По-високи добиви на пектин с ултразвукова екстракция
Ултразвуковата екстракция води до високи добиви на пектини с превъзходно качество. С помощта на ултразвук ценните пектини могат да бъдат ефективно произведени от плодови отпадъци (напр. странични продукти от преработката на сокове) и друга биологична суровина. Ултразвуковата екстракция на пектин превъзхожда другите техники за екстракция, като произвежда по-високи добиви, осигурява превъзходно качество на пектина и бърза процедура на екстракция.
Засилено извличане на пектин чрез соникация
Пектинът се използва като желиращ, емулгиращ и сгъстител в множество хранителни продукти, както и като съставка в козметиката и фармацевтичните продукти. Конвенционалната промишлена екстракция на пектин се извършва чрез екстракция с гореща вода, при която суровината като цитрусови кори, ябълково кюспе и други плодови отпадъци се накисва в 60–100°C гореща вода при ниско рН (приблизително рН 1,5 – 3,5) за дълъг период от време. Това превръща конвенционалната екстракция с топла вода в отнемащ време и енергия процес, който често дори не е достатъчно ефективен, за да освободи пълното количество пектини, налични в суровината.
За да се преодолее неефективността на конвенционалния производствен метод, ултразвуковата екстракция се прилага като техника за усилване на процеса, която намалява времето за екстракция и увеличава значително добива на пектин в сравнение с традиционната екстракция с гореща вода.
Предимството на ултразвуковата екстракция на пектин
Ултразвуковата екстракция се прилага в много области на производството на екстракти, например растителни и билкови екстракти за храни, добавки, фармацевтични продукти и козметика. Много известен пример за ултразвукова екстракция е извличането на канабидиол (CBD) и други съединения от растението канабис.
Ултразвуковата екстракция е техника на нетермична екстракция, която по този начин предотвратява термичното разграждане на биоактивните съединения. Всички ултразвукови параметри на процеса, като амплитуда, интензивност, време, температура и налягане, могат да бъдат точно контролирани. Това позволява прецизен контрол на процеса и качеството и улеснява повторението и възпроизвеждането след получаване на резултати от екстракцията. Производителите на екстракти ценят ултразвука за надеждната повторяемост на процеса, която помага за стандартизиране на процесите и продуктите.
- Интензивност на ултразвука
- температура
- Стойност на pH
- Час
- Размер на частиците на суровината
Ултразвуковият екстрактор UIP4000hdT е мощен екстрактор с мощност 4kW за промишлено производство на пектин.
Определянето на съответните параметри на процеса позволява да се оптимизира процесът на ултразвукова екстракция до най-висока ефективност и превъзходно качество на екстракта.
Например, размерът на частиците на суровината (напр. цитрусови кори) е важен фактор: по-малкият размер на частиците означава по-голяма повърхност, върху която да действат ултразвуковите вълни. По този начин малкият размер на частиците води до по-високи добиви на пектин, по-ниска степен на метилиране и по-голямо съотношение на рамногалактуроновите региони.
Стойността на pH на екстракционния разтворител (т.е. вода + киселина) е друг съществен параметър. Когато пектинът се извлича при киселинни условия, много рамногалактуронански разклонени области на полимера се разлагат, така че остават предимно хомогалалактуронови "прави" региони с няколко неутрални захарни молекули, прикрепени към или в основната линейна верига.
Ултразвуковата екстракция на пектин намалява времето за екстракция и понижава необходимата температура на процеса, което намалява вероятността от нежелана модификация на пектина от киселини. Това позволява да се използват киселини в ограничени условия, за да се модифицират пектините точно според изискванията на продукта.
Какво прави ултразвуковата екстракция на пектин толкова ефективна?
Въздействието на ултразвуковата екстракция пряко влияе върху подуването, перфорацията и счупването на клетъчните стени. Ултразвуково индуцираният масов трансфер причинява хидратация на пектиновия материал в средната ламела, което води до разпадане на растителните тъкани. Ултразвуковите сили на кавитация и срязване директно удрят клетъчните стени и ги разбиват. Тези механизми водят до високоефективни резултати от ултразвуковата екстракция.
Ултразвуково извлеченият пектин (също акустична кавитация с помощта на екстрагиран пектин, съкратено ACAE), който има по-ниско молекулно тегло и степен на метоксилиране, е по-богат на рамногалактуронан-I регион с дълги странични вериги в сравнение с конвенционалния термично извлечен пектин от химичен и FT-IR анализ. Консумацията на енергия за екстракция на улгтразонов пектин е значително по-ниска от конвенционалния метод на нагряване, което показва обещаващото му приложение в мащаба на промишленото производство.
(срв. Wang et al., 2017)
Уанг и колегите му (2017) също така подкрепят, че ултразвуковата екстракция е доказано по-икономичен и екологичен процес с по-висока ефективност и по-ниски разходи в сравнение с конвенционалното извличане на топлина.
СЕМ на остатъчна пулпа от захарно цвекло при 1000-кратно увеличение: а) преди екстракция и след екстракция на пектин с помощта на б) Xylanasae (250 U/g), в) целулаза (300 U/g), г) Xylanasae+целулаза (1:1) и д) Xylanasae+целулаза (1:1.5) и е) Xylanasae+целулаза (1:2).
(проучване и изображения: Abou-Elseoud et al., 2021)
Как работи ултразвуковата екстракция на пектин?
Ултразвуковата екстракция се основава на сономеханичните ефекти на ултразвука с висока интензивност. За да се насърчи и засили екстракцията на пектин чрез ултразвук, ултразвуковите вълни с висока мощност се свързват чрез ултразвукова сонда (наричана още ултразвуков рог или сонотрод) в течната среда, т.е. суспензията, състояща се от суровината, съдържаща пектин, и разтворителя. Ултразвуковите вълни преминават през течността и създават редуващи се цикли на ниско / високо налягане. По време на цикли с ниско налягане се създават малки вакуумни мехурчета (т.нар. кавитационни мехурчета), които растат в продължение на няколко цикъла на налягане. По време на тези цикли на растеж на мехурчета, разтворените газове в течността навлизат във вакуумния мехур, така че вакуумният мехур се трансформира в растящи газови мехурчета. При определен размер, когато мехурчетата не могат да абсорбират повече енергия, те имплодират силно по време на цикъл на високо налягане. Имплозията на мехурчето се характеризира с интензивни кавитационни сили, включително много висока температура и налягане, достигащи съответно до 4000K и 1000 atm; както и съответните високи температурни и натискни разлики. Тези ултразвуково генерирани турбуленции и сили на срязване разграждат растителните клетки и освобождават вътреклетъчните пектини във водния разтворител. Тъй като ултразвуковата кавитация създава много интензивен пренос на маса, ултразвукът води до изключително високи добиви за много кратко време на обработка.
Ултразвукова екстракция от растителни клетки: микроскопичното напречно сечение (TS) показва механизма на действие по време на ултразвукова екстракция от клетки (увеличение 2000x) [ресурс: Vilkhu et al. 2011]
Ултразвуков екстрактор за партиди UIP2000hdT с рог каскатроде
Пектини, извлечени от плодови отпадъци
Плодовите отпадъци като кори, остатъци от плодова каша (след пресоване на плодов сок) и други плодови странични продукти често са богати източници на пектин. Докато плодовите отпадъчни продукти често се използват като храна за животните, извличането на пектин е по-ценна употреба на плодовите отпадъци.
Ултразвуковата екстракция на пектин вече се извършва успешно с цитрусови кори (като портокали, мандарини, грейпфрут), кори от пъпеш, ябълково кюспе, каша от захарно цвекло, кори от манго, доматени отпадъци, както и джакфрут, маракуя, кори от смокини и др.
Казуси от ултразвуковата екстракция на пектин
Поради недостатъците на конвенционалната екстракция на пектин чрез топлина, изследванията и индустрията вече са проучили иновативни алтернативи като ултразвукова екстракция. По този начин са налични много информация за параметрите на процеса за различни суровини, както и данни за оптимизация на процеса.
Ултразвукова екстракция на пектин от ябълково кюспе
Dranca и Oroian (2019) изследват ултразвуковия процес на екстракция на пектин от ябълково кюспе, като прилагат различни ултразвукови условия и използват дизайн на повърхността на Box-Behnken. Те откриха, че ултразвуковата амплитуда силно влияе върху добива и степента на естерификация на извлечения пектин, докато екстракционното рН има голямо влияние и върху трите отговора, т.е. добива, съдържанието на GalA и степента на естерификация. Оптималните условия за екстракция са 100% амплитуда, рН 1,8, съотношение твърдо-течно 1:10 g/ml и 30 минути ултразвук. При тези условия добивът на пектин е 9,183% и има 98,127 g/100 g съдържание на GalA и 83,202% степен на естерификация. За да се определят резултатите от ултразвуково екстрахиран пектин във връзка с търговския пектин, пробата от пектин, получена чрез ултразвукова екстракция при оптимални условия, е сравнена с проби от цитрусови плодове и ябълков пектин чрез FT-IR, DSC, реологичен анализ и SEM. Първите две техники подчертават някои особености на пектиновата проба, извлечена чрез ултразвукова екстракция, като по-тесния диапазон на разпределение на молекулното тегло, подреденото молекулярно подреждане и високата степен на естерификация, която е подобна на тази на предлаганите в търговската мрежа ябълкови пектини. Анализът на морфологичните характеристики на ултразвуково получената проба показва модел на определяне между разпределението на размерите на фрагментите на тази проба и нейното съдържание на GalA от едната страна и капацитета за поглъщане на вода от другата страна. Вискозитетът на ултразвуково извлечения пектин разтвор е много по-висок от този на разтворите, направени с търговски пектин, което може би се дължи на високата концентрация на галактуронова киселина. Когато се има предвид и високата степен на естерификация, това може да обясни защо вискозитетът е по-висок за ултразвуково извлечения пектин. Изследователите заключават, че чистотата, структурата и реологичното поведение на пектина, извлечен чрез ултразвукова екстракция от ябълково кюспе Malus domestica 'Fălticeni', показват обещаващи приложения на това разтворимо влакно. (срв. & Oroian 2019)
- по-високи добиви
- По-бърза обработка
- по-меки условия на обработка
- подобрена обща ефективност
- Лесна и безопасна работа
- Бърза възвръщаемост на инвестициите
Високоефективен ултразвуков екстрактор за производство на пектин
Ултразвуковата екстракция е надеждна технология за обработка, която улеснява и ускорява производството на висококачествени пектини, различни суровини като цитрусови плодове, странични продукти и кори, ябълково кюспе и много други. Портфолиото на Hielscher Ultrasonics обхваща пълната гама от компактни лабораторни ултразвукови апарати до промишлени системи за екстракция. По този начин ние от Hielscher можем да ви предложим най-подходящия ултразвуков уред за вашия предвиден технологичен капацитет. Нашият дългогодишен опитен персонал ще ви помогне от тестовете за осъществимост и оптимизацията на процеса до инсталирането на вашата ултразвукова система на крайно производствено ниво.
Малкият отпечатък на нашите ултразвукови екстрактори, както и тяхната гъвкавост в опциите за монтаж ги правят подходящи дори в съоръжения за обработка на пектин с малки пространства. Ултразвуковите процесори са инсталирани по целия свят в съоръжения за производство на храни, фармацевтика и хранителни добавки.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Hielscher Ultrasonics – Сложно оборудване за извличане
Продуктовото портфолио на Hielscher Ultrasonics обхваща пълната гама от високоефективни ултразвукови екстрактори от малки до големи мащаби. Допълнителните аксесоари позволяват лесно сглобяване на най-подходящата конфигурация на ултразвуково устройство за вашия процес на екстракция на пектин. Оптималната ултразвукова настройка зависи от предвидения капацитет, обем, суровина, партиден или вграден процес и времева линия.
партиден и вграден
Ултразвуковите апарати Hielscher могат да се използват за партидна и непрекъсната обработка. Ултразвуковата партидна обработка е идеална за тестване на процеси, оптимизация и ниско до средно производствено ниво. За производство на големи количества пектин, вградената обработка може да бъде по-изгодна. Непрекъснатият процес на смесване изисква сложна настройка – състоящ се от помпа, маркучи или тръби и резервоари -, но е високоефективен, бърз и изисква значително по-малко труд. Hielscher Ultrasonics разполага с най-подходящата настройка за екстракция за вашия обем на екстракция и целите на процеса.
Ултразвукови екстрактори за всеки капацитет на продукта
Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics обхваща пълния спектър от ултразвукови процесори от компактни лабораторни ултразвукови процесори през настолни и пилотни системи до напълно индустриални ултразвукови процесори с капацитет за обработка на камиони на час. Пълната продуктова гама ни позволява да ви предложим най-подходящия ултразвуков екстрактор за вашата суровина, съдържаща пектин, технологичен капацитет и производствени цели.
Ултразвуковите настолни системи са идеални за тестове за осъществимост и оптимизиране на процесите. Линейното мащабиране въз основа на установени параметри на процеса улеснява увеличаването на капацитета за обработка от по-малки партиди до напълно търговско производство. Увеличаването на мащаба може да се извърши чрез инсталиране на по-мощен ултразвуков екстрактор или чрез групиране на няколко ултразвукови апарата паралелно. С UIP16000 Hielscher предлага най-мощния ултразвуков екстрактор в света.
Прецизно контролирани амплитуди за оптимални резултати
Всички ултразвукови апарати на Hielscher са прецизно управляеми и по този начин надеждни работни коне в производството. Амплитудата е един от ключовите параметри на процеса, които влияят върху ефективността и ефективността на ултразвуковата екстракция на пектин от плодове и биоотпадъци.
Всички ултразвукови уреди на Hielscher позволяват точна настройка на амплитудата. Сонотродите и усилващите клаксони са аксесоари, които позволяват да се променя амплитудата в още по-широк диапазон. Индустриалните ултразвукови процесори на Hielscher могат да осигурят много високи амплитуди и да осигурят необходимия ултразвуков интензитет за взискателни приложения. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7.
Прецизните настройки на амплитудата и постоянното наблюдение на параметрите на ултразвуковия процес чрез интелигентен софтуер ви дават възможност да третирате суровината си с най-ефективните ултразвукови условия. Оптимална ултразвук за най-добри резултати от екстракцията!
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди. Това прави ултразвуковото оборудване на Hielscher надежден работен инструмент, който отговаря на вашите изисквания за екстракция.
Лесно и безрисково тестване
Ултразвуковите процеси могат да бъдат напълно линейно мащабирани. Това означава, че всеки резултат, който сте постигнали с помощта на лабораторен или настолен ултразвуков апарат, може да бъде мащабиран до абсолютно същия резултат, като се използват абсолютно същите параметри на процеса. Това прави ултразвука идеален за безрисково тестване на осъществимостта, оптимизиране на процесите и последващо внедряване в търговско производство. Свържете се с нас, за да научите как ултразвукът може да увеличи производството на екстракт от пектин.
Най-високо качество – Проектиран и произведен в Германия
Като семеен и семеен бизнес, Hielscher дава приоритет на най-високите стандарти за качество на своите ултразвукови процесори. Всички ултразвукови апарати са проектирани, произведени и щателно тествани в централата ни в Телтов близо до Берлин, Германия. Здравината и надеждността на ултразвуковото оборудване на Hielscher го правят работен кон във вашето производство. Работа 24/7 при пълно натоварване и в взискателна среда е естествена характеристика на високопроизводителните смесители Hielscher.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, дисперсия, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и индустриален мащаб.
Относно пектините
Пектинът е разклонен хетерополизахарид, състоящ се от дълговерижни галактуронови сегменти и други неутрални захари като рамноза, арабиноза, галактоза и ксилоза. За да бъдем по-конкретни, пектинът е блок от съполимер, състоящ се от 1,4-α-свързана галактуронова киселина и 1,2-свързана рамноза със странични разклонения на β-D-галактоза, L-арабиноза и други захарни единици. Тъй като в пектина се откриват няколко захарни части и различни нива на метилова естерификация, пектинът няма определено молекулно тегло като другите полизахариди. Пектинът, който е предназначен за употреба в храни, се определя като хетерополизахарид, съдържащ най-малко 65% единици на галактуронова киселина. Чрез прилагане на специфични условия за екстракция, пектините могат успешно да бъдат модифицирани и функционализирани, за да отговорят на специфични изисквания. Производството на функционализирани и модифицирани пектини представлява интерес за специални приложения, например ниско съдържание на метоксилиран пектин за фармацевтични продукти.
Как се отделя пектинът от екстрактивния разтвор?
Утаяване на пектин след ултразвукова екстракция: Добавянето на етанол към екстрактен разтвор може да помогне за отделянето на пектина чрез процес, наречен утаяване. Пектинът, сложен полизахарид, открит в клетъчните стени на растенията, е разтворим във вода при нормални условия. Въпреки това, чрез промяна на средата на разтворителя с добавяне на етанол, разтворимостта на пектина може да бъде намалена, което води до утаяването му от разтвора.
По-долу ви обясняваме химията зад утаяването на пектин с помощта на етанол:
- Разрушаване на водородните връзки: Пектиновите молекули се държат заедно от водородни връзки, които допринасят за тяхната разтворимост във вода. Етанолът разрушава тези водородни връзки, като се конкурира с водните молекули за места на свързване на пектиновите молекули. Тъй като молекулите на етанола заместват водните молекули около пектиновите молекули, водородните връзки между молекулите на пектина отслабват, намалявайки тяхната разтворимост в разтворителя.
- Намалена полярност на разтворителя: Етанолът е по-малко полярен от водата, което означава, че има по-ниска способност да разтваря полярни вещества като пектин. Тъй като етанол се добавя към екстрактивния разтвор, общата полярност на разтворителя намалява, което прави по-малко благоприятно пектиновите молекули да останат в разтвор. Това води до утаяване на пектина от разтвора, тъй като той става по-малко разтворим в сместа от етанол и вода.
- Повишена концентрация на пектин: Тъй като пектиновите молекули се утаяват от разтвора, концентрацията на пектин в останалия разтвор се увеличава. Това позволява по-лесно отделяне на пектина от течната фаза чрез филтрация или центрофугиране.
Литература / Препратки
- Wafaa S. Abou-Elseoud, Enas A. Hassan, Mohammad L. Hassan (2021): Extraction of pectin from sugar beet pulp by enzymatic and ultrasound-assisted treatments. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, Volume 2, 2021.
- Marina Fernández-Delgado, Esther del Amo-Mateos, Mónica Coca, Juan Carlos López-Linares, M. Teresa García-Cubero, Susana Lucas (2023): Enhancement of industrial pectin production from sugar beet pulp by the integration of surfactants in ultrasound-assisted extraction followed by diafiltration/ultrafiltration. Industrial Crops and Products, Volume 194, 2023.
- Wang, Wenjun; Wu, Xingzhu; Chantapakul, Thunthacha; Wang, Danli; Zhang, Song; Ma Xiaobin; Ding, Tian; Ye, Xingqian; Liu, Donghong(2017): Acoustic cavitation assisted extraction of pectin from waste grapefruit peels: A green two-stage approach and its general mechanism. Food Research Journal Vol.102, December 2017. 101-110.
- Drance, Florina; Oroian, Mircea (2019): Ultrasound-Assisted Extraction of Pectin from Malus domestica ‘Fălticeni’ Apple Pomace. Processes 7(8): 488; 2019.
- Owais Yousuf; Anupama Singh; N. C. Shahi; Anil Kumar; A. K. Verma (2018): Ultrasound Assisted Extraction of Pectin from Orange Peel. Bulletin of Environment, Pharmacology and Life Sciences Vol 7 [12], November 2018. 48-54.
- Lena Rebecca Larsen; Julia Buerschaper; Andreas Schieber; Fabian Weber (2019): Interactions of Anthocyanins with Pectin and Pectin Fragments in Model Solutions. J Agric Food Chem 2019 Aug 21; 67(33). pp. 9344-9353.