Extracția și conservarea cu ultrasunete
Extracția și conservarea cu ultrasunete utilizează ultrasunete de putere pentru dezintegrarea structurilor celulare (liză). Ruperea celulelor cu ultrasunete rersults în extracția extrem de eficientă a compușilor intracelulari, precum și inactivarea microbiană. Datorită numeroaselor avantaje, ultrasonication este utilizat pe scară largă pentru extracție și conservare în industria alimentară. Aflați mai multe despre beneficiile extracției cu ultrasunete și prelucrarea alimentelor!
Ultrasunete de putere pentru extracția și conservarea alimentelor și botanicelor
Extracție cu ultrasunete: Extracția cu ultrasunete este un proces care utilizează unde sonore de înaltă frecvență pentru a extrage compuși dintr-o varietate de materiale, ar fi plantele, fructele și legumele. Procesul implică utilizarea undelor ultrasonice pentru a crea bule de înaltă presiune într-un material lichid sau semi-solid, care se prăbușesc rapid, generând căldură și presiune intensă care perturbă pereții celulari ai materialului și eliberează compușii doriți.
Principiul de lucru al extracției și conservării cu ultrasunete
Principiul de bază din spatele 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 (aproximativ 20 kHz), acesta generează unde de presiune care creează bule mici de vid în lichid. Aceste bule cresc în dimensiune pe măsură ce intensitatea ultrasunetelor crește, iar când ajung la o anumită dimensiune, se prăbușesc brusc și violent, generând o undă de șoc și eliberând energie sub formă de căldură și presiune.
Acest proces provoacă întreruperea 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, cum ar fi filtrarea sau centrifugarea.
Conservarea cu ultrasunete: Conservarea cu ultrasunete se bazează pe aceleași efecte cavitaționale ca extracția cu ultrasunete. Pentru conservare, se aplică ultrasunete de putere pentru a prelungi termenul de valabilitate al alimentelor perisabile prin utilizarea undelor sonore de înaltă frecvență pentru a inhiba creșterea microorganismelor care provoacă deteriorarea. Procesul implică expunerea alimentelor la unde ultrasonice care perturbă pereții celulari ai bacteriilor, drojdiilor și mucegaiurilor, ducând la distrugerea sau inhibarea acestora.
Acest proces provoacă întreruperea mecanică a pereților celulari ai microorganismelor, ducând la distrugerea sau inhibarea acestora. Undele ultrasonice pot crește, de asemenea, permeabilitatea membranelor celulare, permițând conservanților și altor agenți antimicrobieni să pătrundă și să omoare microorganismele mai eficient.
Conservarea cu ultrasunete este preferată față de metodele tradiționale de conservare, deoarece oferă mai multe avantaje, ar fi timpul de procesare mai scurt, eficiență mai mare și capacitatea de a păstra proprietățile naturale și aromele alimentelor. Este utilizat într-o gamă largă de produse alimentare, cum ar fi sosuri, sucuri, produse lactate, ouă și carne pentru a le prelungi termenul de valabilitate și pentru a le asigura siguranța.
Tehnica de extracție și conservare cu ultrasunete este preferată față de metodele tradiționale de extracție și conservare, deoarece oferă mai multe avantaje, ar fi ratele de extracție mai rapide, calitatea excelentă a produsului, randament mai mare, tratament pur mecanic non-termic și capacitatea de a extrage o gamă mai largă de compuși. Este utilizat într-o gamă largă de industrii, cum ar fi alimente și băuturi, produse farmaceutice și cosmetice.
Extracția cu ultrasunete a proteinelor și enzimelor
În special, extracția enzimelor și proteinelor stocate în celule și particule subcelulare este o aplicație unică și eficientă a ultrasunetelor de înaltă intensitate, deoarece extracția compușilor organici conținute în corpul plantelor și semințelor de către un solvent poate fi îmbunătățită semnificativ. Prin urmare, ultrasunetele au un beneficiu potențial în extracția și izolarea unor noi componente potențial bioactive, de exemplu din fluxurile de produse secundare neutilizate formate în procesele curente. Ecografia poate ajuta, de asemenea, la intensificarea efectelor tratamentului enzimatic și, prin aceasta, la reducerea cantității de enzime necesare sau la creșterea randamentului compușilor relevanți extractibili.
Extracția cu ultrasunete a lipidelor și proteinelor
Ultrasonication este adesea folosit pentru a îmbunătăți extracția lipidelor și proteinelor din semințe de plante, ar fi soia (de exemplu, făină sau boabe de soia degresate) sau alte semințe oleaginoase. În acest caz, distrugerea pereților celulari facilitează presarea (rece sau caldă) și, prin urmare, reduce uleiul rezidual sau grăsimea din tortul de presare.
Influența extracției continue cu ultrasunete la randamentul proteinei dispersate a fost demonstrată de Moulton et al. sonicare a crescut recuperarea proteinei dispersate progresiv ca raportul fulgi/solvent schimbat de la 1:10 la 1:30. Acesta a arătat că ultrasunetele sunt capabile să peptizeze proteine din soia la aproape orice debit comercial și că energia sonicare necesară a fost cea mai mică, atunci când s-au folosit suspensii mai groase.
Izolarea cu ultrasunete a compușilor fenolici și antociani
Enzimele, cum ar fi pectinazele, celulazele și hemicelulazele sunt utilizate pe scară largă în procesarea sucurilor pentru a degrada pereții celulari și pentru a îmbunătăți extractabilitatea sucului. Perturbarea matricei peretelui celular eliberează, de asemenea, componente, cum ar fi compușii fenolici în suc. Ecografia îmbunătățește procesul de extracție și, prin urmare, poate duce la o creștere a compusului fenolic, a alcaloizilor și a sucului, lăsate în mod obișnuit în tortul de presă.
The beneficial effects of ultrasonic treatment on the liberation of phenolic compounds and anthocyanins from grape and berry matrix, in particular from bilberries (Vaccinium myrtillus) and black currants (>Ribes nigrum) into juice, was investigated by VTT Biotechnology, Finland using an ultrasonic processor UIP2000hd after thawing, mashing and enzyme incubation. The disruption of the cell walls by enzymatic treatment (Pectinex BE-3L for bilberries and Biopectinase CCM for black currants) was improved when combined with ultrasound. “Tratamentul din SUA crește concentrația compușilor fenolici ai sucului de afine cu mai mult de 15%. […Influența SUA (ultrasunete) a fost mai semnificativă cu coacăze negre, care sunt fructe de pădure mai provocatoare în procesarea sucului decât afinele datorită conținutului ridicat de pectină și arhitecturii diferite a peretelui celular. […] concentrația compușilor fenolici din suc a crescut cu 15-25% prin utilizarea tratamentului SUA (ultrasunete) după incubarea enzimatică.” (cf. Mokkila et al., 2004)
Inactivarea microbiană și enzimatică
Inactivarea microbiană și enzimatică (conservarea), de exemplu în sucurile de fructe și sosuri, este o altă aplicație a ultrasunetelor în procesarea alimentelor. Astăzi, conservarea prin creșterea temperaturii pentru perioade scurte de timp (pasteurizare) este încă cea mai comună metodă de procesare pentru inactivarea microbiană sau enzimatică care duce la o durată de depozitare mai lungă (conservare). Din cauza expunerii la temperaturi ridicate, pasteurizarea termică convențională prezintă adesea dezavantaje pentru produsele alimentare.
Producerea de substanțe noi din reacțiile catalizate termic și modificarea macromoleculelor, precum și deformarea structurilor vegetale și animale pot reduce pierderea calității. Prin urmare, tratamentul termic poate provoca modificări nedorite ale atributelor senzoriale, adică textura, aroma, culoarea, mirosul și calitățile nutriționale, adică vitaminele și proteinele. Ecografia este 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, modificări structurale și metabolice pot apărea în celule fără distrugerea lor. Activitatea peroxidazei, care se găsește în majoritatea fructelor și legumelor crude și neblanșate și poate fi asociată în special cu dezvoltarea de arome și pigmenți de rumenire, poate fi redusă substanțial prin utilizarea ultrasunetelor. Enzimele termorezistente, cum ar fi lipaza și proteaza, care rezistă la tratamentul la temperaturi ultra-înalte și care pot reduce calitatea și durata de conservare a laptelui tratat termic și a altor produse lactate pot fi inactivate mai eficient prin aplicarea simultană a ultrasunetelor, căldurii și presiunii (MTS).
Ecografia și-a demonstrat potențialul în distrugerea agenților patogeni alimentari, cum ar fi E. coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, chisturile Cryptosporidium și poliovirusul.
Se aplică la: conservarea gemului, marmeladei sau toppingurilor, sucurilor și sosurilor de fructe, produselor din carne, lactatelor și înghețatei.
Sinergiile ultrasunetelor cu temperatura și presiunea
Ultrasonication este adesea mai eficient atunci când este combinat cu alte metode antimicrobiene, cum ar fi:
- termo-sonicare, adică căldură și ultrasunete
- Mano-sonicare, adică presiune și ultrasunete
- Mano-termo-sonicare, adică presiune, căldură și ultrasunete
Aplicarea combinată a ultrasunetelor cu căldură și / sau presiune este recomandată pentru Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae și Aeromonas hydrophila.
Ultrasonics vs alte tehnici de conservare a alimentelor
Spre deosebire de alte procese termice și non-termice, cum ar fi omogenizarea la presiune înaltă, pasteurizarea termică, presiunea hidrostatică ridicată (HP), dioxidul de carbon comprimat (cCO2) și dioxidul de carbon supercritic (ScCO2), impulsurile de câmp electric ridicat (HELP) sau microundele, ultrasunetele pot fi testate cu ușurință în laborator sau la scară de laborator – generarea de rezultate reproductibile pentru extindere. Intensitatea și caracteristicile de cavitație pot fi ușor adaptate la procesul specific de extracție pentru a viza obiective specifice. Amplitudinea și presiunea pot fi variate într-o gamă largă, de exemplu pentru a identifica cea mai eficientă configurație de extracție din punct de vedere energetic.
Alte avantaje legate de utilizarea extracției de tip sondă cu ultrasunete sunt manipularea ușoară a extractului, execuție rapidă, fără reziduuri, randament ridicat, ecologic, calitate îmbunătățită și prevenirea degradării extractului.
(cf. Chemat et al., 2011)
- Extracție mai completă
- Conservare non-termică
- randamente mai mari
- Nutrienți înalți, calitate premium a alimentelor
- proces rapid
- Proces rece / non-termic
- ușor și sigur de operat
- întreținere redusă
Ultrasonicators de înaltă performanță pentru extracție și preseravation
Hielscher Ultrasonics proiectează, produce și distribuie ultrasonicators de înaltă performanță pentru extracția și conservarea eficientă. Folosind echipamente cu ultrasunete Hielscher pentru extracția și conservarea alimentelor este o tehnologie puternică de prelucrare care nu numai că poate fi aplicată în condiții de siguranță și ecologice, dar, de asemenea, eficient și economic. Efectul de omogenizare și conservare poate fi utilizat cu ușurință pentru orice produs alimentar lichid sau pastă, inclusiv sucuri de fructe și piureuri (de exemplu, portocale, mere, grapefruit, mango, struguri, prune), precum și pentru sosuri de legume și supe (de exemplu, sos de roșii sau supă de sparanghel), lactate, ouă și carne.
Portofoliul nostru de omogenizatoare și extractoare cu ultrasunete variază de la dispozitive portabile, portabile la sisteme de producție complet industriale pentru prelucrarea în linie a volumelor mari la scară comercială.
Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany
Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.
Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
---|---|---|
00,5 până la 1,5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 până la 500 ml | 10 până la 200 ml/min | UP100H |
10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 până la 20L | 00.2 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 | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
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.
Fapte care merită știute
Dezintegrarea celulelor cu ultrasunete
Sub sonicare intensă, enzimele sau proteinele pot fi eliberate din celule sau organite subcelulare ca urmare a dezintegrării celulare. În acest caz, compusul care urmează să fie dizolvat într-un solvent este închis într-o structură insolubilă. Pentru ao extrage, membrana celulară trebuie distrusă. Perturbarea celulară este un proces sensibil, deoarece capacitatea peretelui celular de a rezista la o presiune osmotică ridicată în interior. Este necesar un control bun al perturbării celulare, pentru a evita eliberarea nestingherită a tuturor produselor intracelulare, inclusiv resturile celulare și acizii nucleici sau denaturarea produsului.
Ultrasonication servește ca un mijloc bine controlabil pentru dezintegrarea celulelor. Pentru aceasta, efectele mecanice ale ultrasunetelor asigură o penetrare mai rapidă și mai completă a solventului în materialele celulare și îmbunătățesc transferul de masă. Ecografia realizează o penetrare mai mare a unui solvent într-un țesut vegetal și îmbunătățește transferul de masă. Undele ultrasonice generatoare de cavitație perturbă pereții celulari și facilitează eliberarea componentelor matricei.
Ultrasonically îmbunătățit transferul de masă promovează extracția
În general, ultrasunetele pot duce la o permeabilizare a membranelor celulare la ioni și pot reduce semnificativ selectivitatea membranelor celulare. Activitatea mecanică a ultrasunetelor susține difuzia solvenților în țesut. Deoarece ultrasunetele sparg mecanic peretele celular prin forțele de forfecare a cavitației, facilitează transferul din celulă în solvent. Reducerea dimensiunii particulelor prin cavitație cu ultrasunete crește suprafața în contact între faza solidă și lichidă.
Liza cu ultrasunete și inactivarea E. coli
Pentru a produce cantități mici de proteine recombinante pentru studiul și caracterizarea proprietăților lor biologice, E. coli este bacteria de alegere. Etichetele de purificare, de exemplu coada de polihistidină, beta-galactozidaza sau proteinele care leagă maltoza, sunt în mod obișnuit legate de proteinele recombinante pentru a le face separabile de extractele celulare cu o puritate suficientă pentru majoritatea scopurilor analitice. Ultrasonication permite maximizarea eliberării proteinelor, în special atunci când randamentul producției este scăzut și pentru a păstra structura și activitatea proteinei recombinante.
Oxidare cu ultrasunete
La intensități controlate, aplicarea ultrasunetelor la biotransformare și fermentare poate duce la o bioprocesare îmbunătățită, datorită efectelor biologice induse și datorită transferului de masă celular facilitat. Influența aplicării controlate a ultrasunetelor (20kHz) asupra oxidării colesterolului la colestenon de către celulele de repaus ale Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (fostă Nocardia erythropolis) a fost investigată de Bar (1987).
Acest sistem este tipic transformărilor 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 și-a menținut activitatea metabolică, Bar a observat o îmbunătățire semnificativă a ratelor cinetice ale biotransformării în suspensiile microbiene de 1,0 și 2,5 g / L colesterol atunci când sonicated pentru 5s 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 către oxidaza colesterolului.