Ultraschall-Extraktion und Haltbarmachung
Bei der Ultraschallextraktion und -konservierung wird Leistungsultraschall zum Aufbrechen von Zellstrukturen (Lyse) eingesetzt. Das Aufbrechen von Zellen mit Ultraschall führt zu einer hocheffizienten Extraktion von intrazellulären Verbindungen und zur Inaktivierung von Mikroorganismen. Aufgrund der zahlreichen Vorteile wird Ultraschall in der Lebensmittelindustrie häufig zur Extraktion und Konservierung eingesetzt. Erfahren Sie mehr über die Vorteile der Extraktion und Lebensmittelverarbeitung mit Ultraschall!
Hochleistungs-Ultraschall für die Extraktion und Konservierung von Lebensmitteln und pflanzlichen Stoffen
Ultraschall-Extraktion: Die Ultraschallextraktion ist ein Verfahren, bei dem Hochfrequenzschallwellen zur Extraktion von Verbindungen aus einer Vielzahl von Materialien wie Pflanzen, Obst und Gemüse eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren werden Ultraschallwellen eingesetzt, um in einem flüssigen oder halbfesten Material Hochdruckblasen zu erzeugen, die schnell kollabieren und dabei starke Hitze und Druck erzeugen, die die Zellwände des Materials aufbrechen und die gewünschten Verbindungen freisetzen.
Das Arbeitsprinzip der Ultraschallextraktion und -konservierung
Das Grundprinzip der Ultraschallextraktion beruht auf dem Phänomen der akustischen Kavitation. Wenn eine Flüssigkeit mit Ultraschallwellen hoher Intensität und niedriger Frequenz (ca. 20 kHz) beschallt wird, entstehen Druckwellen, die winzige Vakuumblasen in der Flüssigkeit erzeugen. Diese Bläschen werden mit zunehmender Intensität des Ultraschalls immer größer, und wenn sie eine bestimmte Größe erreicht haben, kollabieren sie plötzlich und heftig, wobei eine Schockwelle entsteht und Energie in Form von Wärme und Druck freigesetzt wird.
Durch diesen Prozess werden die Zellwände mechanisch aufgebrochen, wodurch die gewünschten Verbindungen aus dem Material in das flüssige Lösungsmittel freigesetzt werden. Die freigesetzten Verbindungen können dann durch Standardtrennverfahren wie Filtration oder Zentrifugation vom Lösungsmittel getrennt werden.
Konservierung mit Ultraschall: Die Ultraschallkonservierung beruht auf denselben Kavitationseffekten wie die Ultraschallextraktion. Bei der Konservierung wird Leistungsultraschall eingesetzt, um die Haltbarkeit von verderblichen Lebensmitteln zu verlängern, indem hochfrequente Schallwellen eingesetzt werden, um das Wachstum von Mikroorganismen zu hemmen, die den Verderb verursachen. Bei diesem Verfahren werden die Lebensmittel Ultraschallwellen ausgesetzt, die die Zellwände von Bakterien, Hefen und Schimmelpilzen aufbrechen, was zu deren Zerstörung oder Hemmung führt.
Dieser Prozess bewirkt eine mechanische Zerrüttung der Zellwände von Mikroorganismen, was zu deren Zerstörung oder Hemmung führt. Ultraschallwellen können auch die Durchlässigkeit der Zellmembranen erhöhen, so dass Konservierungsmittel und andere antimikrobielle Wirkstoffe eindringen und die Mikroorganismen effektiver abtöten können.
Die Ultraschallkonservierung wird gegenüber herkömmlichen Konservierungsmethoden bevorzugt, da sie mehrere Vorteile bietet, wie z. B. eine kürzere Verarbeitungszeit, höhere Effizienz und die Fähigkeit, die natürlichen Eigenschaften und Aromen der Lebensmittel zu erhalten. Sie wird bei einer Vielzahl von Lebensmitteln wie Soßen, Säften, Milchprodukten, Eiern und Fleisch eingesetzt, um ihre Haltbarkeit zu verlängern und ihre Sicherheit zu gewährleisten.
Die Ultraschallextraktion und -konservierung wird gegenüber herkömmlichen Extraktions- und Konservierungsmethoden bevorzugt, da sie mehrere Vorteile bietet, wie z. B. schnellere Extraktionsraten, ausgezeichnete Produktqualität, höhere Ausbeute, rein mechanische, nicht-thermische Behandlung und die Möglichkeit, ein breiteres Spektrum von Verbindungen zu extrahieren. Sie wird in einer Vielzahl von Branchen wie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der pharmazeutischen Industrie und der Kosmetikindustrie eingesetzt.
Protein- und Enzymextraktion mit Ultraschall
Insbesondere die Extraktion von Enzymen und Proteinen, die in Zellen und subzellulären Partikeln gespeichert sind, ist eine einzigartige und effektive Anwendung von hochintensivem Ultraschall, da die Extraktion von organischen Verbindungen, die im Körper von Pflanzen und Samen enthalten sind, durch ein Lösungsmittel erheblich verbessert werden kann. Daher hat Ultraschall einen potenziellen Nutzen bei der Extraktion und Isolierung neuartiger, potenziell bioaktiver Komponenten, z. B. aus nicht verwerteten Nebenproduktströmen, die bei den derzeitigen Verfahren anfallen. Ultraschall kann auch dazu beitragen, die Wirkung der Enzymbehandlung zu verstärken und dadurch die benötigte Enzymmenge zu verringern oder die Ausbeute an extrahierbaren relevanten Verbindungen zu erhöhen.
Extraktion von Lipiden und Proteinen mit Ultraschall
Die Ultraschallbehandlung wird häufig eingesetzt, um die Extraktion von Lipiden und Proteinen aus Pflanzensamen wie Sojabohnen (z. B. Mehl oder entfettete Sojabohnen) oder anderen Ölsaaten zu verbessern. In diesem Fall erleichtert die Zerstörung der Zellwände das Auspressen (kalt oder heiß) und verringert dadurch die Restmenge an Öl oder Fett im Presskuchen.
Der Einfluss einer kontinuierlichen Ultraschallextraktion auf die Ausbeute an dispergiertem Protein wurde von Moulton et al. nachgewiesen. Die Beschallung erhöhte die Ausbeute an dispergiertem Protein schrittweise, als sich das Flocken/Lösungsmittel-Verhältnis von 1:10 auf 1:30 veränderte. Es zeigte sich, dass Ultraschall in der Lage ist, Sojaprotein bei fast jedem kommerziellen Durchsatz zu peptisieren, und dass die erforderliche Beschallungsenergie am geringsten war, wenn dickere Aufschlämmungen verwendet wurden.
Isolierung von Phenolverbindungen und Anthocyanen mit Ultraschall
Enzyme wie Pektinasen, Cellulasen und Hemicellulasen werden bei der Saftverarbeitung häufig eingesetzt, um die Zellwände abzubauen und die Extraktionsfähigkeit des Saftes zu verbessern. Durch das Aufbrechen der Zellwandmatrix werden auch Bestandteile, wie z. B. Phenolverbindungen, in den Saft freigesetzt. Ultraschall verbessert den Extraktionsprozess und kann daher zu einer Erhöhung der Phenolverbindungen, Alkaloide und der Saftausbeute führen, die üblicherweise im Presskuchen zurückbleiben.
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. „Die US-Behandlung erhöht die Konzentration der phenolischen Verbindungen in Heidelbeersaft um mehr als 15 %. […] Der Einfluss von US (Ultraschall) war bei schwarzen Johannisbeeren, die aufgrund ihres hohen Pektingehalts und ihrer unterschiedlichen Zellwandarchitektur eine größere Herausforderung für die Saftverarbeitung darstellen als Heidelbeeren, deutlicher. […Die Konzentration der phenolischen Verbindungen im Saft stieg durch die US-Behandlung (Ultraschall) nach der Enzyminkubation um 15-25 %.“ (vgl. Mokkila et al., 2004)
Mikrobielle und enzymatische Inaktivierung
Die Inaktivierung von Mikroben und Enzymen (Konservierung), z. B. in Fruchtsäften und Soßen, ist eine weitere Anwendung von Ultraschall in der Lebensmittelverarbeitung. Heute ist die Konservierung durch kurzzeitige Temperaturerhöhung (Pasteurisierung) immer noch die gebräuchlichste Verarbeitungsmethode zur Inaktivierung von Mikroorganismen oder Enzymen, die zu einer längeren Haltbarkeit (Konservierung) führt. Aufgrund der hohen Temperaturbelastung bringt die herkömmliche thermische Pasteurisierung oft Nachteile für die Lebensmittel mit sich.
Die Erzeugung neuer Substanzen durch hitzekatalysierte Reaktionen und die Veränderung von Makromolekülen sowie die Verformung von pflanzlichen und tierischen Strukturen können zu Qualitätseinbußen führen. Daher kann die thermische Behandlung zu unerwünschten Veränderungen der sensorischen Eigenschaften, d. h. der Textur, des Geschmacks, der Farbe, des Geruchs und der ernährungsphysiologischen Eigenschaften, d. h. der Vitamine und Proteine, führen. Ultraschall ist eine effiziente nichtthermische (minimale) Verarbeitungsalternative.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmebehandlungen nutzt die Ultraschallkonservierung die Energie und die Scherkräfte der akustischen Kavitation, um Enzyme zu inaktivieren. Bei ausreichend niedrigen Beschallungsstärken können strukturelle und metabolische Veränderungen in den Zellen auftreten, ohne dass diese zerstört werden. Die Aktivität der Peroxidase, die in den meisten rohen und unblanchierten Obst- und Gemüsesorten vorkommt und insbesondere mit der Entwicklung von Fehlaromen und Bräunungspigmenten in Verbindung gebracht werden kann, lässt sich durch den Einsatz von Ultraschall erheblich verringern. Thermoresistente Enzyme wie Lipase und Protease, die einer Ultrahochtemperaturbehandlung widerstehen und die Qualität und Haltbarkeit von wärmebehandelter Milch und anderen Milchprodukten beeinträchtigen können, lassen sich durch die gleichzeitige Anwendung von Ultraschall, Wärme und Druck (MTS) wirksamer inaktivieren.
Ultraschall hat sein Potenzial bei der Vernichtung von lebensmittelbedingten Krankheitserregern wie E. coli, Salmonellen, Ascaris, Giardia, Cryptosporidium-Zysten und Polioviren bewiesen.
Anwendbar für: Konservierung von Konfitüre, Marmelade oder Toppings, Fruchtsäfte und Soßen, Fleischprodukte, Milchprodukte und Eiscreme.
Synergien des Ultraschalls mit Temperatur und Druck
Die Ultraschallbehandlung ist oft wirksamer, wenn sie mit anderen antimikrobiellen Methoden kombiniert wird, wie z. B:
- Thermo-Sonication, d.h. Wärme und Ultraschall
- Mano-Sonication, d.h. Druck und Ultraschall
- Mano-thermo-sonication, d.h. Druck, Wärme und Ultraschall
Die kombinierte Anwendung von Ultraschall mit Wärme und/oder Druck wird für Bacillus subtilis, Bacillus coagulans, Bacillus cereus, Bacillus sterothermophilus, Saccharomyces cerevisiae und Aeromonas hydrophila empfohlen.
Ultraschall im Vergleich zu anderen Lebensmittelkonservierungstechniken
Im Gegensatz zu anderen thermischen und nicht-thermischen Verfahren wie Hochdruckhomogenisierung, Hitzepasteurisierung, hoher hydrostatischer Druck (HP), komprimiertes Kohlendioxid (cCO2) und superkritisches Kohlendioxid (ScCO2), elektrische Hochfeldpulse (HELP) oder Mikrowellen kann Ultraschall leicht im Labor- oder Tischmaßstab getestet werden – Erzeugung reproduzierbarer Ergebnisse für das Scale-up. Die Intensität und die Kavitationseigenschaften können leicht an den jeweiligen Extraktionsprozess angepasst werden, um bestimmte Ziele zu erreichen. Amplitude und Druck können in einem weiten Bereich variiert werden, z. B. um die energieeffizienteste Extraktionsanordnung zu ermitteln.
Weitere Vorteile der Ultraschallsondenextraktion sind die einfache Handhabung des Extrakts, die schnelle Durchführung, die Rückstandsfreiheit, die hohe Ausbeute, die Umweltfreundlichkeit, die verbesserte Qualität und die Verhinderung des Abbaus des Extrakts.
(vgl. Chemat et al., 2011)
- vollständigere Extraktion
- Nicht-thermische Konservierung
- Höhere Erträge
- Hoher Nährstoffgehalt, hochwertige Lebensmittelqualität
- schnelles Verfahren
- Schonendes, nicht-thermisches Verfahren
- einfach und sicher zu bedienen
- Geringer Wartungsaufwand
Hochleistungs-Ultraschallgeräte für Extraktion und Konservierung
Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die effiziente Extraktion und Konservierung. Der Einsatz von Hielscher-Ultraschallgeräten zur Extraktion und Konservierung von Lebensmitteln ist eine leistungsstarke Verfahrenstechnik, die nicht nur sicher und umweltfreundlich, sondern auch effizient und wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Der Homogenisier- und Konservierungseffekt lässt sich für alle flüssigen oder pastösen Lebensmittel wie Fruchtsäfte und -pürees (z.B. Orange, Apfel, Grapefruit, Mango, Traube, Pflaume) sowie für Gemüsesaucen und -suppen (z.B. Tomatensauce oder Spargelsuppe), Milchprodukte, Eier und Fleisch problemlos nutzen.
Unser Angebot an Ultraschallhomogenisatoren und Extraktoren reicht von handgehaltenen, tragbaren Geräten bis hin zu vollindustriellen Produktionssystemen für die Inline-Verarbeitung großer Mengen im kommerziellen Maßstab.
Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany
Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.
Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Ultraschallgeräte CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
---|---|---|
0,5 bis 1,5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 bis 500ml | 10 bis 200ml/min | UP100H |
10 bis 2000ml | 20 bis 400ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 bis 20l | 0,2 bis 4l/min | UIP2000hdT |
10 bis 100l | 2 bis 10l/min | UIP4000hdT |
15 bis 150 Liter | 3 bis 15 l/min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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Literatur / Literaturhinweise
- 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.
Wissenswertes
Ultraschall-gestützer Zellaufschluss
Bei intensiver Beschallung können Enzyme oder Proteine aus Zellen oder subzellulären Organellen freigesetzt werden, was zu einem Zellaufschluss führt. In diesem Fall ist die Verbindung, die in einem Lösungsmittel gelöst werden soll, in einer unlöslichen Struktur eingeschlossen. Um sie zu extrahieren, muss die Zellmembran zerstört werden. Der Zellaufschluss ist ein empfindlicher Prozess, da die Zellwand dem hohen osmotischen Druck im Inneren nicht standhalten kann. Der Zellaufschluss muss gut kontrolliert werden, um eine ungehinderte Freisetzung aller intrazellulären Produkte einschließlich Zelltrümmern und Nukleinsäuren oder eine Denaturierung der Produkte zu vermeiden.
Die Ultraschallbehandlung dient als gut kontrollierbares Mittel zum Aufschluss von Zellen. Dabei sorgen die mechanischen Effekte des Ultraschalls für ein schnelleres und vollständigeres Eindringen des Lösungsmittels in das Zellmaterial und verbessern den Stofftransport. Durch Ultraschall wird ein größeres Eindringen eines Lösungsmittels in ein Pflanzengewebe erreicht und der Stofftransport verbessert. Ultraschallwellen, die Kavitation erzeugen, zerstören die Zellwände und erleichtern die Freisetzung von Matrixbestandteilen.
Verbesserter Massentransfer durch Ultraschall fördert die Extraktion
Im Allgemeinen kann Ultraschall zu einer Permeabilisierung der Zellmembranen für Ionen führen und die Selektivität der Zellmembranen erheblich verringern. Die mechanische Aktivität des Ultraschalls unterstützt die Diffusion von Lösungsmitteln in das Gewebe. Da der Ultraschall die Zellwand durch die Kavitationsscherkräfte mechanisch bricht, erleichtert er den Übergang von der Zelle in das Lösungsmittel. Die Verringerung der Partikelgröße durch die Ultraschallkavitation vergrößert die Kontaktfläche zwischen der festen und der flüssigen Phase.
Lyse und Inaktivierung von E.coli mit Ultraschall
Zur Herstellung kleiner Mengen rekombinanter Proteine für die Untersuchung und Charakterisierung ihrer biologischen Eigenschaften ist E.coli das Bakterium der Wahl. Reinigungsmarkierungen, z. B. Polyhistidinschwänze, Beta-Galaktosidase oder Maltose-bindende Proteine, werden üblicherweise an rekombinante Proteine angehängt, um sie von Zellextrakten mit einer für die meisten analytischen Zwecke ausreichenden Reinheit abtrennen zu können. Die Ultraschallbehandlung ermöglicht es, die Proteinfreisetzung zu maximieren, insbesondere wenn die Produktionsausbeute gering ist, und die Struktur und Aktivität des rekombinanten Proteins zu erhalten.
Ultraschall-Oxidation
Bei kontrollierter Intensität kann die Anwendung von Ultraschall bei der Biotransformation und Fermentation aufgrund der induzierten biologischen Effekte und des erleichterten zellulären Stofftransfers durchaus zu einer verbesserten Bioprozessführung führen. Der Einfluss der kontrollierten Anwendung von Ultraschall (20kHz) auf die Oxidation von Cholesterin zu Cholestenon durch ruhende Zellen von Rhodococcus erythropolis ATCC 25544 (früher Nocardia erythropolis) wurde von Bar (1987) untersucht.
Dieses System ist typisch für die mikrobielle Umwandlung von Sterolen und Steroiden, da das Substrat und die Produkte wasserunlösliche Feststoffe sind. Daher ist dieses System insofern einzigartig, als sowohl die Zellen als auch die Feststoffe der Wirkung des Ultraschalls ausgesetzt werden können. Bei einer ausreichend niedrigen Ultraschallintensität, die die strukturelle Integrität der Zellen bewahrte und ihre Stoffwechselaktivität aufrechterhielt, beobachtete Bar eine signifikante Steigerung der kinetischen Raten der Biotransformation in mikrobiellen Aufschlämmungen von 1,0 und 2,5 g/L Cholesterin, wenn sie alle 10 Minuten für 5 Sekunden mit einer Ausgangsleistung von 0,2 W/cm² beschallt wurden. Ultraschall zeigte keine Wirkung auf die enzymatische Oxidation von Cholesterin (2,5 g/L) durch Cholesterinoxidase.