Ultradźwiękowa ekstrakcja i konserwacja

Rozpad struktury komórkowej (liza) z pomocą ultradźwięku służy do ekstrakcji związków wewnątrzkomórkowych lub procesu inaktywacji drobnoustrojów.

Podstawa

W mikrobiologii ultradżwięk jest przede wszystkim związany z rozrywaniem komórek (liza) lub ekstrakcją (Allinger 1975). Podczas rozchodzenia się cieczy o wysokiej intensywności fale dźwiękowe, które rozprzestrzeniają się w cieczach, powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresji) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), z szybkościami zależnymi od częstotliwości.
Podczas cyklu niskiego ciśnienia, ultradźwiękowe fale o dużej intensywności wytwarzają małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Kiedy bąbelki osiągają objętość, przy której nie mogą już absorbować energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to nazywane jest kawitacją. W czasie implozji osiągane są lokalnie bardzo wysokie temperatury (około 5000K) i ciśnienia (około 2,000ATM). Implozja pęcherzyków kawitacyjnych prowadzi również do płynnych strumieni o prędkości do 280 m / s. Powstałe siły ścinające łamią mechanicznie powłokę komórkową i poprawiają przenoszenie materiału. Ultradźwięki mogą mieć niszczące lub konstruktywne działanie na komórki w zależności od zastosowanych parametrów sonikacji.

Rozpad komórek

W intensywnej sonikacji enzymów lub białka mogą być uwolnione z komórek lub subkomórkowych organelli przez Rozpad komórek. W takim związku mieszanka która ma być ropuszczona w rozpuszczalniku jest ujęta w strukturę nierozpuszczalną. Aby ją wydobać, błony komórkowe muszą zostać zniszczone. Rozpad komórek jest procesem wrażlym, ponieważ ściany komórkowe są wstanie wytrzymać wysokie ciśnienie osmotyczne wewnątrz. Dobrą kontrola rozpadania komórki jest wymagana, aby uniknąć wydania wszystkich wewnątrzkomórkowych produktów bez przeszkód, w tym odłamki komórek i kwasy nukleinowe lub produktu denaturacji.
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.

Transport masy

Ogólnie rzecz biorąc ultradźięk może prowadzić do permeabilization błon komórkowych do jonów (Mumia 1978) i może znacznie zmniejszyć selektywność błon komórkowych. Aktywność mechaniczna ultrasonografu wspomaga dyfuzję rozpuszczalników do tkanki. Ponieważ ultradźwięki mechanicznie łamią ściany komórkowe z siłą ściskającą kawitacji, ułatwia transfer z komórki do rozpuszczalnika. Zmniejszenie wielkości cząstek w kawitacji ultradźwiękowej zwiększa powierzchnię stykającą się między fazą stałą a fazą ciekłą.

Ekstrakcja białka i enzymu

W szczególności ekstrakcja enzymów i białek przechowywanych w komórkach i cząstkach subkomórkowych jest unikalnym i skutecznym zastosowaniem ultrasonografii o dużej intensywności (Kim 1989), ponieważ ekstrakcja związków organicznych zawartych w ciele roślinnym i nasiennym przez rozpuszczalnik może być znacznie ulepszona. Dlatego ultradźwięki mają potencjalną zaletę w ekstrakcji i izolowaniu nowych składników potencjalnie bioaktywnych, np. Z nieużywanych strumieni produktów ubocznych powstających w obecnych procesach. Ultrasonografia może również przyczynić się do intensyfikacji efektów leczenia enzymem, a tym samym zmniejszyć ilość potrzebnego enzymu lub zwiększyć wydajność ekstrahowalnych związków.

Lipidy i białka

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 do plon białka rozproszone wykazano przez Moulton i in. Sonikacja zwiększa stopniowo odzysk z rozproszonego białka, stosunek płatek/rozpuszczalnika zmienia się od 1:10 do 1:30. Wykazano, że ultradźwięk jest w stanie peptizować białko sojowe w prawie każdej komercyjnych przepustowości i że energia którą sonikacja wymaga jesz najniższa, gdy grubsze zawiesiny były używane. (Moulton i in. 1982)

Dotyczy: olej cytrusowy z owoców, wydobycia ropy naftowej z gorczycy ziemi, orzechy, rzepak, ziołowy olej (echinacea), słonecznik, soja, kukurydza

Wyzwolenia związków fenolowych i antocyjany

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.

Korzystne efekty stosowania ultradźwiękowego na wyzwolenie związków fenolowych i antocyjany z matrycy winogron i jagoda, w szczególności z borówki (Vaccinium myrtillus) i czarne porzeczki (Ribes nigrum) na sok, była badana przez VTT biotechnologii, Finlandia (MAXFUN projekt UE) pray użyciu procesoru ultradźwiękowego UIP2000hd po rozmrożeniu, zacieraniu i inkubacji enzymów. Rozbicie ścianek komórkowych przez obróbkę enzymatyczną (Pectinex BE-3L do borówek czarnych i Biopektynaza CCM do czarnych porzeczek) poprawiło się po połączeniu z ultradźwiękami. “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.” (Mokkila i in. 2004)

Inaktywacja drobnoustrojów i enzymów

Inaktywacja (utrzymanie) drobnoustrojów i enzymów , np. w soków owocowych i sosów jest inną aplikacją ultradźwięku w przetwórstwiu spożywczym. Dzisiaj, zachowanie przez podniesienie temperatury przez krótki okres czasu (do pasteryzacji) jest nadal najbardziej popularną metodą przetwarzania drobnoustrojów lub inaktywacja enzymu, która prowadzi do dłuższej trwałości (zachowania). Ze względu na użytek wysokiej temperatury ta termiczna metoda często ma wady dla wielu 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.

Ciepło generowane lokalnie przez kawitację i stworzone rodniki mogą prowadzić do inaktywacji enzymów przez sonikację (El'piner 1964). Na odpowiednio niskim poziomie sonikacji mogą wystąpić zmiany strukturalne i metaboliczne w komórkach bez ich zniszczenia. Aktywność peroksydazy, która znajduje się w surowych i nieblanszowanych owocach i warzywach i może być szczególnie związana z rozwojem brązowienia pigmentów i posmaku, może być znacznie zmniejszona przez ultradźwięk. Ciepło oporne enzymy, takie jak lipazy i proteazy, które wytrzymałą ultrawysoką temperaturę i które mogą zmniejszyć jakość i trwałość mleka poddanego obróbce termicznej i inne produkty, można dezaktywować bardziej skutecznie przez jednoczesne stosowany ultradźwięku, temperatury i ciśnienia (MTS).

Ultradźwięk wykazał swój potencjał do zniszczenia patogenów żywności, takich jak komórek E. coli, Salmonellę, glistki , Giardia, Cryptosporidiumi poliowirus.

Dotyczy: zachowanie dżemu, Marmolada lub polewki, np. lody, owocowe soki i sosy, produkty mięsne, produkty mleczne

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

Stosowanie ultradźwięków z ciepłem i/lub ciśnieniem jest zalecane do Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae, i Aeromonas hydrophila.

Rozwój procesów

W przeciwieństwie do innych procesów nietermicznych takie jak wysokie ciśnienie hydrostatyczne (HP), sprężonego CO2 (cCO2) i nadkrytycznym dwutlenku węgla (ScCO2) i pole wysoko elektrycznych impulsów (HELP), ultradźwięk jest łatwo do testowania w trybie wsadowym lub wstawkowym – generując powtarzalne wyniki w celu zwiększenia skali. Intensywność i charakterystyka kawitacji może być łatwo dostosowana do konkretnego procesu ekstrakcyjnego w celu osiągnięcia konkretnych celów. Amplituda i ciśnienie mogą być zmienione w szerokim zakresie, np. celu zidentyfikowania najbardziej energetycznie wydajnego ekstrahowania. Twarde tkanki powinny być poddane maceracji, mieleniu lub sproszkowaniu przed ultrasonikacją.

komórek E. coli

Aby wytworzyć niewielką ilość rekombinowanych białek do badania i charakterystyki ich właściwości biologicznych, komórek E. coli jest bakterią wyboru. Tagi oczyszczania, np. ogon polyhistydyny , beta galaktozydazy lub wiązania maltozy
białek, są często łączone do białek rekombinowanych aby je oddzielić od ekstraktu komórki z wystarczająca czystością do większość zastosowań analitycznych. Ultradźwięki pozwalają na to aby zmaksymalizować wydanie białka, w szczególności podczas wydajność produkcji jest niska i do zachowania struktury i działalności rekombinowanego białka.

Zniszczcenie komórek E. coli w celu ekstrakcji całkowitego białka chymozyny było badane metodą Kim i Zayas.

Ekstrakcja szafranu

Szafran jest znany jako najdroższa przyprawa na rynku światowym i odznacza się delikatnym aromatem, gorzkim smakiem i atrakcyjnym żółtym kolorem. Przyprawy z szafranu uzyskuje się z czerwonego stygmatu kwiatu krokusa szafranu. Po wyschnięciu, te części są używane jako przyprawa w kuchni lub jako środek barwiący. Intensywny charakter smakowy szafranu wynika zwłaszcza z trzech związków: krokodyli, mikrochrocyny i safranalu.

Kadkhodaee i Hemmati-Kakhki wykazali, że ultrasonografia zwiększyła wydajność ekstrakcji i skróciła czas przetwarzania znacznie. W rzeczywistości wyniki uzyskane ekstrakcji ultradźwiękowej były znacznie lepsze niż tradycyjna ekstrakcja przez zimną wodę, którą proponuje ISO. W swoich badaniach Kadkhodaee i Hemmati-Kakhki używali Urządzenia ultradźwiękowe UP50H firmy Hielscher. Najlepsze rezultaty osiągnięto dzięki pulsującej sonikacji. Oznacza to, że krótkie odstępy impulsowe były skuteczniejsze niż ciągła obróbka ultrasonograficzna.

Utlenianie

W kontrolowanej intensywności stosowania ultradźwięków do biotransformacji i fermentacji może również spowodować zwiększenie procesu bioprzetwarzania, ze względu na wywołane biologiczne skutki i ze względu na ułatwione transport masy komórkowej. Wpływ kontrolowanego stosowania ultradźwięków (20kHz) na utlenianie cholesterolu do cholestenone przez komórki spoczynkowe Rhodococcus Erythropolis ATCC 25544 (kiedyś Nocardia erythropolis) był badany przez Bar.

Cholesterolu + O₂ = cholest-4-pl-3-jeden + H₂O₂

Ten system jest typowy dla bakterii przekształcenia steroli i sterydów w których podłoże i produkty są wody stałych ciał. W związku z tym ten system jest raczej wyjątkowy, zarówno komórki, jak i stałe mogą podlegać efektem ultradźwięku (Bar, 1987). Przy wystarczająco niskiej intensywności ultradźwięków, która zachowała integralność strukturalną komórek i utrzymała ich aktywność metaboliczną, Bar zaobserwował znaczące zwiększenie kinetycznych szybkości biotransformacji w zawiesinach drobnoustrojów o cholesterolu 1,0 i 2,5 g / L, gdy sonikowano dla 5 s co 10 ml z moc wyjściowa 0,2 W / cm². Ultradźwięki nie wykazały żadnego wpływu na enzymatyczne utlenianie cholesterolu (2,5 g / l) przez oksydazę cholesterolową.

Korzystna technologia

Wykorzystanie kawitacji ultradźwiękowej do ekstrakcji i zachowanie żywności jest nową wydajną technologią, która może nie tylko być stosowana bezpiecznie i przyjazna dla środowiska, ale również skuteczna i ekonomiczna. Efekty homogenizacyjne i konserwacyjne łatwo mogą być wykorzystane przy sokach i przecierach (np. pomarańczowy, jabłko, grejpfrut, mango, winogron, śliwki), a także przy warzywach, sosów i zup, jak sos pomidorowy lub szparagów zupa szparagowa.

Literatura

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

Bar, R. (1987): Ultrasound Enhanced Bioprocesses, w: 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.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: Ultrasonic Extraction of Active Compounds from Saffron, in: Internet Publication.

Kim, S.M. i 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.