Ekstrakcja i utrwalanie ultradźwiękowe
Ekstrakcja i utrwalanie ultradźwiękowe wykorzystują ultradźwięki dużej mocy do dezintegracji struktur komórkowych (lizy). Rozbijanie komórek za pomocą ultradźwięków umożliwia wysoce wydajną ekstrakcję związków wewnątrzkomórkowych oraz inaktywację drobnoustrojów. Dzięki licznym zaletom sonikacja jest szeroko stosowana do ekstrakcji i utrwalania w przemyśle spożywczym. Dowiedz się więcej o korzyściach płynących z ekstrakcji ultradźwiękowej i przetwarzania żywności!
Ultradźwięki dużej mocy do ekstrakcji i utrwalania żywności oraz surowców 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 polega na wykorzystaniu fal ultradźwiękowych do wytwarzania pęcherzyków o wysokim ciśnieniu w materiale ciekłym lub półstałym. Pęcherzyki te gwałtownie zapadają się, generując intensywne ciepło i ciśnienie, które rozbijają ściany komórkowe materiału i uwalniają pożądane związki.
Zasada działania ekstrakcji i utrwalania ultradźwiękowego
Podstawowa zasada ekstrakcji ultradźwiękowej opiera się na zjawisku znanym jako kawitacja akustyczna. Poddanie cieczy działaniu fal ultradźwiękowych o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości (ok. 20 kHz) generuje fale ciśnienia, które tworzą w cieczy maleńkie pęcherzyki próżniowe. Pęcherzyki te powiększają się wraz ze wzrostem intensywności ultradźwięków, a po osiągnięciu określonego rozmiaru zapadają się nagle i gwałtownie, generując falę uderzeniową i uwalniając energię w postaci ciepła i ciśnienia.
Proces ten powoduje mechaniczne rozbijanie ścian komórkowych, uwalniając pożądane związki z materiału do ciekłego rozpuszczalnika. Uwolnione związki można następnie oddzielić od rozpuszczalnika za pomocą standardowych technik rozdzielania, takich jak filtracja lub wirowanie.
Sonikator UP400St do wydajnej nietermicznej ekstrakcji materiału roślinnego.
Utrwalanie ultradźwiękowe: Utrwalanie ultradźwiękowe opiera się na tych samych efektach kawitacyjnych co ekstrakcja ultradźwiękowa. W utrwalaniu stosuje się ultradźwięki dużej mocy, aby wydłużyć okres przydatności do spożycia łatwo psującej się żywności, wykorzystując fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości do hamowania wzrostu drobnoustrojów powodujących psucie. Proces polega na poddawaniu żywności działaniu fal ultradźwiękowych, które rozbijają ściany komórkowe bakterii, drożdży i pleśni, prowadząc do ich zniszczenia lub zahamowania ich wzrostu.
Proces ten powoduje mechaniczne rozbijanie ścian komórkowych drobnoustrojów, prowadząc do ich zniszczenia lub zahamowania ich wzrostu. Fale ultradźwiękowe mogą również zwiększać przepuszczalność błon komórkowych, umożliwiając konserwantom i innym środkom przeciwdrobnoustrojowym skuteczniejsze przenikanie do drobnoustrojów i ich zabijanie.
Utrwalanie ultradźwiękowe jest preferowane względem tradycyjnych metod utrwalania, ponieważ oferuje szereg zalet, takich jak krótszy czas przetwarzania, wyższa wydajność oraz możliwość zachowania naturalnych właściwości i smaków żywności. Stosuje się je w szerokiej gamie produktów spożywczych, takich jak sosy, soki, produkty mleczne, jaja i mięso, aby wydłużyć ich okres przydatności do spożycia i zapewnić ich bezpieczeństwo.
Technika ekstrakcji i utrwalania ultradźwiękowego jest preferowana względem tradycyjnych metod ekstrakcji i utrwalania, ponieważ oferuje szereg zalet, takich jak szybsza ekstrakcja, doskonała jakość produktu, wyższy uzysk, czysto mechaniczna obróbka nietermiczna oraz możliwość ekstrakcji szerszego zakresu związków. Stosuje się ją w wielu gałęziach przemysłu, takich jak przemysł spożywczy i napojowy, farmaceutyczny oraz kosmetyczny.
Silna kawitacja ultradźwiękowa przy Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ultradźwiękowa ekstrakcja białek i enzymów
W szczególności ekstrakcja enzymów i białek znajdujących się w komórkach i cząstkach subkomórkowych stanowi wyjątkowe i skuteczne zastosowanie ultradźwięków o wysokiej intensywności, ponieważ ekstrakcję rozpuszczalnikową związków organicznych zawartych w roślinach i nasionach można znacznie usprawnić. Ultradźwięki mogą zatem przynieść korzyści w ekstrakcji i izolacji nowych, potencjalnie bioaktywnych składników, np. z niewykorzystywanych strumieni produktów ubocznych powstających w obecnie stosowanych procesach. Ultradźwięki mogą również pomóc zintensyfikować efekty obróbki enzymatycznej, a tym samym zmniejszyć ilość potrzebnego enzymu lub zwiększyć uzysk istotnych związków możliwych do wyekstrahowania.
Ultradźwiękowa ekstrakcja lipidów i białek
Sonikacja jest często stosowana do usprawnienia ekstrakcji lipidów i białek z nasion roślin, takich jak nasiona soi (np. mąka sojowa lub odtłuszczone nasiona soi) lub inne nasiona oleiste. W tym przypadku zniszczenie ścian komórkowych ułatwia tłoczenie (na zimno lub na gorąco), a tym samym zmniejsza ilość oleju lub tłuszczu pozostającego w wytłokach.
Wpływ ciągłej ekstrakcji ultradźwiękowej na uzysk zdyspergowanego białka wykazali Moulton i wsp. Sonikacja stopniowo zwiększała odzysk zdyspergowanego białka w miarę zmiany stosunku płatków do rozpuszczalnika z 1:10 na 1:30. Wykazano, że ultradźwięki są zdolne do peptyzacji białka sojowego przy niemal każdej wydajności przetwarzania na skalę komercyjną oraz że wymagana energia sonikacji była najniższa przy stosowaniu gęstszych zawiesin.
Ultradźwiękowa izolacja związków fenolowych i antocyjanów
Enzymy, takie jak pektynazy, celulazy i hemicelulazy, są szeroko stosowane w przetwarzaniu soków w celu degradacji ścian komórkowych i poprawy możliwości ekstrakcji soku. Rozbicie matrycy ściany komórkowej uwalnia również do soku składniki, takie jak związki fenolowe. Ultradźwięki usprawniają proces ekstrakcji i dlatego mogą prowadzić do zwiększenia uzysku związków fenolowych, alkaloidów i soku, które zwykle pozostają w wytłokach.
Korzystny wpływ obróbki ultradźwiękowej na uwalnianie związków fenolowych i antocyjanów z matrycy winogron i owoców jagodowych, w szczególności borówek czernic (Vaccinium myrtillus) i czarnych porzeczek (>Ribes nigrum), do soku badała jednostka VTT Biotechnology w Finlandii, wykorzystując procesor ultradźwiękowy UIP2000hd po rozmrożeniu, rozdrobnieniu na miazgę i inkubacji enzymatycznej. Rozbijanie ścian komórkowych za pomocą obróbki enzymatycznej (Pectinex BE-3L dla borówek czernic i Biopectinase CCM dla czarnych porzeczek) ulegało poprawie po połączeniu z ultradźwiękami. „Obróbka US zwiększa stężenie związków fenolowych w soku z borówek czernic o ponad 15%. […] Wpływ US (ultradźwięków) był bardziej znaczący w przypadku czarnych porzeczek, które ze względu na wysoką zawartość pektyn i odmienną budowę ścian komórkowych są owocami jagodowymi trudniejszymi w przetwarzaniu na sok niż borówki czernice. […] stężenie związków fenolowych w soku wzrosło o 15–25% dzięki zastosowaniu obróbki US (ultradźwiękowej) po inkubacji enzymatycznej.” (por. Mokkila i wsp., 2004)
Sonikator UIP6000hdT w przemysłowej instalacji do ekstrakcji ciągłej.
Inaktywacja drobnoustrojów i enzymów
Inaktywacja drobnoustrojów i enzymów (utrwalanie), np. w sokach owocowych i sosach, to kolejne zastosowanie ultradźwięków w przetwarzaniu żywności. Obecnie utrwalanie przez krótkotrwałe podwyższanie temperatury (pasteryzacja) jest nadal najczęściej stosowaną metodą przetwarzania służącą inaktywacji drobnoustrojów lub enzymów, która prowadzi do wydłużenia okresu przydatności do spożycia (utrwalania). Ze względu na oddziaływanie wysokiej temperatury konwencjonalna pasteryzacja termiczna często wiąże się z niekorzystnymi skutkami dla produktów spożywczych.
Powstawanie nowych substancji w reakcjach katalizowanych ciepłem i modyfikacja makrocząsteczek, a także deformacja struktur roślinnych i zwierzęcych mogą prowadzić do utraty jakości. Obróbka termiczna może zatem powodować niepożądane zmiany cech sensorycznych, tj. tekstury, smaku, barwy i zapachu, oraz wartości odżywczej, tj. witamin i białek. Ultradźwięki stanowią wydajną alternatywę nietermicznego (minimalnego) przetwarzania.
W przeciwieństwie do konwencjonalnej obróbki cieplnej utrwalanie ultradźwiękowe wykorzystuje energię i siły ścinające kawitacji akustycznej do inaktywacji enzymów. Przy wystarczająco niskim poziomie sonikacji w komórkach mogą zachodzić zmiany strukturalne i metaboliczne bez ich zniszczenia. Aktywność peroksydazy, która występuje w większości surowych i nieblanszowanych owoców i warzyw oraz może być szczególnie związana z powstawaniem niepożądanych smaków i brunatnych pigmentów, można znacznie zmniejszyć za pomocą ultradźwięków. Enzymy termoodporne, takie jak lipaza i proteaza, które wytrzymują obróbkę w ultrawysokiej temperaturze i mogą obniżać jakość oraz skracać okres przydatności do spożycia mleka poddanego obróbce cieplnej i innych produktów mlecznych, można skuteczniej inaktywować 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: utrwalanie dżemów, marmolad lub polew, soków owocowych i sosów, produktów mięsnych, nabiału i lodów.
Synergia ultradźwięków z temperaturą i ciśnieniem
Sonikacja jest często skuteczniejsza w połączeniu z innymi metodami przeciwdrobnoustrojowymi, takimi jak:
- termosonikacja, tj. ciepło i ultradźwięki
- manosonikacja, tj. ciśnienie i ultradźwięki
- manotermosonikacja, tj. ciśnienie, ciepło i ultradźwięki
Łączne zastosowanie ultradźwięków z ciepłem i/lub ciśnieniem jest zalecane w przypadku Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae i Aeromonas hydrophila.
Ultradźwięki a inne techniki utrwalania żywności
W przeciwieństwie do innych procesów termicznych i nietermicznych, takich jak homogenizacja wysokociśnieniowa, pasteryzacja cieplna, przetwarzanie wysokociśnieniowe (HPP), sprężony dwutlenek węgla (cCO2) i dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym (ScCO2), impulsy pola elektrycznego o wysokim natężeniu (HELP) lub mikrofale, ultradźwięki można łatwo testować w skali laboratoryjnej lub na urządzeniach stołowych – uzyskując powtarzalne wyniki przydatne przy zwiększaniu skali. Intensywność i charakterystykę kawitacji można łatwo dostosować do konkretnego procesu ekstrakcji, aby osiągnąć określone cele. Amplitudę i ciśnienie można zmieniać w szerokim zakresie, np. w celu określenia najbardziej efektywnej energetycznie konfiguracji ekstrakcji.
Inne zalety związane z wykorzystaniem ekstrakcji ultradźwiękowej z sondą to łatwość postępowania z ekstraktem, szybka realizacja, brak pozostałości, wysoki uzysk, przyjazność dla środowiska, lepsza jakość i zapobieganie degradacji ekstraktu.
(por. Chemat i wsp., 2011)
- Pełniejsza ekstrakcja
- Nietermiczne utrwalanie
- Wyższe uzyski
- Wysoka zawartość składników odżywczych, najwyższa jakość żywności
- Szybki proces
- Proces na zimno / nietermiczny
- Łatwa i bezpieczna obsługa
- Niewielkie wymagania konserwacyjne
Sonikatory o wysokiej wydajności do ekstrakcji i utrwalania
Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje sonikatory o wysokiej wydajności do wydajnej ekstrakcji i utrwalania. Wykorzystanie urządzeń ultradźwiękowych Hielscher do ekstrakcji i utrwalania żywności stanowi skuteczną technologię przetwarzania, którą można stosować nie tylko bezpiecznie i w sposób przyjazny dla środowiska, lecz także wydajnie i ekonomicznie. Efekt homogenizacji i utrwalania można łatwo wykorzystać w przypadku dowolnego produktu spożywczego w postaci cieczy lub pasty, w tym soków i przecierów owocowych (np. z pomarańczy, jabłek, grejpfrutów, mango, winogron i śliwek), a także sosów i zup warzywnych (np. sosu pomidorowego lub zupy szparagowej), nabiału, jaj i mięsa.
Nasza oferta homogenizatorów ultradźwiękowych i ekstraktorów obejmuje urządzenia ręczne i przenośne oraz w pełni przemysłowe systemy produkcyjne do przetwarzania dużych objętości w linii procesowej na skalę komercyjną.
Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wytwarzana w Niemczech
Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Solidna konstrukcja i łatwa obsługa umożliwiają sprawną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie w trudnych warunkach i wymagających środowiskach.
Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wyposażone w najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymaganiami CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 0,5 do 1,5mL | nie dotyczy | VialTweeter | 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| nie dotyczy | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| nie dotyczy | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / źródła
- 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.
Warto wiedzieć
Ultradźwiękowa dezintegracja komórek
Podczas intensywnej sonikacji enzymy lub białka mogą być uwalniane z komórek lub organelli subkomórkowych w wyniku dezintegracji komórek. W tym przypadku związek, który ma zostać rozpuszczony w rozpuszczalniku, jest zamknięty w nierozpuszczalnej strukturze. Aby go wyekstrahować, należy zniszczyć błonę komórkową. Rozbijanie komórek jest delikatnym procesem ze względu na zdolność ściany komórkowej do wytrzymywania wysokiego ciśnienia osmotycznego wewnątrz komórki. Wymagana jest dobra kontrola rozbijania komórek, aby uniknąć niekontrolowanego uwalniania wszystkich produktów wewnątrzkomórkowych, w tym fragmentów komórek i kwasów nukleinowych, lub denaturacji produktu.
Sonikacja stanowi dobrze kontrolowalny sposób dezintegracji komórek. Mechaniczne efekty ultradźwięków zapewniają w tym celu szybsze i pełniejsze przenikanie rozpuszczalnika do materiałów komórkowych oraz poprawiają transport masy. Ultradźwięki zapewniają głębsze przenikanie rozpuszczalnika do tkanki roślinnej i poprawiają transport masy. Fale ultradźwiękowe generujące kawitację rozbijają ściany komórkowe i ułatwiają uwalnianie składników matrycy.
Poprawa transportu masy za pomocą ultradźwięków wspomaga ekstrakcję
Ogólnie ultradźwięki mogą zwiększać przepuszczalność błon komórkowych dla jonów oraz znacznie zmniejszać selektywność błon komórkowych. Mechaniczne działanie ultradźwięków wspomaga dyfuzję rozpuszczalników do tkanki. Ponieważ ultradźwięki mechanicznie rozbijają ścianę komórkową za pomocą kawitacyjnych sił ścinających, ułatwiają transport z komórki do rozpuszczalnika. Zmniejszenie rozmiaru cząstek w wyniku kawitacji ultradźwiękowej zwiększa powierzchnię kontaktu między fazą stałą a ciekłą.
Ultradźwiękowa liza i inaktywacja E.coli
E.coli jest bakterią pierwszego wyboru do wytwarzania niewielkich ilości białek rekombinowanych na potrzeby badania i charakteryzowania ich właściwości biologicznych. Znaczniki do oczyszczania, np. ogon polihistydynowy, beta-galaktozydaza lub białka wiążące maltozę, są zwykle dołączane do białek rekombinowanych, aby umożliwić ich wydzielenie z ekstraktów komórkowych z czystością wystarczającą do większości celów analitycznych. Sonikacja pozwala zmaksymalizować uwalnianie białka, szczególnie gdy wydajność produkcji jest niska, oraz zachować strukturę i aktywność białka rekombinowanego.
Utlenianie ultradźwiękowe
Przy kontrolowanej intensywności zastosowanie ultradźwięków w biotransformacji i fermentacji może prowadzić do usprawnienia bioprocesów dzięki wywoływanym efektom biologicznym i ułatwionemu komórkowemu transportowi masy. Wpływ kontrolowanego zastosowania ultradźwięków (20kHz) na utlenianie cholesterolu do cholestenonu przez komórki spoczynkowe Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (dawniej Nocardia erythropolis) badał Bar (1987).
Układ ten jest typowy dla mikrobiologicznych przemian steroli i steroidów pod tym względem, że substrat i produkty są substancjami stałymi nierozpuszczalnymi w wodzie. Jest zatem dość wyjątkowy, ponieważ zarówno komórki, jak i substancje stałe mogą podlegać działaniu ultradźwięków. Przy wystarczająco niskiej intensywności ultradźwięków, która zachowywała integralność strukturalną komórek i utrzymywała ich aktywność metaboliczną, Bar zaobserwował znaczne zwiększenie szybkości biotransformacji w zawiesinach drobnoustrojów zawierających 1,0 i 2,5 g/L cholesterolu, poddawanych sonikacji przez 5s co 10mn przy mocy wyjściowej 0,2W/cm². Ultradźwięki nie wykazały wpływu na enzymatyczne utlenianie cholesterolu (2,5g/L) przez oksydazę cholesterolową.
Czym jest przetwarzanie wysokociśnieniowe w utrwalaniu żywności?
Przetwarzanie wysokociśnieniowe (HPP) to nietermiczna technika utrwalania żywności, która inaktywuje drobnoustroje i enzymy, zachowując jednocześnie cechy sensoryczne i wartość odżywczą produktu. Polega na poddawaniu zapakowanej żywności działaniu ciśnienia hydrostatycznego, zwykle od 300 do 600 MPa (megapaskali), przez czas od kilku sekund do kilku minut. Głównym wyzwaniem przetwarzania wysokociśnieniowego jest jego bardzo wysokie zużycie energii. Dowiedz się więcej o tym, jak sonikacja może pomóc zmniejszyć zapotrzebowanie energetyczne HPP!
Hielscher Ultrasonics produkuje homogenizatory ultradźwiękowe o wysokiej wydajności w rozmiarach od laboratoryjnych do przemysłowych.
