Hielscher ultraljud teknik

Ultrasonic Extraktion och Preservation

Upplösningen av cellstrukturer (lys) med hjälp av ultraljud används för extraktion av intracellulära föreningar eller för mikrobiell inaktivering.

Bakgrund

I mikrobiologi, är ultraljud i första hand förknippas med cellsönderdelning (lys) eller Upplösning (Allinger 1975). När sonicating vätskor vid höga intensiteter, de ljudvågor som propagerar in i de flytande medierna resultera i alternerande högt tryck (kompression) och lågtrycks (förtunning) cykler, med priser beroende på frekvensen.
Under lågtryckscykel, högintensiva ultraljudsvågor skapa små vakuum bubblor eller håligheter i vätskan. När bubblorna uppnå en volym vid vilken de inte längre kan absorbera energi, de kollapsar våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation. Under implosion mycket höga temperaturer (ca. 5000 K) och tryck (ca. 2,000atm) nås lokalt. Implosion av kavitation bubblan resulterar också i vätskestrålar på upp till 280m / s hastighet De resulterande tvärkrafter bryta cellhöljes mekaniskt och förbättrar materialöverföringen. Ultraljud kan ha antingen destruktiva eller konstruktiva effekter till celler beroende på sonikering parametrar som används.

cell sönderfall

Enligt intensiva sonication enzymer eller proteiner kan frigöras från celler eller subcellulära organeller som ett resultat av cell sönderfall. I detta fall, till föreningen upplösas i ett lösningsmedel är innesluten i en olöslig struktur. För att extrahera den måste cellmembranet kan förstöras. Cellsönderdelning är en känslig process, eftersom cellväggen förmåga att motstå högt osmotiskt tryck inuti. God kontroll av cellen störningar krävs för att undvika en obehindrat släppa alla intracellulära produkter inklusive cell skräp och nukleinsyror eller produktdenaturering.
Ultrasonication tjänar som en väl styrbara organ för cellsönderdelning. För detta, de mekaniska effekterna av ultraljud ger snabbare och mer fullständig penetration av lösningsmedel in cellulära material och förbättra massöverföring. Ultraljud uppnår större penetrering av ett lösningsmedel i en växtvävnad och förbättrar massöverföring. Ultraljudsvågor genererar kavitation störa cellväggarna och underlätta frigöringen av matriskomponenter.

Mass överföring

I allmänhet kan ultraljud leda till en permeabilisering av cellmembran för joner (Mummery 1978), Och det kan minska selektiviteten hos cellmembranen betydligt. Den mekaniska aktiviteten hos ultraljudet stöder diffusion av lösningsmedlen in i vävnaden. Som ultraljud bryter cellväggen mekaniskt av de kavitation skjuvkrafter, det underlättar överföringen från cellen in i lösningsmedlet. Partikelstorleksreduktion genom ultraljuds kavitation ökar ytarean i kontakt mellan den fasta och den flytande fasen.

Protein och enzym Extraktion

I synnerhet utvinning av enzymer och proteiner som lagras i celler och subcellulära partiklar är en unik och effektiv tillämpning av högintensiva ultraljud (Kim 1989), Såsom extraktion av organiska föreningar som finns i kroppen av växter och frön från ett lösningsmedel kan förbättras väsentligt. Därför ultraljud har en potentiell fördel i utvinning och isolering av nya potentiellt bioaktiva komponenter, t.ex. från icke-utnyttjade biproduktströmmar bildade i nuvarande processer. Ultraljud kan också bidra till att intensifiera effekterna av enzymbehandling, och genom detta minska den mängd enzym som behövs eller öka utbytet av extraherbara relevanta föreningar.

Lipider och proteiner

Ultrasonication används ofta för att förbättra extraktionen av lipider och proteiner från växtfrön, såsom sojabönor (t.ex. mjöl eller avfettade sojabönor) eller andra oljefrön. I detta fall, förstörelse av cellväggarna underlättar pressning (kall eller varm) och därigenom reducerar den kvarvarande oljan eller fettet i presskakan.

Inverkan av kontinuerlig ultraljuds extraktion till utbytet av dispergerade proteinet demonstrerades genom Moulton m.fl.. Den sonikering ökade återvinningen av dispergerad protein progressivt när flingan / lösningsmedelsförhållandet ändras från 1:10 till 1:30. Den visade att ultraljud är kapabel att peptisera sojaprotein vid nästan alla kommersiella kapacitet och att sonication energi som krävs var den lägsta, när tjockare slam användes. (Moulton et al. 1982)

Omfattar: Citrus olja från frukter, oljeutvinning från marken senap, jordnöt, raps, örtolja (echinacea), raps, soja, majs

Befrielsen av fenolföreningar och antocyaniner

Enzymer, såsom pektinaser, cellulaser och hemicellulaser används i stor utsträckning saft bearbetning för att bryta ned cellväggar och förbättra saften extraherbarhet. Söndringen av cellväggen matrisen frigör också komponenter, såsom fenoliska föreningar i juicen. Ultraljud förbättrar extraktionsprocessen och därför kan leda till en ökning av den fenoliska föreningen, alkaloider och juiceutbyte, vanligen kvar i presskakan.

De fördelaktiga effekterna av ultraljudsbehandling på befrielsen av fenolföreningar och antocyaniner från druvor och bär matris, särskilt från blåbär (Auktor) Och svarta vinbär (Ribes) Till juice, undersöktes genom VTT Biotechnology, Finland (MAXFUN EU-projekt) med användning av en ultraljud processor UIP2000hd efter upptining, mosa och enzym inkubering. Söndringen av cellväggarna genom enzymatisk behandling (Pectinex BE-3L för blåbär och Biopectinase CCM för svarta vinbär) förbättrades när det kombineras med ultraljud. “US behandling öka koncentrationen av fenoliska föreningar med blåbär saft med mer än 15%. […] Inverkan av US (ultraljud) var mer signifikanta med svarta vinbär, som är mer utmanande bär i saft bearbetning än blåbär på grund av deras höga halt av pektin och olika cellväggen arkitektur. […] Koncentrationen av fenolföreningar i saften ökade med 15-25% genom att använda US (ultraljud) behandling efter enzym inkubation.” (Mokkila et al. 2004)

Mikrobiella och enzyminaktive

Mikrobiell och enzym inaktive ring (bevarande), e.g. i fruktjuicer och såser är en annan tillämpning av ultraljud i livsmedels förädling. Idag, bevarande av förhöjning av temperaturen för korta tids perioder (pastörisering) är fortfarande den vanligaste behandlings metoden för mikrobiell eller enzym inaktive ring som leder till längre hållbarhet (bevarande). På grund av exponering för hög temperatur, denna termiska metoden har ofta nack delar för många livsmedels produkter.
Produktion av nya ämnen från värmekatalyserade reaktioner och modifiering av makromolekyler såväl som deformationen av växt- och djur strukturer kan minska i en förlust av kvalitet. Därför kan termisk behandling orsaka oönskade förändringar av sensoriska attribut, dvs. textur, smak, färg, lukt, och näringsmässiga egenskaper, dvs vitaminer och proteiner. Ultraljud är en effektiv icke-termisk (minimal) bearbetning alternativ.

Värme som alstras lokalt av kavitation och de skapade radikaler kan leda till en inaktivering av enzymer genom sonikering (El'piner 1964). Vid tillräckligt låga nivåer av ultraljudsbehandling strukturella och metabola förändringar kan ske i celler utan deras undergång. Aktiviteten av peroxidas, som finns i de flesta råvaror och unblanched frukter och grönsaker och kan särskilt förknippade med utvecklingen av bismaker och brunfärgningspigment kan minskas väsentligt genom användning av ultraljud. Termo enzymer, såsom lipas och proteas som tål behandling extremt hög temperatur och som kan försämra kvaliteten och hållbarheten hos värmebehandlad mjölk och andra mejeriprodukter kan inaktiveras mer effektivt genom samtidig applicering av ultraljud, värme och tryck (MTS).

Ultraljud har visat sin potential i förstörelsen av livsmedelsburna patogener, som E coli, Uppstått, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium cystorOch Poliovirus.

Tillämpbart på: bevarande av sylt, marmelad eller pålägg, t.ex. för glass, fruktjuicer och såser, köttprodukter, mejeri

Synergier av ultraljud med temperatur och tryck

Ultrasonication är ofta mer effektivt när de kombineras med andra antimikrobiella metoder, såsom:

  • termo-sonikering, dvs värme och ultraljud
  • mano-sonikering, dvs tryck och ultraljud
  • mano-termo-sonikering, dvs tryck, värme och ultraljud

Den kombinerade tillämpningen av ultraljud med värme och / eller tryck rekommenderas för Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae, och Aeromonas hydrophila.

Processutveckling

Till skillnad från andra icke-termiska processer, såsom högt hydrostatiskt tryck (HP), komprimerad koldioxid (cCO2) och superkritisk koldioxid (SC CO2) och höga elektriska fältpulser (HELP), kan ultraljud lätt testas i laboratoriet eller bordsskop skala – alstra reproducerbara resultat uppskalning. Intensiteten och kavitation egenskaper kan lätt anpassas till den specifika extraktionsprocessen för att inrikta sig på specifika mål. Amplitud och tryck kan varieras inom ett brett område, t.ex. att identifiera den mest energieffektiva extraktion setup. Tuffa vävnader bör genomgå maceration, slipning eller pulvrisering före ultrasonication.

E coli

För att producera små mängder av rekombinanta proteiner för studier och karakterisering av deras biologiska egenskaper, E coli är bakterien val. Reningsmärkningar, t.ex. polyhistidinsvans, beta-galaktosidas, eller maltosbindande
proteiner, är vanligen förenade med rekombinanta proteiner för att göra dem att separera från cellextrakt med en renhet som är tillräcklig för de flesta analytiska ändamål. Ultrasonication gör det möjligt att maximera proteinfrisättningen, särskilt när produktionsutbytet är lågt och för att bevara strukturen och aktiviteten för det rekombinanta proteinet.

Störningar i E coli celler i syfte att extrahera den totala Kymosin proteinet studerades genom Kim och Zayas.

saffran Extraktion

Saffran är känd som dyraste krydda på världsmarknaden och kännetecknas av sin delikata smak, bitter smak och attraktiv gul färg. Saffran krydda erhålls från den röda stigmat av blomman av saffran Krokus. Efter torkning, dessa delar används som smaksättning i köket eller som färg ämne. Den intensiva karakteristiska smaken av saffran resultat särskilt från tre föreningar: crocins, picrocrocin och safranal.

Kadkhodaee och Hemmati-Kakhki har visat i en studie att ultraljudbehandling ökade extraktionsutbytet signifikant och minskade processtiden avsevärt. I själva verket resultat genom ultraljud extraktion var iögonfallande bättre än med traditionella kallt vattenextraktion, som föreslås av ISO. För sin forskning har Kadkhodaee och Hemmati-Kakhki används Hielscher s ultraljudsanordning UP50H. Bästa resultat har uppnåtts med pulsad ultraljudsbehandling. Detta innebär att korta pulsintervallen var mer effektiva än en kontinuerlig ultraljudsbehandling.

oxidation

Vid styrda intensiteter, kan tillämpningen av ultraljud för att biotransformation och jäsning väl resultera i en förbättrad biobehandling, på grund av inducerade biologiska effekter och på grund av underlättad cellulär massa-överföring. Påverkan av kontrollerad tillämpning av ultraljud (20 kHz) på oxidationen av kolesterol till cholestenone genom att vila celler av Auktor ATCC 25544 (tidigare Auktor) Undersöktes genom Bar.

Kolesterol + O2 = Kolest-4-en-3-on + H2den2

Detta system är typiskt för mikrobiella transformationer av steroler och steroider i att substratet och produkterna är vattenolösliga fasta ämnen. Därför är ganska unikt av att båda cellerna detta system och de fasta ämnena kan vara föremål för effekten av ultraljud (Bar 1987). Vid en tillräckligt låg ultraljudsintensitet som bevarade den strukturella integriteten hos cellerna och bibehöll sin metaboliska aktivitet, observer Bar ökar väsentligt de kinetiska hastigheter av biotransformationen i mikrobiella uppslamningar av 1,0 och 2,5 g / L kolesterol när sonikerades under 5s varje 10min med en uteffekt på 0,2 W / cm ^. Ultraljud visade ingen effekt på den enzymatiska oxidationen av kolesterol (2,5 g / L) av kolesteroloxidas.

fördel~~POS=TRUNC Technology

Användningen av ultraljud kavitation för utvinning och konservering av livsmedel är en ny kraftfull teknik som inte bara kan användas på ett säkert och miljövänligt utan också effektivt och ekonomiskt. Den homogeniserande och konserverande verkan lätt kan användas för fruktjuicer och puréer (exempelvis apelsin, äpple, grapefrukt, mango, druvor, plommon) såväl som för vegetabiliska såser och soppor, såsom tomatsås eller sparrissoppa.

Begär mer information!

Använd formuläret nedan om du vill begära ytterligare information om användning av ultraljud för utvinning och konservering.









Observera att våra Integritetspolicy.


Litteratur

Allinger H. (1975): Amerikanska laboratoriet, 7 (10), 75 (1975).

Bomma för, R. (1987): Ultraljud Förbättrade bioprocesserI: Biotechnology and Engineering, Vol. 32, Pp. 655-663 (1987).

El'piner, S.I. (1964): Ultraljud: fysikaliska, kemiska och biologiska effekter (Consultants Bureau, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: Ultrasonic Extraction av aktiva föreningar från saffran i: Internet Publikation.

Kim, S. M. och Zayas, J.F. (1989): Bearbetning parameter av chymosin extraktion med ultraljud; i J. Food Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Kombinera power ultraljud med enzymer i saft bearbetning, Hos: 2:a Int. Conf. Biokatalys av mat och dryck, 19-22.9.2004, Stuttgart, Tyskland.

Moulton, K.J., Wang, L.C. (1982): En pilotväxt Studie av kontinuerlig Ultraljuds Utvinning av sojaprotein i: Journal of Food Science, volym 47, 1982.

Mummery, CL (1978): Effekten av ultraljud på fibroblaster in vitro, i: Ph.D. Thesis, University of London, London, England, 1978.