Ultrasonik Ekstraksiyon ve Muhafaza

Ultrasonik ekstraksiyon ve muhafazada, hücre yapılarının parçalanması (lizis) için güç ultrasonu kullanılır. Hücrelerin ultrasonla parçalanması, hücre içi bileşiklerin son derece verimli ekstraksiyonunun yanı sıra mikrobiyal inaktivasyon sağlar. Çok sayıda avantajı nedeniyle sonikasyon, gıda endüstrisinde ekstraksiyon ve muhafaza için yaygın olarak kullanılır. Ultrasonik ekstraksiyonun ve gıda işlemenin faydaları hakkında daha fazla bilgi edinin!

Gıdaların ve Bitkisel Materyallerin Ekstraksiyonu ve Muhafazası için Güç Ultrasonu

Ultrasonik Ekstraksiyon: Ultrasonik ekstraksiyon, bitkiler, meyveler ve sebzeler gibi çeşitli materyallerden bileşikleri ekstrakte etmek için yüksek frekanslı ses dalgalarını kullanan bir işlemdir. İşlemde, sıvı veya yarı katı bir materyalde yüksek basınçlı kabarcıklar oluşturmak için ultrasonik dalgalar kullanılır. Bu kabarcıklar hızla çökerek materyalin hücre duvarlarını parçalayan ve istenen bileşikleri serbest bırakan yoğun ısı ve basınç üretir.

Ultrasonik Ekstraksiyon ve Muhafazanın Çalışma Prensibi

Ultrasonik ekstraksiyonun temel prensibi, akustik kavitasyon olarak bilinen olguya dayanır. Bir sıvı, yüksek yoğunluklu ve düşük frekanslı (yaklaşık 20 kHz) ultrasonik dalgalara maruz bırakıldığında, sıvı içinde küçük vakum kabarcıkları oluşturan basınç dalgaları meydana gelir. Ultrasonun yoğunluğu arttıkça bu kabarcıklar büyür ve belirli bir boyuta ulaştıklarında aniden ve şiddetle çökerek bir şok dalgası oluşturur ve ısı ve basınç biçiminde enerji açığa çıkarır.
Bu işlem, hücre duvarlarının mekanik olarak parçalanmasına neden olarak istenen bileşikleri materyalden sıvı çözücüye serbest bırakır. Serbest kalan bileşikler daha sonra filtrasyon veya santrifüjleme gibi standart ayırma teknikleri kullanılarak çözücüden ayrılabilir.

 
Ultrasonik Muhafaza: Ultrasonik muhafaza, ultrasonik ekstraksiyonla aynı kavitasyon etkilerine dayanır. Muhafaza amacıyla, bozulmaya neden olan mikroorganizmaların büyümesini engellemek için yüksek frekanslı ses dalgaları kullanılarak çabuk bozulan gıdaların raf ömrünü uzatmak üzere güç ultrasonu uygulanır. İşlem, gıdanın bakteri, maya ve küflerin hücre duvarlarını parçalayan ultrasonik dalgalara maruz bırakılmasını içerir; bu da bunların yok edilmesine veya inhibisyonuna yol açar.
Bu işlem, mikroorganizmaların hücre duvarlarının mekanik olarak parçalanmasına neden olarak bunların yok edilmesine veya inhibisyonuna yol açar. Ultrasonik dalgalar ayrıca hücre zarlarının geçirgenliğini artırabilir ve koruyucuların ve diğer antimikrobiyal ajanların mikroorganizmalara daha etkili biçimde nüfuz ederek onları öldürmesine olanak tanıyabilir.
Ultrasonik muhafaza; daha kısa işlem süresi, daha yüksek verimlilik ve gıdanın doğal özelliklerini ve lezzetlerini koruma olanağı gibi çeşitli avantajlar sunduğu için geleneksel muhafaza yöntemlerine tercih edilir. Raf ömürlerini uzatmak ve güvenliklerini sağlamak için soslar, meyve suları, süt ürünleri, yumurtalar ve et gibi çok çeşitli gıda ürünlerinde kullanılır.

Ultrasonik ekstraksiyon ve muhafaza tekniği; daha hızlı ekstraksiyon, mükemmel ürün kalitesi, daha yüksek verim, tamamen mekanik ve termal olmayan işlem ve daha geniş bir bileşik yelpazesini ekstrakte etme olanağı gibi çeşitli avantajlar sunduğu için geleneksel ekstraksiyon ve muhafaza yöntemlerine tercih edilir. Gıda ve içecek, ilaç ve kozmetik gibi çok çeşitli endüstrilerde kullanılır.

Ultrasonik Protein ve Enzim Ekstraksiyonu

Özellikle hücrelerde ve hücre altı parçacıklarda depolanan enzimlerin ve proteinlerin ekstraksiyonu, yüksek yoğunluklu ultrasonun benzersiz ve etkili bir uygulamasıdır; çünkü bitkilerin ve tohumların bünyesinde bulunan organik bileşiklerin bir çözücüyle ekstraksiyonu önemli ölçüde iyileştirilebilir. Bu nedenle ultrason, örneğin mevcut işlemlerde oluşan ve kullanılmayan yan ürün akışlarından yeni, potansiyel olarak biyoaktif bileşenlerin ekstraksiyonu ve izolasyonunda potansiyel fayda sağlar. Ultrason ayrıca enzim işleminin etkilerini artırmaya yardımcı olabilir ve böylece gereken enzim miktarını azaltabilir veya ekstrakte edilebilen ilgili bileşiklerin verimini artırabilir.

Lipitlerin ve Proteinlerin Ultrasonik Ekstraksiyonu

Sonikasyon, soya fasulyesi (örneğin un veya yağı alınmış soya fasulyesi) veya diğer yağlı tohumlar gibi bitki tohumlarından lipitlerin ve proteinlerin ekstraksiyonunu iyileştirmek için sıklıkla kullanılır. Bu durumda hücre duvarlarının tahrip edilmesi, preslemeyi (soğuk veya sıcak) kolaylaştırır ve böylece pres küspesinde kalan sıvı veya katı yağ miktarını azaltır.

Sürekli ultrasonik ekstraksiyonun disperse proteinin verimi üzerindeki etkisi Moulton ve arkadaşları tarafından gösterilmiştir. Pul/çözücü oranı 1:10’dan 1:30’a değiştikçe sonikasyon, disperse proteinin geri kazanımını giderek artırmıştır. Bu çalışma, ultrasonun hemen hemen her ticari işleme kapasitesinde soya proteinini peptize edebildiğini ve daha koyu bulamaçlar kullanıldığında gereken sonikasyon enerjisinin en düşük olduğunu göstermiştir.

Fenolik Bileşiklerin ve Antosiyaninlerin Ultrasonik İzolasyonu

Pektinazlar, selülazlar ve hemiselülazlar gibi enzimler, hücre duvarlarını parçalamak ve meyve suyunun ekstrakte edilebilirliğini iyileştirmek için meyve suyu işlemede yaygın olarak kullanılır. Hücre duvarı matrisinin parçalanması, fenolik bileşikler gibi bileşenleri de meyve suyuna serbest bırakır. Ultrason, ekstraksiyon işlemini iyileştirir ve bu nedenle genellikle pres küspesinde kalan fenolik bileşiklerin ve alkaloitlerin geri kazanımının ve meyve suyu veriminin artmasını sağlayabilir.

Ultrasonik işlemin üzüm ve üzümsü meyve matrisinden, özellikle yaban mersininden (Vaccinium myrtillus) ve siyah frenk üzümünden (>Ribes nigrum), fenolik bileşiklerin ve antosiyaninlerin meyve suyuna serbest bırakılması üzerindeki faydalı etkileri, Finlandiya’daki VTT Biotechnology tarafından çözündürme, ezme ve enzim inkübasyonundan sonra UIP2000hd ultrasonik işlemcisi kullanılarak araştırılmıştır. Enzimatik işlemin (yaban mersini için Pectinex BE-3L ve siyah frenk üzümü için Biopectinase CCM) hücre duvarlarını parçalama etkisi, ultrasonla birleştirildiğinde iyileşmiştir. “US işlemi, yaban mersini suyundaki fenolik bileşiklerin konsantrasyonunu %15’ten fazla artırır. […] US’nin (ultrason) etkisi, yüksek pektin içeriği ve farklı hücre duvarı mimarisi nedeniyle meyve suyu işlemede yaban mersinine göre daha zorlu meyveler olan siyah frenk üzümlerinde daha belirgindi. […] enzim inkübasyonundan sonra US (ultrason) işlemi kullanıldığında meyve suyundaki fenolik bileşiklerin konsantrasyonu %15–25 arttı.” (bkz. Mokkila ve ark., 2004)
 

Mikrobiyal İnaktivasyon ve Enzim İnaktivasyonu

Örneğin meyve sularında ve soslarda mikrobiyal inaktivasyon ve enzim inaktivasyonu (muhafaza), ultrasonun gıda işlemedeki bir diğer uygulamasıdır. Günümüzde sıcaklığın kısa sürelerle yükseltilmesiyle muhafaza (pastörizasyon), daha uzun raf ömrü (muhafaza) sağlayan mikrobiyal inaktivasyon veya enzim inaktivasyonu için hâlâ en yaygın işleme yöntemidir. Yüksek sıcaklığa maruz kalınması nedeniyle geleneksel termal pastörizasyon, gıda ürünleri için çoğu zaman dezavantajlar getirir.
Isının katalizlediği reaksiyonlarla yeni maddelerin oluşması, makromoleküllerin değişime uğraması ve bitkisel ve hayvansal yapıların deformasyonu kalite kaybına yol açabilir. Bu nedenle termal işlem; doku, lezzet, renk ve koku gibi duyusal özelliklerde ve vitaminler ve proteinler gibi besinsel niteliklerde istenmeyen değişimlere neden olabilir. Ultrason, verimli ve termal olmayan bir (minimal) işleme alternatifidir.

Geleneksel ısıl işlemlerin aksine ultrasonik muhafaza, enzimleri inaktive etmek için akustik kavitasyonun enerjisini ve kesme kuvvetlerini kullanır. Yeterince düşük sonikasyon düzeylerinde hücreler tahrip olmadan yapısal ve metabolik değişimler meydana gelebilir. Çoğu çiğ ve haşlanmamış meyve ve sebzede bulunan ve özellikle istenmeyen tatların ve esmerleşme pigmentlerinin gelişimiyle ilişkilendirilebilen peroksidazın aktivitesi, ultrason kullanımıyla önemli ölçüde azaltılabilir. Ultra yüksek sıcaklık işlemine dayanabilen ve ısıl işlem görmüş sütün ve diğer süt ürünlerinin kalitesini ve raf ömrünü azaltabilen lipaz ve proteaz gibi ısıya dirençli enzimler, ultrason, ısı ve basıncın eş zamanlı uygulanmasıyla (MTS) daha etkili biçimde inaktive edilebilir.

Ultrason, E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium kistleri ve Poliovirus gibi gıda kaynaklı patojenlerin yok edilmesindeki potansiyelini göstermiştir.

Uygulama alanları: reçel, marmelat veya üst kaplama ürünlerinin, meyve suları ve sosların, et ürünlerinin, süt ürünlerinin ve dondurmanın muhafazası.
 

Ultrasonun Sıcaklık ve Basınçla Sinerjileri

Sonikasyon, aşağıdaki gibi diğer antimikrobiyal yöntemlerle birleştirildiğinde çoğu zaman daha etkilidir:

• termo-sonikasyon, yani ısı ve ultrason
• mano-sonikasyon, yani basınç ve ultrason
• mano-termo-sonikasyon, yani basınç, ısı ve ultrason

Ultrasonun ısı ve/veya basınçla birlikte uygulanması; Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae ve Aeromonas hydrophila için önerilir.

Ultrason ve Diğer Gıda Muhafaza Tekniklerinin Karşılaştırılması

Yüksek basınçlı homojenizasyon, ısıl pastörizasyon, yüksek basınçlı işleme (HPP), sıkıştırılmış karbondioksit (cCO2) ve süperkritik karbondioksit (ScCO2), yüksek elektrik alan darbeleri (HELP) veya mikrodalga gibi diğer termal ve termal olmayan işlemlerin aksine ultrason, laboratuvar veya tezgâh üstü ölçekte kolayca test edilebilir – ölçek büyütme için tekrarlanabilir sonuçlar üretir. Yoğunluk ve kavitasyon özellikleri, belirli hedeflere ulaşmak için ilgili ekstraksiyon işlemine kolayca uyarlanabilir. Genlik ve basınç, örneğin enerji verimliliği en yüksek ekstraksiyon düzenini belirlemek için geniş bir aralıkta değiştirilebilir.

Ultrasonik prob tipi ekstraksiyonun kullanımıyla ilişkili diğer avantajlar; ekstraktın kolay işlenmesi, hızlı uygulama, kalıntı bırakmama, yüksek verim, çevre dostu olma, iyileştirilmiş kalite ve ekstraktın bozunmasının önlenmesidir.
(bkz. Chemat ve ark., 2011)

Ekstraksiyon ve Muhafaza için Yüksek Performanslı Sonikatörler

Hielscher Ultrasonics, verimli ekstraksiyon ve muhafaza için yüksek performanslı sonikatörler tasarlar, üretir ve dağıtır. Ekstraksiyon ve gıda muhafazası için Hielscher ultrasonik ekipmanlarının kullanılması, güvenli ve çevre dostu biçimde uygulanmasının yanı sıra verimli ve ekonomik biçimde de uygulanabilen güçlü bir işleme teknolojisidir. Homojenizasyon ve muhafaza etkisi; meyve suları ve püreleri (örneğin portakal, elma, greyfurt, mango, üzüm, erik), sebze sosları ve çorbaları (örneğin domates sosu veya kuşkonmaz çorbası), süt ürünleri, yumurtalar ve et dâhil her türlü sıvı veya macun kıvamındaki gıda ürününde kolayca kullanılabilir.
Ultrasonik homojenizatör ve ekstraktör portföyümüz, elde kullanılan taşınabilir cihazlardan büyük hacimlerin ticari ölçekte hat içinde işlenmesine yönelik tamamen endüstriyel üretim sistemlerine kadar uzanır.

Tasarım, Üretim ve Danışmanlık – Almanya’da Üretilen Kalite

Hielscher sonikatörleri, en yüksek kalite ve tasarım standartlarıyla tanınır. Sağlamlık ve kolay kullanım, sonikatörlerimizin endüstriyel tesislere sorunsuz entegrasyonunu sağlar. Hielscher sonikatörleri, zorlu koşulların ve yüksek gereksinimli ortamların kolayca üstesinden gelir.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknolojiye ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı sonikatörlere özel önem verir. Elbette Hielscher sonikatörleri CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gerekliliklerini karşılar.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi verir: