Ultrasone extractie en conservering
Ultrasone extractie en conservering maakt gebruik van ultrageluid voor het uiteenvallen van celstructuren (lysis). Het breken van cellen met ultrasoon geluid resulteert in zeer efficiënte extractie van intracellulaire verbindingen en microbiële inactivatie. Vanwege de vele voordelen wordt ultrasoon op grote schaal gebruikt voor extractie en conservering in de voedingsmiddelenindustrie. Lees meer over de voordelen van ultrasone extractie en voedselverwerking!
Krachtig ultrageluid voor de extractie en conservering van voedingsmiddelen en planten
Ultrasone extractie: Ultrasone extractie is een proces waarbij geluidsgolven met een hoge frequentie worden gebruikt om verbindingen te extraheren uit verschillende materialen zoals planten, fruit en groenten. Het proces omvat het gebruik van ultrasone golven om bellen onder hoge druk te creëren in een vloeibaar of halfvast materiaal, die snel in elkaar klappen en intense hitte en druk genereren 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 fenomeen dat akoestische cavitatie wordt genoemd. Wanneer een vloeistof wordt blootgesteld aan ultrasone golven met een hoge intensiteit en lage frequentie (ongeveer 20 kHz), genereert dit drukgolven die minuscule vacuümbelletjes in de vloeistof creëren. Deze belletjes worden groter naarmate de intensiteit van het ultrageluid toeneemt en wanneer ze een bepaalde grootte bereiken, storten ze plotseling en heftig in elkaar, waarbij een schokgolf wordt gegenereerd en energie vrijkomt in de vorm van warmte en druk.
Dit proces veroorzaakt 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.
Ultrasone UP400St voor de efficiënte niet-thermische extractie van plantaardig materiaal.
Ultrasone conservering: Ultrasone conservering is gebaseerd op dezelfde cavitatie-effecten als ultrasone extractie. Voor conservering wordt ultrageluid toegepast om de houdbaarheid van bederfelijk voedsel te verlengen door geluidsgolven met een hoge frequentie te gebruiken om de groei van micro-organismen die bederf veroorzaken te remmen. Het proces houdt in dat het voedsel wordt blootgesteld aan ultrasone golven die de celwanden van bacteriën, gisten en schimmels verstoren, waardoor ze worden vernietigd of geremd.
Dit proces veroorzaakt mechanische verstoring van de celwanden van micro-organismen, waardoor ze vernietigd of geremd worden. Ultrasone golven kunnen ook de doorlaatbaarheid van celmembranen vergroten, waardoor conserveringsmiddelen en andere antimicrobiële middelen kunnen binnendringen en de micro-organismen effectiever 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 voedingsmiddelen zoals sauzen, sappen, zuivelproducten, eieren en vlees om de houdbaarheid te verlengen en de veiligheid te garanderen.
De ultrasone extractie- en conserveringstechniek geniet de voorkeur boven traditionele extractie- en conserveringsmethoden omdat deze verschillende voordelen biedt, zoals snellere extractiesnelheden, uitstekende productkwaliteit, hogere opbrengst, zuiver mechanische niet-thermische behandeling en de mogelijkheid om een breder scala aan verbindingen te extraheren. Het wordt gebruikt in een groot aantal industrieën zoals de voedingsmiddelen- en drankenindustrie, de farmaceutische industrie en cosmetica.
Krachtige ultrasone cavitatie bij Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ultrasone eiwit- en enzymextractie
Met name de extractie van enzymen en eiwitten die zijn opgeslagen in cellen en subcellulaire deeltjes is een unieke en effectieve toepassing van ultrageluid met hoge intensiteit. Ultrasoon geluid heeft daarom een potentieel voordeel bij de extractie en isolatie van nieuwe potentieel bioactieve componenten, bijvoorbeeld uit niet-gebruikte bijproductstromen die ontstaan in huidige processen. 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
Ultrasoon wordt vaak gebruikt om de extractie van lipiden en eiwitten uit plantenzaden, zoals sojabonen (bijvoorbeeld meel of ontvette sojabonen) of andere oliehoudende zaden, te verbeteren. In dit geval vergemakkelijkt de vernietiging van de celwanden het persen (koud of warm) en vermindert zo de resterende olie of vet in de perskoek.
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 vlok/oplosmiddelverhouding veranderde van 1:10 tot 1:30. Het toonde aan dat ultrageluid in staat is om soja-eiwit te peptiseren bij bijna elke commerciële verwerkingscapaciteit en dat de vereiste sonificatie-energie het laagst was wanneer dikkere slurries werden gebruikt.
Ultrasone isolatie van fenolverbindingen en anthocyanen
Enzymen, zoals pectinases, cellulases en hemicellulases worden veel gebruikt bij het verwerken van sap om celwanden af te breken en de extraheerbaarheid van het sap te verbeteren. Door de verstoring van de celwandmatrix komen er ook bestanddelen, zoals fenolverbindingen, vrij in het sap. Ultrasoon geluid verbetert het extractieproces en kan daarom leiden tot een verhoging van de fenolische bestanddelen, alkaloïden en sapopbrengst, die gewoonlijk achterblijven 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. “Behandeling in de VS verhoogt de concentratie fenolische verbindingen van bosbessensap met meer dan 15%. […] De invloed van US (ultrageluid) was significanter bij zwarte bessen, die een grotere uitdaging vormen bij het verwerken van sap dan bosbessen vanwege hun hoge gehalte aan pectine en verschillende celwandarchitectuur. […De concentratie fenolische verbindingen in het sap nam met 15-25% toe door het gebruik van US (ultrageluid) behandeling na enzymaccubatie.” (vgl. Mokkila et al., 2004)
Ultrasone UIP6000hdT in een industriële installatie voor continue extractie.
Microbiële en enzyminactivatie
Microbiële inactivatie en inactivering van enzymen (conservering), bijvoorbeeld in vruchtensappen en sauzen, is een andere toepassing van ultrageluid in de voedselverwerking. Vandaag de dag is conservering door temperatuurverhoging gedurende korte perioden (pasteurisatie) nog steeds de meest gebruikelijke verwerkingsmethode voor microbiële of enzyminactivatie die leidt tot een langere houdbaarheid (conservering). Vanwege de blootstelling aan hoge temperaturen heeft de conventionele thermische pasteurisatie vaak nadelen voor voedselproducten.
De productie van nieuwe stoffen uit hittegekatalyseerde reacties, de wijziging van macromoleculen en de vervorming van plantaardige en dierlijke structuren kunnen leiden tot kwaliteitsverlies. Daarom kan thermische behandeling ongewenste veranderingen van sensorische eigenschappen veroorzaken, zoals textuur, smaak, kleur, geur en voedingswaarde, zoals vitaminen en proteïnen. Ultrasoon geluid is een efficiënt niet-thermisch (minimaal) 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 cellen optreden zonder dat ze vernietigd worden. De activiteit van Peroxidase, dat wordt aangetroffen in de meeste rauwe en ongeblancheerde vruchten en groenten en in het bijzonder in verband kan worden gebracht met de ontwikkeling van off-flavors en bruinverkleurende pigmenten, kan aanzienlijk worden verminderd door het gebruik van ultrageluid. Thermoresistente enzymen, zoals lipase en protease, die bestand zijn tegen behandeling bij ultrahoge temperaturen 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 in de vernietiging van door voedsel overgedragen ziekteverwekkers, zoals E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium-cysten en poliovirus.
Toepasbaar voor: conservering van jam, marmelade of toppings, vruchtensappen en -sauzen, vleesproducten, zuivel en ijs.
Synergieën van ultrageluid met temperatuur en druk
Ultrasoon is vaak effectiever in combinatie met andere antimicrobiële methoden, zoals:
- thermosonicatie, d.w.z. warmte en ultrageluid
- mano-sonatie, d.w.z. druk en ultrageluid
- mano-thermo-sonicatie, d.w.z. druk, hitte 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 hogedrukhomogenisatie, hittepasteurisatie, hogedrukverwerking (HPP), gecomprimeerd kooldioxide (cCO2) en superkritisch kooldioxide (ScCO2), hoge elektrische veldpulsen (HELP) of microgolven, kan ultrageluid eenvoudig worden getest in laboratoria of op laboratoriumschaal. – het genereren van reproduceerbare resultaten voor opschaling. De intensiteit en de cavitatiekarakteristieken kunnen gemakkelijk worden aangepast aan het specifieke extractieproces om specifieke doelstellingen te bereiken. Amplitude en druk kunnen worden gevarieerd binnen een breed bereik, bijvoorbeeld om de meest energie-efficiënte extractieopstelling te bepalen.
Andere voordelen die verbonden zijn aan het gebruik van ultrasone sonde-extractie zijn eenvoudige hantering van het extract, snelle uitvoering, geen residuen, hoge opbrengst, milieuvriendelijk, verbeterde kwaliteit en het voorkomen van afbraak van het extract.
(vgl. Chemat et al., 2011)
- Volledigere extractie
- Niet-thermische conservering
- hogere opbrengsten
- Hoge voedingsstoffen, eersteklas voedselkwaliteit
- snelle procedure
- Koud / niet-thermisch proces
- eenvoudig en veilig te bedienen
- gering onderhoud
Ultrasoonapparaten met hoge prestaties 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 eenvoudig worden gebruikt voor alle vloeibare of pasta-achtige voedingsmiddelen, waaronder vruchtensappen en -purees (bijv. sinaasappel, appel, grapefruit, mango, druif, pruim) en voor groentesauzen en soepen (bijv. tomatensaus of aspergesoep), zuivel, eieren en vlees.
Ons assortiment ultrasone homogenisatoren en extractors varieert van draagbare handapparaten tot volledig industriële productiesystemen voor de inline verwerking van grote volumes op commerciële schaal.
Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany
Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.
Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0.5 tot 1.5mL | n.v.t. | VialTweeter | 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren 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.
Wetenswaardigheden
Ultrasone celdesintegratie
Onder intense sonicatie kunnen enzymen of eiwitten vrijkomen uit cellen of subcellulaire organellen als gevolg van celdesintegratie. In dit geval is de verbinding die in een oplosmiddel moet worden opgelost 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, inclusief celdébris en nucleïnezuren, ongehinderd vrijkomen of dat het product denatureert.
Ultrasoon geluid dient als een goed controleerbaar middel voor celdesintegratie. Hierbij zorgen de mechanische effecten van ultrageluid voor een snellere en volledigere penetratie van het oplosmiddel in cellulaire materialen en verbeteren ze de massaoverdracht. Ultrasoon geluid zorgt voor een grotere penetratie van een oplosmiddel in een plantenweefsel en verbetert de massaoverdracht. Ultrasone golven die cavitatie genereren, verstoren de celwanden en vergemakkelijken het vrijkomen van matrixcomponenten.
Ultrasoon verbeterde massaoverdracht bevordert extractie
In het algemeen kan ultrageluid leiden tot een permeabilisatie van celmembranen voor ionen en het kan de selectiviteit van de celmembranen aanzienlijk verminderen. De mechanische activiteit van ultrageluid ondersteunt de diffusie van oplosmiddelen in het weefsel. Omdat ultrageluid de celwand mechanisch breekt door de cavitatieschuifkrachten, vergemakkelijkt het de overdracht van de cel naar het oplosmiddel. De verkleining van de deeltjesgrootte door ultrasone cavitatie vergroot het contactoppervlak tussen de vaste en vloeibare fase.
Ultrasone lyse en inactivering van E.coli
Om kleine hoeveelheden recombinante eiwitten te produceren voor het bestuderen en karakteriseren van hun biologische eigenschappen, is E.coli de bacterie bij uitstek. Zuiveringstags, zoals polyhistidine, bèta-galactosidase of maltosebindende eiwitten, worden vaak aan recombinante eiwitten toegevoegd om ze scheidbaar te maken van celextracten met een zuiverheid die voldoende is voor de meeste analytische doeleinden. Ultrasoonbehandeling maakt het mogelijk om het vrijkomen van eiwitten te maximaliseren, met name wanneer de productieopbrengst laag is, en om de structuur en activiteit van het recombinante eiwit te behouden.
Ultrasone oxidatie
Bij gecontroleerde intensiteiten kan de toepassing van ultrageluid op biotransformatie en fermentatie resulteren in een verbeterde bioprocessing, als gevolg van geïnduceerde biologische effecten en als gevolg van 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 typerend voor microbiële transformaties 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 onderworpen kunnen worden aan het effect van ultrageluid. Bij een voldoende lage ultrasone intensiteit die de structurele integriteit van de cellen behield en hun metabolische activiteit in stand hield, observeerde Bar een significante verbetering in de kinetische snelheden van de biotransformatie in microbiële slurries van 1,0 en 2,5 g/L cholesterol wanneer er elke 10 minuten gedurende 5s gesoneerd werd met een uitgangsvermogen van 0,2W/cm². Ultrasoon geluid had geen effect op de enzymatische oxidatie van cholesterol (2,5 g/L) door cholesteroloxidase.
Wat is hogedrukverwerking bij het conserveren van voedsel?
Hogedrukverwerking (HPP) is een niet-thermische voedselconserveringstechniek die micro-organismen en enzymen inactiveert terwijl de sensorische en voedingskwaliteiten van het product behouden blijven. Hierbij wordt verpakt voedsel gedurende seconden tot minuten blootgesteld aan een hydrostatische druk die meestal tussen 300 en 600 MPa (megapascal) ligt. Een grote uitdaging bij het verwerken onder hoge druk is het zeer hoge energieverbruik. Lees meer over hoe sonicatie kan helpen om de energiebehoefte van HPP te verminderen!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.