Hielscher ultralydteknologi

Ultrasonisk Ekstraksjon og bevaring

Oppløsning av cellestrukturer (lys) ved hjelp av ultralyd brukes til ekstraksjon av intracellulære forbindelser eller for mikrobiell inaktivering.

Bakgrunn

I mikrobiologi er ultralyd primært forbundet med celleforstyrrelse (lysis) eller oppløsning (Allinger 1975). Når lydbølger lydes med høye intensiteter, resulterer lydbølgene som forplanter seg i væskemediene i alternerende høytrykks (kompresjons) og lavtrykkssykluser, med frekvenser avhengig av frekvensen.
Under lavtrykkssyklusen oppretter høy-intensitets ultralydbølger små vakuumbobler eller hulrom i væsken. Når boblene oppnår et volum der de ikke lenger kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en høytrykkssyklus. Dette fenomenet kalles kavitasjon. Under implosjonen oppnås svært høye temperaturer (ca. 5.000K) og trykk (ca. 2.000atm) lokalt. Implosjonen av kavitasjonsboblen resulterer også i flytende stråler med en hastighet på opptil 280m / s. De resulterende forskyvningskrefter bryter cellehyllen mekanisk og forbedrer materialoverføringen. Ultralyd kan ha enten destruktive eller konstruktive effekter på celler, avhengig av sonikasjonsparametrene som brukes.

celle oppløsning

Under intens lydbehandling kan enzymer eller proteiner frigjøres fra celler eller subcellulære organeller som følge av celle oppløsning. I dette tilfelle er forbindelsen som skal oppløses i et løsningsmiddel innelukket i en uoppløselig struktur. For å trekke ut det, må cellemembranen bli ødelagt. Celleforstyrrelser er en sensitiv prosess, fordi celleveggens evne til å motstå høyt osmotisk trykk inni. God kontroll av celleforstyrrelsen er nødvendig for å unngå uhindret frigjøring av alle intracellulære produkter, inkludert celleavfall og nukleinsyrer eller produktgenaturering.
Ultralyd fungerer som et godt kontrollerbart middel for celledisponering. For dette gir de mekaniske effektene av ultralyd raskere og mer fullstendig penetrasjon av løsningsmiddel i cellulære materialer og forbedrer masseoverføring. Ultralyd oppnår større penetrering av et løsningsmiddel i et plantevev og forbedrer massoverføringen. Ultralydbølger som genererer kavitasjon, forstyrrer cellevegger og letter frigjøringen av matrikskomponenter.

Massoverføring

Generelt kan ultralyd føre til permeabilisering av cellemembraner til ioner (Mummery 1978), og det kan redusere selektiviteten av cellemembranene betydelig. Den mekaniske aktiviteten til ultralydet støtter diffusjonen av løsningsmidler i vevet. Som ultralyd bryter cellevegget mekanisk av kavitasjonskjærkraftene, letter det overføringen fra cellen til løsningsmidlet. Partikkelstørrelsesreduksjonen ved ultralydkavitasjon øker overflaten i kontakt mellom faststoffet og væskefasen.

Protein- og enzymekstraksjon

Spesielt er ekstraksjonen av enzymer og proteiner lagret i celler og subcellulære partikler en unik og effektiv anvendelse av ultralyd med høy intensitet (Kim 1989), da ekstraksjonen av organiske forbindelser inneholdt i kroppen av planter og frø med et løsningsmiddel kan forbedres betraktelig. Derfor har ultralyd en potensiell fordel ved utvinning og isolering av nye potensielt bioaktive komponenter, f.eks. Fra ikke-benyttede biproduktstrømmer dannet i dagens prosesser. Ultralyd kan også bidra til å intensivere effekten av enzymbehandling, og dermed redusere mengden enzym som trengs eller øke utbyttet av ekstraherbare relevante forbindelser.

Lipider og proteiner

Ultralydbehandling brukes ofte til å forbedre ekstraksjonen av lipider og proteiner fra plantefrø, som for eksempel soyabønner (f.eks. Mel eller avfettet soyabønner) eller andre oljefrø. I dette tilfellet letter ødeleggelsen av celleveggene å trykke (kald eller varmt) og derved reduserer gjenværende olje eller fett i pressekaken.

Påvirkningen av kontinuerlig ultralydutvinning til utbyttet av dispergert protein ble demonstrert ved Moulton et al. Sonikering økte utvinningen av dispergert protein progressivt ettersom flak / løsningsmiddelforholdet endret fra 1:10 til 1:30. Det viste at ultralyd er i stand til å peptisere soyaprotein ved nesten enhver kommersiell gjennomstrømning, og at den nødvendige sonikeringsenergien var den laveste, når tykkere slurries ble brukt. (Moulton et al. 1982)

Gjelder for: Citrusolje fra frukt, oljeutvinning fra jordens sennep, peanøt, raps, urteolje (echinacea), canola, soya, mais

Frigivelse av fenolforbindelser og antocyaniner

Enzymer, som pektinaser, cellulaser og hemicellulaser, brukes i stor grad i juicebehandling for å nedbryte cellevegger og forbedre saftens ekstraherbarhet. Forstyrrelsen av celleveggmatrisen frigjør også komponenter, som fenolforbindelser i juice. Ultralyd forbedrer ekstraksjonsprosessen og kan derfor føre til en økning i fenolforbindelsen, alkaloider og juiceutbytte, vanligvis igjen i pressekaken.

De gunstige effektene av ultralydbehandling på frigjøring av fenoliske forbindelser og anthocyaniner fra drue og bærmatrise, spesielt fra blåbær (Vaccinium myrtillus) og solbær (Ribes nigrum) i juice, ble undersøkt av VTT Bioteknologi, Finland (MAXFUN EU-prosjekt) bruker en Ultralydsprosessor UIP2000hd etter tining, mashing og enzyminkubasjon. Forstyrrelsen av celleveggene ved enzymatisk behandling (Pectinex BE-3L for bilbær og Biopectinase CCM for solbær) ble forbedret når kombinert med ultralyd. “USAs behandling øker konsentrasjonen av fenoliske forbindelser av blåbærjuice med mer enn 15%. […] USAs påvirkning (ultralyd) var mer signifikant med solbær, som er mer utfordrende bær i juicebehandling enn blåbær på grunn av deres høye innhold av pektin og annen celleveggarkitektur. […] konsentrasjonen av fenolforbindelser i saften økte med 15-25% ved bruk av amerikansk (ultralyd) behandling etter enzyminkubasjon.” (Mokkila et al. 2004)

Mikrobiell og enzyminaktivering

Mikrobiell og enzym-inaktivering (bevaring), f.eks. I fruktjuicer og sauser, er en annen anvendelse av ultralyd i matbehandlingen. I dag er bevaring ved høy temperaturoppvarming i korte perioder (Pasteurization) fortsatt den vanligste prosesseringsmetoden for mikrobiell eller enzym-inaktivering som fører til lengre holdbarhetstid (bevaring). På grunn av eksponering for høy temperatur har denne termiske metoden ofte ulemper for mange matvarer.
Produksjonen av nye stoffer fra varmekatalyserte reaksjoner og modifikasjon av makromolekyler samt deformering av plante- og dyrestrukturer kan reduseres med tap av kvalitet. Derfor kan termisk behandling forårsake uønskede endringer av sensoriske egenskaper, dvs. tekstur, smak, farge, lukt og næringsegenskaper, dvs. vitaminer og proteiner. Ultralyd er et effektivt, ikke-termisk (minimal) behandlingsalternativ.

Varme generert lokalt av kavitasjonen og de opprettede radikaler kan føre til inaktivering av enzymer ved sonikering (El'piner 1964). Ved tilstrekkelig lave nivåer av sonikering kan strukturelle og metabolske forandringer forekomme i celler uten ødeleggelse. Aktiviteten til peroksidase, som finnes i de fleste rå og ublankede frukter og grønnsaker, og som kan være spesielt knyttet til utviklingen av smaker og brunepigmenter, kan reduseres vesentlig ved bruk av ultralyd. Termoresistente enzymer, som lipase og protease som tåler ultrahøytemperaturbehandling, og som kan redusere kvaliteten og holdbarheten til varmebehandlet melk og andre dagboksprodukter, kan inaktiveres mer effektivt ved samtidig bruk av ultralyd, varme og trykk (MTS).

Ultralyd har vist sitt potensial i ødeleggelsen av matbårne patogener, som E coli, Salmonella, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium cyster, og poliovirus.

Gjelder for: konservering av syltetøy, syltetøy eller pålegg, for eksempel for is, fruktjuice og sauser, kjøttprodukter, meieri

Synergier av ultralyd med temperatur og trykk

Ultralydbehandling er ofte mer effektiv når kombinert med andre anti-mikrobielle metoder, som for eksempel:

  • termo-sonication, dvs. varme og ultralyd
  • mano-sonication, dvs. trykk og ultralyd
  • mano-termo-sonikering, dvs. trykk, varme og ultralyd

Den kombinerte bruken av ultralyd med varme og / eller trykk anbefales for Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae og Aeromonas hydrophila.

Prosessutvikling

I motsetning til andre ikke-termiske prosesser, slik som høyt hydrostatisk trykk (HP), komprimert karbondioksid (cCO2) og superkritisk karbondioksid (ScCO2) og høye elektriske feltpulser (HELP), kan ultralyd enkelt testes i laboratorie- eller benkeskala – generere reproducerbare resultater for oppskalering. Intensiteten og kavitasjonsegenskapene kan lett tilpasses den spesifikke utvinningsprosessen for å målrette mot bestemte mål. Amplitude og trykk kan varieres i et bredt spekter, for eksempel for å identifisere det mest energieffektive utvinningsoppsettet. Tøffe vev skal gjennomgå macerasjon, sliping eller pulverisering før ultralydbehandling.

E coli

For å produsere små mengder rekombinante proteiner for studien og karakterisering av deres biologiske egenskaper, E coli er bakterien av valget. Renseprodukter, f.eks. Polyhistidinhale, beta-galaktosidase eller maltose-bindende
proteiner, blir ofte forbundet med rekombinante proteiner for å gjøre dem separerbare fra celleekstrakter med en renhet som er tilstrekkelig for de fleste analytiske formål. Ultralydbehandling gjør det mulig å maksimere proteinfrigivelsen, spesielt når produksjonsutbyttet er lavt og for å bevare strukturen og aktiviteten til det rekombinante protein.

Forstyrrelsen av E coli celler for å ekstrahere det totale Chymosin-proteinet ble studert av Kim og Zayas.

Saffron Ekstraksjon

Saffron er kjent som dyreste krydder på verdensmarkedet og preges av sin delikate smak, bitter smak og attraktiv gul farge. Safran krydder er hentet fra den røde stigma av blomst av saffron krokus. Etter tørking brukes disse delene som krydder i mat eller som fargestoff. Den intensive karakteristiske smaken av saffron resulterer spesielt fra tre forbindelser: krokiner, picrocrocin og safranal.

Kadkhodaee og Hemmati-Kakhki har i en studie vist at ultralydbehandling økte ekstraksjonsutbyttet betydelig og reduserte behandlingstiden betydelig. Faktisk var resultatene ved ultralydutvinning påfallende bedre enn ved tradisjonell kaldvannutsugning, som foreslås av ISO. For deres forskning har Kadkhodaee og Hemmati-Kakhki brukt Hielscher's ultralydsenhet UP50H. Beste resultater har blitt oppnådd med pulserende lydbehandling. Dette betyr at korte pulsintervaller var mer effektive enn en kontinuerlig ultralydbehandling.

oksidasjon

Ved kontrollerte intensiteter kan anvendelsen av ultralyd til biotransformasjon og fermentering godt resultere i en forbedret bioprosessering, på grunn av induserte biologiske effekter og på grunn av tilrettelagt cellulær masseoverføring. Påvirkningen av den styrte anvendelsen av ultralyd (20kHz) på oksydasjon av kolesterol til kolestenon ved å hvile celler av Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (tidligere Nocardia erythropolis) ble undersøkt av Bar.

Kolesterol + O2 = cholest-4-en-3-on + H2O2

Dette systemet er typisk for mikrobielle transformasjoner av steroler og steroider ved at substratet og produktene er vannløselige faste stoffer. Derfor er dette systemet ganske unikt ved at både cellene og faststoffene kan være gjenstand for effekten av ultralyd (Stang, 1987). Ved en tilstrekkelig lav ultralydintensitet som opprettholdt cellens strukturelle integritet og opprettholdt sin metabolske aktivitet, observerte Bar en signifikant forbedring i biotransformasjonens kinetiske hastigheter i mikrobielle oppslemninger på 1,0 og 2,5 g / l kolesterol når de sonikeres i 5 sek hver 10 min med en effekt på 0,2 W / cm². Ultralyd viste ingen effekt på cholesteroloksydaseens enzymatiske oksidasjon av kolesterol (2,5 g / l).

Fordelaktig teknologi

Utnyttelsen av ultralydkavitasjon for utvinning og oppbevaring av mat er en ny kraftig prosesseringsteknologi som ikke bare kan brukes trygt og miljøvennlig, men også effektivt og økonomisk. Den homogeniserende og konserverende effekten kan lett brukes til fruktjuicer og pureer (f.eks. Appelsin, eple, grapefrukt, mango, drue, plomme) samt vegetabilske sauser og supper, som tomatsaus eller aspargesuppe.

Be om mer informasjon!

Vennligst bruk skjemaet under, hvis du ønsker å be om ytterligere informasjon om bruk av ultralyd for utvinning og bevaring.









Vær oppmerksom på at Personvernregler.


Litteratur

Allinger, H. (1975): American Laboratory, 7 (10), 75 (1975).

Bar, R. (1987): Ultralydforbedret bioprosesser, i: Bioteknologi og ingeniørfag, vol. 32, Pp. 655-663 (1987).

El'piner, IE (1964): Ultralyd: Fysiske, kjemiske og biologiske effekter (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: Ultralydsekstraksjon av aktive forbindelser fra saffron, i: Internettpublikasjon.

Kim, SM og Zayas, JF (1989): Behandlingsparameter for chymosinekstraksjon ved ultralyd; i J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Kombinere effekt ultralyd med enzymer i berry juice behandling, ved: 2. Int. Conf. Biokatalyse av mat og drikke, 19-22.9.2004, Stuttgart, Tyskland.

Moulton, KJ, Wang, LC (1982): En pilotstudie av kontinuerlig ultralydsekstraksjon av soyabønneprotein, i: Journal of Food Science, Volume 47, 1982.

Mummery, CL (1978): Effekten av ultralyd på fibroblaster in vitro, i: Ph.D. Avhandling, University of London, London, England, 1978.