Ultrazvuková extrakcia a konzervácia
Ultrazvuková extrakcia a konzervácia využíva výkonový ultrazvuk na rozpad bunkových štruktúr (lýza). Rozbíjanie buniek ultrazvukom sa prejavuje vysoko účinnou extrakciou intracelulárnych zlúčenín, ako aj mikrobiálnou inaktiváciou. Vďaka mnohým výhodám je ultrazvuk široko používaný na extrakciu a konzerváciu v potravinárskom priemysle. Zistite viac o výhodách ultrazvukovej extrakcie a spracovania potravín!
Výkonný ultrazvuk na extrakciu a konzerváciu potravín a rastlinných látok
Ultrazvuková extrakcia: Ultrazvuková extrakcia je proces, ktorý využíva vysokofrekvenčné zvukové vlny na extrakciu zlúčenín z rôznych materiálov, ako sú rastliny, ovocie a zelenina. Tento proces zahŕňa použitie ultrazvukových vĺn na vytvorenie vysokotlakových bublín v kvapalnom alebo polotuhom materiáli, ktoré sa rýchlo zrútia a vytvárajú intenzívne teplo a tlak, ktorý narúša bunkové steny materiálu a uvoľňuje požadované zlúčeniny.
Princíp činnosti ultrazvukovej extrakcie a konzervácie
Základný princíp ultrazvukovej extrakcie je založený na jave známom ako akustická kavitácia. Keď je kvapalina vystavená ultrazvukovým vlnám vysokej intenzity a nízkej frekvencie (približne 20 kHz), vytvára tlakové vlny, ktoré v kvapaline vytvárajú malé vákuové bubliny. Tieto bubliny sa zväčšujú so zvyšujúcou sa intenzitou ultrazvuku, a keď dosiahnu určitú veľkosť, náhle a prudko sa zrútia, vytvoria rázovú vlnu a uvoľnia energiu vo forme tepla a tlaku.
Tento proces spôsobuje mechanické narušenie bunkových stien a uvoľňuje požadované zlúčeniny z materiálu do kvapalného rozpúšťadla. Uvoľnené zlúčeniny sa potom môžu oddeliť od rozpúšťadla pomocou štandardných separačných techník, ako je filtrácia alebo odstreďovanie.
Ultrazvuk UP400St na efektívnu netepelnú extrakciu rastlinného materiálu.
Ultrazvuková konzervácia: Ultrazvuková konzervácia je založená na rovnakých kavitačných účinkoch ako ultrazvuková extrakcia. Na konzerváciu sa používa výkonový ultrazvuk na predĺženie trvanlivosti potravín podliehajúcich skaze pomocou vysokofrekvenčných zvukových vĺn na inhibíciu rastu mikroorganizmov, ktoré spôsobujú kazenie. Tento proces zahŕňa vystavenie potravy ultrazvukovým vlnám, ktoré narúšajú bunkové steny baktérií, kvasiniek a plesní, čo vedie k ich zničeniu alebo inhibícii.
Tento proces spôsobuje mechanické narušenie bunkových stien mikroorganizmov, čo vedie k ich deštrukcii alebo inhibícii. Ultrazvukové vlny môžu tiež zvýšiť priepustnosť bunkových membrán, čo umožňuje konzervačným látkam a iným antimikrobiálnym látkam efektívnejšie preniknúť a zabíjať mikroorganizmy.
Ultrazvuková konzervácia sa uprednostňuje pred tradičnými metódami konzervácie, pretože ponúka niekoľko výhod, ako je kratší čas spracovania, vyššia účinnosť a schopnosť zachovať prirodzené vlastnosti a chute potravín. Používa sa v širokej škále potravinárskych výrobkov, ako sú omáčky, džúsy, mliečne výrobky, vajcia a mäso, aby sa predĺžila ich trvanlivosť a zaistila ich bezpečnosť.
Technika ultrazvukovej extrakcie a konzervácie je uprednostňovaná pred tradičnými metódami extrakcie a konzervácie, pretože ponúka niekoľko výhod, ako je rýchlejšia rýchlosť extrakcie, vynikajúca kvalita produktu, vyšší výťažok, čisto mechanické netepelné spracovanie a schopnosť extrahovať širšiu škálu zlúčenín. Používa sa v širokej škále priemyselných odvetví, ako sú potravinárske a nápojové, farmaceutické a kozmetické výrobky.
[/two_thirds]
Výkonná ultrazvuková kavitácia pri Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ultrazvuková extrakcia proteínov a enzýmov
Najmä extrakcia enzýmov a proteínov uložených v bunkách a subcelulárnych časticiach je jedinečnou a účinnou aplikáciou ultrazvuku s vysokou intenzitou, pretože extrakciu organických zlúčenín obsiahnutých v tele rastlín a semien rozpúšťadlom je možné výrazne zlepšiť. Ultrazvuk má preto potenciálny prínos pri extrakcii a izolácii nových potenciálne bioaktívnych zložiek, napr. z nevyužitých vedľajších produktov vznikajúcich v súčasných procesoch. Ultrazvuk môže tiež pomôcť zintenzívniť účinky liečby enzýmami, a tým znížiť množstvo potrebného enzýmu alebo zvýšiť výťažok extrahovateľných relevantných zlúčenín.
Ultrazvuková extrakcia lipidov a proteínov
Ultrazvuk sa často používa na zlepšenie extrakcie lipidov a bielkovín zo semien rastlín, ako sú sójové bôby (napr. múka alebo odtučnené sójové bôby) alebo iné olejnaté semená. V tomto prípade deštrukcia bunkových stien uľahčuje lisovanie (studené alebo horúce), a tým znižuje zvyškový olej alebo tuk v lisovacom koláči.
Vplyv kontinuálnej ultrazvukovej extrakcie na výťažok dispergovaného proteínu demonštrovali Moulton et al. Sonikácia postupne zvyšovala regeneráciu dispergovaného proteínu, keď sa pomer vločok/rozpúšťadlo zmenil z 1:10 na 1:30. Ukázalo sa, že ultrazvuk je schopný peptizovať sójový proteín pri takmer akejkoľvek komerčnej priepustnosti a že potrebná sonikačná energia bola najnižšia, keď sa používali hustejšie kaše.
Ultrazvuková izolácia fenolových zlúčenín a antokyánov
Enzýmy, ako sú pektinázy, celulázy a hemicelulázy, sa široko používajú pri spracovaní šťavy s cieľom degradovať bunkové steny a zlepšiť extrakovateľnosť šťavy. Narušenie matrice bunkovej steny tiež uvoľňuje zložky, ako sú fenolové zlúčeniny do šťavy. Ultrazvuk zlepšuje proces extrakcie, a preto môže viesť k zvýšeniu výťažku fenolovej zlúčeniny, alkaloidov a šťavy, ktoré bežne zostávajú v lisovacom koláči.
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. “Americká liečba zvyšuje koncentráciu fenolových zlúčenín čučoriedkovej šťavy o viac ako 15%. […] Vplyv US (ultrazvuku) bol výraznejší pri čiernych ríbezliach, ktoré sú náročnejšie pri spracovaní šťavy ako čučoriedky kvôli vysokému obsahu pektínu a odlišnej architektúre bunkovej steny. […] koncentrácia fenolových zlúčenín v šťave sa zvýšila o 15-25% použitím US (ultrazvukovej) liečby po enzýmovej inkubácii.” (porovnaj Mokkila a kol., 2004)
Ultrazvuk UIP6000hdT v priemyselnom zariadení s kontinuálnym odsávaním.
Mikrobiálna a enzýmová inaktivácia
Mikrobiálna a enzýmová inaktivácia (konzervácia), napr. v ovocných šťavách a omáčkach, je ďalšou aplikáciou ultrazvuku pri spracovaní potravín. Dnes je konzervácia zvýšením teploty na krátke časové obdobia (pasterizácia) stále najbežnejšou metódou spracovania mikrobiálnej alebo enzýmovej inaktivácie, ktorá vedie k dlhšej trvanlivosti (konzervácia). Kvôli vystaveniu vysokej teplote má konvenčná tepelná pasterizácia pre potravinárske výrobky často nevýhody.
Produkcia nových látok z tepelne katalyzovaných reakcií a modifikácia makromolekúl, ako aj deformácia rastlinných a živočíšnych štruktúr sa môže znížiť v dôsledku straty kvality. Tepelné ošetrenie preto môže spôsobiť nežiaduce zmeny zmyslových vlastností, t. j. textúry, chuti, farby, vône a výživových vlastností, t. j. vitamínov a bielkovín. Ultrazvuk je účinná netepelná (minimálna) alternatíva spracovania.
Na rozdiel od konvenčných tepelných úprav využíva ultrazvuková konzervácia energiu a šmykové sily akustickej kavitácie na inaktiváciu enzýmov. Pri dostatočne nízkych úrovniach sonikácie sa v bunkách môžu vyskytnúť štrukturálne a metabolické zmeny bez ich deštrukcie. Aktivita peroxidázy, ktorá sa nachádza vo väčšine surového a neblanšírovaného ovocia a zeleniny a môže byť spojená najmä s vývojom nevhodných chutí a hnednúcich pigmentov, môže byť podstatne znížená použitím ultrazvuku. Tepelne odolné enzýmy, ako je lipáza a proteáza, ktoré odolávajú úprave pri ultra vysokej teplote a ktoré môžu znížiť kvalitu a trvanlivosť tepelne upraveného mlieka a iných mliečnych výrobkov, je možné účinnejšie inaktivovať súčasnou aplikáciou ultrazvuku, tepla a tlaku (MTS).
Ultrazvuk preukázal svoj potenciál pri ničení patogénov prenášaných potravinami, ako sú E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, cysty Cryptosporidium a Poliovirus.
Vzťahuje sa na: konzerváciu džemov, marmelád alebo polevy, ovocných štiav a omáčok, mäsových výrobkov, mliečnych výrobkov a zmrzliny.
Synergie ultrazvuku s teplotou a tlakom
Ultrazvuk je často účinnejší v kombinácii s inými antimikrobiálnymi metódami, ako napríklad:
- termosonikácia, t. j. teplo a ultrazvuk
- manosonikácia, t. j. tlak a ultrazvuk
- mano-termosonikácia, t.j. tlak, teplo a ultrazvuk
Kombinovaná aplikácia ultrazvuku s teplom a/alebo tlakom sa odporúča pre Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae a Aeromonas hydrophila.
Ultrazvuk vs iné techniky konzervácie potravín
Na rozdiel od iných tepelných a netepelných procesov, ako je vysokotlaková homogenizácia, tepelná pasterizácia, vysoký hydrostatický tlak (HP), stlačený oxid uhličitý (cCO2) a superkritický oxid uhličitý (ScCO2), impulzy vysokého elektrického poľa (HELP) alebo mikrovlnná rúra, ultrazvuk možno ľahko testovať v laboratóriu alebo na stole – vytváranie reprodukovateľných výsledkov pre rozširovanie. Intenzitu a kavitačné charakteristiky je možné ľahko prispôsobiť konkrétnemu procesu extrakcie, aby sa zamerali na konkrétne ciele. Amplitúda a tlak sa môžu meniť v širokom rozsahu, napr. na identifikáciu energeticky najefektívnejšieho nastavenia odsávania.
Ďalšími výhodami spojenými s použitím ultrazvukovej sondy sú jednoduchá manipulácia s extraktom, rýchle prevedenie, žiadne zvyšky, vysoký výťažok, ekologický, zvýšená kvalita a prevencia degradácie extraktu.
(porovnaj Chemat a kol., 2011)
- Kompletnejšia extrakcia
- Netepelná konzervácia
- vyššie výnosy
- Vysoký obsah živín, prvotriedna kvalita potravín
- rýchly proces
- Studený / netepelný proces
- jednoduchá a bezpečná obsluha
- nízka údržba
Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na extrakciu a preseraváciu
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na efektívnu extrakciu a konzerváciu. Použitie ultrazvukového zariadenia Hielscher na extrakciu a konzerváciu potravín je výkonná technológia spracovania, ktorú je možné aplikovať nielen bezpečne a ekologicky, ale aj efektívne a ekonomicky. Homogenizačný a konzervačný účinok možno ľahko použiť na akýkoľvek tekutý alebo pastovitý potravinový výrobok vrátane ovocných štiav a pyré (napr. pomaranč, jablko, grapefruit, mango, hrozno, slivka), ako aj na zeleninové omáčky a polievky (napr. paradajková omáčka alebo špargľová polievka), mliečne výrobky, vajcia a mäso.
Naše portfólio ultrazvukových homogenizátorov a extraktorov siaha od ručných prenosných zariadení až po plne priemyselné výrobné systémy na inline spracovanie veľkých objemov v komerčnom meradle.
Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku
Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.
Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 05 až 1,5 ml | N.A. | VialTweeter | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom a priemyselnom meradle.
Literatúra / Referencie
- 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.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Rozpad ultrazvukových buniek
Pri intenzívnej sonikacii sa enzýmy alebo proteíny môžu uvoľňovať z buniek alebo subcelulárnych organel v dôsledku rozpadu buniek. V tomto prípade je zlúčenina, ktorá sa má rozpustiť v rozpúšťadle, uzavretá v nerozpustnej štruktúre. Aby sa extrahovala, musí byť bunková membrána zničená. Narušenie buniek je citlivý proces, pretože bunková stena je schopná odolávať vysokému osmotickému tlaku vo vnútri. Je potrebná dobrá kontrola narušenia buniek, aby sa zabránilo nerušenému uvoľňovaniu všetkých intracelulárnych produktov vrátane bunkových zvyškov a nukleových kyselín alebo denaturácii produktu.
Ultrazvuk slúži ako dobre kontrolovateľný prostriedok na rozpad buniek. Mechanické účinky ultrazvuku preto poskytujú rýchlejšie a úplnejšie prenikanie rozpúšťadla do bunkových materiálov a zlepšujú prenos hmoty. Ultrazvuk dosahuje väčšiu penetráciu rozpúšťadla do rastlinného tkaniva a zlepšuje prenos hmoty. Ultrazvukové vlny generujúce kavitáciu narúšajú bunkové steny a uľahčujú uvoľňovanie zložiek matrice.
Ultrazvukom vylepšený prenos hmoty podporuje extrakciu
Vo všeobecnosti môže ultrazvuk viesť k permeabilizácii bunkových membrán na ióny a môže výrazne znížiť selektivitu bunkových membrán. Mechanická aktivita ultrazvuku podporuje difúziu rozpúšťadiel do tkaniva. Keďže ultrazvuk mechanicky rozbíja bunkovú stenu kavitačnými šmykovými silami, uľahčuje prenos z bunky do rozpúšťadla. Zmenšenie veľkosti častíc ultrazvukovou kavitáciou zväčšuje povrchovú plochu v kontakte medzi pevnou a kvapalnou fázou.
Ultrazvuková lýza a inaktivácia E. coli
Na výrobu malého množstva rekombinantných proteínov na štúdium a charakterizáciu ich biologických vlastností je baktériou voľby E.coli. Purifikačné značky, napr. polyhistidínový chvost, beta-galaktosidáza alebo proteíny viažuce maltózu, sa bežne spájajú s rekombinantnými proteínmi, aby boli oddeliteľné od bunkových extraktov s čistotou dostatočnou na väčšinu analytických účelov. Ultrazvuk umožňuje maximalizovať uvoľňovanie bielkovín, najmä pri nízkej výťažnosti produkcie, a zachovať štruktúru a aktivitu rekombinantného proteínu.
Ultrazvuková oxidácia
Pri kontrolovanej intenzite môže aplikácia ultrazvuku na biotransformáciu a fermentáciu viesť k zvýšenému biologickému spracovaniu v dôsledku indukovaných biologických účinkov a uľahčeného prenosu bunkovej hmoty. Vplyv kontrolovanej aplikácie ultrazvuku (20 kHz) na oxidáciu cholesterolu na cholestenón pokojovými bunkami Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (predtým Nocardia erythropolis) skúmal Bar (1987).
Tento systém je typický pre mikrobiálne premeny sterolov a steroidov v tom, že substrát a produkty sú vo vode nerozpustné pevné látky. Preto je tento systém pomerne jedinečný v tom, že bunky aj pevné látky môžu byť vystavené pôsobeniu ultrazvuku. Pri dostatočne nízkej intenzite ultrazvuku, ktorá zachovala štrukturálnu integritu buniek a udržala ich metabolickú aktivitu, Bar pozoroval významné zvýšenie kinetických rýchlostí biotransformácie v mikrobiálnych suspenziách o 1,0 a 2,5 g/l cholesterolu pri sonikácii 5 sekúnd každých 10 minút s výkonom 0,2 W/cm². Ultrazvuk nepreukázal žiadny vplyv na enzymatickú oxidáciu cholesterolu (2,5 g/l) cholesteroloxidázou.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.