Ультразвукова екстракція та консервація

Ультразвукова екстракція та консервація використовує потужний ультразвук для руйнування клітинних структур (лізису). Руйнування клітин за допомогою ультразвуку забезпечує високоефективну екстракцію внутрішньоклітинних сполук, а також інактивацію мікроорганізмів. Завдяки численним перевагам ультразвукова обробка широко використовується для екстракції та консервації в харчовій промисловості. Дізнайтеся більше про переваги ультразвукової екстракції та харчової обробки!

Потужний ультразвук для екстракції та консервації харчових продуктів і рослинної сировини

Ультразвукова екстракція: Ультразвукова екстракція – це процес, який використовує високочастотні звукові хвилі для екстракції 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 колапсують, генеруючи інтенсивне тепло та тиск, що руйнує клітинні стінки матеріалу та вивільняє бажані сполуки.

Принцип роботи ультразвукової екстракції та консервації

Базовий принцип ультразвукової екстракції заснований на явищі, відомому як акустична кавітація. Коли рідина піддається впливу ультразвукових хвиль високої інтенсивності та низької частоти (приблизно 20 kHz), генеруються хвилі тиску, які створюють у рідині крихітні вакуумні бульбашки. Ці бульбашки збільшуються в розмірі зі зростанням інтенсивності ультразвуку, і коли вони досягають певного розміру, вони раптово та бурхливо колапсують, генеруючи ударну хвилю та вивільняючи енергію у формі тепла та тиску.
Цей процес спричиняє механічне руйнування клітинних стінок, вивільняючи бажані сполуки з матеріалу в рідкий розчинник. Вивільнені сполуки потім можна відокремити від розчинника за допомогою стандартних методів розділення, таких як фільтрація або центрифугування.

 
Ультразвукова консервація: Ультразвукова консервація базується на тих самих кавітаційних ефектах, що й ультразвукова екстракція. Для консервації потужний ультразвук застосовується для подовження терміну придатності швидкопсувних продуктів шляхом використання високочастотних звукових хвиль для пригнічення росту мікроорганізмів, що спричиняють псування. Процес передбачає піддавання продуктів харчування впливу ультразвукових хвиль, які руйнують клітинні стінки бактерій, дріжджів та цвілі, що призводить до їх знищення або пригнічення.
Цей процес спричиняє механічне руйнування клітинних стінок мікроорганізмів, що призводить до їх знищення або пригнічення. Ультразвукові хвилі також можуть підвищувати проникність клітинних мембран, дозволяючи консервантам та іншим антимікробним агентам проникати та ефективніше знищувати мікроорганізми.
Ультразвукова консервація є переважною порівняно з традиційними методами консервації, оскільки вона пропонує кілька переваг, таких як коротший час обробки, вища ефективність та здатність зберігати природні властивості та смаки продуктів харчування. Вона використовується у широкому спектрі харчових продуктів, таких як соуси, соки, молочні продукти, яйця та м’ясо, для подовження терміну їх придатності та забезпечення їхньої безпеки.

Техніка ультразвукової екстракції та консервації є переважною порівняно з традиційними методами екстракції та консервації, оскільки вона пропонує кілька переваг, таких як швидші швидкості екстракції, відмінна якість продукту, вищий вихід, суто механічна нетермічна обробка та здатність екстрагувати ширший спектр сполук. Вона використовується у широкому спектрі галузей, таких як харчова та напоєва промисловість, фармацевтика та косметика.

Ультразвукова екстракція білків та ферментів

Зокрема, екстракція ферментів і білків, що зберігаються в клітинах і субклітинних частинках, є унікальним і ефективним застосуванням високоефективного ультразвуку, оскільки екстракція органічних сполук, що містяться в тілі рослин і насіння, за допомогою розчинника може бути суттєво покращена. Тому ультразвук має потенційну перевагу в екстракції та ізоляції нових потенційно біоактивних компонентів, наприклад, з невикористовуваних потоків побічних продуктів, що утворюються в поточних процесах. Ультразвук також може допомогти інтенсифікувати ефекти ферментативної обробки, і цим зменшити кількість необхідного ферменту або збільшити вихід екстрагованих релевантних сполук.

Ультразвукова екстракція ліпідів і білків

Ультразвукову обробку часто використовують для покращення екстракції ліпідів і білків із насіння рослин, таких як соя (наприклад, борошно або знежирена соя) або інші олійні культури. У цьому випадку руйнування клітинних стінок сприяє пресуванню (холодному або гарячому) і, таким чином, зменшує залишкову олію або жир у пресовому шроті.

Вплив безперервної ультразвукової екстракції на вихід диспергованого білка було продемонстровано Moulton et al. Ультразвукова обробка прогресивно збільшувала відновлення диспергованого білка, коли співвідношення пластинці/розчинник змінювалося від 1:10 до 1:30. Було показано, що ультразвук здатний пептизувати соєвий білок майже при будь-якій промисловій продуктивності, і що енергія ультразвукової обробки, яка була необхідна, була найнижчою, коли використовувалися більш густі суспензії.

Ультразвукова ізоляція фенольних сполук і антоціанів

Ферменти, такі як пектинази, целюлази та гемицелюлази, широко використовуються в переробці соків для руйнування клітинних стінок і покращення екстрагованості соку. Порушення матриксу клітинної стінки також вивільняє компоненти, такі як фенольні сполуки, у сік. Ультразвук покращує процес екстракції і тому може призвести до збільшення вмісту фенольних сполук, алкалоїдів та виходу соку, які зазвичай залишаються в пресовому шроті.

Корисні ефекти ультразвукової обробки на вивільнення фенольних сполук і антоціанів із матриксу винограду та ягід, зокрема з чорниці (Vaccinium myrtillus) та чорної смородини (>Ribes nigrum) у сік, були досліджені VTT Biotechnology, Фінляндія, за допомогою ультразвукового процесора UIP2000hd після розморожування, подрібнення та інкубації ферментів. Порушення клітинних стінок за допомогою ферментативної обробки (Pectinex BE-3L для чорниці та Biopectinase CCM для чорної смородини) було покращено при поєднанні з ультразвуком. “US treatment increase the concentration of phenolic compounds of bilberry juice by more than 15%. […] Вплив US (ультразвуку) був більш вираженим для чорної смородини, ягоди якої складніше переробляти на сік, ніж ягоди чорниці, через високий вміст пектину та іншу будову клітинних стінок. […] концентрація фенольних сполук у соку зросла на 15–25% завдяки обробці US (ультразвуком) після інкубації з ферментами». (пор. Mokkila et al., 2004)

Інактивація мікробів і ферментів

Інактивація мікроорганізмів і ферментів (консервація), наприклад, у фруктових соках і соусах, є ще одним застосуванням ультразвуку в харчовій промисловості. Сьогодні консервація шляхом підвищення температури протягом коротких періодів часу (пастеризація) все ще є найпоширенішим методом обробки для інактивації мікроорганізмів або ферментів, що призводить до довшого терміну придатності (консервації). Через вплив високої температури традиційна термічна пастеризація часто має недоліки для харчових продуктів.
Утворення нових речовин внаслідок реакцій, каталізованих теплом, та модифікація макромолекул, а також деформація рослинних і тваринних структур можуть призвести до втрати якості. Тому термічна обробка може спричинити небажані зміни сенсорних характеристик, тобто текстури, смаку, кольору, запаху, та поживних якостей, тобто вітамінів і білків. Ультразвук є ефективним нетермічним (мінімальним) альтернативним методом обробки.

На відміну від традиційної термічної обробки, ультразвукова консервація використовує енергію та зсувні сили акустичної кавітації для інактивації ферментів. При достатньо низьких рівнях ультразвукової обробки в клітинах можуть відбуватися структурні та метаболічні зміни без їхнього руйнування. Активність пероксидази, яка міститься в більшості сирих і необроблених термічно фруктів і овочів і яка особливо пов’язана з розвитком сторонніх смаків і потемніння пігментів, може бути суттєво знижена за допомогою ультразвуку. Термостійкі ферменти, такі як ліпаза та протеаза, які витримують обробку при надвисоких температурах і які можуть знижувати якість і термін придатності термічно обробленого молока та інших молочних продуктів, можуть бути більш ефективно інактивовані при одночасному застосуванні ультразвуку, тепла та тиску (MTS).

Ультразвук продемонстрував свій потенціал у знищенні харчових патогенів, таких як E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giardia, цисти Cryptosporidium та Poliovirus.

Застосовується для: консервації джему, мармеладу або топпінгів, фруктових соків і соусів, м’ясних продуктів, молочних продуктів і морозива.

Синергія ультразвуку з температурою та тиском

Ультразвукова обробка часто є більш ефективною в поєднанні з іншими антимікробними методами, такими як:

• термо-сонація, тобто тепло і ультразвук
• мано-сонація, тобто тиск і ультразвук
• мано-термо-сонація, тобто тиск, тепло і ультразвук

Комбіноване застосування ультразвуку з теплом і/або тиском рекомендоване для Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae та Aeromonas hydrophila.

Ультразвук проти інших технік консервації харчових продуктів

На відміну від інших термічних і нетермічних процесів, таких як гомогенізація під високим тиском, термічна пастеризація, обробка високим тиском (HPP), стиснений діоксид вуглецю (cCO2) і надкритичний діоксид вуглецю (ScCO2), імпульси високого електричного поля (HELP) або мікрохвилі, ультразвук можна легко тестувати в лабораторних або настільних масштабах – генеруючи відтворювані результати для масштабування. Інтенсивність і характеристики кавітації можна легко адаптувати до конкретного процесу екстракції для досягнення конкретних цілей. Амплітуда і тиск можуть змінюватися в широкому діапазоні, наприклад, для визначення найбільш енергоефективної конфігурації екстракції.

Інші переваги, пов’язані з використанням ультразвукової екстракції зондового типу, включають легке поводження з екстрактом, швидке виконання, відсутність залишків, високий вихід, екологічність, підвищену якість і запобігання деградації екстракту.
(див. Chemat et al., 2011)

Високоефективні ультразвукові пристрої для екстракції та консервації

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та постачає високоефективні ультразвукові гомогенізатори для ефективного екстрагування та консервації. Використання ультразвукового обладнання Hielscher для екстрагування та консервації харчових продуктів є потужною технологією обробки, яку можна застосовувати не лише безпечно та екологічно, а й ефективно та економічно. Гомогенізуючий та консервуючий ефект можна легко використовувати для будь-якого рідкого або пастоподібного харчового продукту, включаючи фруктові соки та пюре (наприклад, апельсиновий, яблучний, грейпфрутовий, манго, виноградний, сливовий), а також для овочевих соусів та супів (наприклад, томатний соус або спаржевий суп), молочних продуктів, яєць і м’яса.
Наш портфель ультразвукових гомогенізаторів та екстракторів охоплює від ручних, портативних пристроїв до повністю промислових виробничих систем для інлайн-обробки великих об’ємів у комерційних масштабах.

Розробка, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові гомогенізатори Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність та простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові гомогенізатори в промислові об’єкти. Жорсткі умови та складні середовища легко витримуються ультразвуковими гомогенізаторами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics – це компанія, сертифікована за ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим гомогенізаторам, що мають передові технології та зручність у використанні. Звісно, ультразвукові гомогенізатори Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA і RoHs.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів: