulasi, sono ampiamente utilizzati nella lavorazione dei succhi 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. Gli ultrasuoni migliorano il processo di estrazione e possono quindi portare a un aumento dei composti fenolici, degli alcaloidi e della resa del succo, comunemente lasciato nel panetto di pressatura.
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 statunitense aumenta la concentrazione di composti fenolici del succo di mirtillo di oltre il 15%. […] L'influenza degli US (ultrasuoni) è stata più significativa con il ribes nero, che è una bacca più impegnativa nella lavorazione del succo rispetto al mirtillo, a causa dell'elevato contenuto di pectina e della diversa architettura della parete cellulare. […] la concentrazione di composti fenolici nel succo è aumentata del 15-25% utilizzando il trattamento US (ultrasuoni) dopo l'incubazione dell'enzima.” (cfr. Mokkila et al., 2004)
Ultrasuonatore UIP6000hdT in un impianto industriale di estrazione continua.
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, la modifica delle macromolecole e la deformazione delle strutture vegetali e animali possono comportare una perdita di qualità. Pertanto, il trattamento termico può causare alterazioni indesiderate degli attributi sensoriali (consistenza, sapore, colore, odore) e delle qualità nutrizionali (vitamine e 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 durata di conservazione del latte e di altri prodotti caseari trattati termicamente, possono essere inattivati in modo più efficace 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'ultrasuonoterapia è spesso più efficace se associata ad altri metodi antimicrobici, come ad esempio:
- termosonorizzazione, ovvero calore e ultrasuoni
- la manosonorizzazione, cioè la pressione e gli ultrasuoni
- la mano-termo-sonorizzazione, vale a dire 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 la scalabilità. 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)
- Eestrazione più completo
- Conservazione non termica
- Rendimenti più elevati
- Elevati nutrienti, alimenti di qualità superiore
- Processo rapido
- Processo a freddo/non termico
- Facile e sicuro da usare
- Bassa manutenzione
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 ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 0,5-1,5 mL | n.a. | VialTweeter | 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdt |
| Da 15 a 150L | Da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Letteratura / Riferimenti
- 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.
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- 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.
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Particolarità / Cose da sapere
Disintegrazione cellulare a ultrasuoni
In caso di sonicazione intensa, enzimi o proteine possono essere rilasciati da cellule o organelli subcellulari come risultato della disintegrazione cellulare. In questo caso, il composto da sciogliere in un solvente è racchiuso in una struttura insolubile. Per estrarlo, è necessario distruggere la membrana cellulare. La disgregazione cellulare è un processo delicato, perché la parete cellulare è in grado di sopportare un'elevata pressione osmotica all'interno. È necessario un buon controllo della rottura 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'ultrasuonoterapia serve come mezzo ben controllabile per la disintegrazione cellulare. A tal fine, gli effetti meccanici degli ultrasuoni consentono una penetrazione più rapida e completa del solvente nei materiali cellulari e migliorano il trasferimento di massa. Gli ultrasuoni consentono una maggiore penetrazione del solvente nel tessuto vegetale e migliorano il trasferimento di massa. Le onde ultrasoniche che generano cavitazione disgregano le pareti cellulari e facilitano il rilascio dei componenti della matrice.
Il trasferimento di massa migliorato con gli ultrasuoni favorisce l'estrazione
In generale, gli ultrasuoni possono portare a una permeabilizzazione delle membrane cellulari agli ioni e possono ridurre significativamente la selettività delle membrane cellulari. L'attività meccanica degli ultrasuoni favorisce la diffusione dei solventi nel tessuto. Poiché gli ultrasuoni rompono meccanicamente la parete cellulare grazie alle forze di taglio della cavitazione, facilitano il trasferimento dalla cellula al solvente. La riduzione delle dimensioni delle particelle mediante la cavitazione a ultrasuoni aumenta l'area superficiale di contatto tra la fase solida e quella liquida.
Lisi e inattivazione ad ultrasuoni di E.coli
Per produrre piccole quantità di proteine ricombinanti per lo studio e la caratterizzazione delle loro proprietà biologiche, E.coli è il batterio di elezione. I tag di purificazione, ad esempio la coda di poli-istidina, la beta-galattosidasi o le proteine leganti il maltosio, sono comunemente uniti alle proteine ricombinanti per renderle separabili dagli estratti cellulari con una purezza sufficiente per la maggior parte degli scopi analitici. L'ultrasonicazione consente di massimizzare il rilascio della proteina, in particolare quando la resa produttiva è bassa, e di preservare la struttura e l'attività della proteina ricombinante.
Ossidazione a ultrasuoni
A intensità controllate, l'applicazione degli ultrasuoni alle biotrasformazioni e alle fermentazioni può determinare un miglioramento del bioprocesso, grazie agli effetti biologici indotti e al trasferimento di massa cellulare facilitato. L'influenza dell'applicazione controllata di ultrasuoni (20kHz) sull'ossidazione del colesterolo a colestenone da parte di cellule a riposo di Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (ex Nocardia erythropolis) è stata studiata da Bar (1987).
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. A 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 della biotrasformazione negli impasti microbici di 1,0 e 2,5 g/L di colesterolo quando sono stati sonicati per 5s ogni 10mn con una potenza di 0,2W/cm². Gli ultrasuoni non hanno mostrato alcun effetto sull'ossidazione enzimatica del colesterolo (2,5 g/L) da parte della colesterolo ossidasi.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.