Ультразвукова екстракція та консервація
Ультразвукова екстракція та консервація використовує енергетичний ультразвук для розпаду клітинних структур (лізис). Руйнування клітин за допомогою ультразвуку призводить до високоефективної екстракції внутрішньоклітинних сполук, а також до інактивації мікроорганізмів. Завдяки численним перевагам, ультразвук широко використовується для екстракції і консервації в харчовій промисловості. Дізнайтеся більше про переваги ультразвукової екстракції та обробки харчових продуктів!
Потужний ультразвук для вилучення та консервування харчових продуктів і рослинних компонентів
Ультразвукова екстракція: Ультразвукова екстракція — це процес, який використовує високочастотні звукові хвилі для вилучення сполук із різноманітних матеріалів, таких як рослини, фрукти та овочі. Процес передбачає використання ультразвукових хвиль для створення бульбашок високого тиску в рідкому або напівтвердому матеріалі, які швидко руйнуються, генеруючи інтенсивне тепло та тиск, що порушує клітинні стінки матеріалу та вивільняє потрібні сполуки.
Принцип роботи ультразвукової екстракції та консервації
Основний принцип ультразвукової екстракції заснований на явищі, відомому як акустична кавітація. Коли рідина піддається впливу ультразвукових хвиль високої інтенсивності та низької частоти (приблизно 20 кГц), вона генерує хвилі тиску, які створюють крихітні вакуумні бульбашки в рідині. Ці бульбашки збільшуються в розмірах у міру збільшення інтенсивності ультразвуку, а коли вони досягають певного розміру, то раптово і сильно руйнуються, генеруючи ударну хвилю і вивільняючи енергію у вигляді тепла і тиску.
Цей процес викликає механічне порушення клітинних стінок, вивільняючи потрібні сполуки з матеріалу в рідкий розчинник. Потім вивільнені сполуки можна відокремити від розчинника за допомогою стандартних методів розділення, таких як фільтрація або центрифугування.
Ультразвуковий апарат UP400St для ефективної нетермічної екстракції рослинного матеріалу.
Ультразвукова консервація: Ультразвукова консервація заснована на тих же кавітаційних ефектах, що і ультразвукова екстракція. Для консервації застосовується потужний ультразвук, що дозволяє продовжити термін зберігання швидкопсувних продуктів за рахунок використання високочастотних звукових хвиль для пригнічення росту мікроорганізмів, що викликають псування. Процес передбачає вплив на їжу ультразвукових хвиль, які руйнують клітинні стінки бактерій, дріжджів і цвілі, що призводить до їх руйнування або пригнічення.
Цей процес викликає механічне порушення клітинних стінок мікроорганізмів, що призводить до їх руйнування або пригнічення. Ультразвукові хвилі також можуть збільшити проникність клітинних мембран, дозволяючи консервантам та іншим антимікробним агентам проникати всередину та вбивати мікроорганізми більш ефективно.
Ультразвуковому консервуванню віддають перевагу перед традиційними методами консервації, оскільки він пропонує кілька переваг, таких як коротший час обробки, вища ефективність і здатність зберігати природні властивості та смак їжі. Він використовується в широкому спектрі харчових продуктів, таких як соуси, соки, молочні продукти, яйця та м'ясо, щоб продовжити термін їх зберігання та забезпечити безпеку.
Ультразвукова техніка екстракції та консервації є кращою перед традиційними методами екстракції та консервації, оскільки вона пропонує кілька переваг, таких як швидші швидкості екстракції, відмінна якість продукції, вищий вихід, чисто механічна нетермічна обробка та можливість екстрагування ширшого спектру сполук. Він використовується в широкому спектрі галузей, таких як харчова промисловість і напої, фармацевтика та косметика.
[/two_thirds]
Потужна ультразвукова кавітація при Hielscher UIP1000hdT Cascatrode
Ультразвукова екстракція білків і ферментів
Зокрема, екстракція ферментів і білків, що зберігаються в клітинах, і субклітинних частинок є унікальним і ефективним застосуванням ультразвуку високої інтенсивності, оскільки екстракція органічних сполук, що містяться в організмі рослин і насіння, за допомогою розчинника може бути значно покращена. Таким чином, ультразвук має потенційну користь для вилучення та виділення нових потенційно біологічно активних компонентів, наприклад, з невикористаних потоків побічних продуктів, що утворюються в поточних процесах. Ультразвук також може допомогти посилити ефекти лікування ферментами, і тим самим зменшити кількість необхідного ферменту або збільшити вихід екстрагованих відповідних сполук.
Ультразвукова екстракція ліпідів і білків
Ультразвук часто використовується для покращення екстракції ліпідів і білків з насіння рослин, таких як соєві боби (наприклад, борошно або знежирені соєві боби) або інші олійні культури. В цьому випадку руйнування клітинних стінок полегшує пресування (холодне або гаряче) і тим самим зменшує залишки масла або жиру в пресувальному макусі.
Вплив безперервної ультразвукової екстракції на вихід дисперсного білка був продемонстрований Moulton et al. Ультразвукове дослідження поступово збільшувало відновлення дисперсного білка, оскільки співвідношення пластівців/розчинників змінювалося з 1:10 до 1:30. Він показав, що ультразвук здатний пептизувати соєвий білок практично при будь-якій комерційній пропускній здатності, а необхідна енергія ультразвуку була найнижчою, коли використовувалися більш густі суспензії.
Ультразвукове виділення фенольних сполук і антоціанів
Ферменти, такі як пектинази, целюлази та геміцелюлази, широко використовуються в переробці соків з метою руйнування клітинних стінок та покращення екстракції соку. Порушення матриксу клітинної стінки також вивільняє в сік компоненти, такі як фенольні сполуки. Ультразвук покращує процес екстракції і тому може призвести до збільшення фенольної сполуки, алкалоїдів і виходу соку, який зазвичай залишається в макуху преса.
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. “Лікування УЗД підвищує концентрацію фенольних сполук у чорничному соку більш ніж на 15%. […] Вплив УЗД (ультразвуку) був більш значним у чорної смородини, яка є більш складною ягодою при переробці соку, ніж чорниця, через високий вміст пектину та іншу архітектуру клітинної стінки. […] концентрація фенольних сполук у соку підвищувалася на 15-25% за допомогою лікування УЗД (ультразвуком) після ферментної інкубації.” (пор. Моккіла та ін., 2004)
Ультразвуковий апарат UIP6000HDT в промисловій установці безперервного віджиму.
Інактивація мікробів і ферментів
Інактивація (консервація) мікробів та ферментів, наприклад, у фруктових соках та соусах, є ще одним застосуванням ультразвуку в процесі обробки харчових продуктів. Сьогодні консервування шляхом підвищення температури протягом коротких періодів часу (пастеризація) все ще є найпоширенішим методом обробки для інактивації мікроорганізмів або ферментів, що призводить до більш тривалого терміну зберігання (консервація). Через вплив високої температури звичайна термопастеризація часто буває невигідною для харчових продуктів.
Отримання нових речовин в результаті каталізованих теплом реакцій і модифікації макромолекул, а також деформація рослинних і тваринних структур можуть знижуватися при втраті якості. Тому термічна обробка може спричинити небажані зміни сенсорних ознак, тобто текстури, смаку, кольору, запаху та поживних якостей, тобто вітамінів та білків. Ультразвук є ефективною альтернативою нетермічній (мінімальній) обробці.
На відміну від звичайної термічної обробки, ультразвукова консервація використовує енергію та сили зсуву акустичної кавітації з метою інактивації ферментів. При досить низьких рівнях ультразвуку в клітинах можуть відбуватися структурні та метаболічні зміни без їх руйнування. Активність пероксидази, яка міститься в більшості сирих і небланшованих фруктів і овочів і може бути особливо пов'язана з розвитком сторонніх присмаків і коричневих пігментів, може бути значно знижена за допомогою ультразвуку. Терморезистентні ферменти, такі як ліпаза та протеаза, які витримують обробку при надвисоких температурах і які можуть зменшити якість та термін зберігання термічно обробленого молока та інших молочних продуктів, можуть бути інактивовані більш ефективно шляхом одночасного застосування ультразвуку, тепла та тиску (МТС).
Ультразвук продемонстрував свій потенціал у знищенні харчових патогенів, таких як кишкова паличка, сальмонели, аскариди, лямблії, цисти Cryptosporidium та поліовірус.
Застосовується для: консервації варення, мармеладу або топінгів, фруктових соків і соусів, м'ясних продуктів, молочних продуктів і морозива.
Синергія ультразвуку з температурою та тиском
Ультразвук часто більш ефективний у поєднанні з іншими антимікробними методами, такими як:
- термозвук, тобто тепло та ультразвук
- манозвук, тобто тиск і ультразвук
- мано-термозвук, тобто тиск, тепло і ультразвук
Комбіноване застосування ультразвуку з теплом та/або тиском рекомендується для Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae та Aeromonas hydrophila.
Ультразвук проти інших методів консервування харчових продуктів
На відміну від інших термічних і нетермічних процесів, таких як гомогенізація під високим тиском, термічна пастеризація, високий гідростатичний тиск (HP), стиснений вуглекислий газ (cCO2) і надкритичний діоксид вуглецю (ScCO2), імпульси високого електричного поля (HELP) або мікрохвильова піч, ультразвук можна легко перевірити в лабораторних або настільних вагах – генерування відтворюваних результатів для масштабування. Інтенсивність і кавітаційні характеристики можуть бути легко адаптовані до конкретного процесу видобутку для досягнення конкретних цілей. Амплітуда і тиск можуть бути змінені в широкому діапазоні, наприклад, для визначення найбільш енергоефективної установки для витяжки.
Іншими перевагами, пов'язаними з використанням ультразвукової екстракції зондового типу, є простота обробки екстракту, швидке виконання, відсутність залишків, високий вихід, екологічність, підвищена якість і запобігання розкладанню екстракту.
(пор. Чемат та ін., 2011)
- Більш повна екстракція
- Нетермічна консервація
- вищі врожаї,
- Високий вміст поживних речовин, преміальна якість їжі
- швидкий процес
- Холодний / нетермічний процес
- Простота і безпека в експлуатації
- низькі експлуатаційні витрати
Високоефективні ультразвукові апарати для екстракції та пресеравації
Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та розповсюджує високоефективні ультразвукові апарати для ефективної екстракції та збереження. Використання ультразвукового обладнання Hielscher для екстракції та консервування харчових продуктів є потужною технологією обробки, яку можна застосовувати не тільки безпечно та екологічно чисто, але й ефективно та економічно. Гомогенізуючий і консервуючий ефект можна легко використовувати для будь-якого рідкого або пастоподібного харчового продукту, включаючи фруктові соки та пюре (наприклад, апельсин, яблуко, грейпфрут, манго, виноград, слива), а також для овочевих соусів і супів (наприклад, томатний соус або суп зі спаржі), молочних продуктів, яєць і м'яса.
Наше портфоліо ультразвукових гомогенізаторів та екстракторів включає від ручних портативних пристроїв до повністю промислових виробничих систем для потокової обробки великих обсягів у промислових масштабах.
Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині
Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.
Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 0від .5 до 1.5 мл | Н.А. | VialTweeter | Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Від 15 до 150 л | Від 3 до 15 л/хв | UIP6000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Література / Список літератури
- 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.
Факти, які варто знати
Ультразвуковий розпад клітин
При інтенсивному ультразвуковому дослідженні з клітин або субклітинних органел можуть вивільнятися ферменти або білки в результаті розпаду клітин. При цьому з'єднання, що підлягає розчиненню в розчиннику, укладено в нерозчинну структуру. Для того щоб його витягти, клітинну мембрану необхідно зруйнувати. Руйнування клітин є чутливим процесом, оскільки клітинна стінка здатна витримувати високий осмотичний тиск всередині. Необхідний хороший контроль за руйнуванням клітини, щоб уникнути безперешкодного вивільнення всіх внутрішньоклітинних продуктів, включаючи клітинні залишки та нуклеїнові кислоти, або денатурації продукту.
Ультразвук служить добре контрольованим засобом для розпаду клітин. Для цього механічний вплив ультразвуку забезпечує більш швидке і повне проникнення розчинника в клітинні матеріали і покращує масообмін. Ультразвук дозволяє досягти більшого проникнення розчинника в тканини рослини і поліпшити масообмін. Ультразвукові хвилі, що генерують кавітацію, руйнують клітинні стінки і полегшують вивільнення компонентів матриксу.
Ультразвуково покращений масообмін сприяє екстракції
В цілому, ультразвук може призвести до проникнення клітинних мембран до іонів, і це може значно знизити вибірковість клітинних мембран. Механічна активність ультразвуку підтримує дифузію розчинників у тканину. Оскільки ультразвук механічно розриває клітинну стінку під дією кавітаційних сил зсуву, він полегшує перенесення з клітини в розчинник. Зменшення розміру частинок за допомогою ультразвукової кавітації збільшує площу поверхні контакту твердої та рідкої фази.
Ультразвуковий лізис та інактивація E.coli
Для виробництва невеликих кількостей рекомбінантних білків для вивчення та характеристики їх біологічних властивостей E.coli є бактерією вибору. Очисні мітки, наприклад, полігістидиновий хвіст, бета-галактозидаза або мальтозозв'язуючі білки, зазвичай приєднують до рекомбінантних білків, щоб зробити їх відокремленими від клітинних екстрактів з чистотою, достатньою для більшості аналітичних цілей. Ультразвукове випромінювання дозволяє максимізувати вивільнення білка, особливо при низькому виробничому виході, і зберегти структуру і активність рекомбінантного білка.
Ультразвукове оксидування
При контрольованих інтенсивностях застосування ультразвуку для біотрансформації та ферментації може призвести до посиленої біопереробки за рахунок індукованих біологічних ефектів та за рахунок полегшення клітинного масообміну. Вплив контрольованого застосування ультразвуку (20 кГц) на окислення холестерину до холестенону клітинами Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (раніше Nocardia erythropolis) досліджував Bar (1987).
Ця система характерна для мікробних перетворень стеринів і стероїдів в тому, що субстратом і продуктами є нерозчинні у воді тверді речовини. Тому ця система досить унікальна тим, що як клітини, так і тверді речовини можуть бути схильні до впливу ультразвуку. При досить низькій інтенсивності ультразвуку, яка зберігала структурну цілісність клітин і підтримувала їх метаболічну активність, Бар спостерігав значне посилення кінетичних швидкостей біотрансформації в мікробних суспензіях 1,0 і 2,5 г/л холестерину при ультразвуковому дослідженні протягом 5 с кожні 10 хв з вихідною потужністю 0,2 Вт/см². Ультразвук не показав впливу на ферментативне окислення холестерину (2,5 г/л) холестериноксидазою.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.