Os efeitos da sonicação nas leguminosas e nas sementes

O processamento ultrassónico tornou-se uma tecnologia valiosa para modificar, condicionar e analisar materiais vegetais, como lentilhas e leguminosas. Através da cavitação acústica e de forças mecânicas controladas, a sonicação melhora a hidratação, acelera a extração, altera as microestruturas e melhora a transferência de massa. Estes efeitos são altamente atrativos para a investigação de sementes, a ciência alimentar, a agricultura, a biorrefinação e a investigação analítica.

Processamento ultrassónico de sementes e leguminosas secas a qualquer escala

Uma grande vantagem dos ultrassons de potência é a capacidade de controlar com precisão a amplitude, a intensidade e a energia fornecida, especialmente quando se utilizam sonicadores de sonda da Hielscher Ultrasonics. Estes sistemas – disponíveis para as escalas laboratorial, piloto e industrial – permitem um processamento reprodutível e ajustável, que vai do pré-condicionamento suave de sementes ou da germinação através da hidratação acelerada e da ativação enzimática até à extração eficiente de nutrientes.

Descubra como os ultrassons de potência melhoram o processamento de lentilhas e leguminosas nesta demonstração com o sonicador de sonda UP400ST da Hielscher. No vídeo, as lentilhas são expostas a cavitação ultrassónica controlada, um potente mecanismo físico que melhora a hidratação, acelera os processos de difusão e aumenta a libertação de compostos valiosos. O tratamento ultrassónico promove efeitos como a hidratação rápida das sementes, a sonoporação das paredes celulares e uma maior transferência de massa, tornando-o um método eficaz para o pré-condicionamento de sementes, o processamento alimentar e as aplicações de extração. Quando as bolhas de cavitação colapsam junto à superfície da semente, criam microjatos e forças de corte que abrem microcanais no tegumento da semente – permitindo uma penetração mais eficiente da água e dos solutos. O processamento ultrassónico é amplamente utilizado na ciência dos alimentos, na agricultura, na biotecnologia e na produção de ingredientes de origem vegetal.

Cavitação acústica e os seus efeitos nos materiais de leguminosas

A sonicação baseia-se na cavitação acústica – a rápida formação e o colapso de microbolhas em líquidos. Os microjatos, as forças de cisalhamento e as flutuações de pressão resultantes interagem com os tecidos das lentilhas e das leguminosas de formas altamente específicas.

Três mecanismos principais definem o impacto nas sementes:

Aceleração da hidratação
A cavitação rompe a camada limite entre a água e a superfície da semente, melhorando o transporte de água para o tegumento da semente e os cotilédones.

Os efeitos incluem:
- Demolha/hidratação mais rápida
- Inchamento mais uniforme
- Melhor difusão da água através da testa
Sonoporação e alterações microestruturais
A tensão mecânica causada pelo colapso das bolhas de cavitação cria nanoporos e microporos no tegumento da semente e nos tecidos internos – fenómeno conhecido como sonoporação.

Consequências:
- Maior permeabilidade
- Lixiviação ou absorção de solutos mais rápida
- Maior acessibilidade enzimática
- Melhor potencial de germinação
Melhoria da extração
Os ultrassons facilitam a libertação de:
- Proteínas
- Polifenóis
- Óleos e lípidos
- Fibras alimentares
- Compostos bioativos

Isto resulta da rutura da parede celular, da melhor penetração do solvente e da maior transferência de massa.

A sonicação melhora a germinação das sementes: a cavitação ultrassónica cria microfissuras no tegumento da semente, melhora a embebição, a hidratação e a absorção de nutrientes, resultando na quebra da dormência, num maior rendimento de germinação, numa maior taxa de crescimento e num melhor desenvolvimento das plântulas

Resumo esquemático dos efeitos dos ultrassons nas sementes e dos mecanismos de ação.
Estudo e esquema: ©Nogueira et al., 2023

Influência da amplitude e da intensidade dos ultrassons nas sementes

A amplitude dos ultrassons determina diretamente a energia mecânica transmitida às sementes. O ajuste da amplitude permite aos operadores ajustar com precisão o processo à sensibilidade e ao objetivo da aplicação. Todos os sonicadores Hielscher permitem um ajuste preciso da amplitude, o que os torna ferramentas versáteis para o pré-condicionamento de sementes, a germinação e a extração de nutrientes.

Amplitudes baixas – Ideais para o pré-condicionamento de sementes e a embebição

Cavitação suave
Maior hidratação por sonoporação, mas sem danos nos tecidos
Embebição controlada das sementes para o pré-condicionamento
Ativação de vias metabólicas
Melhoria da taxa de germinação e do vigor das sementes

A embebição das sementes – a fase inicial de absorção de água antes da germinação – pode ser acelerada e otimizada com precisão através dos ultrassons:

A cavitação rompe a tensão superficial
A água entra no micrópilo de forma mais eficiente
As barreiras relacionadas com a dormência amolecem
As sementes pré-condicionadas apresentam uma germinação mais rápida e plântulas mais fortes

Amplitudes médias – Modificação estrutural e extração moderada

Maior permeabilidade celular
Afrouxamento parcial da parede celular
Hidratação mais rápida para o processamento alimentar
Melhores rendimentos de extração sem desintegração completa dos tecidos

Ideais para:

Melhorar a solubilidade das proteínas
Modificar as propriedades do amido
Preparar materiais para a fermentação

Amplitudes elevadas – Rutura celular e extração

Cavitação e cisalhamento intensos
Desintegração estrutural completa
Ideais para o isolamento de proteínas ou a extração de compostos fitoquímicos
Utilizadas quando não se pretende que as sementes permaneçam viáveis

Esta é a gama típica para a extração industrial de:

Óleos / Lípidos
Proteínas e péptidos
Polifenóis
Fibras funcionais

Sonicadores Hielscher para o pré-condicionamento de sementes, a germinação, a hidratação e a extração

Os sonicadores Hielscher oferecem um método versátil e cientificamente sólido para modificar lentilhas e leguminosas. Desde a aceleração da embebição e do pré-condicionamento das sementes até à melhoria da extração e à produção de ingredientes à escala industrial, os ultrassons de potência proporcionam vantagens únicas nos setores da investigação e da atividade comercial.

Com os sonicadores de sonda da Hielscher Ultrasonics, controláveis com precisão – disponíveis à escala laboratorial e totalmente industrial –, os utilizadores podem ajustar com precisão as condições de processamento para uma melhoria fisiológica suave ou uma rutura mecânica intensa – tornando os ultrassons uma tecnologia fundamental para a investigação vegetal de próxima geração, o processamento de ingredientes alimentares e a biorrefinação sustentável.

A tabela abaixo apresenta uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores ultrassónicos:

Volume por lote	Caudal	Dispositivos recomendados
0,5 a 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 a 500mL	10 a 200mL/min	UP100H
10 a 2000mL	20 a 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 a 20L	0,2 a 4L/min	UIP2000hdT
10 a 100L	2 a 10L/min	UIP4000hdT
15 a 150L	3 a 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 a 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	superior	conjunto de UIP16000hdT

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os sonicadores ultrassónicos Hielscher são bem conhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção ao mais alto nível. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração fluida dos nossos sonicadores ultrassónicos em instalações industriais. Os sonicadores ultrassónicos Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial ênfase a sonicadores ultrassónicos de elevado desempenho que incorporam tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores ultrassónicos Hielscher estão em conformidade com a marcação CE e cumprem os requisitos de UL, CSA e RoHs.

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Bibliografia / Referências

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Ranjbari, A.; Kashaninejad, Mahdi; Aalami, Mehran; Khomeiri, Morteza; Gharekhani, Mehdi (2013): Effect of ultrasonic pre-treatment on water absorption characteristics of chickpeas (Cicer arietinum). Latin American applied research 43, 2013. 153-159.
Godlewska, K.; Biesiada, A.; Michalak, I.; Pacyga, P. (2020): The Effect of Botanical Extracts Obtained through Ultrasound-Assisted Extraction on White Head Cabbage (Brassica Oleracea L. Var. Capitata L.) Seedlings Grown under Controlled Conditions. Sustainability 2020, 12, 1871.
Yaldagard M.; Reza Mortazavi S.A.; Tabatabaie F. (2008): Application of Ultrasonic Waves as a Priming Technique for Accelerating and Enhancing the Germination of Barley Seed: Optimization of Method by the Taguchi Approach. Journal of The Institute for Brewing Vol. 114, Issue1, 2008. 14-21.
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Perguntas frequentes

As leguminosas e as leguminosas secas são sementes?

As leguminosas e as leguminosas secas são ambas sementes, mas os termos descrevem categorias diferentes. As leguminosas constituem a categoria botânica e referem-se a todas as plantas da família Fabaceae que produzem vagens contendo sementes, incluindo soja, amendoins, ervilhas frescas, feijão-verde, trevo e muitas culturas forrageiras. As leguminosas secas constituem a categoria agrícola e nutricional e referem-se especificamente às sementes secas comestíveis de um subconjunto de espécies de leguminosas colhidas exclusivamente pelas sementes, como lentilhas, feijões secos, grão-de-bico e ervilhas secas.

Qual é a diferença entre leguminosas e leguminosas secas?

As leguminosas referem-se às plantas da família Fabaceae que produzem vagens, enquanto as leguminosas secas designam as sementes secas comestíveis de determinadas culturas de leguminosas, como lentilhas, grão-de-bico e feijões secos.

O que é a germinação?

A germinação é o processo em que uma semente absorve água, ativa vias metabólicas e começa a desenvolver uma raiz e um rebento.

O que é a germinação assistida por ultrassons?

A germinação assistida por ultrassons consiste na utilização de cavitação ultrassónica controlada para acelerar a hidratação das sementes, aumentar a permeabilidade das membranas e estimular a atividade bioquímica, resultando numa germinação mais rápida e uniforme.