ヒールシャー超音波技術

超音波抽出と保存

超音波によってセル構造(溶解)の崩壊は、細胞内化合物の抽出または微生物の不活性化のために使用されます。

バックグラウンド

微生物学では、超音波は、主に関連しています 細胞破壊(溶解) または 崩壊アリンガー 1975)。高強度で液体を超音波処理するとき、液体媒体に伝播する音波は高圧(圧縮)サイクルと低圧(希薄)サイクルとを交互に生じ、周波数は周波数に依存する。
低圧サイクルの間、高強度超音波は、液体中に小さな真空気泡または空隙を生成する。気泡がもはやエネルギーを吸収できない容積に達すると、高圧サイクル中に激しく崩壊する。この現象をキャビテーションといいます。爆縮の間、非常に高い温度(約5,000K)および圧力(約2,000atm)が局部的に達成される。キャビテーション気泡の爆縮はまた、280m / sまでの液体噴流を生じる。その結果生じる剪断力は、細胞エンベロープを機械的に破壊し、物質移動を改善する。超音波は、使用される超音波処理パラメータに依存して、細胞に対して破壊的または構築的効果を有することができる。

細胞崩壊

強烈な超音波処理酵素やタンパク質の下の結果として、細胞または細胞内小器官から放出させることができます 細胞崩壊。この場合には、溶媒に溶解する化合物が不溶性構造で囲まれています。それを抽出するために、細胞膜を破壊しなければなりません。細胞壁の能力は、内部の高浸透圧に耐えるようにするので細胞破壊は、敏感なプロセスです。細胞破壊の良好な制御は、細胞破片及び核酸、または製品の変性を含むすべての細胞内の製品の妨害されずにリリースを避けるために、必要とされます。
超音波は、細胞崩壊のためのよく制御手段として機能します。このため、超音波の機械的効果は、細胞材料への溶媒の迅速かつより完全な浸透を提供し、物質移動を改善します。超音波は、植物組織への溶媒のより大きな浸透を達成し、物質移動を向上させることができます。キャビテーションを発生させる超音波は、細胞壁を破壊し、マトリックス成分の放出を促進します。

物質移動

一般に、超音波は、(イオンに対する細胞膜の透過性につながることができます暗闘1978)、それが大幅に細胞膜の選択性を減らすことができます。超音波の機械的活動は、組織への溶剤の拡散をサポートしています。超音波は、キャビテーションのせん断力によって機械的に細胞壁を破壊するとして、それは溶媒中にセルから移動を容易にします。超音波キャビテーションにより粒径の減少は、固体と液体相との間の接触する表面積を増加させます。

タンパク質と酵素の抽出

具体的には、細胞と細胞内粒子に格納されている酵素およびタンパク質の抽出は、高強度の超音波のユニークで効果的なアプリケーションは、(ありますキム・1989)、溶媒によって植物および種子の本体内に含まれる有機化合物の抽出を大幅に向上させることができるように。従って、超音波は、例えば、新規な潜在的生物活性成分の抽出および単離の潜在的利益を有します現在のプロセスで形成された副生成物ストリームを非使用。超音波はまた、酵素処理の効果を強化するのに役立ち、これにより必要な酵素の量を減らすか、抽出、関連化合物の収量を増加させることができます。

脂質とタンパク質

超音波は、しばしば、大豆(例えば小麦粉又は脱脂大豆)などの植物種子、または他の油糧種子からの脂質およびタンパク質の抽出を改善するために使用されます。この場合には、細胞壁の破壊は、押圧(低温または高温)を容易にし、それによって押圧ケーキ中の残留油または脂肪を減少させます。

分散されたタンパク質の収率に連続超音波抽出の影響によって実証されました モールトンら。超音波処理1:30 1:10まで変化フレーク/溶媒比で徐々に分散したタンパク質の回収率を増加させました。これは、超音波は、ほぼすべての商業的スループットで大豆タンパク質を解膠することができ、厚いスラリーを用いた場合に必要な超音波エネルギーは、最も低かったことがあることを示しました。 (モールトンら。 1982

果物からシトラス油、地上マスタード、ピーナツ、レイプ、ハーブオイル(エキナセア)、キャノーラ、大豆、トウモロコシからの油の抽出:への適用

フェノール化合物とアントシアニンの解放

例えばペクチナーゼ、セルラーゼおよびヘミセルラーゼなどの酵素は、広く細胞壁を分解し、ジュース抽出性を向上させるためにジュース処理に使用されます。細胞壁マトリックスの破壊はまた、そのようなジュースにフェノール化合物などの成分を放出します。超音波は、抽出プロセスを改善し、したがって、一般のプレスケーキに残っフェノール化合物、アルカロイドおよびジュース収率の増加をもたらすことができます。

ビルベリーから特にブドウやベリーマトリックスからのフェノール化合物とアントシアニンの解放に超音波治療の有益な効果、(スノキビルベリー)、ブラックカラント(スグリ)ジュースに、によって調査しました VTTバイオテクノロジー、フィンランド(MAXFUN EU-プロジェクト) 使用して 超音波プロセッサUIP2000hd 解凍、マッシュと酵素インキュベーションの後。超音波と組み合わせた場合に酵素処理によって細胞壁の破壊(ビルベリー用ペクチネックスBE-3L及びブラックカラントのためBiopectinase CCM)が改善されました。 “米国の治療は15%以上ビルベリージュースのフェノール化合物の濃度を高めます。 […米国の影響(超音波)がペクチンと異なる細胞壁構造の高い含有量に起因ビルベリーよりジュース処理においてより挑戦ベリーである黒スグリ、でより顕著でした。 […]ジュース中のフェノール化合物の濃度は、酵素インキュベーション後US(超音波)処理を使用して15から25パーセント増加しました。” (Mokkilaら。 2004

微生物や酵素の失活

微生物および酵素不活性化(保存)(例えば、果汁およびソース中)は、食品加工における超音波の別の応用である。今日では、短期間の温度上昇による低温保存(低温殺菌)は、微生物または酵素の不活性化のための最も一般的な処理方法であり、より長い貯蔵寿命(保存)をもたらす。高温に曝されるため、この熱的方法は多くの食品にしばしば不利益をもたらす。
熱触媒反応と高分子の変形並びに植物及び動物の構造の変形から新規物質の製造は、品質の損失を低減することができます。そのため、熱処理は官能特性、すなわち食感、味、色、香り、そして栄養価、すなわち、ビタミンやタンパク質の望ましくない変化を引き起こす可能性があります。超音波は、効率的な非熱的(最小)処理の代替です。

キャビテーションと作成ラジカルによって局所的に発生した熱は、(超音波処理による酵素の不活性化をもたらすことができますEl'piner 1964)。超音波処理の十分に低いレベルで構造的および代謝の変化は、それらの破壊なしの細胞で起こり得ます。最も生とunblanched果物及び野菜中に見出され、特に異臭及び褐色顔料の発症に関連することができるペルオキシダーゼの活性は、超音波の使用によって実質的に低減することができます。このような超高温処理に耐え、熱処理乳及び他の乳製品の品質および貯蔵寿命を低減することができるリパーゼおよびプロテアーゼのような熱耐性酵素は、超音波、熱と圧力を同時に適用することにより、より効果的に不活性化することができます(MTS)。

超音波は、次のように、食品媒介性病原体の破壊にその可能性を実証してきました 大腸菌サルモネラ回虫ジアルジアクリプトスポリジウムの嚢胞、およびポリオウイルス。

ジャム、マーマレードまたはトッピングの保存、例えば:に適用アイスクリーム、フルーツジュース、ソース、肉製品、乳製品について

温度と圧力と超音波のシナジー

以下のような他の抗微生物方法と組み合わせた場合、超音波は、多くの場合、より効果的です。

  • 熱、超音波処理、すなわち、熱および超音波
  • 真野、超音波処理、すなわち、圧力及び超音波
  • 真野、熱、超音波処理、すなわち圧力、熱および超音波

熱および/または圧力での超音波の合成アプリケーションをするために推奨されます 枯草菌(Bacillus subtilis)、バチルス・コアギュランス、バチルス・セレウス、バチルス・sterothermophilus、サッカロマイセス・セレビシエ、およびアエロモナス細菌

プロセス開発

このような高い静水圧(HP)、圧縮された二酸化炭素(CCO2)および超臨界二酸化炭素(SCCO 2)及び高電界パルス(HELP)のような他の非熱プロセスとは異なり、超音波は、容易に実験室または卓上規模で試験することができます – スケールアップのための再現性のある結果を生成します。強度及びキャビテーション特性を容易に特定の目的の標的に特異的抽出プロセスに適合させることができます。振幅および圧力は、広い範囲で変えることができ、例えば最もエネルギー効率的な抽出の設定を識別します。タフな組織は前超音波に浸軟、粉砕または粉砕を受けるべきです。

大腸菌

その生物学的特性の研究および特徴づけのための組換えタンパク質の少量を生産するために、 大腸菌 選択の細菌です。精製タグ、例えばポリヒスチジンテール、β-ガラクトシダーゼ、またはマルトース結合
タンパク質は、一般的に、ほとんどの分析目的のために十分な純度の細胞抽出物からそれらを分離可能にするために、組換えタンパク質に結合されています。超音波は、製造歩留まりが低い場合、特に、タンパク質放出を最大化するために、組換えタンパク質の構造および活性を維持することを許可します。

の破壊 大腸菌 総キモシンタンパク質を抽出するために細胞をすることにより検討しました キムとザヤス

サフラン抽出

サフランは世界市場で最も高価なスパイスとして知られており、繊細な風味、苦い味と魅力的な黄色で区別されます。サフランスパイスは、サフランクロッカスの花の赤色の汚名から得られます。乾燥後、これらの部分は、料理の調味料または着色剤として使用される。サフランの集中的な特徴的な香味は、特に3つの化合物、すなわちクロシン、ピクロクロシン及びサフラネラミンから生じる。

KadkhodaeeとHemmati-Kakhkiは、超音波が有意抽出収率が増加し、かなりの処理時間を低減研究で示しています。実際には、超音波抽出による結果は、ISOによって提案されている伝統的な冷たい水抽出によるよりも著しく良好でした。彼らの研究のために、KadkhodaeeとHemmati-Kakhkiは、ヒールシャーのを使用していました 超音波装置UP50H。最良の結果は、パルス超音波処理で達成されました。これは、短いパルス間隔が連続超音波治療よりも効果的であったことを意味します。

酸化

制御された強度で、生体内変換及び発酵への超音波の適用はよく誘導される生物学的効果に起因する強化バイオプロセスに起因容易細胞物質移動をもたらすことができます。の休止細胞では、コレステロールのコレステノンへの酸化に対する超音波(20kHzの)の制御された適用の影響 ロドコッカス・エリスロポリス ATCC 25544(旧称 ノカルディアエリスロポリス)で調査しました バー

コレステロール+ O2 =コレスト-4-エン-3-オン+ H2ザ・2

基質および生成物が水不溶性固体であるという点で、このシステムは、ステロールおよびステロイドの微生物変換の典型的なものです。したがって、(本システムは、その細胞の両方でかなり独特であり、固体は、超音波の影響を受けることができますバー、1987)。 Barは、細胞の構造的完全性を維持し、その代謝活性を維持した十分に低い超音波強度で、10mnごとに5秒間超音波処理すると、1.0および2.5g / Lコレステロールの微生物スラリーにおける生体内変換の動態速度の有意な増強を観察した出力は0.2W /cm²です。超音波は、コレステロールオキシダーゼによるコレステロール(2.5g / L)の酵素的酸化に影響を与えなかった。

有利な技術

抽出と食品保存のための超音波キャビテーションの利用だけで安全かつ環境に優しいだけでなく、効率的かつ経済的に適用することはできません新しい強力な加工技術です。均質化と保存効果を簡単にトマトソースやアスパラガスのスープのように、だけでなく、野菜のソースやスープのために(例えば、オレンジ、りんご、グレープフルーツ、マンゴー、ブドウ、プラム)フルーツジュースやピューレのために使用することができます。

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文献

Allinger、H.(1975): アメリカ研究所、7(10)、75(1975)。

バー、R.(1987): 超音波強化されたバイオプロセス、中:バイオテクノロジーとエンジニアリング、巻。 32頁。 655-663(1987)。

El'piner、S.I. (1964): 超音波:物理的、化学的、および生物学的効果(コンサルタント局、ニューヨーク、1964年)、53から78。

Kadkhodaee、R .; Hemmati-Kakhki、A: インターネット出版:サフラン、内からの活性化合物の超音波抽出。

キム、S. M.そしてザヤス、J.F. (1989): 超音波によるキモシン抽出の処理パラメータ; J.食品サイエンスインチ54:700。

Mokkila、M.、Mustranta、A.、Buchert、J.、Poutanen、K(2004): ベリージュース処理中の酵素とパワー超音波を組み合わせます、時:第二のInt。 confに。食べ物や飲み物の生体触媒、19-22.9.2004、シュトゥットガルト、ドイツ。

モールトン、K.J.、王、L.C. (1982): パイロットプラントでの大豆蛋白質の連続超音波抽出、の研究:食品科学、47巻、1982年のジャーナル。

暗闘、C.L. (1978): 博士:インビトロでの線維芽細胞、上の超音波の影響論文、ロンドン、ロンドン、イングランド、1978年の大学。