Ultrazvočna ekstrakcija in konzerviranje
Ultrazvočna ekstrakcija in konzerviranje uporablja ultrazvok moči za razpad celičnih struktur (liza). Razbijanje celic z ultrazvočnimi odzivi na visoko učinkovito ekstrakcijo znotrajceličnih spojin in mikrobno inaktivacijo. Zaradi številnih prednosti se ultrazvok pogosto uporablja za ekstrakcijo in konzerviranje v živilski industriji. Preberite več o prednostih ultrazvočne ekstrakcije in predelave hrane!
Močni ultrazvok za ekstrakcijo in konzerviranje hrane in rastlin
Ultrazvočna ekstrakcija: Ultrazvočna ekstrakcija je proces, ki uporablja visokofrekvenčne zvočne valove za pridobivanje 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 se hitro zrušijo in ustvarjajo intenzivno toploto in tlak, ki moti celične stene materiala in sprošča želene spojine.
Načelo delovanja ultrazvočne ekstrakcije in konzerviranja
Osnovno načelo ultrazvočne ekstrakcije temelji na pojavu, znanem kot akustična kavitacija. Ko je tekočina izpostavljena ultrazvočnim valovom visoke intenzivnosti in nizke frekvence (približno 20 kHz), ustvarja tlačne valove, ki v tekočini ustvarjajo drobne vakuumske mehurčke. Ti mehurčki rastejo v velikosti, ko se intenzivnost ultrazvoka poveča, in ko dosežejo določeno velikost, se nenadoma in silovito zrušijo, ustvarijo udarni val in sproščajo energijo v obliki toplote in tlaka.
Ta proces povzroča mehanske motnje celičnih sten in sproščanje želenih spojin iz materiala v tekoče topilo. Sproščene spojine lahko nato ločimo od topila s standardnimi tehnikami ločevanja, kot sta filtracija ali centrifugiranje.
Ultrazvočno ohranjanje: Ultrazvočno ohranjanje temelji na enakih kavitacijskih učinkih kot ultrazvočna ekstrakcija. Za konzerviranje se uporablja močni ultrazvok za podaljšanje roka uporabnosti pokvarljivih živil z uporabo visokofrekvenčnih zvočnih valov za zaviranje rasti mikroorganizmov, ki povzročajo kvarjenje. Postopek vključuje izpostavljanje hrane ultrazvočnim valovom, ki motijo celične stene bakterij, kvasovk in plesni, kar vodi do njihovega uničenja ali zaviranja.
Ta proces povzroča mehanske motnje celičnih sten mikroorganizmov, kar vodi do njihovega uničenja ali zaviranja. Ultrazvočni valovi lahko povečajo tudi prepustnost celičnih membran, kar omogoča konzervansom in drugim protimikrobnim sredstvom, da učinkoviteje prodrejo in ubijejo mikroorganizme.
Ultrazvočno konzerviranje je prednostno pred tradicionalnimi metodami konzerviranja, saj ponuja več prednosti, kot so krajši čas obdelave, večja učinkovitost in sposobnost ohranjanja naravnih lastnosti in okusov hrane. Uporablja se v številnih živilskih izdelkih, kot so omake, sokovi, mlečni izdelki, jajca in meso, da podaljšajo rok uporabnosti in zagotovijo njihovo varnost.
Tehnika ultrazvočne ekstrakcije in konzerviranja je prednostna pred tradicionalnimi metodami ekstrakcije in konzerviranja, saj ponuja več prednosti, kot so hitrejše stopnje ekstrakcije, odlična kakovost izdelkov, večji donos, čisto mehanska netermična obdelava in sposobnost pridobivanja širšega spektra spojin. Uporablja se v številnih panogah, kot so hrana in pijača, farmacevtski izdelki in kozmetika.
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, ki jih vsebuje telo rastlin in semen s topilom, znatno izboljša. Zato ima ultrazvok potencialno korist pri ekstrakciji in izolaciji novih potencialno bioaktivnih sestavin, npr. iz neuporabljenih tokov stranskih proizvodov, ki nastanejo v trenutnih procesih. Ultrazvok lahko pomaga tudi okrepiti učinke encimske obdelave in s tem zmanjšati količino potrebnih encimov ali povečati donos ekstrahiranih ustreznih spojin.
Ultrazvočna ekstrakcija lipidov in beljakovin
Ultrasonication 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 preostalo olje ali maščobo v stiskalni pogači.
Vpliv kontinuirane ultrazvočne ekstrakcije na donos razpršenih beljakovin je pokazal Moulton et al. Ultrazvočno razbijanje je postopoma povečalo izkoristek dispergiranih beljakovin, ko se je razmerje kosmičev/topilo spremenilo iz 1:10 v 1:30. Pokazalo se je, da je ultrazvok sposoben peptizirati sojine beljakovine pri skoraj vsakem komercialnem pretoku in da je bila potrebna ultrazvočna energija najnižja, ko so bile uporabljene debelejše suspenzije.
Ultrazvočna izolacija fenolnih spojin in antocianinov
Encimi, kot so pektinaze, celulaze in hemicelulaze, se pogosto uporabljajo pri predelavi sokov, da bi razgradili celične stene in izboljšali ekstrakcijo soka. Motnja matrice celične stene v sok sprošča tudi sestavine, kot so fenolne spojine. Ultrazvok izboljša proces ekstrakcije in zato lahko povzroči povečanje fenolne spojine, alkaloidov in soka sok, ki običajno ostanejo v stiskalnici.
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. “Zdravljenje v ZDA poveča koncentracijo fenolnih spojin borovničevega soka za več kot 15%. […] Vpliv ZDA (ultrazvok) je bil pomembnejši pri črnem ribezu, ki je zaradi visoke vsebnosti pektina in različne arhitekture celične stene zahtevnejši pri predelavi sokov kot borovnice. […] koncentracija fenolnih spojin v soku se je povečala za 15-25% z uporabo US (ultrazvočne) obdelave po encimski inkubaciji.” (prim. Mokkila et al., 2004)
Mikrobna in encimska inaktivacija
Mikrobna in encimska inaktivacija (konzerviranje), npr. v sadnih sokovih in omakah, je še ena uporaba ultrazvoka pri predelavi hrane. Danes je ohranjanje z zvišanjem temperature za kratka časovna obdobja (pasterizacija) še vedno najpogostejša metoda obdelave mikrobne ali encimske inaktivacije, ki vodi do daljšega roka uporabnosti (konzerviranje). Zaradi izpostavljenosti visoki temperaturi je konvencionalna termična pasterizacija pogosto slabša za živilske izdelke.
Proizvodnja novih snovi iz toplotno kataliziranih reakcij in modifikacija makromolekul ter deformacija rastlinskih in živalskih struktur lahko zmanjša izgubo kakovosti. Zato lahko toplotna obdelava povzroči neželene spremembe senzoričnih lastnosti, tj. teksture, okusa, barve, vonja in hranilnih lastnosti, tj. vitaminov in beljakovin. Ultrazvok je učinkovita netoplotna (minimalna) alternativa obdelavi.
V nasprotju s konvencionalnimi toplotnimi obdelavami ultrazvočno ohranjanje uporablja energijo in strižne sile akustične kavitacije, da bi inaktiviralo encime. Pri dovolj nizkih ravneh ultrazvočne razbijanje se lahko v celicah pojavijo strukturne in presnovne spremembe brez njihovega uničenja. Aktivnost peroksidaze, ki jo najdemo v večini surovega in neblanširanega sadja in zelenjave in je lahko še posebej povezana z razvojem okusov in porjavljenih pigmentov, se lahko znatno zmanjša z uporabo ultrazvoka. Termorezistentni encimi, kot sta lipaza in proteaza, ki prenesejo ultra visoko temperaturno obdelavo in ki lahko zmanjšajo kakovost in 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.
Uporablja se za: konzerviranje marmelade, marmelade ali prelivov, sadnih sokov in omak, mesnih izdelkov, mlečnih izdelkov in sladoleda.
Sinergije ultrazvoka s temperaturo in tlakom
Ultrasonication je pogosto učinkovitejši v kombinaciji z drugimi protimikrobnimi metodami, kot so:
- termo-ultrazvočno razbijanje, tj. toplota in ultrazvok
- mano-sonication, tj. tlak in ultrazvok
- mano-termo-sonikacija, tj. tlak, toplota in ultrazvok
Kombinirana uporaba ultrazvoka s toploto in / ali tlakom je priporočljiva za Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae in Aeromonas hydrophila.
Ultrazvok v primerjavi z drugimi tehnikami konzerviranja hrane
Za razliko od drugih toplotnih in netermičnih procesov, kot so visokotlačna homogenizacija, toplotna pasterizacija, visok hidrostatični tlak (HP), stisnjen ogljikov dioksid (cCO2) in superkritični ogljikov dioksid (ScCO2), impulzi z visokim električnim poljem (HELP) ali mikrovalovna pečica, je ultrazvok mogoče enostavno testirati v laboratoriju ali na namizni ravni – ustvarjanje ponovljivih rezultatov za razširitev. Intenzivnost in značilnosti kavitacije je mogoče enostavno prilagoditi specifičnemu postopku ekstrakcije za doseganje specifičnih ciljev. Amplituda in tlak se lahko spreminjata v širokem razponu, npr. za določitev energetsko najučinkovitejše nastavitve ekstrakcije.
Druge prednosti, povezane z uporabo ultrazvočne ekstrakcije tipa sonde, so enostavno ravnanje z ekstraktom, hitra izvedba, brez ostankov, visok donos, okolju prijazen, izboljšana kakovost in preprečevanje razgradnje ekstrakta.
(prim. Chemat et al., 2011)
- Popolnejša ekstrakcija
- Netoplotna konzervacija
- Višji donos
- Visoka hranila, vrhunska kakovost hrane
- Hiter postopek
- Hladen / netoplotni postopek
- enostaven in varen za uporabo
- nizko vzdrževanje
Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati za ekstrakcijo in presesivacijo
Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira visoko zmogljive ultrazvočne aparate za učinkovito ekstrakcijo in konzerviranje. Uporaba Hielscher ultrazvočne opreme za ekstrakcijo in konzerviranje hrane je močna tehnologija predelave, ki jo je mogoče uporabljati ne le varno in okolju prijazno, temveč tudi učinkovito in ekonomično. Homogenizacijski in konzervacijski učinek se lahko enostavno uporablja za vse tekoče ali pastozne živilske izdelke, vključno s sadnimi sokovi in pireji (npr. Pomaranča, jabolko, grenivka, mango, grozdje, slive), kot tudi za zelenjavne omake in juhe (npr. Paradižnikova omaka ali juha iz špargljev), mlečne izdelke, jajca in meso.
Naš portfelj ultrazvočnih homogenizatorjev in ekstraktorjev sega od ročnih, prenosnih naprav do popolnoma industrijskih proizvodnih sistemov za inline obdelavo velikih količin v komercialnem obsegu.
Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji
Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.
Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
---|---|---|
0.5 do 1.5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Literatura / Reference
- 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.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Ultrazvočni razpad celic
Pod intenzivno ultrazvočno razbijanjem se lahko encimi ali beljakovine sproščajo iz celic ali subcelularnih organelov kot posledica razpada celic. V tem primeru je spojina, ki jo je treba raztopiti v topilu, zaprta v netopno strukturo. Da bi ga izvlekli, je treba celično membrano uničiti. Motnje celic so občutljiv proces, saj je celična stena sposobna, da prenese visok osmotski tlak v notranjosti. Potreben je dober nadzor nad motnjami celic, da se prepreči neovirano sproščanje vseh znotrajceličnih produktov, vključno s celičnimi ostanki in nukleinskimi kislinami, ali denaturacija izdelka.
Ultrasonication služi kot dobro nadzorovano sredstvo za razpad celic. Za to mehanski učinki ultrazvoka zagotavljajo hitrejšo in popolnejšo penetracijo topila v celične materiale in izboljšajo prenos mase. Ultrazvok doseže večjo penetracijo topila v rastlinsko tkivo in izboljša prenos mase. Ultrazvočni valovi, ki ustvarjajo kavitacijo, motijo celične stene in olajšajo sproščanje komponent matrike.
Ultrazvočno izboljšan prenos mase spodbuja ekstrakcijo
Na splošno lahko ultrazvok povzroči permeabilizacijo celičnih membran v ione in lahko znatno zmanjša selektivnost celičnih membran. Mehanska aktivnost ultrazvoka podpira difuzijo topil v tkivo. Ker ultrazvok mehansko razbije celično steno s kavitacijskimi strižnimi silami, olajša prenos iz celice v topilo. Zmanjšanje velikosti delcev z ultrazvočno kavitacijo poveča površino v stiku 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 bakterija izbire. Čistilne oznake, npr. polihistidinski rep, beta-galaktozidaza ali beljakovine, ki vežejo maltozo, se običajno povežejo z rekombinantnimi beljakovinami, da jih je mogoče ločiti od celičnih izvlečkov s čistostjo, ki zadostuje za večino analitičnih namenov. Ultrasonication omogoča maksimiranje sproščanja beljakovin, zlasti kadar je proizvodni donos nizek in ohranjanje strukture in aktivnosti rekombinantnega proteina.
Ultrazvočna oksidacija
Pri nadzorovani intenzivnosti lahko uporaba ultrazvoka za biotransformacijo in fermentacijo povzroči izboljšano bioprocesiranje zaradi induciranih bioloških učinkov in zaradi olajšanega prenosa celične mase. Vpliv nadzorovane uporabe ultrazvoka (20kHz) na oksidacijo holesterola v holestenon s celicami v mirovanju Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (prej Nocardia erythropolis) je raziskoval Bar (1987).
Ta sistem je značilen za mikrobne transformacije sterolov in steroidov, saj so substrat in produkti trdne snovi, ki niso topni v vodi. Zato je ta sistem precej edinstven, saj so lahko celice in trdne snovi podvržene učinku ultrazvoka. Pri dovolj nizki ultrazvočni intenzivnosti, ki je ohranila strukturno celovitost celic in ohranila njihovo presnovno aktivnost, je Bar opazil znatno povečanje kinetičnih stopenj biotransformacije v mikrobnih suspenzijah 1,0 in 2,5 g / l holesterola, ko je sonikiran 5 s vsakih 10 minut z izhodno močjo 0,2 W / cm². Ultrazvok ni pokazal učinka na encimsko oksidacijo holesterola (2,5 g/l) s holesterol oksidazo.