Ultrazvuková extrakcia a konzervácia

Ultrazvuková extrakcia a konzervácia využíva výkonový ultrazvuk na dezintegráciu bunkových štruktúr (lýzu). Rozrušovanie buniek ultrazvukom vedie k vysoko účinnej extrakcii vnútrobunkových zlúčenín, ako aj k inaktivácii mikroorganizmov. Vďaka mnohým výhodám sa pôsobenie ultrazvuku široko využíva na extrakciu a konzerváciu v potravinárskom priemysle. Zistite viac o výhodách ultrazvukovej extrakcie a spracovania potravín!

Výkonový ultrazvuk na extrakciu a konzerváciu potravín a rastlinných materiálov

Ultrazvuková extrakcia: Ultrazvuková extrakcia je proces, ktorý využíva vysokofrekvenčné zvukové vlny na extrakciu zlúčenín z rôznych materiálov, ako sú rastliny, ovocie a zelenina. Proces zahŕňa využitie ultrazvukových vĺn na vytváranie vysokotlakových bublín v kvapalnom alebo polotuhom materiáli, ktoré rýchlo kolabujú, pričom vytvárajú intenzívne teplo a tlak, ktoré narúšajú bunkové steny materiálu a uvoľňujú požadované zlúčeniny.

Princíp fungovania ultrazvukovej extrakcie a konzervácie

Základný princíp ultrazvukovej extrakcie vychádza z javu známeho ako akustická kavitácia. Keď je kvapalina vystavená ultrazvukovým vlnám s vysokou intenzitou a nízkou frekvenciou (približne 20 kHz), vznikajú tlakové vlny, ktoré v kvapaline vytvárajú drobné vákuové bubliny. Tieto bubliny sa so zvyšujúcou sa intenzitou ultrazvuku zväčšujú a po dosiahnutí určitej veľkosti náhle a prudko kolabujú, pričom vytvárajú rázovú vlnu a uvoľňujú energiu vo forme tepla a tlaku.
Tento proces spôsobuje mechanické narušenie bunkových stien, čím sa z materiálu do kvapalného rozpúšťadla uvoľňujú požadované zlúčeniny. Uvoľnené zlúčeniny sa potom môžu oddeliť od rozpúšťadla pomocou štandardných separačných techník, ako je filtrácia alebo centrifugácia.

Toto video ukazuje vplyv sonikácie na stabilitu čerstvej bio mrkvovej šťavy. Na znázornenie účinku obsahuje časozberný záznam skladovania v chladničke. Pri výrobe štiav, smoothie, pyré a omáčok zlepšujú sonikátory Hielscher stabilitu, textúru a trvanlivosť. Sonikácia minimalizuje mikrobiálne kazenie a zabraňuje usadzovaniu a oddeľovaniu zložiek, ku ktorým môže dôjsť už v priebehu niekoľkých dní. Ultrazvukové spracovanie možno použiť na veľké šarže alebo priamo v procesnej linke tesne pred plnením. Sonikácia je čisto mechanická metóda spracovania. Je ideálna pre bio ovocné a zeleninové šťavy, pyré, smoothie alebo omáčky.

Ultrazvuková konzervácia: Ultrazvuková konzervácia je založená na rovnakých kavitačných účinkoch ako ultrazvuková extrakcia. Pri konzervácii sa výkonový ultrazvuk používa na predĺženie trvanlivosti potravín podliehajúcich skaze pomocou vysokofrekvenčných zvukových vĺn, ktoré inhibujú rast mikroorganizmov spôsobujúcich kazenie. Proces zahŕňa vystavenie potravín 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 zničeniu alebo inhibícii. Ultrazvukové vlny môžu tiež zvýšiť priepustnosť bunkových membrán, čím umožňujú konzervačným látkam a ďalším antimikrobiálnym látkam účinnejšie prenikať do mikroorganizmov a usmrcovať ich.
Ultrazvuková konzervácia sa uprednostňuje pred tradičnými metódami konzervácie, pretože ponúka viacero výhod, ako je kratší čas spracovania, vyššia účinnosť a schopnosť zachovať prirodzené vlastnosti a chute potravín. Používa sa pri širokej škále potravinárskych výrobkov, ako sú omáčky, šťavy, mliečne výrobky, vajcia a mäso, na predĺženie ich trvanlivosti a zaistenie ich bezpečnosti.

Technika ultrazvukovej extrakcie a konzervácie sa uprednostňuje pred tradičnými metódami extrakcie a konzervácie, pretože ponúka viacero výhod, ako je vyššia rýchlosť extrakcie, vynikajúca kvalita produktu, vyššia výťažnosť, čisto mechanické netepelné spracovanie a schopnosť extrahovať širšiu škálu zlúčenín. Používa sa v širokej škále priemyselných odvetví, ako je potravinársky a nápojový, farmaceutický a kozmetický priemysel.

Ultrazvuková extrakcia rastlinných látok poskytuje vyššie výťažky. Homogenizátor Hielscher UIP2000hdT s výkonom 2000 wattov je dostatočne výkonný na jednoduchú extrakciu šarží s objemom od 10 litrov do 120 litrov.

Ultrazvuková extrakcia bielkovín 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 rastlinách a semenách pomocou rozpúšťadla možno výrazne zlepšiť. Ultrazvuk preto môže byť prínosom pri extrakcii a izolácii nových potenciálne bioaktívnych zložiek, napr. z nevyužívaných prúdov vedľajších produktov vznikajúcich v súčasných procesoch. Ultrazvuk môže tiež pomôcť zintenzívniť účinky enzymatického spracovania, a tým znížiť potrebné množstvo enzýmu alebo zvýšiť výťažok extrahovateľných požadovaných zlúčenín.

Ultrazvuková extrakcia lipidov a proteínov

Ultrazvukové spracovanie sa často používa na zlepšenie extrakcie lipidov a proteínov zo semien rastlín, napríklad zo sójových bôbov (napr. zo sójovej múky alebo odtučnených sójových bôbov) alebo z iných olejnatých semien. V tomto prípade narušenie bunkových stien uľahčuje lisovanie (za studena alebo za tepla), a tým znižuje množstvo zvyškového oleja alebo tuku vo výliskoch.

Vplyv kontinuálnej ultrazvukovej extrakcie na výťažok dispergovaného proteínu preukázali Moulton a kol. Sonikácia postupne zvyšovala výťažnosť dispergovaného proteínu pri zmene pomeru vločiek k rozpúšťadlu z 1:10 na 1:30. Ukázalo sa, že ultrazvuk dokáže peptizovať sójový proteín pri takmer akejkoľvek komerčnej kapacite spracovania a že energia potrebná na sonikáciu bola najnižšia pri použití hustejších suspenzií.

Ultrazvuková izolácia fenolových zlúčenín a antokyánov

Enzýmy, ako sú pektinázy, celulázy a hemicelulázy, sa bežne používajú pri spracovaní štiav na rozklad bunkových stien a zlepšenie extrahovateľnosti šťavy. Narušením matrice bunkovej steny sa do šťavy uvoľňujú aj zložky, ako sú fenolové zlúčeniny. Ultrazvuk zlepšuje proces extrakcie, a preto môže viesť k zvýšeniu výťažku fenolových zlúčenín, alkaloidov a šťavy, ktoré bežne zostávajú vo výliskoch.

Priaznivé účinky ultrazvukového spracovania na uvoľňovanie fenolových zlúčenín a antokyánov z matrice hrozna a bobuľového ovocia, najmä z čučoriedok (Vaccinium myrtillus) a čiernych ríbezlí (>Ribes nigrum), do šťavy skúmala fínska organizácia VTT Biotechnology pomocou ultrazvukového procesora UIP2000hd po rozmrazení, rozomletí na kašu a inkubácii s enzýmami. Narušenie bunkových stien enzymatickým spracovaním (Pectinex BE-3L pre čučoriedky a Biopectinase CCM pre čierne ríbezle) sa zlepšilo pri kombinácii s ultrazvukom. „Spracovanie pomocou US zvyšuje koncentráciu fenolových zlúčenín v čučoriedkovej šťave o viac ako 15%. […] Vplyv US (ultrazvuku) bol výraznejší pri čiernych ríbezliach, ktorých spracovanie na šťavu je náročnejšie ako pri čučoriedkach vzhľadom na ich vysoký obsah pektínu a odlišnú architektúru bunkových stien. […] koncentrácia fenolových zlúčenín v šťave sa zvýšila o 15–25% pri použití spracovania pomocou US (ultrazvuku) po inkubácii s enzýmami.“ (porov. Mokkila a kol., 2004)

V tejto prezentácii vám predstavíme výrobu rastlinných extraktov. Vysvetlíme náročné aspekty výroby vysokokvalitných rastlinných extraktov a to, ako vám ich sonikátor pomôže zvládnuť. Prezentácia vám ukáže, ako funguje ultrazvuková extrakcia. Dozviete sa, aké výhody môžete očakávať pri použití sonikátora na extrakciu a ako môžete ultrazvukový extraktor začleniť do výroby extraktov.

Inaktivácia mikroorganizmov a enzýmov

Inaktivácia mikroorganizmov a enzýmov (konzervácia), napr. v ovocných šťavách a omáčkach, je ďalším využitím ultrazvuku pri spracovaní potravín. V súčasnosti je konzervácia krátkodobým zvýšením teploty (pasterizácia) stále najbežnejšou metódou spracovania na inaktiváciu mikroorganizmov alebo enzýmov, ktorá vedie k dlhšej trvanlivosti (konzervácii). Vystavenie vysokej teplote pri konvenčnej tepelnej pasterizácii často prináša nevýhody pre potravinové výrobky.
Vznik nových látok pri reakciách katalyzovaných teplom a modifikácia makromolekúl, ako aj deformácia rastlinných a živočíšnych štruktúr môžu viesť k strate kvality. Tepelné spracovanie preto môže spôsobiť nežiaduce zmeny senzorických vlastností, t. j. textúry, chuti, farby a vône, a výživových vlastností, t. j. vitamínov a bielkovín. Ultrazvuk predstavuje účinnú alternatívu netepelného (minimálneho) spracovania.

Na rozdiel od konvenčného tepelného spracovania využíva ultrazvuková konzervácia energiu a šmykové sily akustickej kavitácie na inaktiváciu enzýmov. Pri dostatočne nízkej úrovni sonikácie môžu v bunkách nastať štrukturálne a metabolické zmeny bez ich zničenia. Aktivitu peroxidázy, ktorá sa nachádza vo väčšine surového a neblanšírovaného ovocia a zeleniny a môže súvisieť najmä so vznikom nežiaducich chutí a hnedých pigmentov, možno použitím ultrazvuku výrazne znížiť. Termorezistentné enzýmy, ako sú lipáza a proteáza, ktoré odolávajú spracovaniu pri ultravysokej teplote a môžu znižovať kvalitu a trvanlivosť tepelne ošetreného mlieka a ďalších mliečnych výrobkov, možno účinnejšie inaktivovať súčasným pôsobením 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.

Použiteľné na: konzerváciu džemov, marmelád alebo polev, ovocných štiav a omáčok, mäsových výrobkov, mliečnych výrobkov a zmrzliny.

Ultrazvukové prístroje Hielscher dokážu homogenizovať a pasterizovať tekuté vaječné výrobky (celé vajcia, bielky, žĺtky), čím zabezpečujú bezpečnosť potravín a mechanickú stabilitu. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher vytvárajú intenzívnu kavitáciu a vysoké šmykové sily na ničenie mikroorganizmov. Ultrazvuková pasterizácia je veľmi účinnou a efektívnou alternatívou nízkoteplotnej pasterizácie. Tekuté vajcia pasterizované ultrazvukom vykazujú menšiu denaturáciu bielkovín, menšiu stratu chuti, lepšiu homogenitu a výrazne vyššiu energetickú účinnosť.

Synergické účinky ultrazvuku v kombinácii s teplotou a tlakom

Pôsobenie ultrazvuku je často účinnejšie v kombinácii s inými antimikrobiálnymi metódami, ako sú:

termosonikácia, t. j. teplo a ultrazvuk
manosonikácia, t. j. tlak a ultrazvuk
manotermosonikácia, t. j. tlak, teplo a ultrazvuk

Kombinované pôsobenie ultrazvuku s teplom a/alebo tlakom sa odporúča pri Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae a Aeromonas hydrophila.

Ultrazvuk v porovnaní s inými technikami konzervácie potravín

Na rozdiel od iných tepelných a netepelných procesov, ako sú vysokotlaková homogenizácia, tepelná pasterizácia, vysokotlakové spracovanie (HPP), stlačený oxid uhličitý (cCO2) a superkritický oxid uhličitý (ScCO2), impulzy elektrického poľa s vysokou intenzitou (HELP) alebo mikrovlnné spracovanie, možno ultrazvuk jednoducho testovať v laboratórnom meradle alebo na stolových zariadeniach – s dosiahnutím reprodukovateľných výsledkov pre zväčšovanie mierky procesu. Intenzitu a charakteristiky kavitácie možno jednoducho prispôsobiť konkrétnemu procesu extrakcie na dosiahnutie konkrétnych cieľov. Amplitúdu a tlak možno meniť v širokom rozsahu, napr. na určenie energeticky najúčinnejšej konfigurácie extrakcie.

Medzi ďalšie výhody spojené s využívaním ultrazvukovej extrakcie pomocou sondy patria jednoduchá manipulácia s extraktom, rýchly priebeh, žiadne rezíduá, vysoký výťažok, šetrnosť k životnému prostrediu, vyššia kvalita a predchádzanie degradácii extraktu.
(porov. Chemat et al., 2011)

Výhody ultrazvukového spracovania potravín

Úplnejšia extrakcia
Netepelná konzervácia
Vyššie výťažky
Vysoký obsah živín, prémiová kvalita potravín
Rýchly proces
Proces za studena / netepelný proces
Jednoduchá a bezpečná obsluha
Nízke nároky na údržbu

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na extrakciu a konzerváciu

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na účinnú extrakciu a konzerváciu. Použitie ultrazvukových zariadení Hielscher na extrakciu a konzerváciu potravín predstavuje výkonnú technológiu spracovania, ktorú možno využívať nielen bezpečne a šetrne k životnému prostrediu, ale aj účinne a hospodárne. Homogenizačný a konzervačný účinok sa dá jednoducho využiť pri akomkoľvek tekutom alebo pastovitom potravinárskom výrobku vrátane ovocných štiav a pyré (napr. z pomarančov, jabĺk, grapefruitov, manga, hrozna či sliviek), ako aj zeleninových omáčok a polievok (napr. paradajkovej omáčky alebo špargľovej polievky), mliečnych výrobkov, vajec a mäsa.
Naše portfólio ultrazvukových homogenizátorov a extraktorov siaha od ručných prenosných zariadení až po plne priemyselné výrobné systémy na prietokové spracovanie veľkých objemov v komerčnom meradle.

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe najvyššími štandardmi kvality a konštrukčného vyhotovenia. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémové začlenenie našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a jednoduchým používaním. Ultrazvukové prístroje Hielscher samozrejme spĺňajú požiadavky CE, ako aj požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov:

Objem dávky	Prietok	Odporúčané zariadenia
0,5 až 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 až 500mL	10 až 200mL/min	UP100H
10 až 2000mL	20 až 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 až 20L	0,2 až 4L/min	UIP2000hdT
10 až 100L	2 až 10L/min	UIP4000hdT
15 až 150L	3 až 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 až 100L/min	UIP16000
n.a.	vyšší	zostava zariadení UIP16000

Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!

Súvisiace témy

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.

Užitočné informácie

Ultrazvuková dezintegrácia buniek

Pri intenzívnej sonikácii sa môžu v dôsledku dezintegrácie buniek uvoľňovať enzýmy alebo proteíny z buniek alebo subcelulárnych organel. V tomto prípade je zlúčenina, ktorá sa má rozpustiť v rozpúšťadle, uzavretá v nerozpustnej štruktúre. Na jej extrakciu sa musí narušiť bunková membrána. Narušovanie buniek je citlivý proces, pretože bunková stena dokáže odolávať vysokému osmotickému tlaku vo vnútri bunky. Narušovanie buniek sa musí dobre riadiť, aby sa zabránilo neobmedzenému uvoľneniu všetkých vnútrobunkových produktov vrátane bunkových zvyškov a nukleových kyselín alebo denaturácii produktu.
Sonikácia slúži ako dobre regulovateľný prostriedok na dezintegráciu buniek. Mechanické účinky ultrazvuku pritom zabezpečujú rýchlejšie a úplnejšie prenikanie rozpúšťadla do bunkových materiálov a zlepšujú prenos hmoty. Ultrazvuk zabezpečuje hlbšie prenikanie rozpúšťadla do rastlinného tkaniva a zlepšuje prenos hmoty. Ultrazvukové vlny vyvolávajúce kavitáciu narúšajú bunkové steny a uľahčujú uvoľňovanie zložiek matrice.

Ultrazvukom zlepšený prenos hmoty podporuje extrakciu

Vo všeobecnosti môže ultrazvuk viesť k zvýšeniu priepustnosti bunkových membrán pre ióny a môže výrazne znížiť selektivitu bunkových membrán. Mechanické pôsobenie ultrazvuku podporuje difúziu rozpúšťadiel do tkaniva. Keďže ultrazvuk mechanicky narúša bunkovú stenu šmykovými silami vznikajúcimi pri kavitácii, uľahčuje prenos z bunky do rozpúšťadla. Zmenšenie veľkosti častíc pôsobením ultrazvukovej kavitácie zväčšuje kontaktnú plochu medzi tuhou a kvapalnou fázou.

Ultrazvuková lýza a inaktivácia E.coli

Na produkciu malých množstiev rekombinantných proteínov na štúdium a charakterizáciu ich biologických vlastností je E.coli baktériou prvej voľby. Purifikačné značky, napr. polyhistidínový chvost, beta-galaktozidáza alebo proteíny viažuce maltózu, sa bežne pripájajú k rekombinantným proteínom, aby ich bolo možné oddeliť z bunkových extraktov s čistotou dostatočnou na väčšinu analytických účelov. Sonikácia umožňuje maximalizovať uvoľňovanie proteínov, najmä pri nízkom produkčnom výťažku, a zachovať štruktúru a aktivitu rekombinantného proteínu.

Ultrazvuková oxidácia

Pri riadených intenzitách môže použitie ultrazvuku pri biotransformácii a fermentácii viesť k zlepšeniu biologického spracovania vďaka vyvolaným biologickým účinkom a uľahčenému prenosu hmoty v bunkách. Vplyv riadeného pôsobenia ultrazvuku (20kHz) na oxidáciu cholesterolu na cholestenón pomocou pokojových buniek Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (predtým Nocardia erythropolis) skúmal Bar (1987).
Tento systém je typický pre mikrobiálne transformácie sterolov a steroidov tým, že substrát aj produkty sú tuhé látky nerozpustné vo vode. Preto je tento systém pomerne jedinečný v tom, že účinku ultrazvuku môžu podliehať bunky aj tuhé látky. Pri dostatočne nízkej intenzite ultrazvuku, ktorá zachovala štruktúrnu integritu buniek a udržala ich metabolickú aktivitu, Bar pozoroval výrazné zvýšenie kinetických rýchlostí biotransformácie v mikrobiálnych suspenziách s obsahom cholesterolu 1,0 a 2,5 g/L pri sonikácii trvajúcej 5s každých 10mn s výstupným výkonom 0,2W/cm². Ultrazvuk nepreukázal žiadny účinok na enzymatickú oxidáciu cholesterolu (2,5g/L) cholesteroloxidázou.

Čo je vysokotlakové spracovanie pri konzervovaní potravín?

Vysokotlakové spracovanie (HPP) je netepelná technika konzervovania potravín, ktorá inaktivuje mikroorganizmy a enzýmy a zároveň zachováva senzorické a výživové vlastnosti výrobku. Spočíva vo vystavení balených potravín hydrostatickým tlakom zvyčajne medzi 300 a 600 MPa (megapascalov) počas sekúnd až minút. Hlavnou výzvou vysokotlakového spracovania je jeho veľmi vysoká spotreba energie. Prečítajte si viac o tom, ako môže sonikácia pomôcť znížiť energetickú náročnosť HPP!