Učinki sonikacije na stročnice in semena

Ultrazvočna obdelava je postala dragocena tehnologija za spreminjanje, kondicioniranje in analiziranje rastlinskih materialov, kot so leča in stročnice. Z akustično kavitacijo in nadzorovanimi mehanskimi silami sonikacija izboljša hidratacijo, pospeši ekstrakcijo, spremeni mikrostrukture in izboljša prenos snovi. Ti učinki so zelo zanimivi za raziskave semen, živilsko znanost, kmetijstvo, biorafiniranje in analitične raziskave.

Ultrazvočna obdelava semen in suhih stročnic v katerem koli merilu

Velika prednost ultrazvoka visoke moči je možnost natančnega nadzora amplitude, intenzivnosti in vnosa energije, zlasti pri uporabi sonikatorjev s sondo podjetja Hielscher Ultrasonics. Ti sistemi – na voljo za laboratorijsko, pilotno in industrijsko merilo – omogočajo ponovljivo, prilagodljivo obdelavo, ki sega od nežne predkalitvene priprave ali nakaljevanja semen s pospešeno hidratacijo in aktivacijo encimov do učinkovite ekstrakcije hranil.

V tej predstavitvi z ultrazvočno napravo s sondo Hielscher UP400ST odkrijte, kako visokozmogljivi ultrazvok izboljša obdelavo leče in stročnic. V videoposnetku je leča izpostavljena nadzorovani ultrazvočni kavitaciji, močnemu fizikalnemu mehanizmu, ki izboljša hidratacijo, pospeši difuzijske procese in poveča sproščanje dragocenih spojin. Ultrazvočna obdelava spodbuja učinke, kot so hitra hidratacija semen, sonoporacija celičnih sten in izboljšan prenos snovi, zato je učinkovita metoda za predobdelavo semen pred kalitvijo, predelavo živil in ekstrakcijo. Ko se kavitacijski mehurčki sesedejo blizu površine semena, ustvarijo mikrocurke in strižne sile, ki odprejo mikrokanale v semenski ovojnici – tako voda in raztopljene snovi učinkoviteje prodirajo vanjo. Ultrazvočna obdelava se široko uporablja v živilski znanosti, kmetijstvu, biotehnologiji in proizvodnji rastlinskih sestavin.

Akustična kavitacija in njeni učinki na materiale iz stročnic

Sonikacija temelji na akustični kavitaciji – hitrem nastajanju in sesedanju mikromehurčkov v tekočinah. Nastali mikrocureki, strižne sile in nihanja tlaka delujejo na tkiva leče in stročnic na zelo specifične načine.

Vpliv na semena določajo trije glavni mehanizmi:

Pospeševanje hidratacije
Kavitacija poruši mejno plast med vodo in površino semena ter tako izboljša prehajanje vode v semensko ovojnico in klične liste.

Učinki vključujejo:
- Hitrejše namakanje/hidratacijo
- Enakomernejše nabrekanje
- Izboljšano difuzijo vode skozi testo
Sonoporacija in mikrostrukturne spremembe
Mehanske napetosti zaradi sesedanja kavitacijskih mehurčkov ustvarjajo nanopore in mikropore v semenski ovojnici in notranjih tkivih – ta pojav je znan kot sonoporacija.

Posledice:
- Povečana prepustnost
- Hitrejše izluževanje ali privzem raztopljenih snovi
- Izboljšana dostopnost za encime
- Izboljšan kalitveni potencial
Izboljšanje ekstrakcije
Ultrazvok olajša sproščanje:
- Beljakovin
- Polifenolov
- Olj in lipidov
- Prehranskih vlaknin
- Bioaktivnih spojin

To je posledica porušitve celičnih sten, izboljšanega prodiranja topila in večjega prenosa snovi.

Sonikacija izboljša kalitev semen: ultrazvočna kavitacija ustvarja mikrorazpoke v semenski ovojnici ter izboljša imbibicijo, hidratacijo in privzem hranil, kar vodi do prekinitve dormantnosti, večje kalivosti, večje hitrosti rasti in boljšega razvoja kalic

Shematski povzetek učinkov ultrazvoka na semena in mehanizmov delovanja.
Študija in shema: ©Nogueira et al., 2023

Vpliv amplitude in intenzivnosti ultrazvoka na semena

Amplituda ultrazvoka neposredno določa mehansko energijo, preneseno na semena. Prilagajanje amplitude omogoča uporabnikom, da postopek natančno prilagodijo občutljivosti in namenu uporabe. Vsi sonikatorji Hielscher omogočajo natančno nastavljanje amplitude, zato so vsestranska orodja za predkalitveno pripravo in nakaljevanje semen ter ekstrakcijo hranil.

Nizke amplitude – idealne za predkalitveno pripravo semen in imbibicijo

Blaga kavitacija
Povečana hidratacija s sonoporacijo, vendar brez poškodb tkiva
Nadzorovana imbibicija semen za predkalitveno pripravo
Aktivacija presnovnih poti
Izboljšana kalivost in vitalnost semen

Imbibicijo semen – začetno fazo privzema vode pred kalitvijo – je mogoče z ultrazvokom natančno pospešiti in optimizirati:

Kavitacija poruši površinsko napetost
Voda učinkoviteje vstopa skozi mikropilo
Pregrade, povezane z dormantnostjo, se zmehčajo
Predkalitveno pripravljena semena hitreje kalijo in razvijejo močnejše kalice

Srednje amplitude – strukturne spremembe in zmerna ekstrakcija

Povečana prepustnost celic
Delno rahljanje celičnih sten
Hitrejša hidratacija pri predelavi živil
Izboljšani izkoristki ekstrakcije brez popolne razgradnje tkiva

Idealno za:

Izboljšanje topnosti beljakovin
Spreminjanje lastnosti škroba
Pripravo materialov za fermentacijo

Visoke amplitude – razgradnja celic in ekstrakcija

Intenzivna kavitacija in strig
Popolna razgradnja strukture
Optimalno za izolacijo beljakovin ali ekstrakcijo fitokemikalij
Uporablja se, kadar ni predvideno, da bi semena ohranila sposobnost preživetja

To je značilno območje za industrijsko ekstrakcijo:

Olj / lipidov
Beljakovin in peptidov
Polifenolov
Funkcionalnih vlaknin

Sonikatorji Hielscher za predkalitveno pripravo, nakaljevanje in hidratacijo semen ter ekstrakcijo

Sonikatorji Hielscher ponujajo vsestransko in znanstveno trdno metodo za spreminjanje leče in stročnic. Od pospeševanja imbibicije in predkalitvene priprave semen do izboljšanja ekstrakcije in omogočanja proizvodnje sestavin v industrijskem merilu ultrazvok visoke moči zagotavlja edinstvene prednosti na raziskovalnih in komercialnih področjih.

S sonikatorji s sondo podjetja Hielscher Ultrasonics, ki omogočajo natančen nadzor – na voljo v laboratorijskem in polnem industrijskem merilu – lahko uporabniki natančno prilagodijo pogoje obdelave za blago izboljšanje fizioloških procesov ali intenzivno mehansko razgradnjo, zaradi česar je ultrazvok temeljna tehnologija za raziskave rastlin naslednje generacije, predelavo živilskih sestavin in trajnostno biorafiniranje.

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	UIP16000hdT
n.a.	večji	sklop naprav UIP16000hdT

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočne naprave Hielscher so dobro znane po svojih najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto 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 s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Sorodne teme

Literatura / viri

Kiliçli, Mahmut; Toker, Omersaid (2022): Some physicochemical and technological properties of cooking water of pulses as a canned industry waste: effect of ultrasound treatment during soaking. International Journal of Food Engineering 2022.
Ranjbari, A.; Kashaninejad, Mahdi; Aalami, Mehran; Khomeiri, Morteza; Gharekhani, Mehdi (2013): Effect of ultrasonic pre-treatment on water absorption characteristics of chickpeas (Cicer arietinum). Latin American applied research 43, 2013. 153-159.
Godlewska, K.; Biesiada, A.; Michalak, I.; Pacyga, P. (2020): The Effect of Botanical Extracts Obtained through Ultrasound-Assisted Extraction on White Head Cabbage (Brassica Oleracea L. Var. Capitata L.) Seedlings Grown under Controlled Conditions. Sustainability 2020, 12, 1871.
Yaldagard M.; Reza Mortazavi S.A.; Tabatabaie F. (2008): Application of Ultrasonic Waves as a Priming Technique for Accelerating and Enhancing the Germination of Barley Seed: Optimization of Method by the Taguchi Approach. Journal of The Institute for Brewing Vol. 114, Issue1, 2008. 14-21.
Ranjbari, A. & Kashaninejad, Mahdi; Aalami, Mehran; Khomeiri, Morteza; Gharekhani, Mehdi (2013): Effect of ultrasonic pre-treatment on water absorption characteristics of chickpeas (Cicer arietinum). Latin American applied research 43, 2013. 153-159.

Pogosta vprašanja

Ali so stročnice in suhe stročnice semena?

Tako stročnice kot suhe stročnice so semena, vendar izraza opisujeta različni kategoriji. Stročnice so botanična kategorija in se nanašajo na vse rastline iz družine Fabaceae, ki tvorijo stroke s semeni, vključno s sojo, arašidi, svežim grahom, zelenim stročjim fižolom, deteljo in številnimi krmnimi rastlinami. Suhe stročnice so kmetijska in prehranska kategorija ter se nanašajo posebej na suha užitna semena dela vrst stročnic, ki se pridelujejo izključno za semena, kot so leča, suhi fižol, čičerika in suhi grah.

Kakšna je razlika med stročnicami in suhimi stročnicami?

Stročnice se nanašajo na rastline iz družine Fabaceae, ki tvorijo stroke, medtem ko suhe stročnice označujejo suha užitna semena nekaterih gojenih stročnic, kot so leča, čičerika in suhi fižol.

Kaj je nakaljevanje?

Nakaljevanje je proces kalitve, pri katerem seme absorbira vodo, aktivira presnovne poti ter začne razvijati korenino in poganjek.

Kaj je nakaljevanje s pomočjo ultrazvoka?

Nakaljevanje s pomočjo ultrazvoka je uporaba nadzorovane ultrazvočne kavitacije za pospeševanje hidratacije semen, povečanje prepustnosti membran in spodbujanje biokemične aktivnosti, kar omogoča hitrejšo in enakomernejšo kalitev.