Ультразвуковая экстракция и консервирование

Ультразвуковая экстракция и консервирование основаны на применении мощного ультразвука для разрушения клеточных структур (лизиса). Разрушение клеток ультразвуком обеспечивает высокоэффективную экстракцию внутриклеточных соединений, а также инактивацию микроорганизмов. Благодаря многочисленным преимуществам обработка ультразвуком широко используется для экстракции и консервирования в пищевой промышленности. Узнайте больше о преимуществах ультразвуковой экстракции и обработки пищевых продуктов!

Мощный ультразвук для экстракции и консервирования пищевых продуктов и растительного сырья

Ультразвуковая экстракция: Ультразвуковая экстракция – это процесс, в котором высокочастотные звуковые волны используются для извлечения соединений из различных материалов, таких как растения, фрукты и овощи. В процессе ультразвуковые волны создают в жидком или полутвёрдом материале пузырьки высокого давления, которые быстро схлопываются, создавая интенсивный нагрев и давление, разрушающие клеточные стенки материала и высвобождающие требуемые соединения.

Принцип действия ультразвуковой экстракции и консервирования

Основной принцип ультразвуковой экстракции основан на явлении, известном как акустическая кавитация. При воздействии на жидкость ультразвуковых волн высокой интенсивности и низкой частоты (прибл. 20 kHz) возникают волны давления, которые создают в жидкости крошечные вакуумные пузырьки. Эти пузырьки увеличиваются в размерах по мере повышения интенсивности ультразвука и, достигнув определённого размера, внезапно и резко схлопываются, создавая ударную волну и высвобождая энергию в виде тепла и давления.
Этот процесс вызывает механическое разрушение клеточных стенок, высвобождая требуемые соединения из материала в жидкий растворитель. Затем высвободившиеся соединения можно отделить от растворителя с помощью стандартных методов разделения, таких как фильтрация или центрифугирование.

В этом видео показано влияние ультразвуковой обработки на стабильность свежего органического морковного сока. Для демонстрации эффекта включена ускоренная съёмка хранения в холодильнике. При производстве соков, смузи, пюре и соусов ультразвуковые процессоры Hielscher повышают стабильность, улучшают текстуру и увеличивают срок хранения. Ультразвуковая обработка сводит к минимуму микробную порчу и предотвращает образование осадка и расслоение, которые могут возникнуть всего за несколько дней. Ультразвуковую обработку можно проводить большими партиями или в потоке непосредственно перед розливом. Это исключительно механический метод обработки. Он идеально подходит для органических фруктовых и овощных соков, пюре, смузи и соусов.

Ультразвуковое консервирование: Ультразвуковое консервирование основано на тех же кавитационных эффектах, что и ультразвуковая экстракция. При консервировании мощный ультразвук применяется для продления срока хранения скоропортящихся пищевых продуктов: высокочастотные звуковые волны подавляют рост микроорганизмов, вызывающих порчу. Процесс включает воздействие на пищевой продукт ультразвуковых волн, которые разрушают клеточные стенки бактерий, дрожжей и плесневых грибов, приводя к их уничтожению или подавлению.
Этот процесс вызывает механическое разрушение клеточных стенок микроорганизмов, приводя к их уничтожению или подавлению. Ультразвуковые волны также могут повышать проницаемость клеточных мембран, позволяя консервантам и другим антимикробным средствам проникать внутрь и эффективнее уничтожать микроорганизмы.
Ультразвуковое консервирование предпочтительнее традиционных методов консервирования, поскольку оно обеспечивает ряд преимуществ, таких как более короткое время обработки, более высокая эффективность и возможность сохранения естественных свойств и вкуса пищевого продукта. Оно применяется для широкого спектра пищевых продуктов, таких как соусы, соки, молочные продукты, яйца и мясо, чтобы продлить срок их хранения и обеспечить их безопасность.

Метод ультразвуковой экстракции и консервирования предпочтительнее традиционных методов экстракции и консервирования, поскольку он обеспечивает ряд преимуществ, таких как более высокая скорость экстракции, превосходное качество продукта, более высокий выход, исключительно механическая нетермическая обработка и возможность извлечения более широкого спектра соединений. Он применяется в широком спектре отраслей, таких как производство пищевых продуктов и напитков, фармацевтика и косметическая промышленность.

Ультразвуковая экстракция растительного сырья повышает выход экстракта. Гомогенизатор Hielscher UIP2000hdT мощностью 2000 ватт позволяет без труда проводить экстракцию партий объёмом от 10 литров до 120 литров.

Ультразвуковая экстракция белков и ферментов

В частности, экстракция ферментов и белков, содержащихся в клетках и субклеточных частицах, представляет собой уникальное и эффективное применение высокоинтенсивного ультразвука, поскольку извлечение растворителем органических соединений, содержащихся в тканях растений и семенах, можно значительно улучшить. Поэтому ультразвук может принести пользу при экстракции и выделении новых потенциально биоактивных компонентов, например из неиспользуемых потоков побочных продуктов, образующихся в существующих процессах. Ультразвук также может помочь усилить действие ферментативной обработки и тем самым уменьшить необходимое количество фермента или увеличить выход извлекаемых целевых соединений.

Ультразвуковая экстракция липидов и белков

Обработка ультразвуком часто используется для улучшения экстракции липидов и белков из семян растений, таких как соевые бобы (например, мука или обезжиренные соевые бобы) или другие масличные семена. В этом случае разрушение клеточных стенок облегчает прессование (холодное или горячее) и тем самым уменьшает содержание остаточного масла или жира в жмыхе.

Влияние непрерывной ультразвуковой экстракции на выход диспергированного белка было продемонстрировано Moulton et al. Обработка ультразвуком постепенно увеличивала извлечение диспергированного белка по мере изменения соотношения хлопьев и растворителя с 1:10 до 1:30. Было показано, что ультразвук способен пептизировать соевый белок практически при любой промышленной производительности и что требуемая энергия обработки ультразвуком была наименьшей при использовании более густых суспензий.

Ультразвуковое выделение фенольных соединений и антоцианов

Ферменты, такие как пектиназы, целлюлазы и гемицеллюлазы, широко используются при переработке соков для разрушения клеточных стенок и улучшения извлечения сока. Разрушение матрикса клеточной стенки также высвобождает в сок такие компоненты, как фенольные соединения. Ультразвук улучшает процесс экстракции и поэтому может приводить к увеличению выхода фенольных соединений, алкалоидов и сока, обычно остающихся в жмыхе.

Благоприятное влияние обработки ультразвуком на высвобождение фенольных соединений и антоцианов из матрикса винограда и ягод, в частности черники (Vaccinium myrtillus) и чёрной смородины (>Ribes nigrum), в сок исследовалось в VTT Biotechnology, Финляндия, с использованием ультразвукового процессора UIP2000hd после размораживания, измельчения в пюре и инкубации с ферментами. Разрушение клеточных стенок при ферментативной обработке (Pectinex BE-3L для черники и Biopectinase CCM для чёрной смородины) улучшалось при её сочетании с ультразвуком. «Обработка US повышает концентрацию фенольных соединений в черничном соке более чем на 15%. […] Влияние US (ультразвука) было более значительным для чёрной смородины, ягоды которой сложнее перерабатывать в сок, чем чернику, из-за высокого содержания пектина и иной архитектуры клеточных стенок. […] Концентрация фенольных соединений в соке увеличилась на 15–25% при использовании обработки US (ультразвуком) после инкубации с ферментами». (ср. Mokkila et al., 2004)

В этой презентации мы знакомим вас с производством растительных экстрактов. Мы объясняем, какие трудности возникают при получении высококачественных растительных экстрактов и как ультразвуковой процессор помогает их преодолеть. Презентация показывает, как работает ультразвуковая экстракция. Вы узнаете, какие преимущества даёт применение ультразвукового процессора для экстракции и как внедрить ультразвуковой экстрактор в производство экстрактов.

Инактивация микроорганизмов и ферментов

Инактивация микроорганизмов и ферментов (консервирование), например во фруктовых соках и соусах, – ещё одно применение ультразвука при переработке пищевых продуктов. Сегодня консервирование путём кратковременного повышения температуры (пастеризация) по-прежнему остаётся наиболее распространённым методом обработки для инактивации микроорганизмов или ферментов, который обеспечивает более длительный срок хранения (консервирование). Из-за воздействия высокой температуры традиционная термическая пастеризация часто имеет недостатки для пищевых продуктов.
Образование новых веществ в результате реакций, катализируемых нагревом, и модификация макромолекул, а также деформация растительных и животных структур могут приводить к потере качества. Поэтому термическая обработка может вызывать нежелательные изменения органолептических свойств, то есть текстуры, вкуса, цвета и запаха, а также пищевой ценности, то есть витаминов и белков. Ультразвук представляет собой эффективную альтернативу для нетермической (минимальной) обработки.

В отличие от традиционной термической обработки, ультразвуковое консервирование использует энергию и силы сдвига акустической кавитации для инактивации ферментов. При достаточно низких уровнях обработки ультразвуком в клетках могут происходить структурные и метаболические изменения без их разрушения. Активность пероксидазы, которая присутствует в большинстве сырых и небланшированных фруктов и овощей и может быть особенно связана с появлением посторонних привкусов и пигментов потемнения, можно существенно снизить с помощью ультразвука. Термостойкие ферменты, такие как липаза и протеаза, которые выдерживают ультравысокотемпературную обработку и могут снижать качество и срок хранения термически обработанного молока и других молочных продуктов, можно эффективнее инактивировать при одновременном применении ультразвука, нагрева и давления (MTS).

Ультразвук продемонстрировал свой потенциал в уничтожении патогенов, передающихся через пищу, таких как E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, цисты Cryptosporidium и Poliovirus.

Применяется для: консервирования варенья, мармелада или топпингов, фруктовых соков и соусов, мясных продуктов, молочных продуктов и мороженого.

Ультразвуковые процессоры Hielscher позволяют гомогенизировать и пастеризовать жидкие яичные продукты (цельную яичную массу, белки, желтки), обеспечивая их пищевую безопасность и механическую стабильность. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher создают интенсивную кавитацию и высокие сдвиговые усилия для уничтожения микроорганизмов. Ультразвуковая пастеризация – высокоэффективная и экономичная альтернатива низкотемпературной пастеризации. Жидкая яичная масса после ультразвуковой пастеризации отличается меньшей денатурацией белка, лучшим сохранением вкуса, повышенной однородностью и значительно более высокой энергоэффективностью обработки.

Синергия ультразвука с температурой и давлением

Обработка ультразвуком часто более эффективна в сочетании с другими антимикробными методами, такими как:

термоультразвуковая обработка, то есть нагрев и ультразвук
маноультразвуковая обработка, то есть давление и ультразвук
манотермоультразвуковая обработка, то есть давление, нагрев и ультразвук

Совместное применение ультразвука с нагревом и/или давлением рекомендуется для Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae и Aeromonas hydrophila.

Ультразвук в сравнении с другими методами консервирования пищевых продуктов

В отличие от других термических и нетермических процессов, таких как гомогенизация под высоким давлением, термическая пастеризация, обработка высоким давлением (HPP), обработка сжатым диоксидом углерода (cCO2) и сверхкритическим диоксидом углерода (ScCO2), импульсами электрического поля высокой напряжённости (HELP) или микроволнами, ультразвук можно легко испытать в лабораторном масштабе или на настольной установке – с получением воспроизводимых результатов для масштабирования. Интенсивность и характеристики кавитации можно легко адаптировать к конкретному процессу экстракции для достижения определённых целей. Амплитуду и давление можно изменять в широком диапазоне, например для определения наиболее энергоэффективной конфигурации экстракции.

Другие преимущества, связанные с применением ультразвуковой экстракции с помощью зонда, включают простоту работы с экстрактом, быстроту выполнения, отсутствие остатков, высокий выход, экологичность, улучшенное качество и предотвращение деградации экстракта.
(ср. Chemat et al., 2011)

Преимущества ультразвуковой обработки пищевых продуктов

Более полная экстракция
Нетермическое консервирование
Более высокий выход
Высокое содержание питательных веществ, превосходное качество пищевых продуктов
Быстрый процесс
Холодный / нетермический процесс
Простота и безопасность эксплуатации
Минимальное техническое обслуживание

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для экстракции и консервирования

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и поставляет высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для эффективной экстракции и консервирования. Применение ультразвукового оборудования Hielscher для экстракции и консервирования пищевых продуктов представляет собой мощную технологию обработки, которую можно использовать не только безопасно и экологично, но и эффективно и экономично. Гомогенизирующее и консервирующее действие можно легко использовать для любого жидкого или пастообразного пищевого продукта, включая фруктовые соки и пюре (например, апельсиновые, яблочные, грейпфрутовые, манговые, виноградные, сливовые), а также овощные соусы и супы (например, томатный соус или суп из спаржи), молочные продукты, яйца и мясо.
Наш ассортимент ультразвуковых гомогенизаторов и экстракторов охватывает устройства от ручных портативных приборов до полностью промышленных производственных систем для поточной обработки больших объёмов в коммерческом масштабе.

Проектирование, производство и консультирование – качество, произведённое в Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и сложными рабочими средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся передовыми технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и требованиям UL, CSA и RoHs.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:

Объём партии	Расход	Рекомендуемые устройства
От 0,5 до 1,5mL	Не применимо	VialTweeter
От 1 до 500mL	От 10 до 200mL/min	UP100H
От 10 до 2000mL	От 20 до 400mL/min	UP200Ht, UP400St
От 0,1 до 20L	От 0,2 до 4L/min	UIP2000hdT
От 10 до 100L	От 2 до 10L/min	UIP4000hdT
От 15 до 150L	От 3 до 15L/min	UIP6000hdT
Не применимо	От 10 до 100L/min	UIP16000
Не применимо	Больше	Кластер аппаратов UIP16000

Свяжитесь с нами! / Задайте нам вопрос!

Связанные темы

Литература / Ссылки

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.

Полезные сведения

Ультразвуковое разрушение клеток

При интенсивной обработке ультразвуком ферменты или белки могут высвобождаться из клеток или субклеточных органелл в результате разрушения клеток. В этом случае соединение, которое требуется растворить в растворителе, заключено в нерастворимую структуру. Для его извлечения клеточная мембрана должна быть разрушена. Разрушение клеток – деликатный процесс, поскольку клеточная стенка способна выдерживать высокое осмотическое давление внутри клетки. Необходим тщательный контроль разрушения клеток, чтобы избежать беспрепятственного высвобождения всех внутриклеточных продуктов, включая клеточные обломки и нуклеиновые кислоты, или денатурации продукта.
Обработка ультразвуком служит хорошо контролируемым средством разрушения клеток. При этом механические эффекты ультразвука обеспечивают более быстрое и полное проникновение растворителя в клеточный материал и улучшают массоперенос. Ультразвук обеспечивает более глубокое проникновение растворителя в растительную ткань и улучшает массоперенос. Ультразвуковые волны, вызывающие кавитацию, разрушают клеточные стенки и способствуют высвобождению компонентов матрикса.

Улучшенный ультразвуком массоперенос способствует экстракции

В целом ультразвук может повышать проницаемость клеточных мембран для ионов и значительно снижать избирательность клеточных мембран. Механическое действие ультразвука способствует диффузии растворителей в ткань. Поскольку ультразвук механически разрушает клеточную стенку за счёт кавитационных сил сдвига, он облегчает перенос из клетки в растворитель. Уменьшение размера частиц под действием ультразвуковой кавитации увеличивает площадь поверхности контакта между твёрдой и жидкой фазами.

Ультразвуковой лизис и инактивация E.coli

Для получения небольших количеств рекомбинантных белков с целью изучения и определения их биологических свойств предпочтительной бактерией является E.coli. Метки для очистки, например полигистидиновый хвост, бета-галактозидазу или мальтозосвязывающие белки, обычно присоединяют к рекомбинантным белкам, чтобы обеспечить их выделение из клеточных экстрактов с чистотой, достаточной для большинства аналитических задач. Обработка ультразвуком позволяет максимально увеличить высвобождение белка, особенно при низком выходе продукции, и сохранить структуру и активность рекомбинантного белка.

Ультразвуковое окисление

При контролируемой интенсивности применение ультразвука в биотрансформации и ферментации вполне может повысить эффективность биопроцессов благодаря вызываемым биологическим эффектам и облегчению клеточного массопереноса. Влияние контролируемого применения ультразвука (20kHz) на окисление холестерина до холестенона покоящимися клетками Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (ранее Nocardia erythropolis) исследовалось Bar (1987).
Эта система типична для микробных превращений стеролов и стероидов тем, что субстрат и продукты представляют собой нерастворимые в воде твёрдые вещества. Поэтому эта система довольно уникальна: воздействию ультразвука могут подвергаться как клетки, так и твёрдые вещества. При достаточно низкой интенсивности ультразвука, которая сохраняла структурную целостность клеток и поддерживала их метаболическую активность, Bar наблюдал значительное увеличение кинетических скоростей биотрансформации в микробных суспензиях с содержанием холестерина 1,0 и 2,5 g/L при обработке ультразвуком в течение 5s каждые 10mn с выходной мощностью 0,2W/cm². Ультразвук не оказывал влияния на ферментативное окисление холестерина (2,5g/L) холестериноксидазой.

Что такое обработка высоким давлением при консервировании пищевых продуктов?

Обработка высоким давлением (HPP) – это нетермический метод консервирования пищевых продуктов, который инактивирует микроорганизмы и ферменты, сохраняя органолептические свойства и пищевую ценность продукта. Метод заключается в воздействии на упакованный пищевой продукт гидростатического давления, обычно от 300 до 600 MPa (мегапаскалей), в течение времени от нескольких секунд до нескольких минут. Серьёзная проблема обработки высоким давлением – её очень высокое энергопотребление. Узнайте больше о том, как обработка ультразвуком может помочь снизить потребность HPP в энергии!