Ekstrakcija un konservēšana ar ultraskaņu
Ekstrakcijā un konservēšanā ar ultraskaņu šūnu struktūru saārdīšanai (līzei) izmanto lieljaudas ultraskaņu. Šūnu sagraušana ar ultraskaņu nodrošina ļoti efektīvu intracelulāro savienojumu ekstrakciju, kā arī mikroorganismu inaktivāciju. Daudzo priekšrocību dēļ apstrādi ar ultraskaņu plaši izmanto ekstrakcijai un konservēšanai pārtikas rūpniecībā. Uzziniet vairāk par ultraskaņas ekstrakcijas un pārtikas apstrādes priekšrocībām!
Lieljaudas ultraskaņa pārtikas un augu izcelsmes materiālu ekstrakcijai un konservēšanai
Ekstrakcija ar ultraskaņu: Ekstrakcija ar ultraskaņu ir process, kurā izmanto augstfrekvences skaņas viļņus, lai ekstrahētu savienojumus no dažādiem materiāliem, piemēram, augiem, augļiem un dārzeņiem. Procesā izmanto ultraskaņas viļņus, lai šķidrā vai puscietā materiālā radītu augstspiediena burbuļus, kuri strauji saplok, radot intensīvu karstumu un spiedienu, kas sagrauj materiāla šūnu sieniņas un atbrīvo vēlamos savienojumus.
Ultraskaņas ekstrakcijas un konservēšanas darbības princips
Ultraskaņas ekstrakcijas pamatprincips balstās uz parādību, ko sauc par akustisko kavitāciju. Ja šķidrumu pakļauj augstas intensitātes un zemas frekvences (aptuveni 20 kHz) ultraskaņas viļņu iedarbībai, rodas spiediena viļņi, kas šķidrumā veido sīkus vakuuma burbuļus. Palielinoties ultraskaņas intensitātei, šie burbuļi kļūst lielāki, un, sasnieguši noteiktu izmēru, tie pēkšņi un spēcīgi saplok, radot triecienvilni un atbrīvojot enerģiju siltuma un spiediena veidā.
Šis process izraisa šūnu sieniņu mehānisku sagraušanu, atbrīvojot vēlamos savienojumus no materiāla šķidrajā šķīdinātājā. Pēc tam atbrīvotos savienojumus var atdalīt no šķīdinātāja, izmantojot standarta atdalīšanas metodes, piemēram, filtrēšanu vai centrifugēšanu.
Ultraskaņas apstrādes iekārta UP400St augu materiāla efektīvai netermiskai ekstrakcijai.
Konservēšana ar ultraskaņu: Konservēšana ar ultraskaņu balstās uz tiem pašiem kavitācijas efektiem kā ekstrakcija ar ultraskaņu. Konservēšanā lieljaudas ultraskaņu izmanto, lai pagarinātu ātrbojīgu pārtikas produktu derīguma termiņu, ar augstfrekvences skaņas viļņiem kavējot bojāšanos izraisošo mikroorganismu augšanu. Procesā pārtiku pakļauj ultraskaņas viļņu iedarbībai, kas sagrauj baktēriju, raugu un pelējuma sēņu šūnu sieniņas, izraisot šo mikroorganismu iznīcināšanu vai to augšanas kavēšanu.
Šis process izraisa mikroorganismu šūnu sieniņu mehānisku sagraušanu, izraisot šo mikroorganismu iznīcināšanu vai to augšanas kavēšanu. Ultraskaņas viļņi var arī palielināt šūnu membrānu caurlaidību, ļaujot konservantiem un citiem pretmikrobu līdzekļiem efektīvāk iekļūt mikroorganismos un tos iznīcināt.
Konservēšanai ar ultraskaņu dod priekšroku salīdzinājumā ar tradicionālajām konservēšanas metodēm, jo tai ir vairākas priekšrocības, piemēram, īsāks apstrādes laiks, augstāka efektivitāte un iespēja saglabāt pārtikas dabiskās īpašības un garšu. To izmanto plašam pārtikas produktu klāstam, piemēram, mērcēm, sulām, piena produktiem, olām un gaļai, lai pagarinātu to derīguma termiņu un nodrošinātu to nekaitīgumu.
Ultraskaņas ekstrakcijas un konservēšanas tehnoloģijai dod priekšroku salīdzinājumā ar tradicionālajām ekstrakcijas un konservēšanas metodēm, jo tai ir vairākas priekšrocības, piemēram, ātrāka ekstrakcija, izcila produktu kvalitāte, lielāks iznākums, tīri mehāniska netermiska apstrāde un iespēja ekstrahēt plašāku savienojumu klāstu. To izmanto daudzās nozarēs, piemēram, pārtikas un dzērienu, farmācijas un kosmētikas rūpniecībā.
Spēcīga ultraskaņas kavitācija ar Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Olbaltumvielu un enzīmu ekstrakcija ar ultraskaņu
Jo īpaši šūnās un subcelulārajās daļiņās uzkrāto enzīmu un olbaltumvielu ekstrakcija ir unikāls un efektīvs augstas intensitātes ultraskaņas pielietojums, jo ar šķīdinātāju veiktu augu audos un sēklās esošo organisko savienojumu ekstrakciju var ievērojami uzlabot. Tādēļ ultraskaņa var būt noderīga jaunu, potenciāli bioaktīvu komponentu ekstrakcijā un izolēšanā, piemēram, no pašreizējos procesos radušām neizmantotām blakusproduktu plūsmām. Ultraskaņa var arī palīdzēt pastiprināt enzīmu apstrādes iedarbību un tādējādi samazināt nepieciešamo enzīmu daudzumu vai palielināt ekstrahējamo interesējošo savienojumu iznākumu.
Lipīdu un olbaltumvielu ekstrakcija ar ultraskaņu
Apstrādi ar ultraskaņu bieži izmanto, lai uzlabotu lipīdu un olbaltumvielu ekstrakciju no augu sēklām, piemēram, sojas pupām (piemēram, miltiem vai attaukotām sojas pupām) vai citām eļļas augu sēklām. Šajā gadījumā šūnu sieniņu sagraušana atvieglo presēšanu (auksto vai karsto) un tādējādi samazina eļļas vai tauku atlikumu daudzumu raušos.
Nepārtrauktas ultraskaņas ekstrakcijas ietekmi uz disperģēto olbaltumvielu iznākumu pierādīja Moulton un līdzautori. Apstrāde ar ultraskaņu pakāpeniski palielināja iegūto disperģēto olbaltumvielu daudzumu, pārslu un šķīdinātāja attiecībai mainoties no 1:10 līdz 1:30. Pētījums parādīja, ka ultraskaņa spēj peptizēt sojas olbaltumvielas pie gandrīz jebkura komerciālās ražošanas apstrādes ražīguma un ka apstrādei ar ultraskaņu nepieciešamā enerģija bija vismazākā, izmantojot biezākas suspensijas.
Fenola savienojumu un antociānu izolēšana ar ultraskaņu
Enzīmus, piemēram, pektināzes, celulāzes un hemicelulāzes, plaši izmanto sulu pārstrādē, lai noārdītu šūnu sieniņas un uzlabotu sulas ekstrahējamību. Šūnu sieniņu matricas sagraušana arī atbrīvo sulā tādus komponentus kā fenola savienojumi. Ultraskaņa uzlabo ekstrakcijas procesu un tādēļ var palielināt fenola savienojumu, alkaloīdu un sulas iznākumu, kas parasti paliek raušos.
Ultraskaņas apstrādes labvēlīgo ietekmi uz fenola savienojumu un antociānu izdalīšanos sulā no vīnogu un ogu matricas, jo īpaši no mellenēm (Vaccinium myrtillus) un upenēm (>Ribes nigrum), pētīja VTT Biotechnology Somijā, izmantojot ultraskaņas procesoru UIP2000hd pēc atkausēšanas, sasmalcināšanas un inkubācijas ar enzīmiem. Šūnu sieniņu sagraušana ar enzīmu apstrādi (Pectinex BE-3L mellenēm un Biopectinase CCM upenēm) uzlabojās, to kombinējot ar ultraskaņu. “US apstrāde palielina fenola savienojumu koncentrāciju melleņu sulā par vairāk nekā 15%. […] US (ultraskaņas) ietekme bija izteiktāka upenēm, kuru pārstrāde sulā ir sarežģītāka nekā mellenēm augstā pektīna satura un atšķirīgās šūnu sieniņu uzbūves dēļ. […] fenola savienojumu koncentrācija sulā palielinājās par 15–25%, izmantojot US (ultraskaņas) apstrādi pēc inkubācijas ar enzīmiem.” (sal. Mokkila un līdzautori, 2004)
Ultraskaņas ierīce UIP6000hdT rūpnieciskā nepārtrauktas ekstrakcijas iekārtā.
Mikroorganismu un enzīmu inaktivācija
Vēl viens ultraskaņas izmantošanas veids pārtikas pārstrādē ir mikroorganismu un enzīmu inaktivācija (konservēšana), piemēram, augļu sulās un mērcēs. Mūsdienās konservēšana, īslaicīgi paaugstinot temperatūru (pasterizācija), joprojām ir visizplatītākā apstrādes metode mikroorganismu vai enzīmu inaktivācijai, kas pagarina glabāšanas laiku (konservēšana). Augstas temperatūras iedarbības dēļ tradicionālajai termiskajai pasterizācijai bieži ir trūkumi attiecībā uz pārtikas produktiem.
Jaunu vielu veidošanās siltuma katalizētās reakcijās un makromolekulu pārveidošanās, kā arī augu un dzīvnieku struktūru deformācija var izraisīt kvalitātes zudumu. Tādēļ termiskā apstrāde var izraisīt nevēlamas organoleptisko īpašību, proti, tekstūras, garšas, krāsas un smaržas, kā arī uzturvērtības, proti, vitamīnu un olbaltumvielu, izmaiņas. Ultraskaņa ir efektīva netermiskas (minimālas) apstrādes alternatīva.
Atšķirībā no tradicionālās termiskās apstrādes konservēšanā ar ultraskaņu enzīmu inaktivācijai izmanto akustiskās kavitācijas enerģiju un bīdes spēkus. Pie pietiekami zemas apstrādes ar ultraskaņu intensitātes šūnās var rasties strukturālas un vielmaiņas izmaiņas bez to sagraušanas. Izmantojot ultraskaņu, var būtiski samazināt peroksidāzes aktivitāti; šis enzīms ir sastopams lielākajā daļā neapstrādātu un neblanšētu augļu un dārzeņu un var būt īpaši saistīts ar nevēlamu piegaršu un brūnēšanas pigmentu veidošanos. Termoizturīgus enzīmus, piemēram, lipāzi un proteāzi, kas iztur apstrādi īpaši augstā temperatūrā un var samazināt termiski apstrādāta piena un citu piena produktu kvalitāti un glabāšanas laiku, var efektīvāk inaktivēt, vienlaikus izmantojot ultraskaņu, siltumu un spiedienu (MTS).
Ultraskaņa ir pierādījusi savu potenciālu ar pārtiku pārnēsājamu patogēnu, piemēram, E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium cistu un Poliovirus, iznīcināšanā.
Piemērota: ievārījuma, marmelādes vai piedevu, augļu sulu un mērču, gaļas produktu, piena produktu un saldējuma konservēšanai.
Ultraskaņas sinerģija ar temperatūru un spiedienu
Apstrāde ar ultraskaņu bieži ir efektīvāka, ja to apvieno ar citām pretmikrobu metodēm, piemēram:
- termosonikāciju, t. i., siltumu un ultraskaņu
- manosonikāciju, t. i., spiedienu un ultraskaņu
- manotermosonikāciju, t. i., spiedienu, siltumu un ultraskaņu
Ultraskaņas kombinēta izmantošana ar siltumu un/vai spiedienu ir ieteicama Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae un Aeromonas hydrophila apstrādei.
Ultraskaņa salīdzinājumā ar citām pārtikas konservēšanas metodēm
Atšķirībā no citiem termiskiem un netermiskiem procesiem, piemēram, augstspiediena homogenizācijas, termiskās pasterizācijas, augstspiediena apstrādes (HPP), apstrādes ar saspiestu oglekļa dioksīdu (cCO2) un superkritisku oglekļa dioksīdu (ScCO2), augstas intensitātes elektriskā lauka impulsiem (HELP) vai mikroviļņiem, ultraskaņu var viegli pārbaudīt laboratorijas vai galda iekārtu mērogā – iegūstot reproducējamus rezultātus mēroga palielināšanai. Intensitāti un kavitācijas raksturlielumus var viegli pielāgot konkrētajam ekstrakcijas procesam, lai sasniegtu noteiktus mērķus. Amplitūdu un spiedienu var mainīt plašā diapazonā, piemēram, lai noteiktu energoefektīvāko ekstrakcijas konfigurāciju.
Citas priekšrocības, kas saistītas ar ekstrakciju, izmantojot ultraskaņas zondi, ir vienkārša rīkošanās ar ekstraktu, ātra procesa norise, atlikumu neesamība, augsts iznākums, draudzīgums videi, uzlabota kvalitāte un ekstrakta noārdīšanās novēršana.
(sal. Chemat et al., 2011)
- Pilnīgāka ekstrakcija
- Netermiska konservēšana
- Augstāks iznākums
- Augsts uzturvielu saturs, augstākās klases pārtikas kvalitāte
- Ātrs process
- Auksts / netermisks process
- Vienkārša un droša lietošana
- Neliela nepieciešamība pēc apkopes
Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīces ekstrakcijai un konservēšanai
Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas efektīvai ekstrakcijai un konservēšanai. Hielscher ultraskaņas iekārtu izmantošana ekstrakcijai un pārtikas konservēšanai ir jaudīga apstrādes tehnoloģija, ko var izmantot ne tikai droši un videi draudzīgi, bet arī efektīvi un ekonomiski. Homogenizējošo un konservējošo iedarbību var viegli izmantot jebkuram šķidram vai pastveida pārtikas produktam, tostarp augļu sulām un biezeņiem (piemēram, apelsīnu, ābolu, greipfrūtu, mango, vīnogu, plūmju), kā arī dārzeņu mērcēm un zupām (piemēram, tomātu mērcei vai sparģeļu zupai), piena produktiem, olām un gaļai.
Mūsu ultraskaņas homogenizatoru un ekstraktoru klāsts aptver gan rokā turamas, pārnēsājamas ierīces, gan pilnībā rūpnieciskas ražošanas sistēmas lielu apjomu apstrādei plūsmā komerciālā mērogā.
Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte
Hielscher ultraskaņas iekārtas ir plaši pazīstamas ar saviem visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas iekārtas bez grūtībām integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas iekārtas viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.
Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtām ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas iekārtas atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās iekārtas |
|---|---|---|
| 0,5 līdz 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 līdz 150L | 3 līdz 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lielāks | iekārtu grupa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
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.
Noderīgi fakti
Šūnu dezintegrācija ar ultraskaņu
Intensīvas apstrādes ar ultraskaņu laikā šūnu dezintegrācijas rezultātā no šūnām vai subcelulārajām organellām var izdalīties enzīmi vai olbaltumvielas. Šajā gadījumā savienojums, kas jāizšķīdina šķīdinātājā, ir ietverts nešķīstošā struktūrā. Lai to ekstrahētu, šūnas membrāna ir jāsagrauj. Šūnu sagraušana ir delikāts process, jo šūnas sieniņa spēj izturēt augstu osmotisko spiedienu šūnas iekšienē. Šūnu sagraušana ir rūpīgi jākontrolē, lai izvairītos no visu intracelulāro produktu, tostarp šūnu atlieku un nukleīnskābju, nekontrolētas izdalīšanās vai produkta denaturācijas.
Apstrāde ar ultraskaņu ir labi kontrolējams šūnu dezintegrācijas līdzeklis. Ultraskaņas mehāniskā iedarbība nodrošina ātrāku un pilnīgāku šķīdinātāja iekļūšanu šūnu materiālā un uzlabo masas pārnesi. Ultraskaņa nodrošina dziļāku šķīdinātāja iekļūšanu augu audos un uzlabo masas pārnesi. Ultraskaņas viļņi, kas rada kavitāciju, sagrauj šūnu sieniņas un veicina matricas sastāvdaļu izdalīšanos.
Ar ultraskaņu uzlabota masas pārnese veicina ekstrakciju
Kopumā ultraskaņa var palielināt šūnu membrānu caurlaidību joniem un būtiski samazināt šūnu membrānu selektivitāti. Ultraskaņas mehāniskā iedarbība veicina šķīdinātāju difūziju audos. Tā kā ultraskaņa ar kavitācijas radītajiem bīdes spēkiem mehāniski sagrauj šūnas sieniņu, tā atvieglo vielu pārnesi no šūnas uz šķīdinātāju. Daļiņu izmēra samazināšana ar ultraskaņas kavitāciju palielina cietās un šķidrās fāzes saskares virsmas laukumu.
E.coli līze un inaktivācija ar ultraskaņu
Lai iegūtu nelielus rekombinanto proteīnu daudzumus to bioloģisko īpašību izpētei un raksturošanai, parasti izvēlas baktēriju E.coli. Rekombinantajiem proteīniem parasti pievieno attīrīšanas marķierus, piemēram, polihistidīna asti, beta-galaktozidāzi vai maltozi saistošus proteīnus, lai tos varētu atdalīt no šūnu ekstraktiem ar vairumam analītisko mērķu pietiekamu tīrību. Apstrāde ar ultraskaņu ļauj maksimāli palielināt proteīnu izdalīšanos, īpaši tad, ja ražošanas iznākums ir zems, un saglabāt rekombinantā proteīna struktūru un aktivitāti.
Oksidēšana ar ultraskaņu
Kontrolējot intensitāti, ultraskaņas izmantošana biotransformācijā un fermentācijā var uzlabot biotehnoloģiskos procesus, pateicoties izraisītajai bioloģiskajai iedarbībai un atvieglotai masas pārnesei šūnās. Bar (1987) pētīja kontrolētas ultraskaņas (20kHz) izmantošanas ietekmi uz holesterīna oksidēšanu par holestenonu, ko veic miera stāvoklī esošas Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (agrāk Nocardia erythropolis) šūnas.
Šī sistēma ir tipiska sterīnu un steroīdu mikrobiālajām transformācijām tādā ziņā, ka gan substrāts, gan produkti ir ūdenī nešķīstošas cietvielas. Tādēļ šī sistēma ir visai unikāla ar to, ka ultraskaņas iedarbībai var būt pakļautas gan šūnas, gan cietvielas. Izmantojot pietiekami zemu ultraskaņas intensitāti, kas saglabāja šūnu strukturālo integritāti un to vielmaiņas aktivitāti, Bar novēroja būtisku biotransformācijas kinētiskā ātruma pieaugumu mikroorganismu suspensijās ar holesterīna koncentrāciju 1,0 un 2,5 g/L, tās apstrādājot ar ultraskaņu 5s ik pēc 10mn ar izejas jaudu 0,2W/cm². Ultraskaņa neietekmēja holesterīna (2,5g/L) fermentatīvo oksidēšanu ar holesterīna oksidāzi.
Kas ir augstspiediena apstrāde pārtikas konservēšanā?
Augstspiediena apstrāde (HPP) ir netermiska pārtikas konservēšanas metode, kas inaktivē mikroorganismus un enzīmus, vienlaikus saglabājot produkta sensorās īpašības un uzturvērtību. Tā ietver iepakotas pārtikas pakļaušanu hidrostatiskam spiedienam, parasti no 300 līdz 600 MPa (megapaskāliem), uz laiku no dažām sekundēm līdz dažām minūtēm. Būtisks augstspiediena apstrādes izaicinājums ir tās ļoti lielais enerģijas patēriņš. Lasiet vairāk par to, kā apstrāde ar ultraskaņu var palīdzēt samazināt HPP enerģijas patēriņu!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas mēroga līdz rūpnieciskam mērogam.
