Hielscher ultrasunete tehnologie

Ultrasunete Extracția și Conservarea

Dezintegrarea structurilor celulare (de liză) prin intermediul ultrasunete este utilizat pentru extracția compușilor intra-celulare sau pentru inactivarea microbiană.

fundal

În microbiologie, ultrasunete este asociată în primul rând cu distrugere celulară (liză) sau Dezintegrare (Allinger 1975). Atunci când sonicarea lichidelor la intensități mari, undele sonore care se propagă în mediul lichid conduc la alternarea ciclurilor de presiune înaltă (compresiune) și presiune joasă (rarefaction), cu rate în funcție de frecvență.
În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de mare intensitate creează bule mici de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energia, ele se prăbușesc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen este numit cavitație. În timpul implosirii se ating temperaturi foarte ridicate (circa 5.000 K) și presiuni (aproximativ 2000 mc). Implozia balonului de cavitație are ca rezultat și jeturi de lichid de viteză de până la 280 m / s. Forțele de forfecare rezultate rupe mecanic plicul celular și îmbunătățesc transferul de material. Ecografia poate avea efecte distructive sau constructive asupra celulelor în funcție de parametrii de sonicare folosiți.

dezintegrarea celulei

Sub enzime sonicare intense sau proteine ​​pot fi eliberate din celule sau organite subcelulara ca urmare dezintegrarea celulei. În acest caz, compusul care urmează să fie dizolvat într-un solvent este închisă într-o structură insolubilă. Pentru a extrage, membrana celulelor trebuie să fie distruse. sfărâmării celulelor este un proces sensibil, deoarece capacitatea peretelui celulei de a rezista presiunii osmotice ridicate în interior. Este nevoie de un control bun al perturbării celulei, pentru a evita o eliberare nestingherită a tuturor produselor intracelulare, inclusiv resturi de celule și acizi nucleici, sau denaturarea produs.
Ultrasonication servește ca un mijloc bine controlabile pentru dezintegrarea celulei. Pentru aceasta, efectele mecanice ale ultrasunete asigura penetrare mai rapidă și mai completă a solventului în materiale celulare și pentru a îmbunătăți transferul de masă. Ultrasunete atinge o penetrare a unui solvent într-un țesut de plantă și îmbunătățește transferul de masă. Undele ultrasonice generatoare de cavitație perturba peretii celulelor și de a facilita eliberarea componentelor matricei.

Transfer în masă

In general, cu ultrasunete poate duce la o permeabilizare a membranelor celulare de ioni (Mummery 1978), Și poate reduce selectivitatea membranelor celulare în mod semnificativ. Activitatea mecanică a ultrasunetelor susține difuzia solvenților în țesut. Ca ultrasunete sparge peretele celular mecanic de către forțele de cavitatie forfecare, acesta facilitează transferul din celula în solvent. Reducerea dimensiunii particulelor prin cavitație cu ultrasunete crește suprafața în contact între substanța solidă și faza lichidă.

Proteine ​​și Enzyme Extracția

În special extragerea enzimelor și proteinelor stocate în celule și particule subcelulara este o aplicație unică și eficientă a ultrasunete de mare intensitate (Kim 1989), Ca extracția compușilor organici conținute în corpul de plante și semințe de solvent poate fi îmbunătățit în mod semnificativ. De aceea, cu ultrasunete are un beneficiu potențial în extracția și izolarea noilor potențial componente bioactive, de exemplu din non-utilizate fluxuri ale produșilor secundari formați în procesele curente. Cu ultrasunete poate ajuta, de asemenea, pentru a intensifica efectele tratamentului enzimatic, și prin aceasta reduce cantitatea de enzimă necesară sau creșterea randamentului compușilor relevanți extractibile.

Lipidele și Proteine

Ultrasonication este adesea utilizat pentru a îmbunătăți extracția lipidelor și proteinelor din semințe de plante, cum ar fi boabe de soia (de exemplu, făină sau soia degresate) sau alte semințe oleaginoase. În acest caz, distrugerea pereților celulari facilitează presare (rece sau la cald) și reduce astfel uleiul rezidual sau grăsimea din turta de presare.

Influența extracție cu ultrasunete continuu la randamentul proteinei dispersata a fost demonstrată prin Moulton și colab. Sonicare crescut recuperarea proteinei dispersate progresiv ca fulg / raportul solvent schimbat o zece - 01:30. Acesta a arătat că ultrasunete este capabil sa peptize proteine ​​din soia, la aproape orice debit comercial și că energia necesară sonicare a fost cel mai mic, atunci când au fost utilizate nămolurile mai groase. (Moulton și colab. 1982)

Aplicabil: Ulei din fructe citrice, extracția uleiului de muștar, arahide, rapiță, ulei de plante medicinale (echinacea), canola, soia, porumb

Eliberarea compușilor fenolici și Anthocyanins

Enzime, cum ar fi pectinaze, celulaze și hemicelulaze sunt utilizate pe scară largă în procesarea suc, în scopul de a degrada peretii celulelor și de a îmbunătăți extractibilitatea sucul. Perturbarea matricea peretelui celular elibereaza de asemenea componente, cum ar fi compuși fenolici în suc. Ultrasunete îmbunătățește procesul de extracție și, prin urmare, poate duce la o creștere a randamentului compus fenolic, alcaloizi și suc, în mod obișnuit lăsat în tort de presă.

Efectele benefice ale tratamentului cu ultrasunete asupra eliberării compușilor fenolici și antocianinele din struguri și matrice cu boabe, în special din bilberries (Vaccinium myrtillus) Și coacăze negre (Ribes) În suc, a fost investigat de VTT Biotehnologie, Finlanda (MAXFUN UE-proiect) folosind un Procesor cu ultrasunete UIP2000hd după decongelare, zdrobire și incubarea enzimei. Perturbarea pereților celulelor prin tratament enzimatic (Pectinex BE-3L pentru afinele și Biopectinase CCM pentru coacăze negre) a fost îmbunătățită atunci când sunt combinate cu ultrasunete. “Tratamentul SUA crește concentrația de compuși fenolici de suc de afine cu mai mult de 15%. […] Influența SUA (ultrasunete) a fost mai semnificativa cu coacăze negre, care sunt boabe mai dificile în procesarea suc decât afinele datorită conținutului lor ridicat de pectină și arhitectură diferită peretelui celular. […] Concentrația compușilor fenolici în suc a crescut cu 15-25% prin utilizarea unui tratament din SUA (ultrasunete) după incubare enzimă.” (Mokkila și colab. 2004)

Microbiene și inactivare enzimatică

Inactivarea microbiană și enzimatică (conservarea), de exemplu în sucuri de fructe și sosuri este o altă aplicație a ultrasunetelor în procesarea produselor alimentare. Astăzi, conservarea prin creșterea temperaturii pentru perioade scurte de timp (pasteurizare) este încă cea mai obișnuită metodă de procesare a inactivării microbiene sau a enzimei, ceea ce conduce la o perioadă de păstrare mai lungă (conservare). Din cauza expunerii la temperaturi ridicate, această metodă termică are de multe ori dezavantaje pentru multe produse alimentare.
Producerea de substanțe noi din reacțiile catalizate de căldură și modificarea macromoleculelor precum deformarea structurilor vegetale și animale pot reduce într-o pierdere de calitate. De aceea, tratamentul termic poate provoca modificări nedorite ale atributelor senzoriale, adică textură, aromă, culoare, miros, și calitățile nutriționale, adică vitamine și proteine. Ultrasunete este un non-termic (minimal) alternative eficiente de procesare.

Căldura generată la nivel local de cavitație și radicalii create pot duce la inactivarea enzimelor prin sonicare (El'piner 1964). La niveluri suficient de scăzute de sonicare modificări structurale și metabolice pot apărea în celule fără distrugerea lor. Activitatea peroxidazei, care se găsește în cele mai multe fructe și legume crude și unblanched și pot fi asociate în special cu dezvoltarea de arome naturale și pigmenți pentru rumenire pot fi reduse substanțial prin utilizarea de ultrasunete. enzime termorezistente, cum ar fi lipaza și proteaza care rezista la tratament la temperatură ultra mare și care poate reduce calitatea și durata de depozitare a laptelui tratat termic și alte produse lactate pot fi inactivate mai eficient prin aplicarea simultană a ultrasunete, căldura și presiunea (MTS).

Cu ultrasunete a demonstrat potențialul său în distrugerea agenților patogeni de toxiinfecție alimentară, cum ar fi E coli. salmonele. Ascaris. Giardia. chisturi CryptosporidiumȘi poliovirus.

Aplicabil: conservarea gem, marmeladă sau topping-uri, de exemplu, pentru înghețată, sucuri de fructe și sosuri, produse din carne, lactate

Sinergiile de ultrasunete, cu temperatură și presiune

Ultrasonication este adesea mai eficient atunci când sunt combinate cu alte metode anti-microbiene, cum ar fi:

  • termo-sonicare, adică de căldură și ultrasunete
  • mano-sonicare, adică presiune și cu ultrasunete
  • mano-termo-sonicare, presiune adică, căldură și ultrasunete

Aplicarea combinată a ultrasunete cu căldură și / sau presiune este recomandat pentru Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae și Aeromonas hydrophila.

Dezvoltarea procesului

Spre deosebire de alte procese non-termice, cum ar fi de înaltă presiune hidrostatică (HP), dioxid de carbon comprimat (CCO2) și dioxid de carbon supercritic (ScCO2) și impulsuri de mare câmp electric (HELP), cu ultrasunete poate fi ușor testată la scară de laborator sau banc-top – generatoare de rezultate reproductibile pentru o scară mai mare. caracteristicile cavitație Intensitatea și poate fi ușor adaptat la procesul de extracție specific pentru a viza obiective specifice. Amplitudine și presiunea poate fi variată într-o gamă largă, de exemplu, pentru a identifica cele mai eficiente energetic de configurare de extracție. țesuturi dure trebuie să fie supuse macerare, măcinare sau pulverizare înainte de ultrasonare.

E coli

Pentru a produce cantități mici de proteine ​​recombinant pentru studiul și caracterizarea proprietăților lor biologice, E coli este bacteria de alegere. tag-uri purificare, de exemplu Coada polihistidină, beta-galactozidaza, maltoza sau de legare
proteine, sunt de obicei îmbinate proteine ​​recombinante, în scopul de a le face separabilă de extracte de celule, cu o puritate suficientă pentru cele mai multe scopuri analitice. Ultrasonication permite maximizarea eliberarea de proteine, în special atunci când randamentul de producție este scăzută și de a păstra structura și activitatea proteinei recombinante.

Perturbarea E coli celule, în scopul de a extrage proteina totală a fost studiată de chimozină Kim și Zayas.

Saffron Extracția

Șofranul este cunoscut sub numele de condimentul cel mai scump de pe piața mondială și se distinge prin aroma delicată, gustul amar și culoarea galbenă atrăgătoare. Spicele de șofran este obținut din stigmatul roșu al florii de crocodie șofran. După uscare, aceste părți sunt folosite ca condimente în bucătărie sau ca coloranți. Aroma caracteristică intensivă a șofranului rezultă în special din trei compuși: crocini, picrocrocin și safranal.

Kadkhodaee și Hemmati-Kakhki au arătat într-un studiu care ultrasonicare a crescut randamentul de extracție semnificativ și a redus considerabil timpul de procesare. De fapt, rezultate prin extracție cu ultrasunete au fost vizibil mai bine decât prin extracție tradițională apă rece, care este propus de către ISO. Pentru cercetarea lor, Kadkhodaee și Hemmati-Kakhki au folosit lui Hielscher UP50H dispozitiv cu ultrasunete. Cele mai bune rezultate au fost realizate cu sonicare impulsuri. Acest lucru înseamnă că intervale scurte impulsuri au fost mai eficiente decât un tratament cu ultrasunete continuu.

Oxidare

La intensități controlate, aplicarea cu ultrasunete pentru a biotransformare și fermentare ar putea avea ca rezultat o biotransformare îmbunătățită, datorită efectelor biologice induse și datorită masei de transfer de celulare ușoare. Influența aplicării controlată a ultrasunetelor (20kHz) privind oxidarea colesterolului la cholestenone prin repausul celulelor Rhodococcus eritropolis ATCC 25544 (anterior Nocardia eritropolis) A fost investigată prin Bar.

Colesterol + O2 = Cholest-4-en-3-onă + H2O2

Acest sistem este tipic de transformări microbiene de steroli și steroizi în care substratul și produsele sunt solide insolubile în apă. Prin urmare, acest sistem este destul de unic prin aceea că atât celulele și solidele pot fi supuse efectului de ultrasunete (Bar, 1987). La o intensitate ultrasonică suficient de scăzută, care a păstrat integritatea structurală a celulelor și a menținut activitatea lor metabolică, Bar a observat o creștere semnificativă a vitezei cinetice a biotransformării în suspensiile microbiene de 1,0 și 2,5 g / L colesterol când a fost sonicat timp de 5 s la fiecare 10mn cu o putere de ieșire de 0,2W / cm². Ecografia nu a arătat niciun efect asupra oxidării enzimatice a colesterolului (2,5 g / l) de colesterol oxidază.

Tehnologia Avantajoase

Utilizarea cavitatie cu ultrasunete pentru extracție și conservarea alimentelor este o nouă tehnologie de procesare puternic, care nu pot fi aplicate numai în condiții de siguranță și ecologic, dar, de asemenea, în mod eficient și economic. Omogenizarea și efect păstrarea poate fi utilizat cu ușurință pentru sucurile de fructe și piureuri (de exemplu, portocale, mere, grapefruit, mango, struguri, prune), precum și pentru sosuri de legume și supe, cum ar fi sos de tomate sau supa de sparanghel.

Solicitați mai multe informații!

Va rugam sa folositi formularul de mai jos, în cazul în care doriți să solicite informații suplimentare cu privire la utilizarea de ultrasunete pentru extracție și conservarea.









Vă rugăm să rețineți Politica de confidentialitate.


Literatură

Allinger, H. (1975): Laboratorul american, 7 (10), 75 (1975).

Bar, R. (1987): Bioprocese Ultrasunete îmbunătățite, În: Biotehnologie și Inginerie, Voi. 32, Pp. 655-663 (1987).

El'piner, S.I. (1964): Ultrasunete: fizice, chimice, biologice și Efecte (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: Ultrasunete Extracția compușilor activi din Saffron, în: Internet publicării.

Kim, S. M. și Zayas, J.F. (1989): Parametrul Prelucrarea extractie chimozină prin ultrasunete; în J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Combinând ultrasunete de putere cu enzime în procesul de prelucrare suc de fructe de pădure, La: 2nd Int. Conf. Biocataliză de produse alimentare și băuturi, 19-22.9.2004, Stuttgart, Germania.

Moulton, K. J., Wang, L.C. (1982): Un pilot-Plant Studiul continuă cu ultrasunete Extracția de proteine ​​de soia, în: Journal of Food Science, Volume 47, 1982.

Mummery, cl (1978): Efectul de ultrasunete pe fibroblaste in vitro, în: doctorat Teză, Universitatea din Londra, Londra, Anglia, 1978.