초음파 추출 및 보존
초음파 추출 및 보존은 세포 구조의 파쇄(세포 용해)에 고출력 초음파를 활용합니다. 초음파로 세포를 파쇄하면 세포 내 화합물을 매우 효율적으로 추출할 수 있을 뿐만 아니라 미생물도 불활성화할 수 있습니다. 초음파 처리는 수많은 장점 덕분에 식품 산업에서 추출 및 보존에 널리 사용됩니다. 초음파 추출 및 식품 가공의 이점에 대해 자세히 알아보세요!
식품 및 식물 원료의 추출과 보존을 위한 고출력 초음파
초음파 추출: 초음파 추출은 고주파 음파를 사용하여 식물, 과일, 채소 등 다양한 원료에서 화합물을 추출하는 공정입니다. 이 공정에서는 초음파를 사용하여 액체 또는 반고체 원료에 고압 기포를 생성합니다. 이 기포가 빠르게 붕괴하면서 강한 열과 압력이 발생하여 원료의 세포벽을 파괴하고 원하는 화합물을 방출합니다.
초음파 추출 및 보존의 작동 원리
초음파 추출의 기본 원리는 음향 캐비테이션이라는 현상에 기반합니다. 액체에 고강도 저주파 초음파(약 20 kHz)를 가하면 압력파가 발생하여 액체 내부에 미세한 진공 기포가 생성됩니다. 이 기포는 초음파 강도가 증가함에 따라 크기가 커지며, 일정한 크기에 도달하면 갑작스럽고 격렬하게 붕괴하면서 충격파를 발생시키고 열과 압력의 형태로 에너지를 방출합니다.
이 과정에서 세포벽이 기계적으로 파쇄되어 원료에서 원하는 화합물이 액체 용매로 방출됩니다. 이렇게 방출된 화합물은 여과나 원심분리와 같은 표준 분리 기법으로 용매에서 분리할 수 있습니다.
초음파 처리기 UP400St – 식물 원료의 효율적인 비열 추출용.
초음파 보존: 초음파 보존은 초음파 추출과 동일한 캐비테이션 효과에 기반합니다. 보존을 위해 고출력 초음파를 적용하면 고주파 음파가 부패를 일으키는 미생물의 성장을 억제하여 부패하기 쉬운 식품의 저장 수명을 연장합니다. 이 공정에서는 식품에 초음파를 가하여 세균, 효모 및 곰팡이의 세포벽을 파괴함으로써 이들을 사멸시키거나 억제합니다.
이 과정은 미생물의 세포벽을 기계적으로 파쇄하여 미생물을 사멸시키거나 억제합니다. 초음파는 세포막의 투과성을 높일 수도 있어, 보존제와 기타 항균제가 더욱 효과적으로 침투하여 미생물을 사멸시킬 수 있게 합니다.
초음파 보존은 처리 시간 단축, 더 높은 효율, 식품의 고유한 특성과 풍미 보존 능력 등 여러 장점을 제공하므로 기존 보존 방법보다 선호됩니다. 소스, 주스, 유제품, 달걀 및 육류 등 다양한 식품의 저장 수명을 연장하고 안전성을 확보하는 데 사용됩니다.
초음파 추출 및 보존 기술은 더 빠른 추출 속도, 우수한 제품 품질, 더 높은 수율, 순수하게 기계적인 비열 처리, 더 광범위한 화합물 추출 능력 등 여러 장점을 제공하므로 기존 추출 및 보존 방법보다 선호됩니다. 식음료, 제약 및 화장품 등 다양한 산업에서 사용됩니다.
강력한 초음파 캐비테이션을 발생시키는 Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
초음파 단백질 및 효소 추출
특히 세포와 세포 내 입자에 저장된 효소 및 단백질의 추출은 고강도 초음파의 독특하고 효과적인 응용 분야입니다. 용매를 이용한 식물체 및 종자 내부의 유기 화합물 추출을 크게 개선할 수 있기 때문입니다. 따라서 초음파는 예를 들어 현재 공정에서 발생하는 미활용 부산물 흐름으로부터 생물학적 활성을 지닐 가능성이 있는 새로운 성분을 추출하고 분리하는 데 잠재적인 이점이 있습니다. 또한 초음파는 효소 처리의 효과를 강화하여 필요한 효소의 양을 줄이거나 추출 가능한 관련 화합물의 수율을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.
지질 및 단백질의 초음파 추출
초음파 처리는 대두(예: 대두분 또는 탈지 대두)나 기타 유지 종자와 같은 식물 종자에서 지질과 단백질의 추출을 개선하는 데 자주 사용됩니다. 이 경우 세포벽의 파괴가 압착(냉간 또는 열간)을 용이하게 하여 압착박에 남는 기름이나 지방을 줄입니다.
연속 초음파 추출이 분산 단백질의 수율에 미치는 영향은 Moulton 등의 연구에서 입증되었습니다. 플레이크/용매 비율이 1:10에서 1:30으로 변함에 따라 초음파 처리는 분산 단백질의 회수율을 점진적으로 높였습니다. 이 연구는 초음파가 거의 모든 상업적 처리량에서 대두 단백질을 해교할 수 있으며, 더 걸쭉한 슬러리를 사용했을 때 필요한 초음파 처리 에너지가 가장 낮았음을 보여주었습니다.
페놀성 화합물 및 안토시아닌의 초음파 분리
펙티나아제, 셀룰라아제 및 헤미셀룰라아제와 같은 효소는 세포벽을 분해하고 주스 추출성을 높이기 위해 주스 가공에 널리 사용됩니다. 세포벽 매트릭스의 파쇄는 페놀성 화합물과 같은 성분도 주스 내로 방출합니다. 초음파는 추출 공정을 개선하므로, 일반적으로 압착박에 남는 페놀성 화합물과 알칼로이드의 회수량 및 주스 수율을 높일 수 있습니다.
핀란드의 VTT Biotechnology는 해동, 으깨기 및 효소 반응 후 초음파 처리기 UIP2000hd를 사용하여 포도 및 베리 매트릭스, 특히 빌베리(Vaccinium myrtillus)와 블랙커런트(>Ribes nigrum)에서 페놀성 화합물과 안토시아닌이 주스 내로 방출되는 데 초음파 처리가 미치는 유익한 효과를 조사했습니다. 효소 처리(빌베리에는 Pectinex BE-3L, 블랙커런트에는 Biopectinase CCM 사용)에 의한 세포벽 파쇄는 초음파와 병행했을 때 개선되었습니다. “US 처리는 빌베리 주스의 페놀성 화합물 농도를 15% 넘게 증가시킵니다. […] US(초음파)의 영향은 블랙커런트에서 더 두드러졌습니다. 블랙커런트는 펙틴 함량이 높고 세포벽 구조가 달라 빌베리보다 주스 가공이 더 까다로운 베리입니다. […] 효소 반응 후 US(초음파) 처리를 적용하여 주스의 페놀성 화합물 농도가 15–25% 증가했습니다.” (cf. Mokkila et al., 2004)
초음파 처리기 UIP6000hdT 연속 추출 산업 설비에 설치된 모습.
미생물 및 효소 불활성화
과일 주스와 소스 등에서의 미생물 및 효소 불활성화(보존)는 식품 가공에서 초음파를 활용하는 또 다른 용도입니다. 오늘날에도 짧은 시간 동안 온도를 높여 보존하는 방법(저온 살균)은 미생물이나 효소를 불활성화하여 저장 수명을 연장하는 가장 일반적인 가공 방법입니다. 기존의 가열 저온 살균은 고온에 노출되기 때문에 식품에 불리한 영향을 미치는 경우가 많습니다.
열에 의해 촉진되는 반응으로 새로운 물질이 생성되고 고분자가 변형되며 식물 및 동물 조직의 구조가 변형되면 품질이 저하될 수 있습니다. 따라서 열처리는 조직감, 맛, 색, 냄새와 같은 관능적 특성과 비타민 및 단백질과 같은 영양적 품질에 바람직하지 않은 변화를 일으킬 수 있습니다. 초음파는 효율적인 비열적 최소 가공 대안입니다.
기존의 열처리와 달리 초음파 보존은 음향 캐비테이션의 에너지와 전단력을 이용하여 효소를 불활성화합니다. 초음파 처리 수준이 충분히 낮으면 세포가 파괴되지 않은 상태에서도 세포의 구조와 대사에 변화가 일어날 수 있습니다. 대부분의 생과일과 생채소 및 데치지 않은 과일과 채소에 존재하며, 특히 이취와 갈변 색소의 발생과 관련될 수 있는 과산화효소의 활성은 초음파를 사용하여 크게 낮출 수 있습니다. 초고온 처리를 견디며 열처리된 우유와 기타 유제품의 품질 및 저장 수명을 저하시킬 수 있는 리파아제와 프로테아제 같은 내열성 효소는 초음파, 열 및 압력을 동시에 적용하는 처리(MTS)로 더욱 효과적으로 불활성화할 수 있습니다.
초음파는 대장균(E.coli), 살모넬라균(Salmonellae), 회충(Ascaris), 지아르디아(Giardia), 크립토스포리디움(Cryptosporidium) 포낭 및 폴리오바이러스(Poliovirus)와 같은 식품 매개 병원체를 파괴할 잠재력을 보여주었습니다.
적용 대상: 잼, 마멀레이드 또는 토핑, 과일 주스와 소스, 육제품, 유제품 및 아이스크림의 보존.
초음파와 온도 및 압력의 상승효과
초음파 처리는 다음과 같은 다른 항미생물 처리 방법과 병용할 때 더 효과적인 경우가 많습니다:
- 열 병용 초음파 처리, 즉 열과 초음파
- 압력 병용 초음파 처리, 즉 압력과 초음파
- 압력·열 병용 초음파 처리, 즉 압력, 열 및 초음파
Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae 및 Aeromonas hydrophila에는 초음파와 열 및/또는 압력을 병용하는 처리가 권장됩니다.
초음파와 기타 식품 보존 기술의 비교
고압 균질화, 가열 저온 살균, 고압 처리(HPP), 압축 이산화탄소(cCO2) 및 초임계 이산화탄소(ScCO2), 고전기장 펄스(HELP) 또는 마이크로파와 같은 다른 열적 및 비열적 공정과 달리, 초음파는 실험실 또는 벤치탑 규모에서 쉽게 시험할 수 있으며 규모 확대를 위한 재현 가능한 결과를 얻을 수 있습니다. 특정 목표를 달성하도록 강도와 캐비테이션 특성을 해당 추출 공정에 맞게 쉽게 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 에너지 효율이 가장 높은 추출 구성을 파악하기 위해 진폭과 압력을 넓은 범위에서 변경할 수 있습니다.
프로브형 초음파 추출을 사용할 때의 다른 장점으로는 추출물 취급의 용이성, 신속한 처리, 잔류물 없음, 높은 수율, 환경친화성, 품질 향상 및 추출물의 품질 저하 방지가 있습니다.
(Chemat et al., 2011 참조)
- 더 완전한 추출
- 비열적 보존
- 더 높은 수율
- 풍부한 영양소, 최상급 식품 품질
- 신속한 공정
- 저온 / 비열적 공정
- 쉽고 안전한 작동
- 적은 유지보수 부담
추출 및 보존을 위한 고성능 초음파 처리기
Hielscher Ultrasonics는 효율적인 추출과 보존을 위한 고성능 초음파 처리기를 설계, 제조 및 유통합니다. 추출과 식품 보존에 Hielscher 초음파 장비를 사용하는 것은 안전하고 환경친화적일 뿐만 아니라 효율적이고 경제적으로도 적용할 수 있는 강력한 가공 기술입니다. 균질화 및 보존 효과는 과일 주스와 퓌레(예: 오렌지, 사과, 자몽, 망고, 포도, 자두), 채소 소스와 수프(예: 토마토소스 또는 아스파라거스 수프), 유제품, 달걀 및 육류를 포함한 모든 액상 또는 페이스트 형태의 식품에 쉽게 활용할 수 있습니다.
당사의 초음파 균질기 및 추출기 제품군은 휴대용 핸드헬드 장치부터 상업적 규모로 대용량을 인라인 처리하는 완전한 산업용 생산 시스템까지 아우릅니다.
설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 완성한 품질
Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질 및 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고성과 간편한 조작 덕분에 당사의 초음파 처리기를 산업 시설에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 가혹한 조건과 까다로운 환경에서도 무리 없이 작동합니다.
Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 편의성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특히 중점을 두고 있습니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE 규정을 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 0.5–1.5mL | 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 |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | 더 높은 유량 | 클러스터로 구성된 UIP16000 |
연락하세요! / 문의하세요!
Hielscher Ultrasonics는 실험실, 파일럿 및 산업 규모의 혼합, 분산, 유화 및 추출 용도를 위한 고성능 초음파 균질기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
- 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.
- Farid Chemat, Zill-e-Huma, Muhammed Kamran Khan (2011): Applications of ultrasound in food technology: Processing, preservation and extraction. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 18, Issue 4, 2011. 813-835.
- Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk(2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.
- 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.
- Alex Patist, Darren Bates (2008): Ultrasonic innovations in the food industry: From the laboratory to commercial production. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 9, Issue 2, 2008. 147-154.
- Allinger, H. (1975): American Laboratory, 7 (10), 75 (1975). Bar, R. (1987): Ultrasound Enhanced Bioprocesses, in: Biotechnology and Engineering, Vol. 32, Pp. 655-663 (1987).
- El’piner, I.E. (1964): Ultrasound: Physical, Chemical, and Biological Effects (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.
- Kim, S.M. und Zayas, J.F. (1989): Processing parameter of chymosin extraction by ultrasound; in J. Food Sci. 54: 700.
- Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Combining power ultrasound with enzymes in berry juice processing, at: 2nd Int. Conf. Biocatalysis of Food and Drinks, 19-22.9.2004, Stuttgart, Germany.
- Moulton, K.J., Wang, L.C. (1982): A Pilot-Plant Study of Continuous Ultrasonic Extraction of Soybean Protein, in: Journal of Food Science, Volume 47, 1982.
- Mummery, C.L. (1978): The effect of ultrasound on fibroblasts in vitro, in: Ph.D. Thesis, University of London, London, England, 1978.
알아두면 좋은 사실
초음파 세포 파쇄
강력한 초음파 처리 시 세포 파쇄의 결과로 세포 또는 세포 내 소기관에서 효소나 단백질이 방출될 수 있습니다. 이 경우 용매에 용해하려는 화합물은 불용성 구조 안에 갇혀 있습니다. 이를 추출하려면 세포막을 파괴해야 합니다. 세포벽은 내부의 높은 삼투압을 견딜 수 있으므로 세포 파쇄는 세심한 주의가 필요한 공정입니다. 세포 잔해와 핵산을 포함한 모든 세포 내 물질이 제어되지 않은 상태로 방출되거나 생성물이 변성되는 것을 방지하려면 세포 파쇄를 적절히 제어해야 합니다.
초음파 처리는 세포 파쇄를 위한 제어가 용이한 수단입니다. 이때 초음파의 기계적 효과는 용매가 세포 물질에 더 빠르고 더 완전하게 침투하도록 하며 물질 전달을 개선합니다. 초음파는 용매가 식물 조직에 더 깊이 침투하도록 하고 물질 전달을 개선합니다. 캐비테이션을 발생시키는 초음파는 세포벽을 파쇄하고 매트릭스 성분의 방출을 촉진합니다.
초음파로 개선된 물질 전달이 추출을 촉진합니다
일반적으로 초음파는 이온에 대한 세포막의 투과성을 높일 수 있으며, 세포막의 선택성을 크게 낮출 수 있습니다. 초음파의 기계적 작용은 용매가 조직 내부로 확산되는 것을 돕습니다. 초음파는 캐비테이션의 전단력으로 세포벽을 기계적으로 파괴하므로 세포에서 용매로의 물질 전달을 촉진합니다. 초음파 캐비테이션에 의한 입자 크기 감소는 고체상과 액체상 사이의 접촉 표면적을 증가시킵니다.
E.coli의 초음파 세포 용해 및 불활성화
생물학적 특성을 연구하고 규명하기 위한 소량의 재조합 단백질을 생산할 때는 E.coli가 선호되는 세균입니다. 폴리히스티딘 꼬리, 베타갈락토시다아제 또는 말토스 결합 단백질과 같은 정제 태그는 대부분의 분석 목적에 충분한 순도로 재조합 단백질을 세포 추출물에서 분리할 수 있도록 일반적으로 재조합 단백질에 연결됩니다. 초음파 처리를 통해 특히 생산 수율이 낮을 때 단백질 방출을 극대화하고 재조합 단백질의 구조와 활성을 보존할 수 있습니다.
초음파 산화
강도를 제어하여 생물전환 및 발효에 초음파를 적용하면 생물학적 효과가 유도되고 세포 물질 전달이 촉진되어 생물공정이 향상될 수 있습니다. Bar(1987)는 Rhodococcus erythropolis ATCC 25544(이전 명칭: Nocardia erythropolis)의 휴지 세포가 콜레스테롤을 콜레스테논으로 산화하는 과정에 초음파(20kHz)를 제어하여 적용했을 때의 영향을 조사했습니다.
이 시스템은 기질과 생성물이 수불용성 고체라는 점에서 스테롤 및 스테로이드의 미생물 전환을 대표합니다. 따라서 세포와 고체 모두 초음파의 영향을 받을 수 있다는 점에서 이 시스템은 상당히 독특합니다. 세포의 구조적 온전성과 대사 활성을 유지할 만큼 충분히 낮은 초음파 강도에서, Bar는 콜레스테롤 농도가 1.0 및 2.5 g/L인 미생물 슬러리에 0.2W/cm²의 출력으로 10mn마다 5s 동안 초음파 처리를 했을 때 생물전환 속도가 유의하게 증가하는 것을 관찰했습니다. 초음파는 콜레스테롤 산화효소에 의한 콜레스테롤(2.5g/L)의 효소적 산화에는 영향을 미치지 않았습니다.
식품 보존에서 고압 처리란 무엇인가요?
고압 처리(HPP)는 제품의 관능적·영양적 품질을 유지하면서 미생물과 효소를 불활성화하는 비열 식품 보존 기술입니다. 이 기술은 포장된 식품에 일반적으로 300~600 MPa(메가파스칼)의 정수압을 수초에서 수분 동안 가하는 방식입니다. 고압 처리의 주요 과제는 에너지 소비량이 매우 높다는 점입니다. 초음파 처리가 HPP의 에너지 수요를 줄이는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 자세히 알아보세요!
Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모부터 시작하여 산업 규모까지 제조합니다.