Ultrazvočna ekstrakcija in konzerviranje

Pri ultrazvočni ekstrakciji in konzerviranju se uporablja močnostni ultrazvok za razgradnjo celičnih struktur (lizo). Razgradnja celic z ultrazvokom omogoča zelo učinkovito ekstrakcijo znotrajceličnih spojin in inaktivacijo mikroorganizmov. Zaradi številnih prednosti se ultrazvočna obdelava pogosto uporablja za ekstrakcijo in konzerviranje v živilski industriji. Spoznajte prednosti ultrazvočne ekstrakcije in obdelave živil!

Močnostni ultrazvok za ekstrakcijo in konzerviranje živil ter rastlinskih materialov

Ultrazvočna ekstrakcija: Ultrazvočna ekstrakcija je postopek, pri katerem se visokofrekvenčni zvočni valovi uporabljajo za ekstrakcijo spojin iz različnih materialov, kot so rastline, sadje in zelenjava. Postopek vključuje uporabo ultrazvočnih valov za ustvarjanje visokotlačnih mehurčkov v tekočem ali poltrdnem materialu, ki hitro implodirajo ter ustvarjajo močno toploto in tlak, ki razgradita celične stene materiala in sprostita želene spojine.

Načelo delovanja ultrazvočne ekstrakcije in konzerviranja

Osnovno načelo ultrazvočne ekstrakcije temelji na pojavu, imenovanem akustična kavitacija. Ko je tekočina izpostavljena ultrazvočnim valovom visoke intenzivnosti in nizke frekvence (pribl. 20 kHz), nastanejo tlačni valovi, ki v tekočini ustvarijo drobne vakuumske mehurčke. Ti mehurčki se z naraščanjem intenzivnosti ultrazvoka povečujejo, ko pa dosežejo določeno velikost, nenadoma in silovito implodirajo, pri čemer ustvarijo udarni val in sprostijo energijo v obliki toplote in tlaka.
Ta proces povzroči mehansko razgradnjo celičnih sten, pri čemer se želene spojine iz materiala sprostijo v tekoče topilo. Sproščene spojine se nato lahko ločijo od topila s standardnimi tehnikami ločevanja, kot sta filtracija ali centrifugiranje.

Ta videoposnetek prikazuje vpliv sonikacije na stabilnost svežega ekološkega korenčkovega soka. Za ponazoritev učinka vključuje pospešeni posnetek shranjevanja v hladilniku. Pri proizvodnji sokov, smutijev, pirejev in omak sonikatorji Hielscher izboljšajo stabilnost, teksturo in obstojnost. Sonikacija zmanjša mikrobno kvarjenje ter preprečuje usedanje in ločevanje, ki se lahko pojavita že v nekaj dneh. Ultrazvočna obdelava je primerna za velike šarže ali za pretočno obdelavo tik pred polnjenjem. Sonikacija je povsem mehanska metoda obdelave. Idealna je za ekološke sadne in zelenjavne sokove, pireje, smutije ali omake.

Ultrazvočno konzerviranje: Ultrazvočno konzerviranje temelji na enakih kavitacijskih učinkih kot ultrazvočna ekstrakcija. Pri konzerviranju se močnostni ultrazvok uporablja za podaljšanje roka uporabnosti hitro pokvarljivih živil, pri čemer visokofrekvenčni zvočni valovi zavirajo rast mikroorganizmov, ki povzročajo kvarjenje. Postopek vključuje izpostavljanje živil ultrazvočnim valovom, ki razgradijo celične stene bakterij, kvasovk in plesni, kar povzroči njihovo uničenje ali zaviranje.
Ta proces povzroči mehansko razgradnjo celičnih sten mikroorganizmov, kar vodi do njihovega uničenja ali zaviranja. Ultrazvočni valovi lahko povečajo tudi prepustnost celičnih membran, kar konzervansom in drugim protimikrobnim sredstvom omogoča učinkovitejše prodiranje v mikroorganizme in njihovo uničevanje.
Ultrazvočno konzerviranje ima prednost pred tradicionalnimi metodami konzerviranja, ker ponuja več prednosti, kot so krajši čas obdelave, večja učinkovitost in možnost ohranjanja naravnih lastnosti in okusov živil. Uporablja se pri številnih živilskih izdelkih, kot so omake, sokovi, mlečni izdelki, jajca in meso, za podaljšanje njihovega roka uporabnosti in zagotavljanje njihove varnosti.

Tehnika ultrazvočne ekstrakcije in konzerviranja ima prednost pred tradicionalnimi metodami ekstrakcije in konzerviranja, ker ponuja več prednosti, kot so hitrejša ekstrakcija, odlična kakovost izdelkov, večji izkoristek, povsem mehanska netoplotna obdelava in možnost ekstrakcije širšega nabora spojin. Uporablja se v številnih panogah, kot so industrija hrane in pijač, farmacevtska industrija ter kozmetična industrija.

Ultrazvočna ekstrakcija rastlinskih snovi omogoča večje izkoristke. Homogenizator Hielscher UIP2000hdT z močjo 2000 vatov je dovolj zmogljiv za preprosto ekstrakcijo šarž od 10 litrov do 120 litrov.

Ultrazvočna ekstrakcija beljakovin in encimov

Zlasti ekstrakcija encimov in beljakovin, shranjenih v celicah in subceličnih delcih, je edinstvena in učinkovita uporaba ultrazvoka visoke intenzivnosti, saj se lahko ekstrakcija organskih spojin iz rastlin in semen s topilom bistveno izboljša. Ultrazvok ima zato potencialne koristi pri ekstrakciji in izolaciji novih, potencialno bioaktivnih sestavin, npr. iz neizkoriščenih tokov stranskih proizvodov, ki nastajajo pri sedanjih postopkih. Ultrazvok lahko pomaga tudi okrepiti učinke encimske obdelave in s tem zmanjšati potrebno količino encima ali povečati izkoristek ustreznih spojin, ki jih je mogoče ekstrahirati.

Ultrazvočna ekstrakcija lipidov in beljakovin

Ultrazvočna obdelava se pogosto uporablja za izboljšanje ekstrakcije lipidov in beljakovin iz rastlinskih semen, kot so soja (npr. moka ali razmaščena soja) ali druga oljna semena. V tem primeru uničenje celičnih sten olajša stiskanje (hladno ali vroče) in s tem zmanjša količino preostalega olja ali maščobe v pogači po stiskanju.

Vpliv neprekinjene ultrazvočne ekstrakcije na izkoristek dispergiranih beljakovin so dokazali Moulton in sod. Sonikacija je postopoma povečevala pridobljeno količino dispergiranih beljakovin, ko se je razmerje med kosmiči in topilom spreminjalo od 1:10 do 1:30. Pokazalo se je, da lahko ultrazvok peptizira sojine beljakovine pri skoraj vsaki zmogljivosti obdelave v komercialni proizvodnji in da je bila potrebna energija sonikacije najnižja pri uporabi gostejših suspenzij.

Ultrazvočna izolacija fenolnih spojin in antocianov

Encimi, kot so pektinaze, celulaze in hemicelulaze, se pogosto uporabljajo pri predelavi sokov za razgradnjo celičnih sten in izboljšanje možnosti izločanja soka. Razgradnja matriksa celične stene v sok sprosti tudi sestavine, kot so fenolne spojine. Ultrazvok izboljša postopek ekstrakcije in zato lahko poveča izkoristek fenolnih spojin, alkaloidov in soka, ki običajno ostanejo v pogači po stiskanju.

Ugodne učinke ultrazvočne obdelave na sproščanje fenolnih spojin in antocianov iz matriksa grozdja in jagodičevja, zlasti iz borovnic (Vaccinium myrtillus) in črnega ribeza (>Ribes nigrum), v sok je preučeval VTT Biotechnology na Finskem z uporabo ultrazvočnega procesorja UIP2000hd po odtajanju, drozganju in inkubaciji z encimi. Razgradnja celičnih sten z encimsko obdelavo (Pectinex BE-3L za borovnice in Biopectinase CCM za črni ribez) se je izboljšala v kombinaciji z ultrazvokom. “Obdelava z US poveča koncentracijo fenolnih spojin v borovničevem soku za več kot 15%. […] Vpliv US (ultrazvoka) je bil izrazitejši pri črnem ribezu, ki je zaradi visoke vsebnosti pektina in drugačne zgradbe celičnih sten pri predelavi v sok zahtevnejši kot borovnice. […] koncentracija fenolnih spojin v soku se je z uporabo obdelave z US (ultrazvokom) po inkubaciji z encimi povečala za 15–25%.” (prim. Mokkila in sod., 2004)

V tej predstavitvi vam predstavljamo proizvodnjo rastlinskih izvlečkov. Pojasnjujemo izzive pri proizvodnji visokokakovostnih rastlinskih izvlečkov in kako vam jih lahko sonikator pomaga premagati. Predstavitev prikazuje delovanje ultrazvočne ekstrakcije. Spoznali boste prednosti uporabe sonikatorja za ekstrakcijo in načine vključitve ultrazvočnega ekstraktorja v proizvodnjo izvlečkov.

Inaktivacija mikroorganizmov in encimov

Inaktivacija mikroorganizmov in encimov (konzerviranje), npr. v sadnih sokovih in omakah, je še ena uporaba ultrazvoka pri predelavi živil. Danes je konzerviranje s kratkotrajnim povišanjem temperature (pasterizacija) še vedno najpogostejši postopek obdelave za inaktivacijo mikroorganizmov ali encimov, ki omogoča daljši rok uporabnosti (konzerviranje). Zaradi izpostavljenosti visoki temperaturi ima običajna toplotna pasterizacija pogosto slabosti za živilske izdelke.
Nastajanje novih snovi zaradi reakcij, kataliziranih s toploto, in spremembe makromolekul ter deformacije rastlinskih in živalskih struktur lahko povzročijo izgubo kakovosti. Zato lahko toplotna obdelava povzroči neželene spremembe senzoričnih lastnosti, tj. teksture, okusa, barve in vonja, ter prehranskih lastnosti, tj. vitaminov in beljakovin. Ultrazvok je učinkovita alternativa za netoplotno (minimalno) obdelavo.

V nasprotju z običajnimi toplotnimi obdelavami ultrazvočno konzerviranje za inaktivacijo encimov uporablja energijo in strižne sile akustične kavitacije. Pri dovolj nizkih ravneh sonikacije lahko v celicah pride do strukturnih in presnovnih sprememb brez njihovega uničenja. Aktivnost peroksidaze, ki jo najdemo v večini surovega in neblanširanega sadja in zelenjave ter je lahko zlasti povezana z nastankom neželenih okusov in pigmentov, ki povzročajo porjavenje, se lahko z uporabo ultrazvoka znatno zmanjša. Toplotno odporni encimi, kot sta lipaza in proteaza, ki prenesejo obdelavo pri ultravisoki temperaturi in lahko zmanjšajo kakovost ter rok uporabnosti toplotno obdelanega mleka in drugih mlečnih izdelkov, se lahko učinkoviteje inaktivirajo s sočasno uporabo ultrazvoka, toplote in tlaka (MTS).

Ultrazvok je pokazal svoj potencial pri uničevanju patogenov, ki se prenašajo s hrano, kot so E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, ciste Cryptosporidium in Poliovirus.

Primerno za: konzerviranje džema, marmelade ali prelivov, sadnih sokov in omak, mesnih izdelkov, mlečnih izdelkov in sladoleda.

Ultrazvočne naprave Hielscher lahko homogenizirajo in pasterizirajo tekoče jajčne izdelke (cela jajca, beljake, rumenjake) ter tako zagotovijo varnost živil in mehansko stabilnost. Ultrazvočni homogenizatorji Hielscher ustvarjajo intenzivno kavitacijo in velike strižne sile za uničevanje mikroorganizmov. Ultrazvočna pasterizacija je zelo učinkovita in gospodarna alternativa za pasterizacijo pri nizkih temperaturah. Tekoča jajca, pasterizirana z ultrazvokom, izkazujejo manjšo denaturacijo beljakovin, manjšo izgubo okusa, boljšo homogenost in bistveno večjo energijsko učinkovitost.

Sinergije ultrazvoka s temperaturo in tlakom

Ultrazvočna obdelava je pogosto učinkovitejša v kombinaciji z drugimi protimikrobnimi metodami, kot so:

termosonikacija, tj. toplota in ultrazvok
manosonikacija, tj. tlak in ultrazvok
manotermosonikacija, tj. tlak, toplota in ultrazvok

Kombinirana uporaba ultrazvoka s toploto in/ali tlakom je priporočena za Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae in Aeromonas hydrophila.

Ultrazvok v primerjavi z drugimi tehnikami konzerviranja živil

V nasprotju z drugimi toplotnimi in netoplotnimi postopki, kot so visokotlačna homogenizacija, toplotna pasterizacija, obdelava z visokim tlakom (HPP), stisnjeni ogljikov dioksid (cCO2) in superkritični ogljikov dioksid (ScCO2), impulzi močnega električnega polja (HELP) ali mikrovalovi, je ultrazvok mogoče enostavno preizkusiti v laboratorijskem merilu ali z namiznimi napravami – s ponovljivimi rezultati za povečanje merila. Intenzivnost in značilnosti kavitacije je mogoče enostavno prilagoditi posameznemu postopku ekstrakcije za doseganje določenih ciljev. Amplitudo in tlak je mogoče spreminjati v širokem razponu, npr. za določitev energijsko najučinkovitejše konfiguracije ekstrakcije.

Druge prednosti, povezane z uporabo ultrazvočne ekstrakcije s sondo, so enostavno ravnanje z ekstraktom, hitra izvedba, odsotnost ostankov, visok izkoristek, prijaznost do okolja, izboljšana kakovost in preprečevanje razgradnje ekstrakta.
(prim. Chemat in sod., 2011)

Prednosti ultrazvočne obdelave živil

Popolnejša ekstrakcija
Netoplotno konzerviranje
Večji izkoristki
Visoka vsebnost hranil, vrhunska kakovost živil
Hiter postopek
Hladen / netoplotni postopek
Enostavno in varno upravljanje
Majhne potrebe po vzdrževanju

Visokozmogljive ultrazvočne naprave za ekstrakcijo in konzerviranje

Hielscher Ultrasonics načrtuje, izdeluje in distribuira visokozmogljive ultrazvočne naprave za učinkovito ekstrakcijo in konzerviranje. Uporaba ultrazvočne opreme Hielscher za ekstrakcijo in konzerviranje živil je zmogljiva tehnologija obdelave, ki jo je mogoče uporabljati varno in okolju prijazno, pa tudi učinkovito in gospodarno. Učinek homogenizacije in konzerviranja je mogoče enostavno uporabiti pri katerem koli tekočem ali pastoznem živilskem izdelku, vključno s sadnimi sokovi in pireji (npr. iz pomaranč, jabolk, grenivk, manga, grozdja, sliv), pa tudi pri zelenjavnih omakah in juhah (npr. paradižnikovi omaki ali špargljevi juhi), mlečnih izdelkih, jajcih in mesu.
Naša ponudba ultrazvočnih homogenizatorjev in ekstraktorjev sega od ročnih, prenosnih naprav do povsem industrijskih proizvodnih sistemov za obdelavo velikih količin v pretočnem načinu v komercialnem merilu.

Načrtovanje, izdelava in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so ultrazvočne naprave Hielscher skladne z zahtevami CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Spodnja tabela prikazuje okvirno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Prostornina šarže	Pretok	Priporočene naprave
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
15 do 150L	3 do 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	večji	sklop naprav UIP16000

Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!

Sorodne teme

Literatura / Viri

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.

Dobro je vedeti

Ultrazvočna razgradnja celic

Pri intenzivni sonikaciji se lahko zaradi razgradnje celic iz celic ali subceličnih organelov sprostijo encimi ali beljakovine. V tem primeru je spojina, ki jo je treba raztopiti v topilu, zaprta v netopni strukturi. Za njeno ekstrakcijo je treba uničiti celično membrano. Razgradnja celic je občutljiv proces zaradi sposobnosti celične stene, da prenese visok notranji osmotski tlak. Potreben je dober nadzor razgradnje celic, da se prepreči nenadzorovano sproščanje vseh znotrajceličnih produktov, vključno s celičnimi ostanki in nukleinskimi kislinami, ali denaturacija produkta.
Ultrazvočna obdelava je dobro obvladljivo sredstvo za razgradnjo celic. Mehanski učinki ultrazvoka pri tem omogočajo hitrejše in popolnejše prodiranje topila v celične materiale ter izboljšajo prenos snovi. Ultrazvok omogoča globlje prodiranje topila v rastlinsko tkivo in izboljša prenos snovi. Ultrazvočni valovi, ki ustvarjajo kavitacijo, razgradijo celične stene in olajšajo sproščanje sestavin matriksa.

Ultrazvočno izboljšan prenos snovi spodbuja ekstrakcijo

Na splošno lahko ultrazvok poveča prepustnost celičnih membran za ione in znatno zmanjša selektivnost celičnih membran. Mehansko delovanje ultrazvoka spodbuja difuzijo topil v tkivo. Ker ultrazvok s strižnimi silami kavitacije mehansko razgradi celično steno, olajša prenos iz celice v topilo. Zmanjšanje velikosti delcev zaradi ultrazvočne kavitacije poveča stično površino med trdno in tekočo fazo.

Ultrazvočna liza in inaktivacija E.coli

Za proizvodnjo majhnih količin rekombinantnih beljakovin za preučevanje in karakterizacijo njihovih bioloških lastnosti je E.coli prednostna izbira med bakterijami. Označevalci za čiščenje, npr. polihistidinski rep, beta-galaktozidaza ali beljakovine, ki vežejo maltozo, se običajno povežejo z rekombinantnimi beljakovinami, da jih je mogoče ločiti iz celičnih ekstraktov s čistostjo, ki zadostuje za večino analitskih namenov. Ultrazvočna obdelava omogoča največje možno sproščanje beljakovin, zlasti kadar je proizvodni izkoristek nizek, ter ohranjanje strukture in aktivnosti rekombinantne beljakovine.

Ultrazvočna oksidacija

Pri nadzorovanih intenzivnostih lahko uporaba ultrazvoka pri biotransformaciji in fermentaciji zaradi sproženih bioloških učinkov in olajšanega celičnega prenosa snovi vodi do izboljšane bioprocesne obdelave. Vpliv nadzorovane uporabe ultrazvoka (20kHz) na oksidacijo holesterola v holestenon z mirujočimi celicami Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (prej Nocardia erythropolis) je preučeval Bar (1987).
Ta sistem je značilen za mikrobne pretvorbe sterolov in steroidov, saj so substrat in produkti v vodi netopne trdne snovi. Zato je ta sistem precej edinstven, ker so lahko tako celice kot trdne snovi izpostavljene učinkom ultrazvoka. Pri dovolj nizki intenzivnosti ultrazvoka, ki je ohranila strukturno celovitost celic in njihovo presnovno aktivnost, je Bar opazil znatno povečanje kinetičnih hitrosti biotransformacije v mikrobnih suspenzijah z 1,0 in 2,5 g/L holesterola pri sonikaciji za 5s vsakih 10mn z izhodno močjo 0,2W/cm². Ultrazvok ni vplival na encimsko oksidacijo holesterola (2,5g/L) s holesterol oksidazo.

Kaj je obdelava z visokim tlakom pri konzerviranju živil?

Obdelava z visokim tlakom (HPP) je netoplotna tehnika konzerviranja živil, ki inaktivira mikroorganizme in encime, hkrati pa ohranja senzorične in prehranske lastnosti izdelka. Vključuje izpostavljanje pakiranih živil hidrostatičnim tlakom, običajno med 300 in 600 MPa (megapaskali), za nekaj sekund do nekaj minut. Velik izziv obdelave z visokim tlakom je njena zelo visoka poraba energije. Preberite več o tem, kako lahko sonikacija pomaga zmanjšati energijske potrebe HPP!