Extracție și conservare cu ultrasunete

Extracția și conservarea cu ultrasunete utilizează ultrasunete de putere pentru dezintegrarea structurilor celulare (liză). Distrugerea celulelor cu ultrasunete are ca rezultat o extracție foarte eficientă a compușilor intracelulari, precum și inactivarea microbiană. Datorită numeroaselor avantaje, ultrasonicarea este utilizată pe scară largă pentru extracție și conservare în industria alimentară. Aflați mai multe despre beneficiile extracției cu ultrasunete și ale procesării alimentelor!

Ultrasunete de putere pentru extracția și conservarea alimentelor și a produselor botanice

Extracția cu ultrasunete: Extracția cu ultrasunete este un proces care utilizează unde sonore de înaltă frecvență pentru a extrage compuși dintr-o varietate de materiale, precum plante, fructe și legume. Procesul implică utilizarea undelor ultrasonice pentru a crea bule de înaltă presiune într-un material lichid sau semisolid, care colapsează rapid, generând căldură și presiune intense ce distrug pereții celulari ai materialului și eliberează compușii doriți.

Principiul de funcționare al extracției și conservării cu ultrasunete

Principiul de bază al extracției cu ultrasunete se bazează pe fenomenul cunoscut sub numele de cavitație acustică. Atunci când un lichid este expus la unde ultrasonice de intensitate ridicată și frecvență joasă (aprox. 20 kHz), se generează unde de presiune care creează bule minuscule de vid în lichid. Aceste bule cresc în dimensiune pe măsură ce intensitatea ultrasunetelor crește, iar când ating o anumită dimensiune, colapsează brusc și violent, generând o undă de șoc și eliberând energie sub formă de căldură și presiune.
Acest proces provoacă distrugerea mecanică a pereților celulari, eliberând compușii doriți din material în solventul lichid. Compușii eliberați pot fi apoi separați de solvent folosind tehnici standard de separare, precum filtrarea sau centrifugarea.

Acest videoclip ilustrează efectul sonicării asupra stabilității sucului proaspăt de morcovi ecologici. Include o filmare accelerată a depozitării la frigider pentru a demonstra acest efect. În producția de sucuri, smoothie-uri, piureuri și sosuri, sonicatoarele Hielscher îmbunătățesc stabilitatea, textura și durata de valabilitate. Sonicarea reduce la minimum alterarea microbiană și previne sedimentarea și separarea, care pot apărea în doar câteva zile. Procesarea cu ultrasunete se poate aplica loturilor mari sau în flux continuu, chiar înainte de îmbuteliere. Sonicarea este o metodă de procesare pur mecanică. Este ideală pentru sucuri, piureuri, smoothie-uri sau sosuri din fructe și legume ecologice.

Conservarea cu ultrasunete: Conservarea cu ultrasunete se bazează pe aceleași efecte cavitaționale ca extracția cu ultrasunete. Pentru conservare, ultrasunetele de putere sunt aplicate pentru a prelungi termenul de valabilitate al alimentelor perisabile, folosind unde sonore de înaltă frecvență pentru a inhiba creșterea microorganismelor care provoacă alterarea. Procesul implică expunerea alimentelor la unde ultrasonice care distrug pereții celulari ai bacteriilor, drojdiilor și mucegaiurilor, ducând la distrugerea sau inhibarea acestora.
Acest proces provoacă distrugerea mecanică a pereților celulari ai microorganismelor, ducând la distrugerea sau inhibarea acestora. Undele ultrasonice pot, de asemenea, să crească permeabilitatea membranelor celulare, permițând conservanților și altor agenți antimicrobieni să pătrundă și să ucidă microorganismele mai eficient.
Conservarea cu ultrasunete este preferată metodelor tradiționale de conservare deoarece oferă mai multe avantaje, precum un timp de procesare mai scurt, o eficiență mai mare și capacitatea de a păstra proprietățile naturale și aromele alimentelor. Este utilizată într-o gamă largă de produse alimentare, precum sosuri, sucuri, produse lactate, ouă și carne, pentru a le prelungi termenul de valabilitate și a le asigura siguranța.

Tehnica de extracție și conservare cu ultrasunete este preferată metodelor tradiționale de extracție și conservare deoarece oferă mai multe avantaje, precum rate de extracție mai rapide, calitate excelentă a produsului, randament mai mare, tratament pur mecanic, non-termic, și capacitatea de a extrage o gamă mai largă de compuși. Este utilizată într-o gamă largă de industrii, precum industria alimentară și a băuturilor, industria farmaceutică și industria cosmetică.

Extracția cu ultrasunete a compușilor vegetali oferă randamente mai mari. Omogenizatorul Hielscher UIP2000hdT, de 2000 wați, este suficient de puternic pentru a realiza cu ușurință extracția în loturi de la 10 litri la 120 litri.

Extracția proteinelor și enzimelor cu ultrasunete

În special extracția enzimelor și proteinelor stocate în celule și particule subcelulare reprezintă o aplicație unică și eficientă a ultrasunetelor de intensitate ridicată, deoarece extracția cu un solvent a compușilor organici conținuți în corpul plantelor și al semințelor poate fi îmbunătățită semnificativ. Prin urmare, ultrasunetele au un potențial beneficiu în extracția și izolarea unor componente noi, potențial bioactive, de exemplu din fluxuri de produse secundare neutilizate, formate în procesele actuale. Ultrasunetele pot contribui, de asemenea, la intensificarea efectelor tratamentului enzimatic și, prin aceasta, la reducerea cantității de enzime necesare sau la creșterea randamentului de compuși relevanți extractibili.

Extracția lipidelor și proteinelor cu ultrasunete

Ultrasonicarea este adesea utilizată pentru a îmbunătăți extracția lipidelor și proteinelor din semințele plantelor, precum boabele de soia (de exemplu, făină sau boabe de soia degresate) sau alte semințe oleaginoase. În acest caz, distrugerea pereților celulari facilitează presarea (la rece sau la cald) și astfel reduce uleiul sau grăsimea reziduală din turta de presare.

Influența extracției continue cu ultrasunete asupra randamentului de proteină dispersată a fost demonstrată de Moulton et al. Sonicarea a crescut progresiv recuperarea proteinei dispersate pe măsură ce raportul fulgi/solvent s-a modificat de la 1:10 la 1:30. S-a arătat că ultrasunetele sunt capabile să peptizeze proteina din soia la aproape orice capacitate comercială de procesare și că energia de sonicare necesară a fost cea mai scăzută atunci când s-au utilizat suspensii mai groase.

Izolarea compușilor fenolici și a antocianinelor cu ultrasunete

Enzimele, precum pectinazele, celulazele și hemicelulazele, sunt utilizate pe scară largă în procesarea sucurilor pentru a degrada pereții celulari și a îmbunătăți extractibilitatea sucului. Distrugerea matricei peretelui celular eliberează, de asemenea, componente precum compușii fenolici în suc. Ultrasunetele îmbunătățesc procesul de extracție și, prin urmare, pot duce la o creștere a randamentului de compuși fenolici, alcaloizi și suc, rămași de obicei în turta de presare.

Efectele benefice ale tratamentului cu ultrasunete asupra eliberării compușilor fenolici și a antocianinelor din matricea strugurilor și a fructelor de pădure, în special din afine (Vaccinium myrtillus) și coacăze negre (>Ribes nigrum), în suc au fost investigate de VTT Biotechnology, Finlanda, folosind un procesor ultrasonic UIP2000hd după decongelare, zdrobire și incubare enzimatică. Distrugerea pereților celulari prin tratament enzimatic (Pectinex BE-3L pentru afine și Biopectinase CCM pentru coacăzele negre) a fost îmbunătățită atunci când a fost combinată cu ultrasunetele. „Tratamentul cu US a crescut concentrația de compuși fenolici din sucul de afine cu mai mult de 15%. […] Influența US (ultrasunetelor) a fost mai semnificativă în cazul coacăzelor negre, care sunt fructe mai dificile în procesarea sucurilor decât afinele, din cauza conținutului ridicat de pectină și a arhitecturii diferite a pereților celulari. […] concentrația de compuși fenolici din suc a crescut cu 15–25% prin utilizarea tratamentului cu US (ultrasunete) după incubarea enzimatică.” (cf. Mokkila et al., 2004)

În această prezentare vă introducem în producția de extracte vegetale. Explicăm provocările obținerii unor extracte vegetale de înaltă calitate și modul în care un sonicator vă poate ajuta să le depășiți. Această prezentare vă arată cum funcționează extracția cu ultrasunete. Veți afla ce beneficii puteți obține utilizând un sonicator pentru extracție și cum puteți integra un extractor cu ultrasunete în procesul de producție a extractelor.

Inactivarea microbiană și enzimatică

Inactivarea microbiană și enzimatică (conservarea), de exemplu în sucuri de fructe și sosuri, este o altă aplicație a ultrasunetelor în procesarea alimentelor. În prezent, conservarea prin creșterea temperaturii pentru perioade scurte de timp (pasteurizarea) este încă cea mai comună metodă de procesare pentru inactivarea microbiană sau enzimatică, ce conduce la un termen de valabilitate mai lung (conservare). Din cauza expunerii la temperaturi ridicate, pasteurizarea termică convențională vine adesea cu dezavantaje pentru produsele alimentare.
Producerea de noi substanțe din reacții catalizate termic și modificarea macromoleculelor, precum și deformarea structurilor vegetale și animale pot duce la o pierdere a calității. Prin urmare, tratamentul termic poate provoca modificări nedorite ale atributelor senzoriale, adică textură, aromă, culoare, miros, și ale calităților nutriționale, adică vitamine și proteine. Ultrasunetele reprezintă o alternativă eficientă de procesare non-termică (minimă).

Spre deosebire de tratamentele termice convenționale, conservarea cu ultrasunete utilizează energia și forțele de forfecare ale cavitației acustice pentru a inactiva enzimele. La niveluri suficient de scăzute de sonicare, în celule pot apărea modificări structurale și metabolice fără distrugerea acestora. Activitatea peroxidazei, care se găsește în majoritatea fructelor și legumelor crude și neopărite și poate fi asociată în special cu dezvoltarea unor arome străine și a pigmenților de brunificare, poate fi redusă substanțial prin utilizarea ultrasunetelor. Enzimele termorezistente, precum lipaza și proteaza, care rezistă tratamentului la temperatură ultra-înaltă și care pot reduce calitatea și termenul de valabilitate al laptelui tratat termic și al altor produse lactate, pot fi inactivate mai eficient prin aplicarea simultană a ultrasunetelor, căldurii și presiunii (MTS).

Ultrasunetele și-au demonstrat potențialul în distrugerea agenților patogeni transmiși prin alimente, precum E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, chisturi de Cryptosporidium și Poliovirus.

Aplicabil pentru: conservarea gemului, a marmeladei sau a toppingurilor, a sucurilor de fructe și a sosurilor, a produselor din carne, a produselor lactate și a înghețatei.

Sonicatoarele Hielscher pot omogeniza și pasteuriza produse lichide din ouă (ouă întregi, albușuri, gălbenușuri) pentru a asigura siguranța alimentară și stabilitatea mecanică. Omogenizatoarele cu ultrasunete Hielscher generează cavitație intensă și forțe de forfecare ridicate pentru a distruge microorganismele. Pasteurizarea cu ultrasunete este o alternativă foarte eficace și eficientă de pasteurizare la temperatură scăzută. Oul lichid pasteurizat prin sonicare prezintă o denaturare mai redusă a proteinelor, pierderi mai mici de aromă și o omogenitate îmbunătățită, iar procesul oferă o eficiență energetică semnificativ mai mare.

Sinergiile ultrasunetelor cu temperatura și presiunea

Ultrasonicarea este adesea mai eficientă atunci când este combinată cu alte metode antimicrobiene, precum:

termo-sonicarea, adică căldură și ultrasunete
mano-sonicarea, adică presiune și ultrasunete
mano-termo-sonicarea, adică presiune, căldură și ultrasunete

Aplicarea combinată a ultrasunetelor cu căldura și/sau presiunea este recomandată pentru Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae și Aeromonas hydrophila.

Ultrasunetele față de alte tehnici de conservare a alimentelor

Spre deosebire de alte procese termice și non-termice, precum omogenizarea la înaltă presiune, pasteurizarea termică, procesarea la înaltă presiune (HPP), dioxidul de carbon comprimat (cCO2) și dioxidul de carbon supercritic (ScCO2), impulsurile de câmp electric înalt (HELP) sau microundele, ultrasunetele pot fi testate cu ușurință la scară de laborator sau de banc – generând rezultate reproductibile pentru scalare. Intensitatea și caracteristicile cavitației pot fi adaptate cu ușurință procesului specific de extracție, pentru a atinge obiective specifice. Amplitudinea și presiunea pot fi variate într-un interval larg, de exemplu pentru a identifica configurația de extracție cea mai eficientă energetic.

Alte avantaje legate de utilizarea extracției cu sonicatoare cu sondă sunt manipularea ușoară a extractului, execuția rapidă, absența reziduurilor, randamentul ridicat, caracterul ecologic, calitatea îmbunătățită și prevenirea degradării extractului.
(cf. Chemat et al., 2011)

Avantajele procesării alimentelor cu ultrasunete

Extracție mai completă
Conservare non-termică
Randamente mai mari
Conținut ridicat de nutrienți, calitate superioară a alimentelor
Proces rapid
Proces la rece / non-termic
Operare ușoară și sigură
Întreținere redusă

Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru extracție și conservare

Hielscher Ultrasonics proiectează, produce și distribuie ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru extracție și conservare eficiente. Utilizarea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher pentru extracție și conservarea alimentelor reprezintă o tehnologie de procesare puternică, ce poate fi aplicată nu doar în siguranță și în mod ecologic, ci și eficient și economic. Efectul de omogenizare și conservare poate fi utilizat cu ușurință pentru orice produs alimentar lichid sau sub formă de pastă, inclusiv sucuri și piureuri de fructe (de exemplu, portocale, mere, grepfrut, mango, struguri, prune), precum și pentru sosuri și supe de legume (de exemplu, sos de roșii sau supă de sparanghel), produse lactate, ouă și carne.
Portofoliul nostru de omogenizatoare și extractoare cu ultrasunete variază de la dispozitive ținute în mână, portabile, până la sisteme de producție complet industriale pentru procesarea inline a volumelor mari la scară comercială.

Proiectare, producție și consultanță – calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Volum per lot	Debit	Dispozitive recomandate
0,5 până la 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 până la 500mL	10 până la 200mL/min	UP100H
10 până la 2000mL	20 până la 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 până la 20L	0,2 până la 4L/min	UIP2000hdT
10 până la 100L	2 până la 10L/min	UIP4000hdT
15 până la 150L	3 până la 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 până la 100L/min	UIP16000
n.a.	mai mare	cluster de UIP16000

Contactați-ne! / Întrebați-ne!

Subiecte conexe

Literatură / Referințe

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.

Informații utile

Dezintegrarea celulelor cu ultrasunete

Sub sonicare intensă, enzimele sau proteinele pot fi eliberate din celule sau organite subcelulare ca urmare a dezintegrării celulelor. În acest caz, compusul care urmează să fie dizolvat într-un solvent este închis într-o structură insolubilă. Pentru a-l extrage, membrana celulară trebuie distrusă. Dezintegrarea celulelor este un proces sensibil, din cauza capacității peretelui celular de a rezista presiunii osmotice ridicate din interior. Este necesar un control bun al dezintegrării celulelor, pentru a evita o eliberare neîngrădită a tuturor produselor intracelulare, inclusiv a resturilor celulare și a acizilor nucleici, sau denaturarea produsului.
Ultrasonicarea servește drept mijloc bine controlabil pentru dezintegrarea celulelor. În acest scop, efectele mecanice ale ultrasunetelor asigură o pătrundere mai rapidă și mai completă a solventului în materialele celulare și îmbunătățesc transferul de masă. Ultrasunetele realizează o pătrundere mai mare a unui solvent într-un țesut vegetal și îmbunătățesc transferul de masă. Undele ultrasonice care generează cavitație distrug pereții celulari și facilitează eliberarea componentelor matricei.

Transferul de masă îmbunătățit cu ultrasunete favorizează extracția

În general, ultrasunetele pot duce la o permeabilizare a membranelor celulare pentru ioni și pot reduce semnificativ selectivitatea membranelor celulare. Activitatea mecanică a ultrasunetelor susține difuzia solvenților în țesut. Deoarece ultrasunetele rup mecanic peretele celular prin forțele de forfecare ale cavitației, acestea facilitează transferul din celulă în solvent. Reducerea dimensiunii particulelor prin cavitația ultrasonică mărește suprafața de contact dintre faza solidă și cea lichidă.

Liza și inactivarea E.coli cu ultrasunete

Pentru a produce cantități mici de proteine recombinante în vederea studierii și caracterizării proprietăților lor biologice, E.coli este bacteria preferată. Etichetele de purificare, de exemplu coada de polihistidină, beta-galactozidaza sau proteinele de legare a maltozei, sunt atașate în mod obișnuit proteinelor recombinante pentru a le face separabile din extractele celulare cu o puritate suficientă pentru majoritatea scopurilor analitice. Ultrasonicarea permite maximizarea eliberării proteinelor, în special atunci când randamentul de producție este scăzut, și păstrarea structurii și activității proteinei recombinante.

Oxidarea cu ultrasunete

La intensități controlate, aplicarea ultrasunetelor în biotransformare și fermentare poate duce foarte bine la o bioprocesare îmbunătățită, datorită efectelor biologice induse și transferului de masă celular facilitat. Influența aplicării controlate a ultrasunetelor (20kHz) asupra oxidării colesterolului la colestenonă de către celulele în repaus de Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (anterior Nocardia erythropolis) a fost investigată de Bar (1987).
Acest sistem este tipic pentru transformările microbiene ale sterolilor și steroizilor, prin faptul că substratul și produsele sunt solide insolubile în apă. Prin urmare, acest sistem este destul de unic, prin faptul că atât celulele, cât și solidele pot fi supuse efectului ultrasunetelor. La o intensitate ultrasonică suficient de scăzută, care a păstrat integritatea structurală a celulelor și le-a menținut activitatea metabolică, Bar a observat o creștere semnificativă a vitezelor cinetice ale biotransformării în suspensiile microbiene de 1,0 și 2,5 g/L colesterol, atunci când acestea au fost sonicate timp de 5s la fiecare 10mn cu o putere de ieșire de 0,2W/cm². Ultrasunetele nu au avut niciun efect asupra oxidării enzimatice a colesterolului (2,5g/L) de către colesterol oxidază.

Ce este procesarea la înaltă presiune în conservarea alimentelor?

Procesarea la înaltă presiune (HPP) este o tehnică non-termică de conservare a alimentelor care inactivează microorganismele și enzimele, menținând în același timp calitățile senzoriale și nutriționale ale produsului. Aceasta presupune supunerea alimentelor ambalate unor presiuni hidrostatice cuprinse de obicei între 300 și 600 MPa (megapascali) timp de câteva secunde până la câteva minute. O provocare majoră a procesării la înaltă presiune este consumul său foarte ridicat de energie. Aflați mai multe despre modul în care sonicarea poate contribui la reducerea necesarului de energie al HPP!