Ultrazvukové extrakcie a uchovávanie

Rozpad bunkových štruktúr (lýzu) pomocou ultrazvuku sa používa na extrakciu vnútri bunkových zlúčenín alebo pre mikrobiálne inaktiváciu.

Pozadie

V mikrobiológiu, ultrazvuk je primárne spojená s rozrušenie buniek (lýza) alebo rozpad (Allinger 1975). Pri pôsobení zvukovej energie kvapaliny na vysokej intenzity, zvukové vlny, ktoré šíria do kvapalných médií za následok striedavé vysokotlakové (kompresného) a nízkotlakové (zriedenie) cyklov, pričom sadzby v závislosti na frekvencii.
V nízkotlakové cyklu, high-intenzity ultrazvukových vĺn vytvoria malé vákuové bubliny alebo dutiny v kvapaline. Keď sa bubliny dosiahnuť objem, na ktorý sa už nemôže absorbovať energiu, sa náhle zrúti počas vysokotlakové cyklu. Tento jav sa nazýva kavitácia. Počas zrútenia veľmi vysoké teploty (cca. 5,000K) a tlaku (cca. 2,000atm) je dosiahnuté lokálne. Implózie kavitácia bubliny tiež za následok prúdov kvapaliny až do 280 m / s rýchlosť Výsledné šmykové sily zlomiť bunkový obal mechanicky a zlepšiť prenos materiálu. Ultrazvuk môže mať buď deštruktívne, ani iné účinky na bunky v závislosti na použití ultrazvuku použitých parametroch.

buniek dezintegrácie

Na základe intenzívne použitie ultrazvuku enzýmov alebo proteínov môže byť uvoľnený z buniek alebo subcelulárnu organel v dôsledku buniek dezintegrácie, V tomto prípade je zlúčenina, ktorá má byť rozpustená v rozpúšťadle, je zatvorený v nerozpustné štruktúry. Aby sa tak uvoľní, musí sa bunková membrána zničené. Rozrušenie buniek je citlivý proces, pretože schopnosť bunkovej steny, aby vydržali vysoký osmotický tlak vo vnútri. je nutná dobrá kontrola rozrušenie buniek, aby sa zabránilo neobmedzený prepustenie všetkých intracelulárnych výrobkov vrátane úlomkov buniek a nukleových kyselín, alebo denaturácia produktu.
Ultrazvuku slúži ako dobre kontrolovateľné prostriedky pre bunkovú rozpadu. K tomu, mechanické účinky ultrazvuku poskytovať rýchlejšie a komplexnejšie prenikaniu rozpúšťadla do bunkového materiálu a zlepšenie prenosu hmoty. Ultrazvuk dosahuje väčšiu prenikania rozpúšťadla do rastlinných tkanív a zlepšuje prenos hmoty. Ultrazvukové vlny vytvárajúce kavitácii narušujú bunkovej steny a uľahčenie uvoľňovanie zložiek matrice.

mass Prenos

Všeobecne platí, že ultrazvuk môže viesť k permeabilizaci bunkových membrán pre ióny (Mummery 1978), A to môže znížiť selektivita bunkových membrán výrazne. Mechanická účinnosť ultrazvuku podporuje difúziu rozpúšťadiel do tkaniva. Ako ultrazvuk prestávky bunkovej steny mechanicky kavitácie šmykové sily, uľahčuje prenos z bunky do rozpúšťadla. Zníženie veľkosti častíc pomocou ultrazvukovej kavitácie zväčšuje plochu povrchu je v styku medzi pevnou a kvapalnou fázou.

Proteínov a enzýmov Ťažba

Najmä pri ťažbe enzýmov a proteínov uložené v bunkách a subcelulárnu častíc je unikátny a účinné použitie vysokej intenzity ultrazvuku (Kim 1989), Ako extrakcia organických zlúčenín obsiahnutých v tele rastlín a semien rozpúšťadlá možno výrazne zlepšiť. Preto ultrazvuk má potenciálny prínos pri ťažbe a izolácia nových potenciálne biologicky aktívnych zložiek, napr od non-využité produkt prúdov vytvorených v súčasnej procesy. Ultrazvuk môže tiež pomôcť zintenzívneniu účinkov enzymatické spracovanie, a tým znížiť množstvo enzýmu potrebného alebo zvýšiť výťažok extrahovateľných príslušných zlúčenín.

Tukov a bielkovín

Ultrazvuku je často používaný na zlepšenie extrakcie lipidov a proteínov z rastlinných semien, ako sú sójové bôby (napríklad múka alebo odtučnených sójových bôbov), alebo iných olejnatých semien. V tomto prípade zničenia bunkovej steny uľahčuje lisovanie (za studena alebo za tepla), a tým znižuje zvyškový olej alebo tuk v lisovacom torte.

Vplyv kontinuálne ultrazvukové extrakcie na výnos rozptýlené proteínu bola preukázaná Moulton et al, Sonikace zvýšila navrátenie rozptýlených bielkovín postupne ako / pomer rozpúšťadlá vločky sa zmenil od 1:10 do 1:30. Ukázalo sa, že ultrazvuk je schopný peptize sójovej bielkoviny v takmer všetkých obchodných priepustnosť, a že použitie ultrazvuku potrebné množstvo energie bola najnižšia, keď boli použité hrubšie kaše. (Moulton et al. 1982)

Platí pre Citrus oleja z ovocia, extrakcie oleja z pozemnej horčice, arašidy, repka, bylinkovým oleja (echinacea), repka, sója, kukurica

Uvoľnenie fenolových zlúčenín a antokyány

Enzýmy, ako je napríklad pektinázy, celuláza a hemiceluláza sú široko používané pri spracovaní šťavy, aby sa rozkladať bunkovej steny a zlepšiť šťavu extraktivitu. Narušenie bunkovej steny matrice tiež uvoľňuje zložky, ako sú fenolové zlúčeniny do šťavy. Ultrazvuk zlepšuje proces extrakcie, a preto môže viesť k zvýšeniu fenolové zlúčeniny, alkaloidy a šťavy výnos, obyčajne vľavo v koláči po lisovaní.

Blahodarné účinky pôsobenia ultrazvuku na oslobodenie fenolových zlúčenín a antokyanov z hrozna a bobule matice, najmä z čučoriedky (Vakcininium myrtillus) A čierne ríbezle (ribes) Na šťavu, bol vyšetrovaný VTT Biotechnology, Fínsko (MAXFUN EÚ-Project) za použitia Ultrazvukový procesor UIP2000hd po rozmrazení, rmutování a enzým inkubácie. Narušenie bunkových stien pôsobením enzymatickou (Pectinex BE-3L pre čučoriedky a Biopectinase CCM pre čierne ríbezle) bola zlepšená, keď v kombinácii s ultrazvukom. “liečba US zvýšiť koncentráciu fenolových zlúčenín čučoriedky šťavy o viac ako 15%. […] Vplyv USA (ultrazvuk) bol výraznejší s čiernych ríbezlí, ktoré sú náročnejšie bobule spracovanie šťavy, než čučoriedky kvôli ich vysokému obsahu pektínu a rôzne bunkové steny architektúry. […] Je koncentrácia fenolických zlúčenín v šťave zvýšila o 15-25% pomocou liečby USA (ultrazvuk) po enzýmovej inkubácie.” (Mokkila a kol. 2004)

Mikrobiálne a enzýmovej Inaktivácia

Mikrobiálna a enzýmová inaktivácia (konzervácia), napríklad v ovocných štiav a omáčkach, je ďalšou aplikáciou ultrazvuku pri spracovaní potravín. V súčasnej dobe, zachovanie zvýšenie teploty na krátku dobu (pasterizácia) je stále najbežnejšou metódou spracovania mikrobiálnej alebo enzýmovej inaktivácie, ktorá vedie k dlhšej trvanlivosť (konzervácia). Vzhľadom k expozícii vysokej teplote, táto tepelná metóda má často nevýhody pre mnoho potravinárskych výrobkov.
Výroba nových látok z tepelne-katalyzovaných reakcií a modifikácie makromolekúl, rovnako ako deformácia rastlinných a živočíšnych štruktúr môže znížiť do straty kvality. Preto tepelná úprava môže spôsobiť nežiaduce zmeny senzorických vlastností, tj textúra, chuť, farba, vôňa a nutričné ​​vlastnosti, tj. Vitamíny a proteíny. Ultrazvuk je účinný non-tepelnej (minimálne) spracovanie alternatívu.

Teplo generované lokálne kavitácie a vytvoril radikálov môže viesť k inaktivácii enzýmov sonikace (El'piner 1964). Pri dostatočne nízkej hladiny ultrazvuku štrukturálne a metabolické zmeny môžu nastať v bunkách bez ich zničenia. Aktivita peroxidázy, ktorý sa nachádza vo väčšine surovín a unblanched ovocia a zeleniny, a môže byť najmä v súvislosti s vývojom pachutí a hnednutie pigmentov môže byť podstatne znížená použitím ultrazvuku. Teplovzdorné enzýmy, ako sú lipázy a proteázy, ktoré odolá ošetrenie veľmi vysokým teplotám, a ktorá môže znížiť kvalitu a trvanlivosť z tepelne ošetreného mlieka a mliečnych výrobkov môžu byť inaktivované efektívnejšie súčasného použitia ultrazvuku, tepla a tlaku (MTS).

Ultrazvuk preukázal svoj potenciál v zničení potravinovej patogény, ako sú E. coli, salmonely, ascaris, Giardia, Cryptosporidium cystyA detskej obrny.

Platí pre zachovanie džemu, marmelády alebo polevy, napríklad pre zmrzliny, ovocných štiav a omáčok, mäsové výrobky, mliečne

Synergia ultrazvuku sa teplota a tlak

Ultrazvuku je často účinnejšie v kombinácii s inými anti-mikrobiálne metód, ako je:

• termo-ultrazvuku, tj. tepelné a ultrazvukové
• mano-ultrazvuku, tj. tlak a ultrazvuk
• mano-thermo-ultrazvuku, tj tlaku, tepla a ultrazvuk

Kombinované použitie ultrazvuku s teplom a / alebo tlaku sa odporúča Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae, a Aeromonas hydrophila,

proces vývoja

Na rozdiel od iných non-tepelné procesy, ako je vysoký hydrostatický tlak (HP), stlačený oxid uhličitý (cCO2) a nadkritického oxidu uhličitého (ScCO2) a pole impulzov vysoký elektrický (HELP), ultrazvuk môže byť ľahko testované v laboratóriu alebo bench-top meradle – generovanie reprodukovateľné výsledky pre scale-up. Intenzita a kavitačný charakteristiky možno ľahko prispôsobiť konkrétnym procesu extrakcie sa zameriavajú na špecifické ciele. Amplitúda a tlak sa môže meniť v širokom rozmedzí, napr. na identifikáciu najviac nastavenie efektívnejšie získavanie energie. Tuhé tkanivá by mali byť podrobené macerácia, brúsenie alebo obchodných pohľadávok pred ultrazvuku.

E. coli

Pre výrobu malých množstiev rekombinantných proteínov pre štúdium a charakterizáciu ich biologických vlastností, E. coli je baktéria voľby. Purifikačný značky, napr polyhistidin chvost, beta-galaktozidáza, alebo viažuci maltózu
proteíny, sú bežne spojené s rekombinantných proteínov, aby im oddeliť od bunkových extraktov o čistote dostatočné pre väčšinu analytické účely. Ultrazvuku umožňuje maximalizovať uvoľňovanie proteínu, najmä ak je výťažok produkcie je nízka a zachovať štruktúru a aktivitu rekombinantného proteínu.

narušenie E. coli bunky za účelom získania celkového chymozínu proteín bol študovaný Kim a Zayas,

Šafran ťažba

Saffron je známy ako najdrahší korenie na svetovom trhu a vyznačuje sa svojou jemnou chuťou, horkú chuť a atraktívne žltej farby. Šafran korenie sa získava z červenej stigmy kvetu šafran Crocus. Po vysušení sa tieto časti používajú ako korenie v kuchyni alebo ako farbivo. Intenzívna charakteristická chuť šafran výsledky najmä z troch zlúčenín: crocins, picrocrocin a safranal.

Kadkhodaee a Hemmati-Kakhki ukázali v štúdii, ktorá ultrazvuku výrazne zvýšil výťažok extrakcie a výrazne zníženou dobu spracovania. V skutočnosti, výsledky ultrazvukom extrakciou boli viditeľne lepšie ako tradičné extrakciou studenej vody, ktorý je navrhnutý podľa normy ISO. Pre ich výskum, Kadkhodaee a Hemmati-Kakhki použili Hielscher je ultrazvukové zariadenie UP50H, Najlepšie výsledky boli dosiahnuté s pulzným ultrazvuku. To znamená, že krátky pulz intervaly boli účinnejšie ako kontinuálne spracovanie ultrazvukom.

oxidácia

V kontrolovaných intenzít, aplikácia ultrazvuku sa biotransformácie a fermentácie sa môžu tiež mať za následok zvýšenú bioprocessing, vzhľadom k indukovanej biologické účinky a vzhľadom k podnietiť bunkovej prenos hmoty. Vplyv riadené aplikácií ultrazvuku (20 kHz) na oxidáciu cholesterolu na cholestenón kľudovými bunky Ródococcus erytropolis ATCC 25544 (predtým Nocardia erytropolis) Bol vyšetrovaný bar,

Cholesterol + O₂ = Cholesta-4-en-3-on + H₂O₂

Tento systém je typický pre mikrobiálne transformáciou sterolov a steroidy, že substrát a produkty sú vo vode nerozpustné pevné látky. Preto tento systém je v tom, že ako v bunkách pomerne unikátny a pevné látky môžu byť predmetom účinku ultrazvuku (Bar, 1987). Pri dostatočne nízke ultrazvukového intenzitou, ktoré konzervované štrukturálnu integritu buniek a udržuje ich metabolickú aktivitu, Bar pozorovala významne zlepšuje kinetickej rýchlosti biotransformácie v mikrobiálnej kaly z 1,0 a 2,5 g / l cholesterolu pri pôsobení ultrazvuku po dobu 5 každý 10mn s výstupný výkon 0,2 W / cm². Ultrazvuk nevykazoval žiadny účinok na enzymatickú oxidáciu cholesterolu (2,5 g / l), cholesterol oxidáza.

výhodné Technology

Využitie ultrazvukové kavitácie pre ťažbu a konzerváciu potravín je nové výkonné technológie spracovania, ktoré nemôžu byť použitá len bezpečné a šetrné k životnému prostrediu, ale aj efektívne a hospodárne. Homogenizačné a konzervovanie účinok môže byť ľahko použitý pre ovocné šťavy a pyré (napr. Pomaranč, jablko, grapefruit, mango, hrozno, slivky), ako aj na zeleninových omáčok a polievok, ako paradajkovou omáčkou alebo špargľa polievka.

literatúra

Allinger, H. (1975): Americké laboratórium, 7 (10), 75 (1975).

Bar, R. (1987): Ultrazvuk Rozšírené BioprocessesV: Biotechnology and Engineering, sv. 32, str. 655-663 (1987).

El'piner, S. I. (1964): Ultrazvuk: Fyzikálne, chemické a biologické účinky (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R.; Hemmati-Kakhki, A.: Ultrazvukové extrakcie účinných látok z Saffron, in: Internet publikáciu.

Kim, S. M. a Zayas, J. F. (1989): Spracovanie parametrov extrakcie chymozínu ultrazvukom; v J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Kombináciou sily ultrazvuk s enzýmami v jahodovej šťavy spracovaniaNa adrese: 2nd Int. Conf. Biokatalýza potravín a nápojov, 19-22.9.2004, Stuttgart, Nemecko.

Moulton, K. J., Wang, L. C. (1982): Pilotný-Plant Study of Kontinuálne ultrazvukové extrakcie sójovej bielkoviny, v: Journal of Food Science, zväzok 47, 1982.

Mummery, C. L. (1978): Účinok ultrazvuku na fibroblastov in vitro, in: Ph.D. Práca, University of London, Londýn, Anglicko, 1978.