По-високи добиви на пектин чрез ултразвукова екстракция

Ултразвуковата екстракция осигурява високи добиви на пектини с превъзходно качество. Чрез ултразвукова обработка ценни пектини могат да се произвеждат ефективно от плодови отпадъци (напр. странични продукти от производството на сокове) и други биологични суровини. Ултразвуковата екстракция на пектин превъзхожда другите техники за екстракция, като осигурява по-високи добиви, превъзходно качество на пектина и бърза процедура за екстракция.

Интензифицирана екстракция на пектин чрез ултразвукова обработка

Пектинът се използва като желиращ, емулгиращ и сгъстяващ агент в множество хранителни продукти, както и като съставка в козметични и фармацевтични продукти. Конвенционалната промишлена екстракция на пектин се извършва чрез екстракция с гореща вода, при която суровини като цитрусови кори, ябълкови джибри и други плодови отпадъци се накисват за продължително време в гореща вода с температура 60–100°C и ниско pH (прибл. pH 1,5 – 3,5). Това превръща конвенционалната екстракция с гореща вода в процес, който отнема много време и енергия и често дори не е достатъчно ефективен, за да освободи цялото количество пектини, налично в суровината.
За преодоляване на неефективността на конвенционалния производствен метод ултразвуковата екстракция се прилага като техника за интензифициране на процеса, която съкращава времето за екстракция и значително увеличава добива на пектин до максимума 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, напр. растителни и билкови екстракти за храни, хранителни добавки, фармацевтични и козметични продукти. Особено показателен пример за ултразвукова екстракция е извличането на канабидиол (CBD) и други съединения от растението канабис.
Ултразвуковата екстракция е нетермична техника за екстракция, която по този начин предпазва биоактивните съединения от термично разграждане. Всички параметри на ултразвуковия процес, като амплитуда, интензитет, време, температура и налягане, могат да се контролират точно. Това позволява прецизен контрол на процеса и качеството и улеснява повторението и възпроизвеждането на веднъж получените резултати от екстракцията. Производителите на екстракти ценят ултразвуковата обработка заради надеждната повторяемост на процеса, която помага за стандартизиране на процесите и продуктите.

 
Тук ще намерите протокола за ултразвукова екстракция на пектин от кори на грейпфрут, демонстриран във видеото по-горе!
 

Определянето на съответните параметри на процеса позволява оптимизиране на ултразвуковата екстракция за постигане на 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-голям дял на рамногалактуронановите участъци.
Стойността на pH на екстракционния разтворител (т.е. вода + киселина) е друг съществен параметър. Когато пектинът се извлича в кисела среда, много разклонени рамногалактуронанови участъци на полимера се разграждат, така че остават предимно „прави“ хомогалактуронанови участъци с малко на брой молекули на неутрални захари, свързани към или в основната линейна верига.
Ултразвуковата екстракция на пектин съкращава времето за екстракция и понижава необходимата температура на процеса, което намалява вероятността от нежелана модификация на пектина от киселини. Това позволява използването на киселини при ограничени условия, за да се модифицират пектините точно според изискванията към продукта.

Какво прави ултразвуковата екстракция на пектин толкова ефективна?

Въздействието на ултразвуковата екстракция влияе пряко върху набъбването, перфорирането и разрушаването на клетъчните стени. Ултразвуково индуцираният масопренос предизвиква хидратация на пектиновия материал в средната ламела, което води до разпадане на растителните тъкани. Ултразвуковата кавитация и силите на срязване въздействат пряко върху клетъчните стени и ги разкъсват. Тези механизми водят до високоефективните резултати на ултразвуковата екстракция.

Според химичния и FT-IR анализа ултразвуково извлеченият пектин (също пектин, извлечен с помощта на акустична кавитация, съкр. ACAE), който има по-ниска молекулна маса и степен на метоксилиране, е по-богат на рамногалактуронан-I участъци с дълги странични вериги в сравнение с пектина, извлечен чрез конвенционална термична екстракция. Потреблението на енергия за ултразвукова екстракция на пектин е значително по-ниско от това при конвенционалния метод с нагряване, което показва перспективността на приложението ѝ в мащаба на промишленото производство.
(вж. Wang et al., 2017)
Wang и неговите колеги (2017) също подчертават, че е доказано, че екстракцията с помощта на ултразвук е по-икономичен и по-екологичен процес с по-висока ефективност и по-ниски разходи в сравнение с конвенционалната екстракция чрез нагряване.
 

SEM изображение на остатъчен пулп от захарно цвекло при увеличение 1000x: (a) преди екстракцията и след екстракцията на пектин с използване на (b) Xylanasae (250 U/g), (c) целулаза (300 U/g), (d) Xylanasae+целулаза (1:1), (e) Xylanasae+целулаза (1:1,5) и (f) Xylanasae+целулаза (1:2).
(изследване и изображения: Abou-Elseoud et al., 2021)

Как действа ултразвуковата екстракция на пектин?

Ултразвуковата екстракция се основава на сономеханичните ефекти на ултразвука с висок интензитет. За подпомагане и интензифициране на екстракцията на пектин чрез ултразвукова обработка ултразвукови вълни с висока мощност се предават чрез ултразвукова сонда (наричана също ултразвуков рог или сонотрод) в течната среда, т.е. суспензията, състояща се от пектинсъдържащата суровина и разтворителя. Ултразвуковите вълни преминават през течността и създават редуващи се цикли на ниско / високо налягане. По време на циклите на ниско налягане се образуват миниатюрни вакуумни мехурчета (т.нар. кавитационни мехурчета), които нарастват в продължение на няколко цикъла на налягане. По време на тези цикли на нарастване на мехурчетата разтворените в течността газове навлизат във вакуумното мехурче, така че вакуумните мехурчета се превръщат в нарастващи газови мехурчета. При определен размер, когато мехурчетата вече не могат да поглъщат повече енергия, те имплодират бурно по време на цикъл на високо налягане. Имплозията на мехурчетата се характеризира с интензивни кавитационни сили, включително много високи температура и налягане, достигащи съответно до 4000K и 1000atm, както и със съответните големи температурни разлики и разлики в налягането. Тези ултразвуково генерирани турбуленции и сили на срязване разрушават растителните клетки и освобождават вътреклетъчните пектини в разтворителя на водна основа. Тъй като ултразвуковата кавитация създава изключително интензивен масопренос, ултразвуковата обработка осигурява изключително високи добиви за много кратко време на обработка.
Ултразвуковата обработка се използва не само за екстракция на пектин, но и за изолиране на полифеноли от плодови джибри, пулп, кори и семена. Прочетете повече тук!

Ултразвукова екстракция от растителни клетки: микроскопският напречен срез (TS) показва механизма на действие при ултразвукова екстракция от клетки (увеличение 2000x) [източник: Vilkhu et al. 2011]

Пектини, извлечени от плодови отпадъци

Плодови отпадъци като кори, остатъци от плодов пулп (след пресоване на плодов сок) и други странични продукти от преработката на плодове често са богати източници на пектин. Докато плодовите отпадъци често се използват като храна за животни, екстракцията на пектин е по-ценно оползотворяване на плодовите отпадъци.
Ултразвуковата екстракция на пектин вече се извършва успешно от цитрусови кори (например от портокали, мандарини, грейпфрут), кори от пъпеш, ябълкови джибри, пулп от захарно цвекло, кори от манго, отпадъци от домати, както и от кори от джакфрут, маракуя и смокини, наред с други.

Практически изследвания на ултразвуковата екстракция на пектин

Поради недостатъците на конвенционалната екстракция на пектин чрез нагряване научните среди и промишлеността вече са проучили иновативни алтернативи като ултразвуковата екстракция. По този начин е налична обширна информация за параметрите на процеса при различни суровини, както и данни за оптимизиране на процеса.

Ултразвукова екстракция на пектин от ябълкови джибри

Dranca и Oroian (2019) изследват процеса на екстракция на пектин от ябълкови джибри с помощта на ултразвук, като прилагат различни условия на ултразвукова обработка и използват експериментален план Box-Behnken за повърхнината на отклика. Те установяват, че амплитудата на ултразвука влияе силно върху добива и степента на естерификация на извлечения пектин, докато pH при екстракцията има голямо въздействие върху трите отклика, т.е. добива, съдържанието на GalA и степента на естерификация. Оптималните условия за екстракция са 100% амплитуда, pH 1,8, съотношение твърда фаза–течност 1:10 g/mL и 30 min ултразвукова обработка. При тези условия добивът на пектин е 9,183%, съдържанието на GalA е 98,127 g/100 g, а степента на естерификация е 83,202%. За да се съпоставят резултатите за ултразвуково извлечения пектин с търговския пектин, проба от пектин, получена чрез ултразвукова екстракция при оптимални условия, е сравнена с проби от търговски цитрусов и ябълков пектин чрез FT-IR, DSC, реологичен анализ и SEM. Първите две техники открояват някои особености на пробата от пектин, извлечена чрез ултразвукова екстракция, като по-тесния диапазон на разпределение на молекулната маса, подреденото молекулно разположение и високата степен на естерификация, която е сходна с тази на наличните в търговската мрежа ябълкови пектини. Анализът на морфологичните характеристики на ултразвуково получената проба показва определяща закономерност между разпределението на размерите на фрагментите на тази проба и нейното съдържание на GalA, от една страна, и способността за поглъщане на вода, от друга. Вискозитетът на разтвора на ултразвуково извлечения пектин е много по-висок от този на разтворите, приготвени с търговски пектин, което може да се дължи на високата концентрация на галактуронова киселина. Когато се вземе предвид и високата степен на естерификация, това би могло да обясни защо вискозитетът е по-висок при ултразвуково извлечения пектин. Изследователите заключават, че чистотата, структурата и реологичното поведение на пектина, извлечен чрез ултразвукова екстракция от ябълкови джибри от Malus domestica ‘Fălticeni’, показват перспективни приложения на тези разтворими влакнини. (вж. Dranca & Oroian 2019)

Високопроизводителен ултразвуков екстрактор за производство на пектин

Ултразвуковата екстракция е надеждна технология за обработка, която улеснява и ускорява производството на висококачествени пектини от различни суровини като странични продукти и кори от цитрусови плодове, ябълкови джибри и много други. Портфолиото на Hielscher Ultrasonics обхваща пълната гама от компактни лабораторни ултразвукови устройства до промишлени екстракционни системи. Така ние от Hielscher можем да ви предложим най-подходящото ултразвуково устройство за предвидения от вас капацитет на процеса. Нашите служители с дългогодишен опит ще ви съдействат от изпитванията за осъществимост и оптимизирането на процеса до инсталирането на вашата ултразвукова система на окончателното производствено ниво.
Малката площ, заемана от нашите ултразвукови екстрактори, както и разнообразните възможности за монтаж позволяват те да се поберат дори в съоръжения за обработка на пектин с ограничено пространство. Ултразвукови процесори са инсталирани по целия свят в предприятия за производство на храни, фармацевтични продукти и хранителни добавки.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства:

Hielscher Ultrasonics – усъвършенствано оборудване за екстракция

Продуктовото портфолио на Hielscher Ultrasonics обхваща пълната гама високопроизводителни ултразвукови екстрактори за работа от малък до голям мащаб. Допълнителните принадлежности позволяват лесно сглобяване на най-подходящата конфигурация на ултразвуковото устройство за вашия процес на екстракция на пектин. Оптималната ултразвукова конфигурация зависи от предвидения капацитет, обема, суровината, партидния или проточния процес и времевия график.

Партидна и проточна обработка

Ултразвуковите устройства на Hielscher могат да се използват за партидна и непрекъсната проточна обработка. Ултразвуковата партидна обработка е идеална за изпитване и оптимизиране на процеса и за производство в малък до среден мащаб. За производството на големи обеми пектин проточната обработка може да бъде по-изгодна. Непрекъснатият процес на проточно смесване изисква усъвършенствана конфигурация – състояща се от помпа, маркучи или тръби и резервоари – но е високоефективен, бърз и изисква значително по-малко труд. Hielscher Ultrasonics разполага с най-подходящата конфигурация за екстракция за вашия обем на екстракция и целите на процеса.

Ултразвукови екстрактори за всеки производствен капацитет

Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics обхваща целия спектър ултразвукови процесори – от компактни лабораторни ултразвукови устройства през настолни и пилотни системи до изцяло промишлени ултразвукови процесори с капацитет за обработка на количества, равняващи се на товари от камиони, на час. Пълната продуктова гама ни позволява да ви предложим най-подходящия ултразвуков екстрактор за вашата пектинсъдържаща суровина, капацитета на процеса и производствените цели.
Настолните ултразвукови системи са идеални за изпитвания за осъществимост и оптимизиране на процеса. Линейното увеличаване на мащаба въз основа на установени параметри на процеса улеснява значително увеличаването на капацитета за обработка от по-малки партиди до пълномащабно търговско производство. Увеличаването на мащаба може да се извърши чрез инсталиране на по-мощен ултразвуков екстрактор или чрез групиране на няколко ултразвукови устройства в паралелна конфигурация. С UIP16000 Hielscher предлага най-мощния ултразвуков екстрактор в света.

Прецизно управляеми амплитуди за оптимални резултати

Всички ултразвукови устройства на Hielscher могат да се управляват прецизно и по този начин са надеждни работни машини в производството. Амплитудата е един от решаващите параметри на процеса, които влияят върху ефективността и резултатността на ултразвуковата екстракция на пектин от плодови и биологични отпадъци.
Всички ултразвукови устройства на Hielscher позволяват прецизно задаване на амплитудата. Сонотродите и усилващите рогове са принадлежности, които позволяват промяна на амплитудата в още по-широк диапазон. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher могат да осигурят много високи амплитуди и необходимия ултразвуков интензитет за взискателни приложения. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7.
Прецизните настройки на амплитудата и постоянното наблюдение на параметрите на ултразвуковия процес чрез интелигентен софтуер ви дават възможност да обработвате суровината си при най-ефективните ултразвукови условия. Оптимална ултразвукова обработка за най-добри резултати от екстракцията!
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при тежък режим и в взискателна среда. Това прави ултразвуковото оборудване на Hielscher надежден работен инструмент, който удовлетворява вашите изисквания за екстракция.

Лесно изпитване без риск

Ултразвуковите процеси могат да се мащабират напълно линейно. Това означава, че всеки резултат, който сте постигнали с лабораторно или настолно ултразвуково устройство, може да бъде мащабиран до точно същия резултат при използване на точно същите параметри на процеса. Това прави ултразвуковата обработка идеална за изпитвания за осъществимост без риск, оптимизиране на процеса и последващо внедряване в търговско производство. Свържете се с нас, за да научите как ултразвуковата обработка може да увеличи производството ви на пектинов екстракт.

Най-високо качество – проектирано и произведено в Германия

Като семейна компания, притежавана и управлявана от семейството, Hielscher поставя на първо място най-високите стандарти за качество за своите ултразвукови процесори. Всички ултразвукови устройства се проектират, произвеждат и изпитват щателно в нашата централа в Телтов, близо до Берлин, Германия. Здравината и надеждността на ултразвуковото оборудване на Hielscher го правят надеждна работна машина във вашето производство. Работата 24/7 при пълно натоварване и в взискателна среда е естествена характеристика на високопроизводителните смесители на Hielscher.