Ultraljudsextraktion och konservering

Vid ultraljudsextraktion och konservering används högeffektsultraljud för att sönderdela cellstrukturer (lys). Sönderdelning av celler med ultraljud ger mycket effektiv extraktion av intracellulära föreningar samt mikrobiell inaktivering. Tack vare många fördelar används ultraljudsbehandling i stor utsträckning för extraktion och konservering inom livsmedelsindustrin. Läs mer om fördelarna med ultraljudsextraktion och livsmedelsbearbetning!

Högeffektsultraljud för extraktion och konservering av livsmedel och växtmaterial

Ultraljudsextraktion: Ultraljudsextraktion är en process som använder högfrekventa ljudvågor för att extrahera föreningar från en mängd olika material, såsom växter, frukter och grönsaker. Processen innebär att ultraljudsvågor används för att skapa bubblor med högt tryck i ett flytande eller halvfast material. Bubblorna kollapsar snabbt och alstrar intensiv värme och högt tryck som bryter sönder materialets cellväggar och frigör de önskade föreningarna.

Funktionsprincipen för ultraljudsextraktion och konservering

Grundprincipen för ultraljudsextraktion bygger på det fenomen som kallas akustisk kavitation. När en vätska utsätts för ultraljudsvågor med hög intensitet och låg frekvens (cirka 20 kHz) uppstår tryckvågor som skapar små vakuumbubblor i vätskan. Dessa bubblor växer när ultraljudets intensitet ökar, och när de når en viss storlek kollapsar de plötsligt och våldsamt, vilket alstrar en stötvåg och frigör energi i form av värme och tryck.
Denna process orsakar mekanisk sönderdelning av cellväggarna, vilket frigör de önskade föreningarna från materialet till det flytande lösningsmedlet. De frigjorda föreningarna kan sedan separeras från lösningsmedlet med vanliga separationstekniker såsom filtrering eller centrifugering.

 
Konservering med ultraljud: Konservering med ultraljud bygger på samma kavitationseffekter som ultraljudsextraktion. Vid konservering används högeffektsultraljud för att förlänga hållbarheten hos lättfördärvliga livsmedel genom att högfrekventa ljudvågor hämmar tillväxten av mikroorganismer som orsakar förskämning. Processen innebär att livsmedlet utsätts för ultraljudsvågor som bryter sönder cellväggarna hos bakterier, jäst- och mögelsvampar, vilket leder till att de förstörs eller hämmas.
Denna process orsakar mekanisk sönderdelning av mikroorganismernas cellväggar, vilket leder till att mikroorganismerna förstörs eller hämmas. Ultraljudsvågor kan också öka cellmembranens genomsläpplighet, så att konserveringsmedel och andra antimikrobiella medel kan tränga in och döda mikroorganismerna mer effektivt.
Konservering med ultraljud föredras framför traditionella konserveringsmetoder eftersom den erbjuder flera fördelar, såsom kortare bearbetningstid, högre effektivitet och förmågan att bevara livsmedlets naturliga egenskaper och smaker. Den används för en mängd olika livsmedelsprodukter, såsom såser, juicer, mejeriprodukter, ägg och kött, för att förlänga deras hållbarhet och säkerställa att de är säkra.

Tekniken för extraktion och konservering med ultraljud föredras framför traditionella extraktions- och konserveringsmetoder eftersom den erbjuder flera fördelar, såsom snabbare extraktion, utmärkt produktkvalitet, högre utbyte, rent mekanisk icke-termisk behandling och förmågan att extrahera ett bredare spektrum av föreningar. Den används inom en mängd olika branscher, såsom livsmedels-, dryckes-, läkemedels- och kosmetikindustrin.

Extraktion av proteiner och enzymer med ultraljud

Särskilt extraktion av enzymer och proteiner som lagras i celler och subcellulära partiklar är en unik och effektiv tillämpning av högintensivt ultraljud, eftersom extraktionen med lösningsmedel av organiska föreningar som finns i växter och frön kan förbättras avsevärt. Ultraljud har därför potentiella fördelar vid extraktion och isolering av nya, potentiellt bioaktiva komponenter, t.ex. från outnyttjade biproduktströmmar som uppstår i befintliga processer. Ultraljud kan också bidra till att förstärka effekterna av enzymbehandling och därigenom minska den mängd enzym som behövs eller öka utbytet av relevanta extraherbara föreningar.

Ultraljudsextraktion av lipider och proteiner

Ultraljudsbehandling används ofta för att förbättra extraktionen av lipider och proteiner från växtfrön, såsom sojabönor (t.ex. mjöl eller avfettade sojabönor) eller andra oljeväxtfrön. I detta fall underlättar nedbrytningen av cellväggarna pressningen (kall eller varm) och minskar därmed mängden kvarvarande olja eller fett i presskakan.

Inverkan av kontinuerlig ultraljudsextraktion på utbytet av dispergerat protein påvisades av Moulton et al. Ultraljudsbehandlingen ökade utvinningen av dispergerat protein successivt när förhållandet mellan flingor och lösningsmedel ändrades från 1:10 till 1:30. Det visade att ultraljud kan peptisera sojaprotein vid nästan vilken kommersiell genomströmningskapacitet som helst och att den ultraljudsenergi som krävdes var lägst när tjockare suspensioner användes.

Isolering av fenolföreningar och antocyaniner med ultraljud

Enzymer såsom pektinaser, cellulaser och hemicellulaser används i stor utsträckning vid juicebearbetning för att bryta ned cellväggar och förbättra möjligheten att utvinna juice. Nedbrytningen av cellväggsmatrisen frigör också komponenter såsom fenolföreningar till juicen. Ultraljud förbättrar extraktionsprocessen och kan därför leda till ett ökat utbyte av fenolföreningar, alkaloider och juice som vanligtvis blir kvar i presskakan.

De gynnsamma effekterna av ultraljudsbehandling på frigörandet av fenolföreningar och antocyaniner från druv- och bärmatriser till juice, särskilt från blåbär (Vaccinium myrtillus) och svarta vinbär (>Ribes nigrum), undersöktes av VTT Biotechnology, Finland, med en ultraljudsprocessor UIP2000hd efter upptining, mosning och enzyminkubation. Nedbrytningen av cellväggarna genom enzymatisk behandling (Pectinex BE-3L för blåbär och Biopectinase CCM för svarta vinbär) förbättrades när behandlingen kombinerades med ultraljud. ”US-behandling ökar koncentrationen av fenolföreningar i blåbärsjuice med mer än 15%. […] Inverkan av US (ultraljud) var mer betydande för svarta vinbär, som är mer utmanande bär vid juicebearbetning än blåbär på grund av sitt höga pektininnehåll och sin annorlunda cellväggsarkitektur. […] koncentrationen av fenolföreningar i juicen ökade med 15–25% genom användning av US-behandling (ultraljud) efter enzyminkubation.” (jfr Mokkila et al., 2004)
 

Inaktivering av mikroorganismer och enzymer

Inaktivering av mikroorganismer och enzymer (konservering), t.ex. i fruktjuicer och såser, är en annan tillämpning av ultraljud inom livsmedelsbearbetning. I dag är konservering genom temperaturhöjning under korta tidsperioder (pastörisering) fortfarande den vanligaste bearbetningsmetoden för inaktivering av mikroorganismer eller enzymer som ger längre hållbarhet (konservering). På grund av exponeringen för hög temperatur medför konventionell termisk pastörisering ofta nackdelar för livsmedel.
Bildning av nya ämnen genom värmekatalyserade reaktioner och förändring av makromolekyler samt deformation av växt- och djurstrukturer kan leda till kvalitetsförlust. Därför kan värmebehandling orsaka oönskade förändringar av sensoriska egenskaper, dvs. konsistens, smak, färg och lukt, samt näringsmässiga egenskaper, dvs. vitaminer och proteiner. Ultraljud är ett effektivt icke-termiskt alternativ för (minimal) bearbetning.

Till skillnad från konventionella värmebehandlingar använder ultraljudskonservering energin och skjuvkrafterna från akustisk kavitation för att inaktivera enzymer. Vid tillräckligt låga nivåer av ultraljudsbehandling kan strukturella och metaboliska förändringar uppstå i celler utan att de förstörs. Aktiviteten hos peroxidas, som finns i de flesta råa och oblan­cherade frukter och grönsaker och särskilt kan förknippas med utveckling av bismaker och brunfärgande pigment, kan minskas avsevärt med hjälp av ultraljud. Värmeresistenta enzymer, såsom lipas och proteas, som tål ultrahögtemperaturbehandling och kan försämra kvaliteten och förkorta hållbarheten hos värmebehandlad mjölk och andra mejeriprodukter, kan inaktiveras mer effektivt genom samtidig användning av ultraljud, värme och tryck (MTS).

Ultraljud har visat sin potential att förstöra livsmedelsburna patogener, såsom E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium-cystor och poliovirus.

Kan användas för: konservering av sylt, marmelad eller toppingar, fruktjuicer och såser, köttprodukter, mejeriprodukter och glass.
 

Synergier mellan ultraljud, temperatur och tryck

Ultraljudsbehandling är ofta mer effektiv när den kombineras med andra antimikrobiella metoder, såsom:

• termosonikering, dvs. värme och ultraljud
• manosonikering, dvs. tryck och ultraljud
• manotermosonikering, dvs. tryck, värme och ultraljud

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

Ultraljud jämfört med andra tekniker för livsmedelskonservering

Till skillnad från andra termiska och icke-termiska processer, såsom högtryckshomogenisering, värmepastörisering, högtrycksbehandling (HPP), komprimerad koldioxid (cCO2) och superkritisk koldioxid (ScCO2), pulser med högt elektriskt fält (HELP) eller mikrovågsbehandling, kan ultraljud enkelt testas i laboratorie- eller bänkskala – vilket ger reproducerbara resultat för uppskalning. Intensiteten och kavitationsegenskaperna kan enkelt anpassas till den specifika extraktionsprocessen för att uppnå specifika mål. Amplitud och tryck kan varieras inom ett brett intervall, t.ex. för att identifiera den mest energieffektiva extraktionskonfigurationen.

Andra fördelar med ultraljudsextraktion med sond är enkel hantering av extraktet, snabbt genomförande, inga restprodukter, högt utbyte, miljövänlighet, förbättrad kvalitet och förebyggande av nedbrytning av extraktet.
(jfr Chemat et al., 2011)

Högpresterande ultraljudsapparater för extraktion och konservering

Hielscher Ultrasonics utvecklar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudsapparater för effektiv extraktion och konservering. Användningen av Hielschers ultraljudsutrustning för extraktion och livsmedelskonservering är en kraftfull processteknik som kan tillämpas såväl säkert och miljövänligt som effektivt och ekonomiskt. Den homogeniserande och konserverande effekten kan enkelt utnyttjas för alla flytande eller pastaliknande livsmedel, inklusive fruktjuicer och fruktpuréer (t.ex. apelsin, äpple, grapefrukt, mango, druva, plommon) samt grönsakssåser och soppor (t.ex. tomatsås eller sparrissoppa), mejeriprodukter, ägg och kött.
Vårt sortiment av ultraljudshomogenisatorer och ultraljudsextraktorer sträcker sig från handhållna, bärbara apparater till helt industriella produktionssystem för inlinebearbetning av stora volymer i kommersiell skala.

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning gör att våra ultraljudsapparater smidigt kan integreras i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar utan problem tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Självklart är Hielschers ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven enligt UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: