Hielscher 초음파 기술

초음파 추출 및 보존

초음파를 이용한 세포 구조의 분해 (용해)는 세포 내 화합물의 추출 또는 미생물 불활 화에 사용됩니다.

배경

미생물학에서 초음파는 주로 세포 파괴 (용해) 또는 분해 (알 링거 1975). 고밀도로 액체를 초음파 처리 할 때, 액체 매체로 전파되는 음파는 빈번하게 주파수에 따라 고압 (압축) 및 저압 (희박) 사이클을 번갈아 발생시킵니다.
저압 사이클 동안, 고강도 초음파는 액체 내에 작은 진공 기포 또는 공극을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수 할 수없는 부피에 도달하면 고압 사이클 중에 격렬하게 붕괴됩니다. 이 현상을 캐비테이션이라고합니다. 내파 중 매우 높은 온도 (약 5,000K)와 압력 (약 2,000m)이 국지적으로 발생합니다. 캐비테이션 버블의 내파는 또한 최대 280m / s 속도의 액체 제트를 발생시킵니다. 생성 된 전단력은 셀 외피를 기계적으로 파괴하고 물질 전달을 향상시킵니다. 초음파는 사용 된 초음파 처리 매개 변수에 따라 세포에 파괴적이거나 건설적인 영향을 줄 수 있습니다.

세포 분열

강렬한 초음파 처리 하에서 효소 또는 단백질은 세포 또는 세포 기관으로부터 방출 될 수있다. 세포 분열. 이 경우, 용매에 용해되는 화합물은 불용성 구조로 둘러싸여있다. 이를 추출하기 위해서는 세포막을 파괴해야합니다. 세포 파괴는 내부의 높은 삼투압을 견딜 수있는 세포벽의 능력 때문에 민감한 과정입니다. 세포 찌꺼기 및 핵산 또는 생성물 변성을 포함한 모든 세포 내 생성물의 방해받지 않는 방출을 피하기 위해 세포 파괴를 잘 제어해야합니다.
Ultrasonication은 잘 제어 할 수있는 세포 분해 수단입니다. 이를 위해 초음파의 기계적 효과로 인해 용매가 세포 물질에보다 빠르게 침투하여 물질 전달이 향상됩니다. 초음파는 식물 조직에 용제를 더 많이 침투시키고 물질 전달을 향상시킵니다. 캐비테이션을 발생시키는 초음파가 세포벽을 파괴하고 매트릭스 성분의 방출을 촉진합니다.

물질 이동

일반적으로 초음파는 세포막을 이온으로 투과시킬 수 있습니다 (Mummery 1978), 세포막의 선택성을 상당히 감소시킬 수있다. 초음파의 기계적 활성은 용제가 조직으로 확산되는 것을 지원합니다. 초음파는 캐비테이션 전단력에 의해 기계적으로 세포벽을 파괴하기 때문에 세포에서 용제로의 이동을 촉진합니다. 초음파 캐비테이션에 의한 입자 크기 감소는 고체와 액상 사이의 접촉시 표면적을 증가시킵니다.

단백질 및 효소 추출

특히 효소와 세포 및 subcellular 입자에 저장된 단백질의 추출은 고강도 초음파의 독특하고 효과적인 응용 프로그램입니다 (김 1989), 용매에 의한 식물 및 종자의 몸체 내에 함유 된 유기 화합물의 추출이 상당히 개선 될 수 있기 때문에. 따라서 초음파는 잠재적으로 생체 활성 성분의 추출 및 분리에서 잠재적 인 이익을 얻습니다. 예를 들어 현재 공정에서 형성된 부산물이 아닌 부산물 스트림에서 유래 할 수 있습니다. 초음파는 또한 효소 처리의 효과를 강화하는 데 도움이되며 필요한 효소의 양을 줄이거 나 추출 가능한 관련 화합물의 수율을 증가시킵니다.

지질과 단백질

Ultrasonication은 대두 (예 : 밀가루 또는 탈지 된 대두) 또는 기타 오일 씨앗과 같은 식물 종자의 지질 및 단백질 추출을 향상시키는 데 종종 사용됩니다. 이 경우에, 세포벽의 파괴는 가압 (추위 또는 고온)을 용이하게하여 가압 케이크 내의 잔유 또는 지방을 감소시킨다.

분산 된 단백질의 수율에 대한 연속적인 초음파 추출의 영향은 Moulton 외. 초음파 처리는 플레이크 / 용매 비율이 1:10에서 1:30으로 변할 때 점진적으로 분산 된 단백질의 회수율을 증가시켰다. 그것은 초음파가 거의 모든 상업적 처리량에서 콩 단백질을 해독 할 수 있고 필요한 초음파 처리 에너지가 두꺼운 슬러리가 사용되었을 때 가장 낮다는 것을 보여 주었다. (Moulton et al. 1982)

적용 분야 : 과일에서 감귤 오일, 땅 겨자, 땅콩, 강간, 허브 오일 (에키 네시아), 카놀라, 콩, 옥수수에서 추출

페놀 화합물 및 안토시아닌의 해방

펙 티나 제, 셀룰라아제 및 헤미 셀룰라 제와 같은 효소는 세포벽을 분해하고 주스 추출 성을 개선하기 위해 주스 처리에 널리 사용됩니다. 세포벽 매트릭스의 파괴는 또한 페놀 화합물과 같은 성분을 주스로 방출합니다. 초음파는 추출 공정을 향상시켜 페놀 화합물, 알칼로이드 및 주스 수율을 증가시킬 수 있습니다. 일반적으로 프레스 케익에 남습니다.

포도와 베리 매트릭스, 특히 빌베리에서 페놀 화합물과 안토시아닌의 해방에 대한 초음파 처리의 유익한 효과 (Vaccinium myrtillus)과 검은 건포도 (리브 스 니 그룸)을 주스에 넣고, 핀란드 VTT 생명 공학 (MAXFUN EU- 프로젝트) ~을 사용하여 초음파 프로세서 UIP2000hd 해동, 매싱 및 효소 배양 후. 초음파와 결합 할 때 효소 처리 (블랙 베리의 경우 bilberries 및 Biopectinase CCM의 Pectinex BE-3L)에 의한 세포벽의 파괴가 개선되었습니다. “미국 치료법은 빌베리 주스의 페놀 화합물 농도를 15 % 이상 증가시킵니다. […] 미국 (초음파)의 영향은 펙틴 및 다른 세포벽 구조의 높은 함량 때문에 빌베리보다 주스 가공에서 더 많은 열매를 맺는 검은 건포도로 더욱 중요했습니다. […] 주스 내의 페놀 릭 화합물의 농도는 효소 배양 후 미국 (초음파) 처리를 사용하여 15-25 % 증가했다.” (Mokkila et al. 2004 년)

미생물 및 효소 불 활성화

미생물 및 효소 불활 화 (보존) (예 : 과일 주스 및 소스)는 식품 가공에 초음파를 사용하는 또 다른 용도입니다. 오늘날, 단기간의 온도 상승에 의한 보존 (저온 살균 법)은 미생물이나 효소 불활 화를위한 가장 일반적인 가공 방법으로 수명이 길어집니다 (보존). 고온에 노출되기 때문에이 열처리 방법은 종종 많은 식품에 불리합니다.
열 촉매 반응 및 거대 분자의 변형뿐만 아니라 식물 및 동물 구조의 변형으로 인한 새로운 물질의 생산은 품질의 손실을 줄일 수 있습니다. 그러므로 열처리는 감각적 인 속성, 즉 질감, 맛, 색, 냄새, 영양 적 특성, 즉 비타민과 단백질의 바람직하지 못한 변화를 일으킬 수 있습니다. 초음파는 효과적인 비 열 (최소) 처리 대안입니다.

캐비테이션과 생성 된 라디칼에 의해 국부적으로 생성 된 열은 초음파 분해 (sonication)에 의한 효소의 불 활성화를 초래할 수있다.엘 피자 1964). 충분히 낮은 수준의 초음파로 구조 및 대사 변화가 세포 파괴없이 일어날 수 있습니다. 대부분의 미가공 과일 및 채소에서 발견되고 특히 맛이 다른 향료 및 갈변 안료의 개발과 관련 될 수있는 Peroxidase의 활성은 초음파 사용으로 상당히 감소 될 수 있습니다. 초 고온 처리에 견디며 열처리 된 우유 및 기타 일기 제품의 품질과 유효 기간을 단축시킬 수있는 lipase 및 protease와 같은 내열 효소는 초음파, 열 및 압력의 동시 적용으로보다 효과적으로 불 활성화 될 수 있습니다 (MTS).

초음파는 식중독 병원균의 파괴에 잠재력을 발휘했습니다. 대장균, 살모넬라, 아스카리스, Giardia, Cryptosporidium cysts, 폴리오 바이러스.

적용 대상 : 잼, 마멀레이드 또는 토핑 보존 (예 : 아이스크림, 과일 주스 및 소스, 육류 제품, 유제품)

온도와 압력을 이용한 초음파의 시너지 효과

Ultrasonication은 종종 다음과 같은 다른 항균 방법과 결합 될 때 더 효과적입니다.

  • 열 초음파와 열 초음파
  • mano-sonication, 즉 압력과 초음파
  • mano-thermo-sonication, 즉 압력, 열 및 초음파

초음파를 열 및 / 또는 압력과 함께 사용하는 것이 좋습니다. 바실러스 서브 틸리 스, 바실러스 코아 그란 스, 바실러스 세레 우스, 바실러스 스 테로 모 필러 스, 사카로 마이 세스 세레 비시 애 및 아에로 모나스 하이드로 실라.

프로세스 개발

고수압 (HP), 압축 이산화탄소 (cCO2) 및 초 임계 이산화탄소 (ScCO2) 및 고 전계 펄스 (HELP)와 같은 다른 비 열처리 공정과 달리 초음파는 실험실 또는 벤치 탑 규모에서 쉽게 테스트 할 수 있습니다 – 스케일 업을위한 재현 가능한 결과를 생성합니다. 강도 및 캐비테이션 특성은 특정 목적을 목표로 특정 추출 프로세스에 쉽게 적용될 수 있습니다. 진폭과 압력은 넓은 범위에서 다양 할 수 있습니다. 예를 들어 가장 에너지 효율적인 추출 설정을 식별 할 수 있습니다. 거친 조직은 초음파 처리 전에 연 마기, 분쇄 또는 분쇄해야합니다.

대장균

생물학적 특성의 연구와 특성 규명을 위해 소량의 재조합 단백질을 생산하기 위해, 대장균 선택의 박테리아입니다. 정제 태그, 예 : 폴리 히스티딘 꼬리, 베타 - 갈 락토시다 아제 또는 말 토스 결합
단백질은 대부분의 분석 목적에 충분한 순도의 세포 추출물로부터 분리 가능하도록 재조합 단백질에 일반적으로 결합된다. Ultrasonication은 특히 생산 수율이 낮고 재조합 단백질의 구조와 활성을 보존 할 때 단백질 방출을 최대화합니다.

붕괴 대장균 총 Chymosin 단백질을 추출하기위한 세포를 킴과 자야 스.

사프란 추출

사프란은 세계 시장에서 가장 값 비싼 향신료로 알려져 있으며 섬세한 맛, 쓴맛과 매력적인 노란색으로 특징 지어집니다. 사프란 향신료는 사프란 크로커스 꽃의 붉은 낙인에서 얻습니다. 건조 후이 부분은 요리의 조미료 또는 착색제로 사용됩니다. 사프란의 집중적 인 특성은 특히 3 가지 화합물, 즉 크로 신, 피로 크로신 및 사 프라로부터 유래합니다.

Kadkhodaee 및 Hemmati-Kakhki 초음파는 현저히 추출 수율을 상당히 증가시키고, 처리 시간을 단축 한 연구에서 보여왔다. 사실, 초음파 추출에 의한 결과는 ISO에 의해 제안되어 기존의 냉수 추출,보다는 눈에 띄게 더 좋았다. 그들의 연구를 들면, Kadkhodaee 및 Hemmati - Kakhki는 Hielscher의를 사용했다 초음파 장치 UP50H. 최상의 결과 펄스 초음파 달성했다. 이렇게 짧은 펄스 간격은 연속적인 초음파 처리보다 더 효과적이라고 말한다.

산화

조절 된 강도에서 생물학적 변형 및 발효에 초음파를 적용하면 유도 된 생물학적 효과 및 촉진 된 세포 물질 전달 때문에 생체 처리가 향상 될 수 있습니다. 콜레스테롤에 대한 콜레스테롤의 산화에 대한 초음파 (20kHz)의 조절 된 적용이 콜레스테롤에 미치는 영향 로도 코커스 에리스로 폴리스 ATCC 25544 (구 노카 디아 에리스로 폴리스)에 의해 조사되었다. .

콜레스테롤 + O2 = 콜레 스트 -4- 엔 -3- 온 + H2영형2

이 시스템은 기질과 생성물이 수 불용성 고형물이라는 점에서 스테롤과 스테로이드의 미생물 변형에 전형적이다. 그러므로,이 시스템은 세포와 고체가 모두 초음파의 영향을받을 수 있다는 점에서 매우 독특합니다 (바, 1987). Bar는 세포의 구조적 완전성을 보존하고 대사 활동을 유지하는 충분히 낮은 초음파 강도에서 1,000m마다 5 초 동안 초음파 처리 한 경우 1.0 및 2.5g / L 콜레스테롤의 미생물 슬러리에서 생체 변화의 운동 속도가 유의하게 향상되었음을 관찰했습니다 0.2W / cm²의 전력 출력. 초음파는 콜레스테롤 산화 효소에 의한 콜레스테롤 (2.5g / L)의 효소 적 산화에는 영향을 미치지 않았다.

유익한 기술

추출 및 식품 보존을위한 초음파 캐비테이션의 활용은 안전하고 친환경적 일뿐만 아니라 효율적이고 경제적으로 적용될 수있는 새로운 강력한 가공 기술입니다. 균질화 및 보존 효과는 과일 주스와 퓌레 (오렌지, 사과, 자몽, 망고, 포도, 매실)뿐만 아니라 토마토 소스 또는 아스파라거스 수프와 같은 채소 소스와 수프에도 쉽게 사용할 수 있습니다.

추가 정보 요청!

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문학

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

Bar, R. (1987) : 초음파 강화 된 생물 공정, in : Biotechnology and Engineering, Vol. 32, Pp. 655-663 (1987)]에 기재되어있다.

El'piner, IE (1964) : 초음파 : 물리적, 화학적, 생물학적 효과 (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: 사프란 (Saffron)의 활성 화합물의 초음파 추출, in Internet Publication.

Kim, SM and Zayas, JF (1989) : 초음파로 chymosin 추출의 처리 매개 변수; J. Food Sci. 54 : 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004) : 베리 주스 처리에서 효소와 힘 초음파 결합, at : 2nd int. Conf. Biocatalysis of Food and Drinks, 19-22.9.2004, Stuttgart, Germany.

Moulton, KJ, Wang, LC (1982) : 대두 단백질의 지속적인 초음파 추출에 대한 파일럿 식물 연구, Journal of Food Science, Volume 47, 1982.

Mummery, CL (1978) : 체외에서 섬유 아세포에 대한 초음파의 영향 : Ph.D. 논문, 런던 대학교, 런던, 영국, 1978