Ultrasone extractie en conservering
Ultrasone extractie en bewaring maakt gebruik van ultrageluid voor de desintegratie van celstructuren (lysis). Het breken van cellen met ultrasoon geluid resulteert in een zeer efficiënte extractie van intracellulaire verbindingen en inactivatie van micro-organismen. Vanwege de vele voordelen wordt ultrasoontechniek veel gebruikt voor extractie en conservering in de levensmiddelenindustrie. Lees meer over de voordelen van ultrasone extractie en voedselverwerking!
Ultrasoon vermogen voor de extractie en conservering van levensmiddelen en planten
Ultrasone extractie: Ultrasone extractie is een proces waarbij geluidsgolven met een hoge frequentie worden gebruikt om verbindingen te extraheren uit diverse materialen zoals planten, fruit en groenten. Het proces omvat het gebruik van ultrasone golven om in een vloeibaar of halfvast materiaal bellen onder hoge druk te creëren, die snel instorten, waardoor intense hitte en druk ontstaan die de celwanden van het materiaal verstoren en de gewenste verbindingen vrijmaken.
Het werkingsprincipe van ultrasone extractie en conservering
Het basisprincipe achter ultrasone extractie is gebaseerd op het verschijnsel dat bekend staat als akoestische cavitatie. Wanneer een vloeistof wordt blootgesteld aan ultrasone golven met een hoge intensiteit en een lage frequentie (ongeveer 20 kHz), ontstaan drukgolven die minuscule vacuümbelletjes in de vloeistof doen ontstaan. Deze belletjes worden groter naarmate de intensiteit van het ultrageluid toeneemt, en wanneer zij een bepaalde omvang bereiken, storten zij plotseling en heftig ineen, waarbij een schokgolf wordt opgewekt en energie vrijkomt in de vorm van warmte en druk.
Dit proces veroorzaakt een mechanische verstoring van de celwanden, waardoor de gewenste verbindingen uit het materiaal vrijkomen in het vloeibare oplosmiddel. De vrijgekomen verbindingen kunnen vervolgens van het oplosmiddel worden gescheiden met behulp van standaard scheidingstechnieken zoals filtratie of centrifugatie.
ultrasonicator UP400St voor de efficiënte niet-thermische extractie van plantaardig materiaal.
Ultrasone conservering: Ultrasone conservering is gebaseerd op dezelfde cavitatie-effecten als ultrasone extractie. Bij conservering wordt ultrageluid toegepast om de houdbaarheid van bederfelijke levensmiddelen te verlengen door hoogfrequente geluidsgolven te gebruiken om de groei te remmen van micro-organismen die bederf veroorzaken. Het proces houdt in dat het voedsel wordt blootgesteld aan ultrasone golven die de celwanden van bacteriën, gisten en schimmels verstoren, waardoor deze worden vernietigd of geremd.
Dit proces veroorzaakt een mechanische verstoring van de celwanden van micro-organismen, waardoor deze worden vernietigd of geremd. Ultrasone golven kunnen ook de permeabiliteit van de celmembranen vergroten, waardoor conserveringsmiddelen en andere antimicrobiële stoffen kunnen binnendringen en de micro-organismen doeltreffender kunnen doden.
Ultrasone conservering geniet de voorkeur boven traditionele conserveringsmethoden omdat het verschillende voordelen biedt, zoals een kortere verwerkingstijd, een hogere efficiëntie en de mogelijkheid om de natuurlijke eigenschappen en smaken van het voedsel te behouden. Het wordt gebruikt in een groot aantal levensmiddelen zoals sauzen, sappen, zuivelproducten, eieren en vlees om de houdbaarheid te verlengen en de veiligheid ervan te garanderen.
De ultrasone extractie- en conserveringstechniek geniet de voorkeur boven traditionele extractie- en conserveringsmethoden omdat zij verschillende voordelen biedt, zoals een snellere extractie, een uitstekende productkwaliteit, een hogere opbrengst, een zuiver mechanische niet-thermische behandeling en de mogelijkheid om een breder scala van verbindingen te extraheren. De techniek wordt gebruikt in een groot aantal industrieën, zoals de levensmiddelen- en drankenindustrie, de farmaceutische industrie en de cosmetische industrie.
Krachtige ultrasone cavitatie bij Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ultrasone eiwit- en enzymextractie
Met name de extractie van in cellen en subcellulaire deeltjes opgeslagen enzymen en eiwitten is een unieke en doeltreffende toepassing van ultrageluid met hoge intensiteit. Daarom heeft ultrageluid een potentieel voordeel bij de extractie en isolatie van nieuwe potentieel bioactieve componenten, bijvoorbeeld uit niet-gebruikte bijproductstromen die bij de huidige processen ontstaan. Ultrasoon geluid kan ook helpen om de effecten van enzymbehandeling te intensiveren en daardoor de benodigde hoeveelheid enzym te verminderen of de opbrengst van extraheerbare relevante verbindingen te verhogen.
Ultrasone extractie van lipiden en eiwitten
Ultrasone trillingen wordt vaak gebruikt om de winning van lipiden en eiwitten uit plantaardige zaden, zoals sojabonen (bijvoorbeeld meel of ontvette sojabonen) of andere oliezaden verbeteren. In dit geval is de vernietiging van de celwanden vergemakkelijkt het persen (koud of warm) en vermindert daardoor de resterende olie of vet in de koek persen.
De invloed van continue ultrasone extractie op de opbrengst van gedispergeerd eiwit werd aangetoond door Moulton et al. De sonificatie verhoogde de opbrengst van gedispergeerd eiwit geleidelijk naarmate de verhouding vlokken/oplosmiddel veranderde van 1:10 tot 1:30. Zij toonden aan dat ultrageluid soja-eiwit kan peptiseren bij vrijwel elke commerciële verwerkingscapaciteit en dat de vereiste sonificatie-energie het laagst was wanneer dikkere slurries werden gebruikt.
Ultrasone isolatie van fenolische verbindingen en anthocyanen
Enzymen, zoals pectinasen, cellulasen en hemicellulasen worden veel gebruikt in sap verwerken om celwanden degraderen en verbetering van de extraheerbaarheid het sap. De verstoring van de celwand matrix ook releases componenten, zoals fenolverbindingen in het sap. Echografie verbetert het extractieproces en kan daarom leiden tot een verhoging van de fenolverbinding, alkaloïden en sapopbrengst, gewoonlijk links in de perskoek.
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. “US afloop verhogen van de concentratie van fenolische verbindingen met bosbessen sap met meer dan 15%. […] De invloed van de VS (ultrageluid) was significant met zwarte bessen, die meer uitdagende bessen op sap verwerken dan bosbessen zijn vanwege hun hoge gehalte aan pectine en verschillende celwand architectuur. […] De concentratie van fenolische verbindingen in het sap toe met 15-25% door US (ultrasoon) behandeling na incubatie enzym.” (cf. Mokkila et al., 2004)
Ultrasoonapparaat UIP6000hdT in een industriële installatie voor continue extractie.
Microbiële en Enzyme Inactivering
Microbiële en enzym-inactivatie (conservering), bijvoorbeeld in vruchtensappen en sauzen, is een andere toepassing van ultrageluid in de voedselverwerking. Tegenwoordig is conservering door temperatuurverhoging gedurende korte tijd (pasteurisatie) nog steeds de meest gebruikelijke verwerkingsmethode voor microbiële of enzym-inactivatie die leidt tot langere houdbaarheid (conservering). Vanwege de blootstelling aan hoge temperaturen heeft de conventionele thermische pasteurisatie vaak nadelen voor levensmiddelen.
De productie van nieuwe stoffen met warmtebehandelde gekatalyseerde reacties en de modificatie van macromoleculen en de vervorming van plantaardige of dierlijke structuren kunnen verminderen tot kwaliteitsverlies. Daarom kan thermische behandeling ongewenste veranderingen van sensorische eigenschappen, d.w.z. textuur, smaak, kleur, geur en voedingseigenschappen, d.w.z. vitamines en eiwitten veroorzaken. Ultrasound is een efficiënte niet-thermische (minimale) verwerkingsalternatief.
In tegenstelling tot conventionele warmtebehandelingen maakt ultrasone conservering gebruik van de energie en schuifkrachten van akoestische cavitatie om enzymen te inactiveren. Bij voldoende lage niveaus van sonicatie kunnen structurele en metabolische veranderingen in de cellen optreden zonder dat deze worden vernietigd. De activiteit van Peroxidase, die in de meeste rauwe en ongeblancheerde vruchten en groenten wordt aangetroffen en met name in verband kan worden gebracht met de ontwikkeling van off-flavors en bruine pigmenten, kan door het gebruik van ultrageluid aanzienlijk worden verminderd. Thermoresistente enzymen, zoals lipase en protease, die bestand zijn tegen behandeling bij ultrahoge temperatuur en die de kwaliteit en houdbaarheid van warmtebehandelde melk en andere zuivelproducten kunnen verminderen, kunnen doeltreffender worden geïnactiveerd door de gelijktijdige toepassing van ultrageluid, warmte en druk (MTS).
Ultrageluid heeft zijn potentieel aangetoond bij de vernietiging van door voedsel overgedragen ziekteverwekkers, zoals E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium-cysten en Poliovirus.
Van toepassing op: conservering van jam, marmelade of toppings, vruchtensappen en -sauzen, vleesproducten, zuivel en ijs.
Synergieën van Ultrasound met temperatuur en druk
Ultrasone trillingen is vaak effectiever in combinatie met andere anti-microbiële methoden, zoals:
- thermo-ultrasoonapparaat, dat wil zeggen warmte en ultrageluid
- mano-ultrasoonapparaat, dat wil zeggen druk en ultrageluid
- mano-thermo-ultrasoonapparaat, d.w.z. druk, warmte en ultrageluid
De gecombineerde toepassing van ultrageluid met warmte en/of druk wordt aanbevolen voor Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae en Aeromonas hydrophila.
Ultrasoon vs Andere Voedselconserveringstechnieken
In tegenstelling tot andere thermische en niet-thermische processen, zoals homogenisatie onder hoge druk, hittepasteurisatie, hoge hydrostatische druk (HP), gecomprimeerd kooldioxide (cCO2) en superkritisch kooldioxide (ScCO2), hoge elektrische veldpulsen (HELP) of microgolven, kan ultrageluid gemakkelijk worden getest in laboratoria of op laboratoriumschaal. – het genereren van reproduceerbare resultaten voor opschaling. De intensiteit en de cavitatiekenmerken kunnen gemakkelijk worden aangepast aan het specifieke extractieproces om specifieke doelstellingen te bereiken. Amplitude en druk kunnen in een breed bereik worden gevarieerd, bijvoorbeeld om de meest energie-efficiënte extractieopstelling te bepalen.
Andere voordelen van het gebruik van ultrasone sonde-extractie zijn de gemakkelijke hantering van het extract, de snelle uitvoering, het ontbreken van residuen, de hoge opbrengst, de milieuvriendelijkheid, de verbeterde kwaliteit en het voorkomen van afbraak van het extract.
(vgl. Chemat et al., 2011)
- vollediger extractie
- Niet-thermische conservering
- hogere opbrengsten
- Hoge voedingsstoffen, premium voedselkwaliteit
- snel proces
- Koud / niet-thermisch proces
- Gemakkelijk en veilig te bedienen
- Laag onderhoud
Hoogwaardige ultrasone apparaten voor extractie en conservering
Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert hoogwaardige ultrasoonapparatuur voor efficiënte extractie en conservering. Het gebruik van Hielscher ultrasoonapparatuur voor extractie en conservering van voedsel is een krachtige verwerkingstechnologie die niet alleen veilig en milieuvriendelijk, maar ook efficiënt en economisch kan worden toegepast. Het homogeniserende en conserverende effect kan gemakkelijk worden gebruikt voor elk vloeibaar of pasta-achtig voedselproduct, waaronder vruchtensappen en -purees (bijv. sinaasappel, appel, grapefruit, mango, druif, pruim) en ook voor groentesauzen en soepen (bijv. tomatensaus of aspergesoep), zuivel, eieren en vlees.
Ons assortiment ultrasone homogenisatoren en extractoren varieert van draagbare handapparaten tot volledig industriële productiesystemen voor de inline verwerking van grote volumes op commerciële schaal.
Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit gemaakt in Duitsland
Hielscher ultrasoonapparaten staan bekend om hun hoogste kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze ultrasoonapparaten in industriële installaties mogelijk. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.
Hielscher Ultrasonics is een ISO gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasoontoestellen met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn Hielscher ultrasone apparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:
| batch Volume | Stroomsnelheid | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 00,5 tot 1,5 ml | na | VialTweeter | 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml / min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150L | 3 tot 15L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 tot 100 l / min | UIP16000 |
| na | grotere | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- 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.
Feiten die de moeite waard zijn om te weten
Ultrasone celdesintegratie
Onder intense sonicatie kunnen enzymen of eiwitten vrijkomen uit cellen of subcellulaire organellen als gevolg van celdesintegratie. In dit geval is de in een oplosmiddel op te lossen verbinding ingesloten in een onoplosbare structuur. Om het te extraheren moet het celmembraan worden vernietigd. Celdisruptie is een gevoelig proces, omdat de celwand binnenin bestand is tegen hoge osmotische druk. Een goede controle van de celdisruptie is vereist, om te voorkomen dat alle intracellulaire producten, waaronder celdébris en nucleïnezuren, ongehinderd vrijkomen of dat de producten denatureren.
Ultrasone trillingen dient als een goed beheersbare middelen voor cel desintegratie. Voor deze, de mechanische effecten van ultrageluid bieden snellere en meer volledige penetratie van oplosmiddel in cellulaire materialen en de verbetering van massa-overdracht. Ultrasound realiseert grotere penetratie van een oplosmiddel in een plantenweefsel en verbetert de massaoverdracht. Ultrasone golven genereren van cavitatie verstoren celwanden en de vrijlating van matrixcomponenten te vergemakkelijken.
Ultrasoon verbeterde massaoverdracht bevordert extractie
In het algemeen kan ultrageluid leiden tot een permeabilisering van de celmembranen voor ionen. De mechanische activiteit van het ultrageluid ondersteunt de diffusie van oplosmiddelen in het weefsel. Aangezien ultrageluid de celwand mechanisch breekt door de cavitatieschuifkrachten, vergemakkelijkt het de overdracht van de cel naar het oplosmiddel. De deeltjesgroottevermindering door de ultrasone cavitatie vergroot het oppervlak dat in contact komt tussen de vaste en de vloeibare fase.
Ultrasone lysis en inactivering van E.coli
Om kleine hoeveelheden recombinante eiwitten te produceren voor de bestudering en karakterisering van hun biologische eigenschappen, is E.coli de aangewezen bacterie. Zuiveringstags, b.v. polyhistidinestaart, betagalactosidase of maltosebindende eiwitten, worden gewoonlijk aan recombinante eiwitten toegevoegd om ze scheidbaar te maken van celextracten met een zuiverheid die voldoende is voor de meeste analytische doeleinden. Door ultrasoonbehandeling kan de afgifte van het eiwit worden gemaximaliseerd, met name wanneer de productieopbrengst laag is, en kunnen de structuur en de activiteit van het recombinante eiwit worden behouden.
Ultrasone oxidatie
Bij gecontroleerde intensiteit kan de toepassing van ultrageluid op biotransformatie en fermentatie resulteren in een verbeterde bioprocessing, als gevolg van geïnduceerde biologische effecten en door vergemakkelijkte cellulaire massatransfer. De invloed van de gecontroleerde toepassing van ultrageluid (20 kHz) op de oxidatie van cholesterol tot cholestenon door rustende cellen van Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (voorheen Nocardia erythropolis) werd onderzocht door Bar (1987).
Dit systeem is typisch voor microbiële omzettingen van sterolen en steroïden omdat het substraat en de producten in water onoplosbare vaste stoffen zijn. Daarom is dit systeem vrij uniek omdat zowel de cellen als de vaste stoffen aan het effect van ultrageluid kunnen worden onderworpen. Bij een voldoende lage ultrasone intensiteit die de structurele integriteit van de cellen in stand houdt en hun metabolische activiteit handhaaft, nam Bar een significante verbetering waar van de kinetische snelheid van de biotransformatie in microbiële slurries van 1,0 en 2,5 g/L cholesterol wanneer deze elke 10 minuten gedurende 5s met een vermogen van 0,2W/cm² werden gesoneerd. Ultrasoon geluid had geen effect op de enzymatische oxidatie van cholesterol (2,5 g/L) door cholesteroloxidase.
Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van Laboratorium naar industrieel formaat.