Ultradźwiękowa ekstrakcja i konserwacja
Ekstrakcja i konserwacja ultradźwiękowa wykorzystuje ultradźwięki mocy do dezintegracji struktur komórkowych (lizy). Rozbijanie komórek za pomocą ultradźwięków skutkuje wysoce wydajną ekstrakcją związków wewnątrzkomórkowych, a także inaktywacją drobnoustrojów. Ze względu na liczne zalety, ultradźwięki są szeroko stosowane do ekstrakcji i konserwacji w przemyśle spożywczym. Dowiedz się więcej o zaletach ekstrakcji ultradźwiękowej i przetwarzania żywności!
Ultradźwięki mocy do ekstrakcji i konserwacji żywności i składników roślinnych
Ekstrakcja ultradźwiękowa: Ekstrakcja ultradźwiękowa to proces wykorzystujący fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości do ekstrakcji związków z różnych materiałów, takich jak rośliny, owoce i warzywa. Proces ten polega na wykorzystaniu fal ultradźwiękowych do tworzenia pęcherzyków pod wysokim ciśnieniem w ciekłym lub półstałym materiale, które szybko zapadają się, generując intensywne ciepło i ciśnienie, które rozbija ściany komórkowe materiału i uwalnia pożądane związki.
Zasada działania ultradźwiękowej ekstrakcji i konserwacji
Podstawowa zasada ekstrakcji ultradźwiękowej opiera się na zjawisku znanym jako kawitacja akustyczna. Gdy ciecz jest wystawiona na działanie fal ultradźwiękowych o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości (ok. 20 kHz), generuje fale ciśnienia, które tworzą małe pęcherzyki próżniowe w cieczy. Pęcherzyki te powiększają się wraz ze wzrostem intensywności ultradźwięków, a gdy osiągną określony rozmiar, zapadają się nagle i gwałtownie, generując falę uderzeniową i uwalniając energię w postaci ciepła i ciśnienia.
Proces ten powoduje mechaniczne rozerwanie ścian komórkowych, uwalniając pożądane związki z materiału do ciekłego rozpuszczalnika. Uwolnione związki można następnie oddzielić od rozpuszczalnika przy użyciu standardowych technik separacji, takich jak filtracja lub wirowanie.
Ultrasonicator UP400St do skutecznej nietermicznej ekstrakcji materiału roślinnego.
Konserwacja ultradźwiękowa: Konserwacja ultradźwiękowa opiera się na tych samych efektach kawitacyjnych, co ekstrakcja ultradźwiękowa. W celu konserwacji, ultradźwięki mocy są stosowane w celu przedłużenia okresu przydatności do spożycia łatwo psującej się żywności poprzez wykorzystanie fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości w celu zahamowania wzrostu mikroorganizmów powodujących psucie się żywności. Proces ten polega na wystawieniu żywności na działanie fal ultradźwiękowych, które rozbijają ściany komórkowe bakterii, drożdży i pleśni, prowadząc do ich zniszczenia lub zahamowania.
Proces ten powoduje mechaniczne rozerwanie ścian komórkowych mikroorganizmów, prowadząc do ich zniszczenia lub zahamowania. Fale ultradźwiękowe mogą również zwiększać przepuszczalność błon komórkowych, umożliwiając konserwantom i innym środkom przeciwdrobnoustrojowym penetrację i skuteczniejsze zabijanie mikroorganizmów.
Konserwacja ultradźwiękowa jest preferowana w stosunku do tradycyjnych metod konserwacji, ponieważ oferuje kilka zalet, takich jak krótszy czas przetwarzania, wyższa wydajność i zdolność do zachowania naturalnych właściwości i smaków żywności. Jest stosowany w szerokiej gamie produktów spożywczych, takich jak sosy, soki, produkty mleczne, jaja i mięso, aby przedłużyć ich okres przydatności do spożycia i zapewnić ich bezpieczeństwo.
Technika ekstrakcji i konserwacji ultradźwiękowej jest preferowana w stosunku do tradycyjnych metod ekstrakcji i konserwacji, ponieważ oferuje kilka zalet, takich jak szybsze tempo ekstrakcji, doskonała jakość produktu, wyższa wydajność, czysto mechaniczna obróbka nietermiczna i zdolność do ekstrakcji szerszego zakresu związków. Jest ona stosowana w wielu gałęziach przemysłu, takich jak przemysł spożywczy, farmaceutyczny i kosmetyczny.
Potężna kawitacja ultradźwiękowa przy Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ultradźwiękowa ekstrakcja białek i enzymów
W szczególności ekstrakcja enzymów i białek przechowywanych w komórkach i cząsteczkach subkomórkowych jest unikalnym i skutecznym zastosowaniem ultradźwięków o wysokiej intensywności, ponieważ ekstrakcja związków organicznych zawartych w ciele roślin i nasion za pomocą rozpuszczalnika może być znacznie poprawiona. Dlatego też ultradźwięki mają potencjalną korzyść w ekstrakcji i izolacji nowych potencjalnie bioaktywnych składników, np. z niewykorzystanych strumieni produktów ubocznych powstających w obecnych procesach. Ultradźwięki mogą również pomóc zintensyfikować efekty obróbki enzymatycznej, a tym samym zmniejszyć ilość potrzebnego enzymu lub zwiększyć wydajność ekstrakcji odpowiednich związków.
Ultradźwiękowa ekstrakcja lipidów i białek
Ultradźwięk jest często używany do poprawy ekstrakcji lipidów i białek z nasion roślin, takich jak soja (np. mąka lub odtłuszczonych soi) lub inne nasiona oleiste. W tym przypadku zniszczenia ścian komórkowych ułatwia prasowanie (zimne lub gorące) i tym samym czacie zmniejsza pozostały olej lub tłuszcz w makuchu.
Wpływ ciągłej ekstrakcji ultradźwiękowej na wydajność zdyspergowanego białka został wykazany przez Moultona i in. Sonikacja stopniowo zwiększała odzysk zdyspergowanego białka, gdy stosunek płatków do rozpuszczalnika zmieniał się od 1:10 do 1:30. Wykazano, że ultradźwięki są zdolne do peptyzacji białka sojowego przy prawie każdej komercyjnej przepustowości i że wymagana energia sonikacji była najniższa, gdy stosowano grubsze zawiesiny.
Ultradźwiękowa izolacja związków fenolowych i antocyjanów
Enzymy, takie jak pektynazy, celulazy i hemicelulazy są powszechnie stosowane w przetwarzaniu soku do degradacji ścian komórkowych i poprawy izolacji soku. Zakłócenie matrycy ściany komórkowej również uwalnia składniki do soku, takie jak związki fenolowe. Ultradźwięk poprawia proces ekstrakcji i dlatego może doprowadzić do wzrostu fenolowych związek, alkaloidów i wydajności soku, który pozostaje normalnie w makuchu.
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. “Stosowanie ultradźwiękiem zwiększa stężenie związków fenolowych w soku z czarnych jagód o więcej niż 15%. […] Wpływ ultradźwięku był bardziej znaczący przy czarnych porzeczkach, przy których przetwarzanie soku jest trudniejsze niż przy borówce z powodu ich wysokiej zawartości pektyny i odmiennej architektury ścian komórkowych. […] stężenie związków fenolowych w soku wzrosła o 15-25% po inkubacji enzymów przy użyciu ultradźwięku.” (por. Mokkila et al., 2004)
Ultradźwiękowiec UIP6000hdT w przemysłowej instalacji ciągłego wydobycia.
Inaktywacja drobnoustrojów i enzymów
Inaktywacja drobnoustrojów i enzymów (konserwacja), np. w sokach owocowych i sosach, to kolejne zastosowanie ultradźwięków w przetwórstwie spożywczym. Obecnie konserwacja poprzez podniesienie temperatury przez krótki okres czasu (pasteryzacja) jest nadal najbardziej powszechną metodą przetwarzania w celu inaktywacji drobnoustrojów lub enzymów, co prowadzi do dłuższego okresu przydatności do spożycia (konserwacja). Ze względu na ekspozycję na wysoką temperaturę, konwencjonalna pasteryzacja termiczna ma często wady dla produktów spożywczych.
Produkcja nowych substancji z reakcji katalizowanego ciepła i zmiany makrocząsteczek oraz deformacji konstrukcji roślin i zwierząt może zmniejszyć utratę jakości. W związku z tym obróbka termiczna może spowodować niepożądane zmiany cech sensorycznych, to znaczy tekstury, smak, kolor, zapach i wartości odżywczych, czyli witaminy i białka. Ultradźwięk jest efektywną alternatywą nietermicznego (minimalnego) przetwarzania.
W przeciwieństwie do konwencjonalnej obróbki cieplnej, konserwacja ultradźwiękowa wykorzystuje energię i siły ścinające kawitacji akustycznej w celu inaktywacji enzymów. Przy wystarczająco niskim poziomie sonikacji w komórkach mogą zachodzić zmiany strukturalne i metaboliczne bez ich niszczenia. Aktywność peroksydazy, która znajduje się w większości surowych i nieblanszowanych owoców i warzyw i może być szczególnie związana z rozwojem nieprzyjemnych smaków i brązowiejących pigmentów, może być znacznie zmniejszona dzięki zastosowaniu ultradźwięków. Enzymy termooporne, takie jak lipaza i proteaza, które są odporne na obróbkę w ultrawysokiej temperaturze i które mogą obniżyć jakość i okres przydatności do spożycia mleka poddanego obróbce cieplnej i innych produktów mlecznych, mogą być skuteczniej inaktywowane przez jednoczesne zastosowanie ultradźwięków, ciepła i ciśnienia (MTS).
Ultradźwięki wykazały swój potencjał w niszczeniu patogenów przenoszonych przez żywność, takich jak E. coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, cysty Cryptosporidium i Poliovirus.
Zastosowanie: konserwacja dżemów, marmolad lub polew, soków i sosów owocowych, produktów mięsnych, nabiału i lodów.
Synergia ultradźwięku z temperaturą i ciśnieniem
Ultradźwięki są często bardziej skuteczne w połączeniu z innymi drobnoustrojowymi metodami, takie jak:
- Thermo sonikacja, czyli ciepło i ultradźwięki
- Mano sonikacja, czyli ciśnienie i ultradźwięki
- Mano-thermo sonikacja, czyli ciśnienie, ciepło i ultradźwięk
W przypadku Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae i Aeromonas hydrophila zaleca się stosowanie ultradźwięków w połączeniu z ciepłem i/lub ciśnieniem.
Ultradźwięki a inne techniki konserwacji żywności
W przeciwieństwie do innych procesów termicznych i nietermicznych, takich jak homogenizacja wysokociśnieniowa, pasteryzacja termiczna, przetwarzanie wysokociśnieniowe (HPP), sprężony dwutlenek węgla (cCO2) i nadkrytyczny dwutlenek węgla (ScCO2), impulsy o wysokim polu elektrycznym (HELP) lub mikrofale, ultradźwięki można łatwo przetestować w skali laboratoryjnej lub laboratoryjnej – generowanie powtarzalnych wyników w celu zwiększenia skali. Intensywność i charakterystykę kawitacji można łatwo dostosować do konkretnego procesu ekstrakcji, aby osiągnąć określone cele. Amplituda i ciśnienie mogą być zmieniane w szerokim zakresie, np. w celu określenia najbardziej energooszczędnej konfiguracji ekstrakcji.
Inne zalety związane z zastosowaniem ekstrakcji ultradźwiękowej to łatwa obsługa ekstraktu, szybkie wykonanie, brak pozostałości, wysoka wydajność, przyjazność dla środowiska, lepsza jakość i zapobieganie degradacji ekstraktu.
(por. Chemat et al., 2011)
- Pełniejsza ekstrakcja
- Konserwacja nietermiczna
- Wyższe zyski
- Wysoka zawartość składników odżywczych, najwyższa jakość żywności
- szybki proces
- Proces zimny / nietermiczny
- Łatwa i bezpieczna obsługa
- niskie koszty utrzymania
Wysokowydajne ultradźwięki do ekstrakcji i konserwacji
Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne ultrasonografy do wydajnej ekstrakcji i konserwacji. Korzystanie z urządzeń ultradźwiękowych Hielscher do ekstrakcji i konserwacji żywności jest potężną technologią przetwarzania, która może być stosowana nie tylko w sposób bezpieczny i przyjazny dla środowiska, ale także wydajny i ekonomiczny. Efekt homogenizacji i konserwacji można z łatwością wykorzystać do każdego płynnego lub pastowatego produktu spożywczego, w tym soków owocowych i przecierów (np. pomarańczy, jabłek, grejpfrutów, mango, winogron, śliwek), a także do sosów warzywnych i zup (np. sosu pomidorowego lub zupy szparagowej), nabiału, jaj i mięsa.
Nasze portfolio homogenizatorów ultradźwiękowych i ekstraktorów obejmuje zarówno ręczne, przenośne urządzenia, jak i w pełni przemysłowe systemy produkcyjne do przetwarzania dużych ilości na skalę komercyjną.
Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany
Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.
Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 0.5-1,5 mL | b.d. | VialTweeter | 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150 l | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspersji, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
Literatura / Referencje
- 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.
Fakty, które warto znać
Ultradźwiękowa dezintegracja komórek
Pod wpływem intensywnej sonikacji enzymy lub białka mogą być uwalniane z komórek lub organelli subkomórkowych w wyniku rozpadu komórek. W tym przypadku związek, który ma zostać rozpuszczony w rozpuszczalniku, jest zamknięty w nierozpuszczalnej strukturze. Aby go wyekstrahować, należy zniszczyć błonę komórkową. Rozbicie komórki jest procesem wrażliwym, ponieważ ściana komórkowa jest w stanie wytrzymać wysokie ciśnienie osmotyczne wewnątrz. Wymagana jest dobra kontrola rozerwania komórki, aby uniknąć niezakłóconego uwalniania wszystkich produktów wewnątrzkomórkowych, w tym resztek komórkowych i kwasów nukleinowych, lub denaturacji produktu.
Ultradźwięki służą jako środki dobrze do kontrolowania do dezintegracji komórek. W tym celu mechaniczne skutki ultradźwięków zapewniają szybsze i dokładniejsze przenikanie rozpuszczalnika do materiałów komórkowych i poprawia transfer masy. Ultrasonografia zapewnia większą penetrację rozpuszczalnika do tkanki roślinnej i poprawia transfer masy. Fale ultradźwiękowe generując kawitację zakłócają ściany komórkowe i ułatwiają uwalnianie składników matrycy.
Ultradźwiękowo ulepszony transfer masy promuje ekstrakcję
Ogólnie rzecz biorąc, ultradźwięki mogą prowadzić do permeabilizacji błon komórkowych na jony i mogą znacznie zmniejszyć selektywność błon komórkowych. Aktywność mechaniczna ultradźwięków wspomaga dyfuzję rozpuszczalników do tkanki. Ponieważ ultradźwięki mechanicznie rozbijają ścianę komórkową przez kawitacyjne siły ścinające, ułatwia to przenoszenie z komórki do rozpuszczalnika. Zmniejszenie wielkości cząstek przez kawitację ultradźwiękową zwiększa powierzchnię kontaktu między fazą stałą i ciekłą.
Ultradźwiękowa liza i inaktywacja bakterii E. coli
Do produkcji niewielkich ilości rekombinowanych białek w celu zbadania i scharakteryzowania ich właściwości biologicznych, bakterią z wyboru jest E. coli. Znaczniki oczyszczania, np. ogon polihistydynowy, beta-galaktozydaza lub białka wiążące maltozę, są powszechnie łączone z białkami rekombinowanymi w celu ich oddzielenia od ekstraktów komórkowych o czystości wystarczającej do większości celów analitycznych. Ultradźwięki pozwalają zmaksymalizować uwalnianie białka, w szczególności gdy wydajność produkcji jest niska oraz zachować strukturę i aktywność rekombinowanego białka.
Utlenianie ultradźwiękowe
Przy kontrolowanej intensywności, zastosowanie ultradźwięków do biotransformacji i fermentacji może skutkować ulepszonym bioprzetwarzaniem, ze względu na indukowane efekty biologiczne i ułatwiony transfer masy komórkowej. Wpływ kontrolowanego zastosowania ultradźwięków (20 kHz) na utlenianie cholesterolu do cholestenonu przez spoczynkowe komórki Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (dawniej Nocardia erythropolis) został zbadany przez Bara (1987).
System ten jest typowy dla mikrobiologicznych przemian steroli i steroidów, ponieważ substrat i produkty są nierozpuszczalnymi w wodzie ciałami stałymi. Dlatego system ten jest raczej wyjątkowy, ponieważ zarówno komórki, jak i ciała stałe mogą podlegać działaniu ultradźwięków. Przy wystarczająco niskiej intensywności ultradźwięków, która zachowała integralność strukturalną komórek i utrzymała ich aktywność metaboliczną, Bar zaobserwował znaczne zwiększenie szybkości kinetycznej biotransformacji w zawiesinach drobnoustrojów o stężeniu 1,0 i 2,5 g / l cholesterolu, gdy sonikowano je przez 5 s co 10 minut z mocą wyjściową 0,2 W / cm². Ultradźwięki nie miały wpływu na enzymatyczne utlenianie cholesterolu (2,5 g/L) przez oksydazę cholesterolową.
Czym jest przetwarzanie wysokociśnieniowe w konserwacji żywności?
Przetwarzanie wysokociśnieniowe (HPP) to nietermiczna technika konserwacji żywności, która dezaktywuje mikroorganizmy i enzymy, zachowując jednocześnie właściwości sensoryczne i odżywcze produktu. Polega ona na poddawaniu pakowanej żywności ciśnieniu hydrostatycznemu wynoszącemu zazwyczaj od 300 do 600 MPa (megapaskali) przez okres od kilku sekund do kilku minut. Głównym wyzwaniem związanym z przetwarzaniem wysokociśnieniowym jest bardzo wysokie zużycie energii. Przeczytaj więcej o tym, jak sonikacja może pomóc zmniejszyć zapotrzebowanie na energię HPP!
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.