Ultrasone extractie en conservering

Bij ultrasone extractie en conservering wordt ultrageluid met hoog vermogen gebruikt voor de desintegratie van celstructuren (lysis). Het openbreken van cellen met ultrageluid resulteert in een zeer efficiënte extractie van intracellulaire verbindingen en in microbiële inactivatie. Dankzij de talrijke voordelen wordt sonicatie veelvuldig gebruikt voor extractie en conservering in de voedingsmiddelenindustrie. Lees meer over de voordelen van ultrasone extractie en voedselverwerking!

Ultrageluid met hoog vermogen voor de extractie en conservering van voedingsmiddelen en plantaardige materialen

Ultrasone extractie: Ultrasone extractie is een proces waarbij hoogfrequente geluidsgolven worden gebruikt om verbindingen te extraheren uit uiteenlopende materialen, zoals planten, fruit en groenten. Bij dit proces worden ultrasone golven gebruikt om hogedrukbellen te creëren in een vloeibaar of halfvast materiaal. Deze bellen imploderen snel en genereren daarbij intense hitte en druk, waardoor de celwanden van het materiaal worden opengebroken en de gewenste verbindingen vrijkomen.

Het werkingsprincipe van ultrasone extractie en conservering

Het basisprincipe van ultrasone extractie berust op het verschijnsel dat bekendstaat 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 kleine vacuümbellen in de vloeistof creëren. Deze bellen worden groter naarmate de intensiteit van het ultrageluid toeneemt. Wanneer ze een bepaalde grootte bereiken, imploderen ze plotseling en hevig, waarbij een schokgolf ontstaat en energie in de vorm van warmte en druk vrijkomt.
Dit proces veroorzaakt het mechanisch openbreken van de celwanden, waardoor de gewenste verbindingen uit het materiaal vrijkomen in het vloeibare oplosmiddel. De vrijgekomen verbindingen kunnen vervolgens met standaard scheidingstechnieken, zoals filtratie of centrifugatie, van het oplosmiddel worden gescheiden.

Deze video toont het effect van sonicatie op de stabiliteit van vers biologisch wortelsap. Een tijdsversnelde opname van de gekoelde bewaring maakt dit effect zichtbaar. Bij de productie van sappen, smoothies, purees en sauzen verbeteren sonicatoren van Hielscher de stabiliteit, textuur en houdbaarheid. Sonicatie minimaliseert microbieel bederf en voorkomt bezinking en ontmenging, die al binnen enkele dagen kunnen optreden. Ultrasone verwerking kan worden toegepast op grote batches of inline, vlak voor het afvullen. Sonicatie is een zuiver mechanische verwerkingsmethode. Ze is ideaal voor biologische fruit- en groentesappen, purees, smoothies en sauzen.

Ultrasone conservering: Ultrasone conservering berust op dezelfde cavitatie-effecten als ultrasone extractie. Voor conservering wordt ultrageluid met hoog vermogen toegepast om de houdbaarheid van bederfelijke voedingsmiddelen te verlengen. Daarbij worden hoogfrequente geluidsgolven gebruikt om de groei van micro-organismen die bederf veroorzaken te remmen. Bij dit proces worden de voedingsmiddelen blootgesteld aan ultrasone golven die de celwanden van bacteriën, gisten en schimmels openbreken, waardoor deze worden vernietigd of geremd.
Dit proces veroorzaakt het mechanisch openbreken van de celwanden van micro-organismen, waardoor deze worden vernietigd of geremd. Ultrasone golven kunnen ook de doorlaatbaarheid van celmembranen verhogen, waardoor conserveermiddelen en andere antimicrobiële middelen effectiever kunnen binnendringen en de micro-organismen kunnen doden.
Ultrasone conservering heeft de voorkeur boven traditionele conserveringsmethoden omdat deze verschillende voordelen biedt, zoals een kortere verwerkingstijd, een hogere efficiëntie en de mogelijkheid om de natuurlijke eigenschappen en smaken van het voedsel te behouden. Deze methode wordt gebruikt voor een breed scala aan voedingsmiddelen, zoals sauzen, sappen, zuivelproducten, eieren en vlees, om hun houdbaarheid te verlengen en hun veiligheid te waarborgen.

De ultrasone extractie- en conserveringstechniek heeft de voorkeur boven traditionele extractie- en conserveringsmethoden omdat deze verschillende voordelen biedt, zoals snellere extractie, uitstekende productkwaliteit, hogere opbrengst, een zuiver mechanische niet-thermische behandeling en de mogelijkheid om een breder scala aan verbindingen te extraheren. Deze techniek wordt gebruikt in uiteenlopende industrieën, zoals de voedingsmiddelen- en drankenindustrie, de farmaceutische industrie en de cosmetica-industrie.

Ultrasone extractie van plantaardig materiaal levert hogere opbrengsten op. De Hielscher UIP2000hdT, een homogenisator van 2000 watt, is krachtig genoeg om eenvoudig batches van 10 liter tot 120 liter te extraheren.

Ultrasone extractie van eiwitten en enzymen

Met name de extractie van enzymen en eiwitten die in cellen en subcellulaire deeltjes zijn opgeslagen, is een unieke en effectieve toepassing van ultrageluid met hoge intensiteit, aangezien de extractie met een oplosmiddel van organische verbindingen die zich in planten en zaden bevinden aanzienlijk kan worden verbeterd. Ultrageluid kan daarom voordelen bieden bij de extractie en isolatie van nieuwe, potentieel bioactieve componenten, bijvoorbeeld uit onbenutte bijproductstromen die bij huidige processen ontstaan. Ultrageluid kan ook helpen om de effecten van enzymbehandeling te versterken en zo de benodigde hoeveelheid enzym te verminderen of de opbrengst van extraheerbare relevante verbindingen te verhogen.

Ultrasone extractie van lipiden en eiwitten

Sonicatie wordt vaak gebruikt om de extractie van lipiden en eiwitten uit plantenzaden te verbeteren, zoals sojabonen (bijvoorbeeld meel of ontvette sojabonen) of andere oliehoudende zaden. In dit geval vergemakkelijkt de vernietiging van de celwanden het persen (koud of warm), waardoor minder olie of vet in de perskoek achterblijft.

De invloed van continue ultrasone extractie op de opbrengst van gedispergeerd eiwit werd aangetoond door Moulton et al. Sonicatie verhoogde de terugwinning van gedispergeerd eiwit geleidelijk naarmate de verhouding tussen vlokken en oplosmiddel veranderde van 1:10 naar 1:30. Hieruit bleek dat ultrageluid soja-eiwit kan peptiseren bij vrijwel elke commerciële verwerkingscapaciteit en dat de benodigde sonicatie-energie het laagst was wanneer dikkere slurries werden gebruikt.

Ultrasone isolatie van fenolische verbindingen en anthocyanen

Enzymen, zoals pectinasen, cellulasen en hemicellulasen, worden veelvuldig gebruikt bij de verwerking van sap om celwanden af te breken en de winbaarheid van het sap te verbeteren. Het openbreken van de celwandmatrix maakt ook componenten, zoals fenolische verbindingen, vrij in het sap. Ultrageluid verbetert het extractieproces en kan daardoor leiden tot een hogere opbrengst van fenolische verbindingen, alkaloïden en sap die doorgaans in de perskoek achterblijven.

De gunstige effecten van ultrasone behandeling op het vrijkomen van fenolische verbindingen en anthocyanen uit de druiven- en bessenmatrix in sap, met name uit blauwe bosbessen (Vaccinium myrtillus) en zwarte bessen (>Ribes nigrum), werden onderzocht door VTT Biotechnology, Finland, met behulp van een ultrasone processor UIP2000hd na ontdooien, fijnmaken en enzymatische incubatie. Het openbreken van de celwanden door enzymatische behandeling (Pectinex BE-3L voor blauwe bosbessen en Biopectinase CCM voor zwarte bessen) werd verbeterd wanneer deze werd gecombineerd met ultrageluid. “US-behandeling verhoogt de concentratie fenolische verbindingen in bosbessensap met meer dan 15%. […] De invloed van US (ultrageluid) was groter bij zwarte bessen, die bij de sapverwerking meer uitdagingen opleveren dan blauwe bosbessen vanwege hun hoge pectinegehalte en hun andere celwandstructuur. […] de concentratie fenolische verbindingen in het sap steeg met 15–25% door toepassing van US-behandeling (ultrageluid) na enzymatische incubatie.” (vgl. Mokkila et al., 2004)

In deze presentatie laten we u kennismaken met de productie van plantaardige extracten. We leggen uit welke uitdagingen er zijn bij het produceren van hoogwaardige plantaardige extracten en hoe een sonicator u kan helpen deze te overwinnen. Deze presentatie laat zien hoe ultrasone extractie werkt. U leert welke voordelen een sonicator bij extractie biedt en hoe u een ultrasone extractor in uw extractproductie kunt integreren.

Inactivatie van micro-organismen en enzymen

De inactivatie van micro-organismen en enzymen (conservering), bijvoorbeeld in vruchtensappen en sauzen, is een andere toepassing van ultrageluid in de voedselverwerking. Tegenwoordig is conservering door kortstondige temperatuurverhoging (pasteurisatie) nog steeds de meest gangbare verwerkingsmethode voor de inactivatie van micro-organismen of enzymen die tot een langere houdbaarheid leidt (conservering). Door de blootstelling aan hoge temperaturen brengt conventionele thermische pasteurisatie vaak nadelen voor voedingsmiddelen met zich mee.
De vorming van nieuwe stoffen door warmtegekatalyseerde reacties en de verandering van macromoleculen, evenals de vervorming van plantaardige en dierlijke structuren, kunnen tot kwaliteitsverlies leiden. Thermische behandeling kan daarom ongewenste veranderingen veroorzaken in sensorische eigenschappen, zoals textuur, smaak, kleur en geur, en in de voedingswaarde, zoals vitaminen en eiwitten. Ultrageluid is een efficiënt niet-thermisch alternatief voor (minimale) verwerking.

In tegenstelling tot conventionele warmtebehandelingen gebruikt ultrasone conservering de energie en afschuifkrachten van akoestische cavitatie om enzymen te inactiveren. Bij voldoende lage sonicatieniveaus kunnen structurele en metabolische veranderingen in cellen optreden zonder dat deze worden vernietigd. De activiteit van peroxidase, dat in de meeste rauwe en ongeblancheerde groenten en vruchten voorkomt en met name in verband kan worden gebracht met de ontwikkeling van afwijkende smaken en bruiningspigmenten, 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 effectiever worden geïnactiveerd door de gelijktijdige toepassing van ultrageluid, warmte en druk (MTS).

Ultrageluid heeft zijn potentieel aangetoond voor het vernietigen van voedseloverdraagbare ziekteverwekkers, zoals E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium-cysten en Poliovirus.

Toepasbaar op: conservering van jam, marmelade of toppings, vruchtensappen en sauzen, vleesproducten, zuivel en ijs.

Sonicatoren van Hielscher kunnen vloeibare eiproducten (hele eieren, eiwitten, eidooiers) homogeniseren en pasteuriseren om de voedselveiligheid en mechanische stabiliteit te waarborgen. Ultrasone homogenisatoren van Hielscher leveren intense cavitatie en hoge schuifkrachten om micro-organismen te doden. Ultrasone pasteurisatie is een zeer effectief en efficiënt alternatief voor pasteurisatie bij lage temperaturen. Vloeibaar ei dat ultrasoon is gepasteuriseerd, vertoont minder eiwitdenaturatie, minder smaakverlies, een betere homogeniteit en een aanzienlijk hogere energie-efficiëntie.

Synergieën van ultrageluid met temperatuur en druk

Sonicatie is vaak effectiever wanneer deze wordt gecombineerd met andere antimicrobiële methoden, zoals:

thermosonicatie, d.w.z. warmte en ultrageluid
manosonicatie, d.w.z. druk en ultrageluid
manothermosonicatie, 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.

Ultrageluid versus andere technieken voor voedselconservering

In tegenstelling tot andere thermische en niet-thermische processen, zoals hogedrukhomogenisatie, thermische pasteurisatie, hogedrukverwerking (HPP), gecomprimeerd koolstofdioxide (cCO2) en superkritisch koolstofdioxide (ScCO2), pulsen met een hoog elektrisch veld (HELP) of microgolven, kan ultrageluid eenvoudig op laboratorium- of tafelapparaatschaal worden getest – wat reproduceerbare resultaten voor opschaling oplevert. De intensiteit en de cavitatiekenmerken kunnen eenvoudig worden aangepast aan het specifieke extractieproces om gerichte doelstellingen te bereiken. Amplitude en druk kunnen over een breed bereik worden gevarieerd, bijvoorbeeld om de meest energie-efficiënte extractieopstelling te bepalen.

Andere voordelen van ultrasone extractie met een sonde zijn de eenvoudige hantering van het extract, de snelle uitvoering, de afwezigheid van residuen, de hoge opbrengst, de milieuvriendelijkheid, de verbeterde kwaliteit en het voorkomen van afbraak van het extract.
(vgl. Chemat et al., 2011)

Voordelen van ultrasone voedselverwerking

Volledigere extractie
Niet-thermische conservering
Hogere opbrengsten
Hoog gehalte aan voedingsstoffen, eersteklas voedselkwaliteit
Snel proces
Koud / niet-thermisch proces
Eenvoudig en veilig te bedienen
Weinig onderhoud

Sonicators met hoge prestaties voor extractie en conservering

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert sonicators met hoge prestaties voor efficiënte extractie en conservering. Het gebruik van ultrasone apparatuur van Hielscher voor extractie en voedselconservering is een krachtige verwerkingstechnologie die niet alleen veilig en milieuvriendelijk, maar ook efficiënt en economisch kan worden toegepast. Het homogeniserende en conserverende effect kan eenvoudig worden benut voor elk vloeibaar of pasta-achtig voedingsmiddel, waaronder vruchtensappen en vruchtenpurees (bijvoorbeeld sinaasappel, appel, grapefruit, mango, druif en pruim), evenals groentesauzen en -soepen (bijvoorbeeld tomatensaus of aspergesoep), zuivel, eieren en vlees.
Ons assortiment ultrasone homogenisatoren en extractoren loopt uiteen van draagbare handapparaten tot volledig industriële productiesystemen voor de inlineverwerking van grote volumes op commerciële schaal.

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

Sonicators van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze sonicators in industriële installaties mogelijk. Sonicators van Hielscher kunnen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen gemakkelijk aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicators met hoge prestaties met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen sonicators van Hielscher aan de CE-eisen en aan de vereisten van UL, CSA en RoHs.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicators:

Batchvolume	Debiet	Aanbevolen apparaten
0,5 tot 1,5mL	n.v.t.	VialTweeter
1 tot 500mL	10 tot 200mL/min	UP100H
10 tot 2000mL	20 tot 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 tot 20L	0,2 tot 4L/min	UIP2000hdT
10 tot 100L	2 tot 10L/min	UIP4000hdT
15 tot 150L	3 tot 15L/min	UIP6000hdT
n.v.t.	10 tot 100L/min	UIP16000
n.v.t.	hoger	cluster van UIP16000

Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!

Verwante onderwerpen

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.

Wetenswaardigheden

Ultrasone celdesintegratie

Bij intense sonicatie kunnen enzymen of eiwitten uit cellen of subcellulaire organellen vrijkomen als gevolg van celdesintegratie. In dit geval bevindt de verbinding die in een oplosmiddel moet worden opgelost zich in een onoplosbare structuur. Om deze te extraheren, moet het celmembraan worden vernietigd. Celontsluiting is een gevoelig proces, omdat de celwand bestand is tegen een hoge osmotische druk binnen de cel. Een goede beheersing van de celontsluiting is nodig om te voorkomen dat alle intracellulaire producten, waaronder celresten en nucleïnezuren, ongehinderd vrijkomen of dat het product denatureert.
Sonicatie dient als een goed beheersbaar middel voor celdesintegratie. De mechanische effecten van ultrageluid zorgen hierbij voor een snellere en volledigere penetratie van het oplosmiddel in celmateriaal en verbeteren de massaoverdracht. Ultrageluid zorgt voor een diepere penetratie van een oplosmiddel in plantenweefsel en verbetert de massaoverdracht. Ultrasone golven die cavitatie genereren, breken celwanden open en vergemakkelijken het vrijkomen van matrixcomponenten.

Ultrasoon verbeterde massaoverdracht bevordert extractie

In het algemeen kan ultrageluid celmembranen doorlaatbaarder maken voor ionen en de selectiviteit van de celmembranen aanzienlijk verminderen. De mechanische werking van ultrageluid bevordert de diffusie van oplosmiddelen in het weefsel. Doordat ultrageluid de celwand mechanisch openbreekt door de afschuifkrachten van cavitatie, vergemakkelijkt het de overdracht vanuit de cel naar het oplosmiddel. De verkleining van de deeltjes door ultrasone cavitatie vergroot het contactoppervlak tussen de vaste en de vloeibare fase.

Ultrasone lysis en inactivatie van E.coli

Voor de productie van kleine hoeveelheden recombinante eiwitten om hun biologische eigenschappen te bestuderen en te karakteriseren, is E.coli de bacterie bij uitstek. Zuiveringstags, bijvoorbeeld een polyhistidinestaart, bèta-galactosidase of maltosebindende eiwitten, worden doorgaans aan recombinante eiwitten gekoppeld om ze van celextracten te kunnen scheiden met een zuiverheid die voor de meeste analytische doeleinden voldoende is. Sonicatie maakt het mogelijk de afgifte van eiwitten te maximaliseren, met name wanneer de productieopbrengst laag is, en de structuur en activiteit van het recombinante eiwit te behouden.

Ultrasone oxidatie

Bij gecontroleerde intensiteiten kan de toepassing van ultrageluid bij biotransformatie en fermentatie heel goed tot een verbeterde bioprocesvoering leiden, door de opgewekte biologische effecten en de vergemakkelijkte cellulaire massaoverdracht. De invloed van de gecontroleerde toepassing van ultrageluid (20kHz) 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 kenmerkend voor microbiële omzettingen van sterolen en steroïden, doordat het substraat en de producten in water onoplosbare vaste stoffen zijn. Dit systeem is daarom vrij uniek, aangezien zowel de cellen als de vaste stoffen aan het effect van ultrageluid kunnen worden blootgesteld. Bij een voldoende lage ultrasone intensiteit, die de structurele integriteit van de cellen behield en hun metabolische activiteit in stand hield, nam Bar een aanzienlijke toename waar van de kinetische snelheden van de biotransformatie in microbiële slurries met 1,0 en 2,5 g/L cholesterol, wanneer deze elke 10mn gedurende 5s werden gesoniceerd met een uitgangsvermogen van 0,2W/cm². Ultrageluid had geen effect op de enzymatische oxidatie van cholesterol (2,5g/L) door cholesteroloxidase.

Wat is hogedrukverwerking bij voedselconservering?

Hogedrukverwerking (HPP) is een niet-thermische techniek voor voedselconservering die micro-organismen en enzymen inactiveert, terwijl de sensorische eigenschappen en voedingswaarde van het product behouden blijven. Hierbij worden verpakte voedingsmiddelen gedurende seconden tot minuten blootgesteld aan hydrostatische drukken die doorgaans tussen 300 en 600 MPa (megapascal) liggen. Een grote uitdaging bij hogedrukverwerking is het zeer hoge energieverbruik. Lees meer over hoe sonicatie kan helpen de energiebehoefte van HPP te verminderen!