Ultraskaņas ekstrakcija un saglabāšana
Ultraskaņas ekstrakcija un saglabāšana izmanto, izmantojot jaudas ultraskaņu šūnu struktūru sadalīšanai (līze). Šūnu sadalīšana ar ultrasonics rersults ļoti efektīvā intra-šūnu savienojumu ekstrakcijā, kā arī mikrobu inaktivācijā. Daudzu priekšrocību dēļ ultrasonication tiek plaši izmantots ekstrakcijai un saglabāšanai pārtikas rūpniecībā. Uzziniet vairāk par ultraskaņas ekstrakcijas un pārtikas pārstrādes priekšrocībām!
Jaudas ultraskaņa pārtikas un botānisko vielu ekstrakcijai un saglabāšanai
Ultraskaņas ekstrakcija: Ultraskaņas ekstrakcija ir process, kas izmanto augstfrekvences skaņas viļņus, lai iegūtu savienojumus no dažādiem materiāliem, piemēram, augiem, augļiem un dārzeņiem. Process ietver ultraskaņas viļņu izmantošanu, lai radītu augstspiediena burbuļus šķidrā vai daļēji cietā materiālā, kas strauji sabrūk, radot intensīvu siltumu un spiedienu, kas traucē materiāla šūnu sienas un atbrīvo vēlamos savienojumus.
Ultraskaņas ekstrakcijas un saglabāšanas darba princips
Ultraskaņas ekstrakcijas pamatprincips ir balstīts uz parādību, kas pazīstama kā akustiskā kavitācija. Kad šķidrums ir pakļauts augstas intensitātes un zemas frekvences ultraskaņas viļņiem (aptuveni 20 kHz), tas rada spiediena viļņus, kas šķidrumā rada sīkus vakuuma burbuļus. Šie burbuļi palielinās, palielinoties ultraskaņas intensitātei, un, sasniedzot noteiktu izmēru, tie pēkšņi un vardarbīgi sabrūk, radot trieciena vilni un atbrīvojot enerģiju siltuma un spiediena veidā.
Šis process izraisa šūnu sienu mehāniskus traucējumus, atbrīvojot vēlamos savienojumus no materiāla šķidrā šķīdinātājā. Pēc tam atbrīvotos savienojumus var atdalīt no šķīdinātāja, izmantojot standarta atdalīšanas metodes, piemēram, filtrēšanu vai centrifugēšanu.
Ultrasonicator UP400St augu materiāla efektīvai netermiskai ekstrakcijai.
Ultraskaņas saglabāšana: Ultraskaņas saglabāšana ir balstīta uz tādiem pašiem kavitācijas efektiem kā ultraskaņas ekstrakcija. Saglabāšanai tiek izmantota jaudas ultraskaņa, lai pagarinātu ātrbojīgu pārtikas produktu glabāšanas laiku, izmantojot augstfrekvences skaņas viļņus, lai kavētu mikroorganismu augšanu, kas izraisa bojājumus. Process ietver pārtikas pakļaušanu ultraskaņas viļņiem, kas traucē baktēriju, raugu un veidņu šūnu sienām, izraisot to iznīcināšanu vai inhibīciju.
Šis process izraisa mikroorganismu šūnu sienu mehāniskus traucējumus, kas izraisa to iznīcināšanu vai inhibīciju. Ultraskaņas viļņi var arī palielināt šūnu membrānu caurlaidību, ļaujot konservantiem un citiem pretmikrobu līdzekļiem efektīvāk iekļūt un nogalināt mikroorganismus.
Ultraskaņas saglabāšana ir vēlama salīdzinājumā ar tradicionālajām saglabāšanas metodēm, jo tā piedāvā vairākas priekšrocības, piemēram, īsāku apstrādes laiku, augstāku efektivitāti un spēju saglabāt pārtikas dabiskās īpašības un garšas. To izmanto plašā pārtikas produktu klāstā, piemēram, mērcēs, sulās, piena produktos, olās un gaļā, lai pagarinātu to glabāšanas laiku un nodrošinātu to drošību.
Ultraskaņas ekstrakcijas un saglabāšanas metode ir vēlama salīdzinājumā ar tradicionālajām ekstrakcijas un saglabāšanas metodēm, jo tā piedāvā vairākas priekšrocības, piemēram, ātrāku ekstrakcijas ātrumu, izcilu produktu kvalitāti, augstāku ražu, tīri mehānisku netermisku apstrādi un spēju iegūt plašāku savienojumu klāstu. To izmanto dažādās nozarēs, piemēram, pārtikā un dzērienos, farmācijā un kosmētikā.
Spēcīga ultraskaņas kavitācija pie Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ultraskaņas olbaltumvielu un fermentu ekstrakcija
Jo īpaši šūnās un subcelulārajās daļiņās uzglabāto fermentu un olbaltumvielu ekstrakcija ir unikāls un efektīvs augstas intensitātes ultraskaņas pielietojums, jo var ievērojami uzlabot augu un sēklu ķermenī esošo organisko savienojumu ekstrakciju ar šķīdinātāju. Tāpēc ultraskaņai ir potenciāls ieguvums jaunu potenciāli bioaktīvu komponentu ekstrakcijā un izolēšanā, piemēram, no neizmantotām blakusproduktu plūsmām, kas veidojas pašreizējos procesos. Ultraskaņa var arī palīdzēt pastiprināt fermentu ārstēšanas ietekmi, un tādējādi samazinot nepieciešamo fermentu daudzumu vai palielinot ekstrahējamo attiecīgo savienojumu ražu.
Lipīdu un olbaltumvielu ultraskaņas ekstrakcija
Ultrasonication bieži izmanto, lai uzlabotu lipīdu un olbaltumvielu ekstrakciju no augu sēklām, piemēram, sojas pupām (piemēram, miltiem vai attaukotām sojas pupām) vai citām eļļas sēklām. Šajā gadījumā šūnu sienu iznīcināšana atvieglo presēšanu (aukstu vai karstu) un tādējādi samazina eļļas vai tauku atlikumu presēšanas kūkā.
Nepārtrauktas ultraskaņas ekstrakcijas ietekmi uz disperģētā proteīna ražu pierādīja Moulton et al. Ultraskaņas apstrāde pakāpeniski palielināja disperģētā proteīna atgūšanu, jo pārslu / šķīdinātāju attiecība mainījās no 1:10 līdz 1:30. Tas parādīja, ka ultraskaņa spēj peptizēt sojas proteīnu gandrīz jebkurā komerciālā caurlaidspējā un ka nepieciešamā ultraskaņas enerģija bija viszemākā, kad tika izmantotas biezākas vircas.
Fenola savienojumu un antocianīnu ultraskaņas izolācija
Fermentus, piemēram, pektināzes, celulozes un hemicelulozes, plaši izmanto sulu pārstrādē, lai noārdītu šūnu sienas un uzlabotu sulas ekstrahējamību. Šūnu sienas matricas traucējumi sulā atbrīvo arī komponentus, piemēram, fenola savienojumus. Ultraskaņa uzlabo ekstrakcijas procesu un tāpēc var izraisīt fenola savienojuma, alkaloīdu un sulas ražas palielināšanos, kas parasti paliek preses kūkā.
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. “ASV ārstēšana palielina melleņu sulas fenola savienojumu koncentrāciju par vairāk nekā 15%. […] ASV (ultraskaņas) ietekme bija nozīmīgāka ar upenēm, kas ir izaicinošākas ogas sulas pārstrādē nekā mellenes, pateicoties augstajam pektīna saturam un atšķirīgajai šūnu sienu arhitektūrai. […] fenola savienojumu koncentrācija sulā palielinājās par 15-25%, izmantojot ASV (ultraskaņas) apstrādi pēc fermentu inkubācijas.” (sal.: Mokkila et al., 2004)
Ultrasonicator UIP6000hdT nepārtrauktas ieguves rūpnieciskā iekārtā.
Mikrobu un fermentu inaktivācija
Mikrobu un fermentu inaktivācija (konservēšana), piemēram, augļu sulās un mērcēs, ir vēl viens ultraskaņas pielietojums pārtikas pārstrādē. Mūsdienās saglabāšana ar temperatūras paaugstināšanos uz īsu laiku (pasterizācija) joprojām ir visizplatītākā mikrobu vai fermentu inaktivācijas apstrādes metode, kas noved pie ilgāka glabāšanas laika (saglabāšanas). Augstas temperatūras iedarbības dēļ parastā termiskā pasterizācija bieži vien ir neizdevīga pārtikas produktiem.
Jaunu vielu ražošana no karstuma katalizētām reakcijām un makromolekulu modifikācija, kā arī augu un dzīvnieku struktūru deformācija var samazināties, zaudējot kvalitāti. Tāpēc termiskā apstrāde var izraisīt nevēlamas sensoro atribūtu, t.i., tekstūras, garšas, krāsas, smaržas un uzturvērtības, t.i., vitamīnu un olbaltumvielu, izmaiņas. Ultraskaņa ir efektīva netermiska (minimāla) apstrādes alternatīva.
Atšķirībā no parastās termiskās apstrādes, ultraskaņas saglabāšana izmanto akustiskās kavitācijas enerģiju un bīdes spēkus, lai inaktivētu fermentus. Pietiekami zemā ultraskaņas līmenī šūnās var rasties strukturālas un vielmaiņas izmaiņas bez to iznīcināšanas. Peroksidāzes aktivitāti, kas atrodama lielākajā daļā neapstrādātu un neblanšētu augļu un dārzeņu, un to var īpaši saistīt ar garšu un brūnināšanas pigmentu attīstību, var ievērojami samazināt, izmantojot ultraskaņu. Termoizturīgus fermentus, piemēram, lipāzi un proteāzi, kas iztur īpaši augstas temperatūras apstrādi un kas var samazināt termiski apstrādāta piena un citu dienasgrāmatas produktu kvalitāti un glabāšanas laiku, var inaktivēt efektīvāk, vienlaikus izmantojot ultraskaņu, karstumu un spiedienu (MTS).
Ultraskaņa ir pierādījusi savu potenciālu pārtikas izraisītu patogēnu, piemēram, E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium cistu un poliovīrusa, iznīcināšanā.
Piemērojams: ievārījuma, marmelādes vai virskārtu, augļu sulu un mērču, gaļas produktu, piena produktu un saldējuma konservēšanai.
Ultraskaņas sinerģija ar temperatūru un spiedienu
Ultrasonication bieži ir efektīvāka, ja to apvieno ar citām pretmikrobu metodēm, piemēram:
- termo-ultraskaņas apstrāde, t.i. siltums un ultraskaņa
- Mano-ultraskaņas apstrāde, t.i. spiediens un ultraskaņa
- Mano-termo-ultraskaņas apstrāde, t.i. spiediens, siltums un ultraskaņa
Kombinēta ultraskaņas lietošana ar karstumu un / vai spiedienu ir ieteicama Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae un Aeromonas hydrophila.
Ultrasonics vs Citas pārtikas saglabāšanas metodes
Atšķirībā no citiem termiskiem un netermiskiem procesiem, piemēram, augstspiediena homogenizācija, siltuma pasterizācija, augstspiediena apstrāde (HES), saspiests oglekļa dioksīds (cCO2) un superkritiskais oglekļa dioksīds (ScCO2), augsta elektriskā lauka impulsi (HELP) vai mikroviļņu krāsns, ultraskaņu var viegli pārbaudīt laboratorijas vai stenda mērogā – reproducējamu rezultātu ģenerēšana paplašināšanai. Intensifikāciju un kavitācijas īpašības var viegli pielāgot konkrētajam ekstrakcijas procesam, lai sasniegtu konkrētus mērķus. Amplitūdu un spiedienu var mainīt plašā diapazonā, piemēram, lai noteiktu energoefektīvāko ekstrakcijas iestatījumu.
Citas priekšrocības, kas saistītas ar ultraskaņas zondes tipa ekstrakcijas izmantošanu, ir viegla ekstrakta apstrāde, ātra izpilde, bez atlikumiem, augsta raža, videi draudzīga, uzlabota kvalitāte un ekstrakta noārdīšanās novēršana.
(sal. ar Chemat et al., 2011)
- Pilnīgāka ekstrakcija
- Netermiska saglabāšana
- augstākas ražas
- Augstas uzturvielas, augstākās kvalitātes pārtika
- ātrs process
- Auksts / netermisks process
- viegli un droši lietojams
- zema apkope
Augstas veiktspējas ultrasonikatori ekstrakcijai un iepriekšējai sagatavošanai
Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata augstas veiktspējas ultrasonikatorus efektīvai ekstrakcijai un saglabāšanai. Hielscher ultraskaņas iekārtu izmantošana ekstrakcijai un pārtikas saglabāšanai ir spēcīga apstrādes tehnoloģija, ko var ne tikai droši un videi draudzīgi, bet arī efektīvi un ekonomiski. Homogenizējošo un konservējošo efektu var viegli izmantot jebkuram šķidram vai pastai līdzīgam pārtikas produktam, tostarp augļu sulām un biezeņiem (piemēram, apelsīniem, āboliem, greipfrūtiem, mango, vīnogām, plūmēm), kā arī dārzeņu mērcēm un zupām (piemēram, tomātu mērcei vai sparģeļu zupai), piena produktiem, olām un gaļai.
Mūsu ultraskaņas homogenizatoru un nosūcēju portfelis svārstās no rokas, pārnēsājamām ierīcēm līdz pilnībā rūpnieciskām ražošanas sistēmām, lai komerciālā mērogā iekļautu lielu apjomu apstrādi.
Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā
Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.
Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 0.5 līdz 1,5 ml | n.p. | VialTweeter | 1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
| 10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 līdz 150L | 3 līdz 15L/min | UIP6000hdT |
| n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.
Literatūra / Atsauces
- 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.
Fakti, kurus ir vērts zināt
Ultraskaņas šūnu sadalīšanās
Saskaņā ar intensīvu ultraskaņu fermenti vai olbaltumvielas var tikt atbrīvoti no šūnām vai subcelulāriem organelliem šūnu sadalīšanās rezultātā. Šajā gadījumā šķīdinātājā izšķīdināmais savienojums ir ievietots nešķīstošā struktūrā. Lai to iegūtu, šūnu membrāna ir jāiznīcina. Šūnu darbības traucējumi ir jutīgs process, jo šūnu sienas spēja izturēt augstu osmotisko spiedienu iekšpusē. Ir nepieciešama laba šūnu darbības traucējumu kontrole, lai izvairītos no visu intracelulāro produktu, tostarp šūnu atlieku un nukleīnskābju, netraucētas izdalīšanās vai produkta denaturācijas.
Ultrasonication kalpo kā labi kontrolējams līdzeklis šūnu sadalīšanai. Šim nolūkam ultraskaņas mehāniskā iedarbība nodrošina ātrāku un pilnīgāku šķīdinātāja iekļūšanu šūnu materiālos un uzlabo masas pārnesi. Ultraskaņa nodrošina lielāku šķīdinātāja iekļūšanu augu audos un uzlabo masas pārnesi. Ultraskaņas viļņi, kas rada kavitāciju, traucē šūnu sienām un atvieglo matricas komponentu atbrīvošanu.
Ultrasoniski uzlabota masas pārnešana veicina ekstrakciju
Kopumā ultraskaņa var izraisīt šūnu membrānu caurlaidību joniem, un tā var ievērojami samazināt šūnu membrānu selektivitāti. Ultraskaņas mehāniskā aktivitāte atbalsta šķīdinātāju difūziju audos. Tā kā ultraskaņa mehāniski izjauc šūnu sienu ar kavitācijas bīdes spēkiem, tas atvieglo pārnešanu no šūnas uz šķīdinātāju. Daļiņu izmēra samazināšana ar ultraskaņas kavitāciju palielina virsmas laukumu, kas saskaras ar cieto un šķidro fāzi.
E.coli ultraskaņas līze un inaktivācija
Lai ražotu nelielu daudzumu rekombinanto proteīnu to bioloģisko īpašību izpētei un raksturošanai, E.coli ir izvēlētā baktērija. Attīrīšanas birkas, piemēram, polihistidīna astes, beta-galaktozidāzes vai maltozi saistoši proteīni, parasti tiek savienotas ar rekombinantiem proteīniem, lai tos varētu atšķirt no šūnu ekstraktiem ar tīrību, kas ir pietiekama lielākajai daļai analītisko mērķu. Ultrasonication ļauj maksimāli palielināt olbaltumvielu izdalīšanos, jo īpaši, ja ražošanas raža ir zema un saglabāt rekombinantā proteīna struktūru un aktivitāti.
Ultraskaņas oksidācija
Kontrolētā intensitātē ultraskaņas pielietošana biotransformācijai un fermentācijai var izraisīt pastiprinātu bioapstrādi, pateicoties inducētajai bioloģiskajai iedarbībai un atvieglotai šūnu masas pārnešanai. Kontrolētas ultraskaņas (20kHz) pielietošanas ietekmi uz holesterīna oksidēšanos uz holestenonu, atpūšot Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (agrāk Nocardia erythropolis) šūnas, pētīja Bar (1987).
Šī sistēma ir raksturīga sterīnu un steroīdu mikrobu transformācijām, jo substrāts un produkti ir ūdenī nešķīstošas cietas vielas. Tāpēc šī sistēma ir diezgan unikāla, jo gan šūnas, gan cietās vielas var būt pakļautas ultraskaņas iedarbībai. Ar pietiekami zemu ultraskaņas intensitāti, kas saglabāja šūnu strukturālo integritāti un saglabāja to vielmaiņas aktivitāti, Bar novēroja ievērojamu biotransformācijas kinētisko ātrumu uzlabošanos mikrobu vircās 1,0 un 2,5 g / L holesterīna, kad ultraskaņas 5s ik pēc 10 miljoniem ar jaudu 0,2W / cm². Ultraskaņa neuzrādīja ietekmi uz holesterīna (2,5g/L) fermentatīvo oksidēšanos ar holesterīna oksidāzi.
Kas ir augstspiediena apstrāde pārtikas konservēšanā?
Augstspiediena apstrāde (HPP) ir netermiska pārtikas saglabāšanas metode, kas inaktivē mikroorganismus un fermentus, vienlaikus saglabājot produkta sensorās un uzturvērtības īpašības. Tas ietver iepakotas pārtikas pakļaušanu hidrostatiskajam spiedienam, kas parasti ir no 300 līdz 600 MPa (megapaskāliem) no sekundēm līdz minūtēm. Augstspiediena apstrādes galvenā problēma ir tās ļoti augstais enerģijas patēriņš. Lasiet vairāk par to, kā ultraskaņas apstrāde var palīdzēt samazināt HES enerģijas pieprasījumu!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.