Ультразвуковая Добыча и сохранение

Дезинтеграция клеточных структур (лизис) с помощью ультразвука используется для экстракции внутриклеточных соединений или для инактивации микроорганизмов.

Задний план

В микробиологии ультразвук в первую очередь связан с разрушение клеток (лизис) или дезинтеграция (Аллинджер 1975). Звуковые волны, распространяющиеся в жидкие среды, при звукоизменяющих жидкостях при высоких интенсивностях приводят к чередованию циклов высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения) со скоростями, зависящими от частоты.
Во время цикла низкого давления высокоинтенсивные ультразвуковые волны создают небольшие вакуумные пузырьки или пустоты в жидкости. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они сильно разваливаются во время цикла высокого давления. Это явление называют кавитацией. Во время имплозии очень высокие температуры (около 5000 К) и давления (около 2000 атм) достигаются локально. Имплозия кавитационного пузырька также приводит к жидкостным струям со скоростью до 280 м / с. Полученные поперечные силы механически разрушают огибающую ячейки и улучшают перенос материала. Ультразвук может оказывать разрушающее или конструктивное воздействие на клетки в зависимости от используемых параметров ультразвуковой обработки.

клеток распад

При интенсивной ультразвуковой обработке ферменты или белки могут выделяться из клеток или субклеточных органелл в результате клеток распад, В этом случае соединение, которое нужно растворить в растворителе, заключают в нерастворимую структуру. Чтобы извлечь его, клеточная мембрана должна быть разрушена. Разрушение клеток является чувствительным процессом, потому что способность клеточной стенки выдерживать высокое осмотическое давление внутри. Требуется хорошее управление разрушением клеток, чтобы избежать беспрепятственного высвобождения всех внутриклеточных продуктов, включая клеточный мусор и нуклеиновые кислоты, или денатурацию продукта.
Ультразвук служит хорошо контролируемым средством для дезинтеграции клеток. Для этого механические эффекты ультразвука обеспечивают более быстрое и полное проникновение растворителя в клеточные материалы и улучшают массоперенос. Ультразвук достигает большего проникновения растворителя в растительную ткань и улучшает массоперенос. Ультразвуковые волны, генерирующие кавитацию, разрушают клеточные стенки и облегчают высвобождение матричных компонентов.

Массовый перевод

В общем, ультразвук может привести к проницаемости клеточных мембран к ионам (лицедейство 1978), и он может значительно снизить селективность клеточных мембран. Механическая активность ультразвука поддерживает диффузию растворителей в ткань. Поскольку ультразвук разрушает клеточную стенку механически силами кавитационного сдвига, это облегчает перенос из клетки в растворитель. Уменьшение размера частиц ультразвуковой кавитацией увеличивает площадь поверхности в контакте между твердым и жидким фазами.

Выделение белков и ферментов

В частности, экстракция ферментов и белков, хранящихся в клетках и субклеточных частицах, является уникальным и эффективным применением высокоинтенсивного ультразвука (Ким 1989), так как экстракция органических соединений, содержащихся в организме растений и семян растворителем, может быть значительно улучшена. Поэтому ультразвук имеет потенциальную выгоду в экстракции и изоляции новых потенциально биоактивных компонентов, например, из неиспользуемых потоков побочных продуктов, образующихся в текущих процессах. Ультразвук также может помочь усилить эффекты лечения ферментами, и тем самым уменьшает количество необходимого фермента или увеличивает выход экстрагируемых соответствующих соединений.

Липиды и белки

Ультразвук 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 остаточное масло или жир в прессовании.

Влияние непрерывной ультразвуковой экстракции на выход дисперсного белка было продемонстрировано Мултон и др., Обработка ультразвуком постепенно увеличивала выделение диспергированного белка по мере того, как соотношение хлопья / растворитель изменялось с 1:10 до 1:30. Он показал, что ультразвук способен пептизировать соевый белок практически при любой коммерческой пропускной способности и что требуемая энергия ультразвука была самой низкой, когда использовались более толстые суспензии. (Моултон и др. 1982)

Применимо для: цитрусового масла из фруктов, добычи нефти из горчицы, арахиса, рапса, травяного масла (эхинацея), рапса, сои, кукурузы

Освобождение фенольных соединений и антоцианов

Ферменты, такие как пектиназы, целлюлазы и гемицеллюлазы, широко используются в обработке соков, чтобы разрушить клеточные стенки и улучшить экстракцию сока. Нарушение матрицы клеточной стенки также высвобождает компоненты, такие как фенольные соединения, в сок. Ультразвук улучшает процесс экстракции и, следовательно, может привести к увеличению фенольного соединения, алкалоидов и выхода сока, обычно оставляемых в прессе.

Благотворное влияние ультразвуковой обработки на высвобождение фенольных соединений и антоцианов из виноградных и ягодных матриц, в частности из черники (Уасстшт Myrtillus) и черной смородины (Ribes) в сок, исследовали VTT Biotechnology, Финляндия (проект MAXFUN EU) используя Ультразвуковой процессор UIP2000hd после оттаивания, затирания и ферментативной инкубации. Нарушение клеточных стенок путем ферментативной обработки (Pectinex BE-3L для черники и биопектиназы CCM для черной смородины) было улучшено в сочетании с ультразвуком. “Обработка США увеличивает концентрацию фенольных соединений черничного сока более чем на 15%. […] Влияние США (ультразвук) было более значительным с черной смородиной, которая представляет собой более сложные ягоды при обработке соков, чем черника из-за их высокого содержания пектина и различной архитектуры клеточной стенки. […] концентрация фенольных соединений в соке повышалась на 15-25% с использованием ультразвуковой обработки США после ферментативной инкубации.” (Mokkila и др. 2004)

Микробная и ферментативная инактивация

Микробная и инактивация ферментов (консервация), например, в фруктовых соках и соусах - другое применение ультразвука в пищевой промышленности. Сегодня сохранение по высоте температуры в течение коротких периодов времени (Пастеризация) по-прежнему является наиболее распространенным методом обработки для инактивации микроорганизмов или ферментов, что приводит к увеличению срока хранения (консервации). Из-за воздействия высокой температуры этот термический метод часто является недостатком многих пищевых продуктов.
Производство новых веществ из катализируемых нагреванием реакций и модификация макромолекул, а также деформация растительных и животных структур могут снижаться в потере качества. Поэтому термическая обработка может вызвать нежелательные изменения сенсорных признаков, то есть текстуры, вкуса, цвета, запаха и питательных качеств, то есть витаминов и белков. Ультразвук - эффективная нетепловая (минимальная) альтернатива обработки.

Тепло, генерируемое локально кавитацией и создаваемыми радикалами, может привести к инактивации ферментов путем обработки ультразвуком (El'piner 1964). При достаточно низких уровнях ультразвука структурные и метаболические изменения могут возникать в клетках без их разрушения. Активность пероксидазы, которая встречается в большинстве сырых и нерасширенных фруктов и овощей и может быть особенно связана с развитием неактивных веществ и окрашивающих пигментов, может быть существенно уменьшена за счет использования ультразвука. Терморезистентные ферменты, такие как липаза и протеаза, которые выдерживают ультра-высокотемпературную обработку и которые могут снизить качество и срок годности термообработанного молока и других молочных продуктов, могут быть эффективно инактивированы путем одновременного применения ультразвука, тепла и давления (МТС).

Ультразвук продемонстрировал свой потенциал в уничтожении пищевых патогенов, таких как Е. coli, сальмонеллы, аскарида, Giardia, Кисты криптоспоридия, и полиовирус.

Применимо к: консервированию варенья, мармелада или начинок, например, для мороженого, фруктовых соков и соусов, мясных продуктов, молочных продуктов

Синергия ультразвука с температурой и давлением

Ультразвук часто более эффективен в сочетании с другими антимикробными методами, такими как:

• термозвуковая обработка, то есть тепло и ультразвук
• мануальная обработка, то есть давление и ультразвук
• мано-термозвуковая обработка, то есть давление, тепло и ультразвук

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

Развитие процесса

В отличие от других нетепловых процессов, таких как высокое гидростатическое давление (HP), сжатый углекислый газ (cCO2) и сверхкритический диоксид углерода (ScCO2) и высокие импульсы электрического поля (HELP), ультразвук может быть легко протестирован в лабораторных или настольных масштабах – генерируя воспроизводимые результаты для масштабирования. Интенсивность и характеристики кавитации могут быть легко адаптированы к конкретному процессу экстракции для достижения конкретных целей. Амплитуда и давление могут варьироваться в широком диапазоне, например, для определения наиболее энергоэффективной установки экстракции. Трудные ткани должны подвергаться мацерации, шлифованию или распылению до ультразвуковой обработки.

Е. coli

Для получения небольших количеств рекомбинантных белков для изучения и характеристики их биологических свойств, Е. coli является выбранной бактерией. Точки очистки, например, полигистидиновый хвост, бета-галактозидаза или связывание мальтозы
белки, обычно соединяются с рекомбинантными белками, чтобы сделать их отделимыми от клеточных экстрактов с чистотой, достаточной для большинства аналитических целей. Ультразвук позволяет максимизировать высвобождение белка, в частности, когда выход продукции низкий и сохранить структуру и активность рекомбинантного белка.

Нарушение Е. coli клеток для извлечения общего белка химозина изучали Ким и Зайас,

Экстракция шафрана

Шафран известен как самая дорогая специя на мировом рынке и отличается нежным вкусом, горьким вкусом и привлекательным желтым цветом. Шафрановая специя получается из красной клеймо цветка шафрана крокуса. После высыхания эти части используются в качестве приправы в кухне или в качестве красителя. Интенсивный характерный вкус шафрана обусловлен, в частности, тремя соединениями: кроликами, пикрокроцином и сафраналом.

Кадходайе и Хеммати-Кахки показали в исследовании, что ультразвуковое исследование значительно увеличило добычу и значительно сократило время обработки. Фактически, результаты ультразвуковой экстракции были заметно лучше, чем традиционная экстракция холодной воды, что предлагается ИСО. Для своих исследований Кадходайе и Хеммати-Кахки использовали хиллеровские ультразвуковое устройство UP50H, Лучшие результаты были достигнуты при импульсном ультразвуке. Это означает, что короткие интервалы импульсов были более эффективными, чем непрерывная ультразвуковая обработка.

оксидирование

При контролируемых интенсивностях применение ультразвука для биотрансформации и ферментации вполне может привести к усиленной биообработке из-за индуцированных биологических эффектов и из-за облегченного клеточного переноса массы. Влияние контролируемого применения ультразвука (20 кГц) на окисление холестерина до холестенона покоящимися клетками Родококковый эритрополит ATCC 25544 (ранее Norardia erythropolis) было исследовано Бар,

Холестерин + О₂ = холест-4-ен-3-он + H₂О₂

Эта система типична для микробных превращений стеролов и стероидов в том, что субстрат и продукты являются водонерастворимыми твердыми веществами. Поэтому эта система весьма уникальна тем, что и клетки, и твердые тела могут подвергаться воздействию ультразвука (Бар, 1987). При достаточно низкой интенсивности ультразвука, которая сохраняла структурную целостность клеток и поддерживала их метаболическую активность, Бар наблюдал значительное повышение кинетических скоростей биотрансформации в микробных суспензиях 1,0 и 2,5 г / л холестерина при обработке ультразвуком в течение 5 с каждые 10 млн. выходная мощность 0,2 Вт / см². Ультразвук не оказывал влияния на ферментативное окисление холестерина (2,5 г / л) холестериноксидазой.

Выгодная технология

Использование ультразвуковой кавитации для извлечения и сохранения пищевых продуктов - это новая мощная технологическая технология, которая может применяться не только безопасно и экологически безопасно, но и эффективно и экономично. Гомогенизирующий и консервирующий эффект можно легко использовать для фруктовых соков и пюре (например, апельсина, яблока, грейпфрута, манго, винограда, сливы), а также для овощных соусов и супов, таких как томатный соус или суп из спаржи.

Литература

Аллинджер, Х. (1975): Американская лаборатория, 7 (10), 75 (1975).

Бар, R. (1987): Ультразвуковые улучшенные биопроцессыВ: биотехнологии и инженерии, Vol. 32, стр. 655-663 (1987).

El'piner, IE (1964): Ультразвук: физические, химические и биологические эффекты (Бюро консультантов, Нью-Йорк, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Хеммати-Кахки, А .: Ультразвуковая экстракция активных соединений из шафрана в: Интернет-публикации.

Ким, С.М. и Зайас, JF (1989): Обработка параметра экстракции химозина ультразвуком; в J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, М., Mustranta, А., Buchert J., Поутанен, К (2004): Объединение ультразвука с ферментами в обработке ягодного сока, at: 2nd Int. Conf. Биокатализ пищевых продуктов и напитков, 19-22.9.2004, Штутгарт, Германия.

Moulton, KJ, Wang, LC (1982): Экспериментально-растениевое исследование непрерывной ультразвуковой экстракции белка сои, в журнале Journal of Food Science, том 47, 1982.

Mummery, CL (1978): Влияние ультразвука на фибробласты in vitro, в: Ph.D. Диссертация, Лондонский университет, Лондон, Англия, 1978.