Công nghệ siêu âm Hielscher

Chiết xuất và bảo quản bằng siêu âm

Sự tan vỡ cấu trúc tế bào (lysis) bằng phương pháp siêu âm được sử dụng để tách các hợp chất bên trong tế bào hoặc cho ngừng hoạt động của vi sinh vật.

Lý lịch

Trong vi sinh, siêu âm là chủ yếu kết hợp với gián đoạn tế bào (lysis) hoặc là Sự tan rã (Cá sấu 1975). Khi sonicating chất lỏng ở cường độ cao, sóng âm thanh truyền vào môi trường lỏng gây ra xen kẽ cao áp (nén) và (độ chân không) chu kỳ áp suất thấp, với tỉ lệ phụ thuộc vào tần số.
Trong chu kỳ áp suất thấp, cường độ cao sóng siêu âm tạo ra bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt được một khối lượng mà tại đó họ không còn có thể hấp thụ năng lượng, họ sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là cavitation. Trong nổ nhiệt độ rất cao (xấp xỉ. 5,000K) và áp lực (xấp xỉ. 2,000atm) đều đạt ở địa phương. Cuộc sụp đổ của bong bóng cavitation cũng dẫn đến máy bay phản lực chất lỏng lên đến / s vận tốc 280m Kết quả là lực cắt phá vỡ phong bì tế bào một cách máy móc và nâng chuyển vật liệu. Siêu âm có thể có những ảnh hưởng hoặc phá hoại hoặc mang tính xây dựng với các tế bào phụ thuộc vào các thông số sonication sử dụng.

Sự tan rã tế bào

Theo các enzym sonication dữ dội hoặc protein có thể được phát hành từ các tế bào hoặc cơ quan tử dưới tế bào như là kết quả của Sự tan rã tế bào. Trong trường hợp này, hợp chất được hòa tan vào một dung môi được đính kèm trong một cấu trúc không hòa tan. Để giải nén nó, màng tế bào phải được destructed. gián đoạn tế bào là một quá trình nhạy cảm, bởi vì khả năng các thành tế bào để chịu được áp suất thẩm thấu cao bên trong. kiểm soát tốt sự gián đoạn tế bào là cần thiết, để tránh một phiên bản không bị cản trở của tất cả các sản phẩm trong tế bào bao gồm các mảnh vỡ tế bào và axit nucleic, hoặc biến tính sản phẩm.
Ultrasonication đóng vai trò như một phương tiện nổi điều khiển cho sự tan rã của tế bào. Đối với điều này, những tác động cơ học của siêu âm cung cấp thâm nhập nhanh hơn và hoàn chỉnh các dung môi vào các vật liệu tế bào và cải thiện khối lượng chuyển nhượng. Siêu âm khả năng đâm xuyên lớn hơn của một dung môi thành một mô thực vật và cải thiện việc chuyển giao hàng loạt. sóng siêu âm tạo cavitation phá vỡ thành tế bào và tạo điều kiện cho sự ra đời của các thành phần ma trận.

Chuyển hàng loạt

Nói chung, siêu âm có thể dẫn đến một permeabilization của màng tế bào để các ion (tuồng câm 1978), Và nó có thể làm giảm tính chọn lọc của màng tế bào đáng kể. Các hoạt động cơ học của siêu âm hỗ trợ sự khuếch tán của dung môi vào mô. Như siêu âm phá vỡ vách tế bào một cách máy móc bởi các lực lượng cavitation cắt, nó tạo điều kiện chuyển từ tế bào vào dung môi. Việc giảm kích thước hạt của cavitation siêu âm làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chất rắn và pha lỏng.

Protein và Enzyme Extraction

Đặc biệt việc khai thác của các enzym và protein được lưu trữ trong các tế bào và các hạt dưới tế bào là một ứng dụng độc đáo và hiệu quả của siêu âm cường độ cao (Kim 1989), Như việc khai thác các hợp chất hữu cơ chứa trong cơ thể thực vật và hạt giống bằng một dung môi có thể được cải thiện đáng kể. Do đó siêu âm có một lợi ích tiềm năng trong quá trình chiết và cô lập của cuốn tiểu thuyết có khả năng các thành phần hoạt tính sinh học, ví dụ từ không sử dụng sản phẩm phụ suối hình thành trong quá trình hiện hành. Siêu âm cũng có thể giúp tăng cường hiệu quả điều trị enzyme, và bằng cách này làm giảm lượng enzyme cần thiết hoặc tăng năng suất của các hợp chất chiết có liên quan.

Lipid và Protein

Ultrasonication thường được sử dụng để cải thiện quá trình chiết suất lipid và protein từ hạt thực vật, chẳng hạn như đậu nành (ví dụ bột hoặc đậu nành đã khử chất béo) hoặc hạt dầu khác. Trong trường hợp này, sự sụp đổ của bức tường tế bào tạo điều kiện nhấn (lạnh hoặc nóng) và do đó làm giảm dầu dư hay chất béo trong bánh ép.

Sự ảnh hưởng của khai thác siêu âm liên tục với năng suất protein phân tán đã được chứng minh bởi Moulton et al. Các sonication tăng sự phục hồi của protein phân tán dần khi flake / tỷ lệ dung môi thay đổi 1:10-01:30. Nó cho thấy siêu âm có khả năng để peptize protein đậu nành tại hầu hết các thông thương mại và năng lượng sonication cần là thấp nhất, khi slurries dày đã được sử dụng. (Moulton et al. 1982)

Áp dụng đối với: dầu Citrus từ trái cây, khai thác dầu từ mù tạt mặt đất, đậu phộng, hiếp dâm, dầu thảo mộc (echinacea), canola, đậu nành, ngô

Giải phóng Phenolic Các thành phần và Anthocyanins

Enzyme, như pectinaza, xenlulaza và hemicellulases được sử dụng rộng rãi trong chế biến nước trái cây để làm suy giảm thành tế bào và cải thiện extractability nước trái cây. Sự gián đoạn của ma trận vách tế bào cũng phát hành bộ phận, chẳng hạn như các hợp chất phenolic vào nước trái cây. Siêu âm cải thiện quá trình khai thác và do đó có thể dẫn đến sự gia tăng trong các hợp chất phenolic, alkaloids và nước trái cây năng suất, thường còn lại trong bánh báo chí.

Những tác động có lợi của điều trị siêu âm vào giải phóng các hợp chất phenolic và anthocyanins từ nho và ma trận berry, đặc biệt là từ bilberries (Các loại myrtillus) Và nho đen (Ribes) Vào nước trái cây, được khảo sát bằng VTT Công nghệ sinh học, Phần Lan (MAXFUN EU-Dự án) sử dụng một siêu âm UIP2000hd xử lý sau khi rã đông, nghiền và ủ enzyme. Sự gián đoạn của các bức tường tế bào bằng cách xử lý enzyme (Pectinex BE-3L cho bilberries và Biopectinase CCM cho nho đen) đã được cải thiện khi kết hợp với siêu âm. “điều trị Mỹ làm tăng nồng độ của các hợp chất phenolic nước ép việt quất bởi hơn 15%. […] Sự ảnh hưởng của Hoa Kỳ (siêu âm) có ý nghĩa hơn với nho đen, đó là quả mọng khó khăn hơn trong chế biến nước trái cây hơn bilberries do hàm lượng cao của họ về pectin và kiến ​​trúc vách tế bào khác nhau. […] Nồng độ của các hợp chất phenolic trong nước tăng 15-25% bằng cách sử dụng điều trị Hoa Kỳ (siêu âm) sau khi ủ enzyme.” (Mokkila et al. 2004)

Vi khuẩn và enzyme bất hoạt

Vi khuẩn và enzyme ngừng hoạt động (bảo quản), ví dụ như trong nước ép trái cây và sốt là một ứng dụng khác của siêu âm trong chế biến thực phẩm. Ngày nay, việc bảo quản bằng cách nâng nhiệt độ trong thời gian ngắn (khử trùng) vẫn là phương pháp xử lý phổ biến nhất cho sự ngừng hoạt động của vi khuẩn hoặc enzyme dẫn đến thời hạn sử dụng lâu hơn (bảo quản). Do tiếp xúc với nhiệt độ cao, phương pháp nhiệt này thường có nhược điểm đối với nhiều sản phẩm thực phẩm.
Việc sản xuất các chất mới từ phản ứng nhiệt xúc tác và sự biến đổi của các đại phân tử cũng như sự biến dạng của cấu trúc thực vật và động vật có thể giảm trong một làm giảm chất lượng. Do đó, điều trị nhiệt có thể gây ra sự thay đổi không mong muốn của các thuộc tính giác quan, ví dụ: kết cấu, hương vị, màu sắc, mùi, và chất dinh dưỡng, ví dụ: vitamin và protein. Siêu âm là một hiệu quả phi nhiệt (tối thiểu) chế biến thay thế.

Nhiệt sinh ra tại địa phương bởi cavitation và các gốc tự do được tạo ra có thể dẫn đến một sự bất hoạt của enzyme bởi sonication (El'piner 1964). Ở mức đủ thấp sonication thay đổi cấu trúc và chuyển hóa có thể xảy ra trong các tế bào mà không phá hủy chúng. Các hoạt động của peroxidase, được tìm thấy trong hầu hết các loại trái cây tươi và unblanched và rau quả và có thể được đặc biệt gắn liền với sự phát triển của off-hương vị và sắc tố màu nâu có thể được giảm đáng kể bằng cách sử dụng siêu âm. enzyme chịu nhiệt, chẳng hạn như lipase và protease mà chịu được xử lý nhiệt độ siêu cao và có thể làm giảm chất lượng và tuổi thọ của sữa được xử lý nhiệt và các sản phẩm nhật ký khác có thể được khử hoạt tính một cách hiệu quả hơn bằng cách áp dụng đồng thời của siêu âm, nhiệt và áp lực (MTS).

Siêu âm đã chứng minh tiềm năng của nó trong việc tiêu diệt các mầm bệnh truyền qua thực phẩm, như E coli, salmonellae, Giun, Giardia, nang CryptosporidiumVà poliovirus.

Áp dụng đối với: bảo quản mứt, mứt hoặc toppings, ví dụ cho kem, nước ép trái cây và nước sốt, các sản phẩm thịt, sữa

Sức mạnh tổng hợp của siêu âm với nhiệt độ và áp suất

Ultrasonication thường hiệu quả hơn khi kết hợp với các phương pháp chống vi khuẩn khác, chẳng hạn như:

  • nhiệt sonication, ví dụ: nhiệt và siêu âm
  • mano-sonication, áp suất ví dụ và siêu âm
  • Mano-nhiệt sonication, áp suất ví dụ: nhiệt và siêu âm

Việc áp dụng kết hợp của siêu âm với nhiệt và / hoặc áp lực được khuyến khích cho Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae, và Aeromonas hydrophila.

Phát triển quá trình

Không giống như các quá trình phi nhiệt khác, chẳng hạn như áp lực cao thủy tĩnh (HP), carbon dioxide nén (cCO2) và carbon dioxide siêu tới hạn (ScCO2) và xung điện trường cao (HELP), siêu âm có thể dễ dàng kiểm tra trong phòng thí nghiệm hoặc ghế-top quy mô – tạo ra kết quả tái sản xuất cho quy mô-up. Cường độ và đặc điểm cavitation có thể dễ dàng thích nghi với quá trình khai thác cụ thể để nhắm mục tiêu mục tiêu cụ thể. Biên độ và áp suất có thể thay đổi trong một phạm vi rộng, ví dụ để xác định các thiết lập khai thác hiệu quả năng lượng nhất. mô khó khăn nên trải qua ngâm, xay hoặc tán thành bột trước khi ultrasonication.

E coli

Để sản xuất một lượng nhỏ protein tái tổ hợp cho việc nghiên cứu và đặc tính của các thuộc tính sinh học của họ, E coli là vi khuẩn được lựa chọn. thẻ thanh lọc, ví dụ đuôi polyhistidine, beta-galactosidase, hoặc maltose ràng buộc
protein, thường tham gia với protein tái tổ hợp để làm cho họ tách từ chiết xuất tế bào với độ tinh khiết đủ cho hầu hết các mục đích phân tích. Ultrasonication cho phép để tối đa hóa việc phát hành protein, đặc biệt là khi sản lượng sản xuất còn thấp và để bảo tồn cấu trúc và hoạt động của protein tái tổ hợp.

Sự gián đoạn của E coli tế bào để trích xuất các tổng lượng protein đã được nghiên cứu bởi chymosin Kim và Zayas.

Khai thác Saffron

Saffron được biết đến như là gia vị đắt tiền nhất trên thị trường thế giới và được phân biệt bởi hương vị tinh tế của nó, cay đắng và màu vàng hấp dẫn. Các gia vị Saffron là thu được từ sự kỳ số đỏ của Hoa của Saffron Crocus. Sau khi sấy khô, các bộ phận này được sử dụng như là một gia vị trong ẩm thực hoặc là tác nhân màu. Hương vị đặc trưng chuyên sâu của các kết quả Saffron đặc biệt là từ ba hợp chất: crocins, picrocrocin và safranal.

Kadkhodaee và Hemmati-Kakhki đã cho thấy trong một nghiên cứu rằng ultrasonication tăng năng suất khai thác đáng kể và giảm thời gian xử lý đáng kể. Trong thực tế, kết quả bằng chiết siêu âm là cách rõ ràng hơn bằng cách chiết xuất nước lạnh truyền thống, được đề xuất bởi ISO. Đối với nghiên cứu của họ, Kadkhodaee và Hemmati-Kakhki đã sử dụng Hielscher của UP50H thiết bị siêu âm. kết quả tốt nhất đã đạt được với sonication xung. Điều này có nghĩa rằng khoảng thời gian xung ngắn có hiệu quả hơn điều trị siêu âm liên tục.

Quá trình oxy hóa

Ở cường độ kiểm soát, việc áp dụng siêu âm để biến đổi sinh học và quá trình lên men cũng có thể dẫn đến một bioprocessing nâng cao, do hiệu ứng sinh học gây ra và do thông tục hàng loạt chuyển của tế bào. Sự ảnh hưởng của việc áp dụng kiểm soát của siêu âm (20kHz) trên quá trình oxy hóa cholesterol để cholestenone bằng nghỉ ngơi của các tế bào Rhodococcus erythropolis ATCC 25.544 (trước đây Nocardia erythropolis) Được khảo sát bằng Quán ba.

Cholesterol + O2 = Cholest-4-en-3-one + H2các2

Hệ thống này là điển hình của sự biến đổi của vi sinh vật của sterol và steroid trong đó các bề mặt và các sản phẩm nước chất rắn không hòa tan. Do đó, hệ thống này là khá độc đáo ở chỗ cả các tế bào và các chất rắn có thể bị ảnh hưởng của siêu âm (Bar, 1987). Tại một cường độ siêu âm đủ thấp nơi còn lưu giữ nguyên vẹn cấu trúc của các tế bào và duy trì hoạt động trao đổi chất của họ, Bar quan sát một cải tiến đáng kể trong tốc độ động học của biến đổi sinh học trong slurries vi khuẩn là 1,0 và 2,5 g / L cholesterol khi âm trong 5s mỗi 10mn với một sản lượng điện của 0.2W / cm². Siêu âm cho thấy không ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa enzyme cholesterol (2,5g / L) bằng cholesterol oxidase.

Công nghệ thuận lợi

Việc sử dụng siêu âm cavitation cho khai thác và bảo quản thực phẩm là một công nghệ xử lý mạnh mẽ mới mà không thể chỉ được áp dụng một cách an toàn và thân thiện với môi trường mà còn có hiệu quả và kinh tế. Các homogenizing và bảo quản hiệu quả có thể dễ dàng sử dụng cho các loại nước ép trái cây và Purees (ví dụ cam, táo, bưởi, xoài, nho, mận) cũng như cho nước sốt rau và súp, giống như nước sốt cà chua hoặc súp măng tây.

Yêu cầu thêm thông tin!

Vui lòng sử dụng mẫu dưới đây, nếu bạn muốn yêu cầu thêm thông tin về việc sử dụng siêu âm để tách và bảo quản.










Văn chương

Allinger, H. (1975): Phòng thí nghiệm của Mỹ, 7 (10), 75 (1975).

Bar, R. (1987): Bioprocesses siêu âm tăng cường, Trong: Công nghệ sinh học và Kỹ thuật, Vol. 32, Pp. 655-663 (1987).

El'piner, S.I. (1964): Siêu âm: vật lý, hóa học, và hiệu ứng sinh học (Tư vấn Văn phòng, New York, 1964), 53-78.

Kadkhodaee, R .; Hemmati-Kakhki, A .: Siêu âm Khai thác hợp chất hoạt tính từ Saffron, trong: Internet Publication.

Kim, S. M. và Zayas, J.F. (1989): tham số xử lý khai thác chymosin bằng siêu âm; trong J. Thực phẩm Sci. 54: 700.

Mokkila, M., Mustranta, A., Buchert, J., Poutanen, K (2004): Kết hợp siêu âm điện với enzym trong chế biến nước trái cây berry, Tại địa chỉ: Int 2. Conf. Biocatalysis của Thực phẩm và Đồ uống, 19-22.9.2004, Stuttgart, Đức.

Moulton, K.J., Wang, L.C. (1982): Một Pilot-Plant Nghiên cứu liên tục siêu âm Khai thác đậu nành Protein, trong: Journal of Food Science, Tập 47, 1982.

Tuồng câm, C.L. (1978): Hiệu quả của siêu âm trên nguyên bào sợi trong ống nghiệm, trong: Ph.D. Luận văn, Đại học London, London, Anh, năm 1978.