Hielscher tecnologia de ultra-som

Extração e Preservação Ultrassônica

A desintegração das estruturas celulares (lise) por meio de ultra-sons é usado para a extracção de compostos intra-celulares ou para a inactivação microbiana.

fundo

Em microbiologia, ultra-som está principalmente associada com rompimento celular (lise) ou Desintegração (Allinger 1975). Quando se somam liquidos em altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam na mídia líquida resultam em ciclos alternativos de alta pressão (compressão) e baixa pressão (ráfagas), com taxas dependendo da freqüência.
Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sônicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual elas não podem mais absorver energia, elas colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Esse fenômeno é denominado cavitação. Durante a implosão, as temperaturas muito altas (cerca de 5.000K) e as pressões (aproximadamente 2.000atm) são atingidas localmente. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jatos líquidos de até 280 m / s de velocidade. As forças de cisalhamento resultantes quebram o envelope da célula mecanicamente e melhoram a transferência de material. O ultra-som pode ter efeitos destrutivos ou construtivos nas células, dependendo dos parâmetros de sonicação empregados.

desintegração celular

Sob enzimas sonicação intensas ou proteínas pode ser libertado a partir de células ou organelos subcelulares, como resultado de desintegração celular. Neste caso, o composto a ser dissolvido em um solvente está contido em uma estrutura insolúvel. De modo a extraí-lo, a membrana da célula tem de ser destruída. rompimento celular é um processo sensível, porque a capacidade da parede da célula para suportar a alta pressão osmótica no interior. Bom controle do rompimento celular é necessária, a fim de evitar uma libertação sem impedimentos de todos os produtos intracelulares incluindo restos celulares e ácidos nucleicos, ou desnaturação do produto.
Ultra-som serve como um meio bem controláveis ​​para desintegração celular. Por isso, os efeitos mecânicos de ultra-som realizar uma penetração mais rápida e mais completa do solvente em materiais celulares e melhorar a transferência de massa. O ultra-som consegue uma maior penetração de um solvente em um tecido da planta e melhora a transferência de massa. gerando ondas ultra-sônicas a cavitação romper as paredes celulares e facilitar a libertação dos componentes da matriz.

Transferência de massa

Em geral, os ultra-sons podem levar a uma permeabilização de membranas celulares para os iões (Mummery 1978), E pode reduzir a selectividade das membranas das células de forma significativa. A actividade mecânica do ultra-som suporta a difusão dos solventes para o tecido. Como ultra-som quebra a parede celular mecanicamente pelas forças de cavitação de cisalhamento, que facilita a transferência a partir da célula para o solvente. A redução de tamanho de partícula por cavitação ultra-sônica aumenta a área de superfície em contacto entre o sólido e a fase líquida.

Proteínas e enzima de extração

Em particular, a extracção de enzimas e de proteínas armazenados nas células e partículas subcelulares é uma aplicação única e eficazes de ultra-sons de alta intensidade (Kim 1989), Como a extracção de compostos orgânicos contidos no interior do corpo das plantas e sementes por um solvente pode ser significativamente melhorada. Por conseguinte, o ultra-som tem um benefício potencial para a extracção e isolamento de novos componentes bioactivos potencialmente, por exemplo a partir de não-utilizado correntes de sub-produtos formados em processos actuais. O ultra-som pode também ajudar a intensificar os efeitos do tratamento com enzimas, e por isso reduzir a quantidade de enzima necessária ou aumentar o rendimento de compostos extraíveis relevantes.

Lípidos e Proteínas

Ultra-som é frequentemente usado para melhorar a extracção de lípidos e proteínas de sementes de plantas, tais como soja (por exemplo farinha de soja sem gordura ou outros) ou sementes oleaginosas. Neste caso, a destruição das paredes celulares facilita a prensagem (fria ou quente) e, assim, reduz o óleo residual ou gordura no bolo de prensagem.

A influência de ultra-sons de extracção contínua para o rendimento de protea dispersa foi demonstrada pela Moulton et ai. A sonicação aumentou a recuperação de proteína dispersa progressivamente à medida que a proporção de flocos / solvente mudado 1:10 - 1:30. Ele mostrou que o ultra-som é capaz para peptizar a proteína de soja em quase todo o rendimento comercial e que a energia de ultra-sons necessário era a mais baixa, quando foram usadas lamas mais espessas. (Moulton et ai. 1982)

Aplicável a: óleo de citrino de frutas, a extracção de óleo de mostarda chão, amendoim, colza, óleo de erva (Echinacea), canola, soja, milho

Libertação de compostos fenólicos e antocianinas

Enzimas, tais como pectinases, celulases e hemicelulases são amplamente utilizados no processamento de suco, a fim de degradar paredes de células e melhorar a capacidade de extraco do sumo. A ruptura da matriz da parede celular também liberta componentes, tais como compostos fenólicos no suco. O ultra-som melhora o processo de extracção e, por conseguinte, pode levar a um aumento do rendimento de composto fenólico, alcalóides e suco, geralmente deixado no bolo de prensagem.

Os efeitos benéficos do tratamento com ultra-sons sobre a libertação de compostos fenólicos e antocianinas de uva e matriz baga, em particular a partir de mirtilos (Vaccinium myrtillus) E groselhas pretas (Ribes) Em suco, foi investigado pela VTT Biotechnology, Finlândia (MAXFUN UE-Project) usando um UIP2000hd processador ultra-sónico após o descongelamento, triturar e incubação de enzima. A ruptura das paredes das células por tratamento enzimático (Pectinex BE-3L para mirtilos e Biopectinase CCM para groselha preta) foi melhorado quando combinado com ultra-som. “tratamento US aumentar a concentração de compostos fenólicos de sumo de uva do monte em mais de 15%. […] A influência dos EUA (ultra-som) foi mais significativa com groselhas negras, que são bagas mais difíceis no processamento de suco de mirtilos, devido ao seu elevado teor de pectina e arquitectura da parede celular diferente. […] A concentração de compostos fenólicos no suco aumentada por 15-25%, utilizando o tratamento dos EUA (ultra-som), após incubação da enzima.” (Mokkila et al. 2004)

Microbiana Enzima e Inactivação

A inativação microbiana e enzimática (preservação), por exemplo, em sucos de frutas e molhos é outra aplicação de ultra-som no processamento de alimentos. Hoje, a preservação por elevação de temperatura por curtos períodos de tempo (Pasteurização) ainda é o método de processamento mais comum para a inativação microbiana ou enzimática que leva a uma vida útil mais longa (preservação). Devido à exposição a altas temperaturas, este método térmico muitas vezes é desvantagem para muitos produtos alimentares.
A produção de novas substâncias de reacções catalisadas por calor e a modificação de macromoléculas, bem como a deformação das estruturas vegetais e animais podem reduzir em uma perda de qualidade. Portanto, o tratamento térmico pode causar alterações indesejáveis ​​dos atributos sensoriais, isto é, a textura, sabor, cor, cheiro, e qualidades nutricionais, isto é, vitaminas e proteínas. O ultra-som é um (mínima) de processamento alternativo eficiente não térmico.

O calor gerado localmente pela cavitação e os radicais criados podem levar a uma inactivação de enzimas por ultra-sons (El'piner 1964). No suficientemente baixos níveis de sonicação alterações estruturais e metabólicas podem ocorrer em células sem a sua destruição. A actividade de peroxidase, que é encontrado na maioria das frutas e legumes crus e unblanched e pode ser particularmente associada com o desenvolvimento de aromas anormais e pigmentos de acastanhamento pode ser substancialmente reduzida pela utilização de ultra-som. enzimas termorresistentes, tais como a lipase e a protease que suportar o tratamento da temperatura ultra alta e que podem reduzir a qualidade e a vida de prateleira do leite tratado termicamente e outros produtos lácteos pode ser inactivado de forma mais eficaz pela aplicação simultânea de ultra-sons, calor e pressão (MTS).

O ultra-som tem demonstrado o seu potencial na destruição de agentes patogénicos de origem alimentar, como E. coli, salmonelas, Ascaris, Giardia, cistos de CryptosporidiumE Poliovírus.

Aplicável a: preservação de compotas, marmelada ou coberturas, por exemplo para sorvete, sucos de frutas e molhos, produtos cárneos, lácteos

Sinergias de ultra-som com a temperatura e Pressão

Ultra-som é muitas vezes mais eficazes quando combinadas com outros métodos anti-microbianos, tais como:

  • termo-sonicação, isto é calor e ultra-sonografia
  • mano-sonicação, isto é, pressão e ultra-som
  • mano-termo-sonicação, pressão ou seja, calor e ultra-sonografia

A aplicação combinada de ultra-som com calor e / ou pressão é recomendado para Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae, e Aeromonas hydrophila.

Processo de desenvolvimento

Ao contrário de outros processos não térmicos, tais como elevada pressão hidrostática (HP), o dióxido de carbono comprimido (cCO2) e dióxido de carbono supercritico (scCO2) e elevados impulsos de campos eléctricos (HELP), de ultra-som pode ser facilmente testada em escala laboratorial ou de bancada – gerar resultados reprodutíveis para o aumento de escala. A cavitação as características de intensidade e pode ser facilmente adaptado para o processo de extracção específico para atingir objectivos específicos. Amplitude e pressão pode ser variada numa vasta gama, por exemplo para identificar o mais configuração extração eficiente de energia. tecidos resistentes devem ser submetidos a maceração, de moagem ou de pulverização antes de ultra-sons.

E. coli

Para produzir pequenas quantidades de proteínas recombinantes para o estudo e caracterização das suas propriedades biológicas, E. coli é a bactéria de escolha. etiquetas de purificação, por exemplo cauda de poli-histidina, beta-galactosidase, ou maltose-ligao
proteínas, são comumente juntou-se às proteínas recombinantes, a fim de torná-los separável a partir de extractos de células com um grau de pureza suficiente para a maioria dos fins analíticos. Ultra-som permite maximizar a libertação de proteína, em particular quando o rendimento de produção é baixo e para preservar a estrutura e a actividade da proteína recombinante.

O rompimento de E. coli células, a fim de extrair a proteína total foi estudada por Quimosina Kim e Zayas.

Extração de açafrão

O azafrão é conhecido como o tempero mais caro no mercado mundial e se distingue pelo seu sabor delicado, sabor amargo e cor amarela atraente. O tempero de açafrão é obtido a partir do estigma vermelho da flor do açafrão de açafrão. Após a secagem, estas peças são usadas como tempero na cozinha ou como agente corante. O sabor característico intensivo do açafrão resulta principalmente de três compostos: crocins, picrocrocin e safranal.

Kadkhodaee e Hemmati-Kakhki mostrou ter num estudo que ultrassonicao aumentou o rendimento de extraco significativamente reduzida e o tempo de processamento consideravelmente. De facto, os resultados por extracção de ultra-sons foram visivelmente melhor do que por extracção com água fria tradicional, o que é proposto pela ISO. Para sua pesquisa, Kadkhodaee e Hemmati-Kakhki usaram Hielscher de UP50H dispositivo de ultra-sons. Os melhores resultados foram alcançados com ultra-sons pulsada. Isto significa que os intervalos de impulsos curtos eram mais eficaz do que um tratamento de ultra-som contínuo.

Oxidação

Em intensidades controladas, a aplicação de ultra-som para a biotransformação e a fermentação pode bem resultar numa bioprocessamento aumentada, devido aos efeitos biológicos induzidos e devido à massa de transferência celular facilitada. A influência da aplicação controlada de ultra-sons (20 kHz) sobre a oxidação de colesterol a cholestenone por células de descanso Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (anteriormente erythropolis Nocardia) Foi investigada pela Barra.

Colesterol + ó2 = Colest-4-en-3-ona + H2O2

Este sistema é típico de transformações microbianas de esteróis e esteróides em que o substrato e os produtos são sólidos insolúveis em água. Portanto, este sistema é bastante singular na medida em que ambas as células e os sólidos podem ser sujeitos ao efeito de ultra-som (Bar de 1987). Com uma intensidade ultra-sônica suficientemente baixa que preservou a integridade estrutural das células e manteve sua atividade metabólica, a Bar observou um aumento significativo nas taxas cinéticas da biotransformação em suspensões microbianas de 1,0 e 2,5 g / L de colesterol quando sonicadas por 5 s a cada 10mn com uma potência de 0,2W / cm². O ultra-som não mostrou nenhum efeito sobre a oxidação enzimática do colesterol (2,5 g / L) pela colesterol oxidase.

Tecnologia vantajoso

A utilização de cavitação ultra-sônica para extração e conservação de alimentos é uma nova tecnologia de processamento poderosa que não só pode ser aplicado de forma segura e ambientalmente amigável, mas também de forma eficiente e economicamente. A homogeneização e efeito de conservação pode ser facilmente usado para sucos de frutas e purês (por exemplo, laranja, maçã, uva, manga, uva, ameixa), bem como para molhos vegetais e sopas, como molho de tomate ou sopa de aspargos.

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Literatura

Allinger, H. (1975): Laboratório americano, 7 (10), 75 (1975).

Bar, R. (1987): Bioprocessos ultra-som melhorada, In: Biotecnologia e Engenharia, Vol. 32, pp. 655-663 (1987).

El'piner, I.E. (1964): Ultra-som: Física, Química e Efeitos Biológicos (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, R .: Ultrasonic Extração de compostos ativos de Saffron, em: Internet Publicação.

Kim, S. M. e Zayas, J.F. (1989): parâmetro de processamento de extracção quimosina por ultra-sons; em J. Food Sei. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K. (2004): A combinação de ultra-som de energia com enzimas no processamento de sumo de baga, Em: 2 Int. Conf. Biocatálise de alimentos e bebidas, 19-22.9.2004, Stuttgart, Alemanha.

Moulton, K. J., Wang, L.C. (1982): A planta-piloto Estudo da contínua Ultrasonic Extração de proteína de soja, em: Journal of Food Science, Volume 47, 1982.

Mummery, CL (1978): O efeito de ultra-som em fibroblastos in vitro, in: Ph.D. Thesis, Universidade de Londres, Londres, Inglaterra, 1978.