Veći prinosi pektina uz ultrazvučnu ekstrakciju
Ultrazvučna ekstrakcija rezultira visokim prinosima pektina vrhunskog kvaliteta. Koristeći sonikaciju, vrijedni pektini se mogu efikasno proizvesti iz voćnog otpada (npr. nusproizvoda prerade sokova) i drugih bioloških sirovina. Ultrazvučna ekstrakcija pektina nadmašuje druge tehnike ekstrakcije tako što daje veće prinose, dajući vrhunski kvalitet pektina i brzu proceduru ekstrakcije.
Intenzivirana ekstrakcija pektina ultrazvukom
Pektin se koristi kao sredstvo za želiranje, emulgiranje i zgušnjavanje u brojnim prehrambenim proizvodima, kao i kao sastojak u kozmetici i farmaceutskim proizvodima. Konvencionalna industrijska ekstrakcija pektina vrši se ekstrakcijom vrućom vodom, gdje se sirovina poput kore citrusa, komine jabuke i drugog voćnog otpada natapa u vrućoj vodi na 60-100°C pri niskom pH (približno pH 1,5 – 3,5) dugo vremena. vremenski period. Ovo pretvara konvencionalnu ekstrakciju tople vode u proces koji zahtijeva vrijeme i energiju, koji često čak nije dovoljno efikasan da oslobodi potpunu količinu pektina dostupnih u sirovini.
Kako bi se prevladala neefikasnost konvencionalne metode proizvodnje, ultrazvučna ekstrakcija se primjenjuje kao tehnika intenziviranja procesa koja skraćuje vrijeme ekstrakcije i značajno povećava prinos pektina u poređenju sa tradicionalnom ekstrakcijom toplom vodom.
Prednost ultrazvučne ekstrakcije pektina
Ultrazvučna ekstrakcija se primjenjuje u mnogim poljima proizvodnje ekstrakta, npr. botanički i biljni ekstrakti za hranu, suplemente, farmaceutske i kozmetičke proizvode. Vrlo istaknut primjer ultrazvučne ekstrakcije je ekstrakcija kanabidiola (CBD) i drugih jedinjenja iz biljke kanabisa.
Ultrazvučna ekstrakcija je tehnika netermalne ekstrakcije, koja na taj način sprečava bioaktivna jedinjenja od termičke degradacije. Svi parametri ultrazvučnog procesa, kao što su amplituda, intenzitet, vrijeme, temperatura i pritisak, mogu se precizno kontrolisati. Ovo omogućava precizan proces i kontrolu kvaliteta i olakšava ponavljanje i reprodukciju nakon dobijenih rezultata ekstrakcije. Proizvođači ekstrakata cijene ultrazvuk zbog pouzdane ponovljivosti procesa, što pomaže u standardizaciji procesa i proizvoda.
- intenzitet sonikacije
- Temperatura
- pH vrijednost
- Vrijeme
- Veličina čestica sirovog materijala
Ultrazvučni ekstraktor UIP4000hdT je snažan ekstraktor od 4kW za industrijsku proizvodnju pektina.
Određivanje relevantnih parametara procesa omogućava optimizaciju procesa ultrazvučne ekstrakcije do najveće efikasnosti i vrhunskog kvaliteta ekstrakta.
Na primjer, veličina čestica sirovog materijala (npr. kore citrusa) je važan faktor: Manja veličina čestica znači veću površinu na koju ultrazvučni valovi djeluju. Mala veličina čestica dovodi do većeg prinosa pektina, nižeg stepena metilacije i većeg omjera ramnogalakturonanskih regija.
pH vrijednost rastvarača za ekstrakciju (tj. voda + kiselina) je još jedan bitan parametar. Kada se pektin ekstrahuje u kiselim uslovima, mnoge ramnogalakturonanske razgranate regije polimera se razlažu, tako da ostaju uglavnom homogalakturonanske „ravne“ regije sa nekoliko neutralnih molekula šećera vezanih na ili u glavnom linearnom lancu.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina smanjuje vrijeme ekstrakcije i snižava potrebnu temperaturu procesa, što smanjuje mogućnost neželjene modifikacije pektina kiselinama. To omogućava korištenje kiselina u ograničenim uvjetima kako bi se pektini modificirali precizno prema zahtjevima proizvoda.
Šta ultrazvučnu ekstrakciju pektina čini tako efikasnom?
Uticaj ultrazvučne ekstrakcije direktno utiče na oticanje, perforaciju i lomljenje ćelijskih zidova. Ultrazvučno inducirani prijenos mase uzrokuje hidrataciju pektinoznog materijala u srednjoj lameli što dovodi do lomljenja biljnog tkiva. Ultrazvučna kavitacija i sile smicanja direktno utiču na ćelijske zidove i razbijaju ih. Ovi mehanizmi rezultiraju visoko efikasnim rezultatima ultrazvučne ekstrakcije.
Ultrazvučno ekstrahovani pektin (takođe ekstrahovani pektin potpomognut akustičnom kavitacijom, skraćeno ACAE) koji je imao nižu molekularnu težinu i stepen metoksilacije bio je bogatiji ramnogalakturonanom-I regijom sa dugim bočnim lancima u poređenju sa konvencionalnim pektinom ekstrahovanim toplotom iz hemijske i FT-IR analize. Potrošnja energije za ultrazvučnu ekstrakciju pektina bila je znatno niža od konvencionalne metode grijanja, što ukazuje na njenu obećavajuću primjenu za industrijsku proizvodnju.
(usp. Wang et al., 2017.)
Wang i njegove kolege (2017) također potvrđuju da je ultrazvučna ekstrakcija dokazano ekonomičniji i ekološki prihvatljiviji proces s većom efikasnošću i manjim troškovima u usporedbi s konvencionalnom ekstrakcijom grijanjem.
SEM rezidualne pulpe šećerne repe pri povećanju od 1000x: (a) prije ekstrakcije i nakon ekstrakcije pektina korištenjem (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), i (e) Xylanasae+Cellulase (1:1,5), i (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(studija i slike: Abou-Elseoud et al., 2021.)
Kako radi ultrazvučna ekstrakcija pektina?
Ultrazvučna ekstrakcija se zasniva na sonomehaničkim efektima ultrazvuka visokog intenziteta. Da bi se potaknula i intenzivirala ekstrakcija pektina putem ultrazvučne obrade, ultrazvučni valovi velike snage se spajaju preko ultrazvučne sonde (koja se također naziva ultrazvučni rog ili sonotroda) u tekući medij, tj. kašu koja se sastoji od sirovine koja sadrži pektin i rastvarača. Ultrazvučni talasi putuju kroz tečnost i stvaraju naizmenične cikluse niskog/visokog pritiska. Tokom ciklusa niskog pritiska stvaraju se sitni vakuum mjehurići (tzv. kavitacijski mjehurići), koji rastu u nekoliko ciklusa pritiska. Tokom tih ciklusa rasta mehurića, rastvoreni gasovi u tečnosti ulaze u vakuumski mehur, tako da se vakuumski mehur transformiše u rastuće mehuriće gasa. Pri određenoj veličini, kada mjehurići ne mogu apsorbirati više energije, nasilno implodiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Imploziju mjehurića karakteriziraju intenzivne kavitacijske sile, uključujući vrlo visoku temperaturu i pritisak koji dostižu do 4000K i 1000atm, respektivno; kao i odgovarajuće visoke temperature i razlike pritiska. Ove ultrazvučno generirane turbulencije i sile smicanja razbijaju biljne stanice i oslobađaju unutarćelijske pektine u rastvarač na bazi vode. Budući da ultrazvučna kavitacija stvara visoko intenzivan prijenos mase, sonikacija rezultira izuzetno visokim prinosima u vrlo kratkom vremenu obrade.
Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih ćelija: mikroskopski poprečni presek (TS) pokazuje mehanizam delovanja tokom ultrazvučne ekstrakcije iz ćelija (uvećanje 2000x) [izvor: Vilkhu et al. 2011]
Ultrazvučni šaržni ekstraktor UIP2000hdT sa kaskatrodnom sirenom
Pektini ekstrahovani iz voćnog otpada
Otpaci od voća kao što su kore, ostaci voćne pulpe (nakon ceđenja voćnog soka) i drugi nusproizvodi voća često su bogati izvori pektina. Dok se otpadni proizvodi od voća često koriste kao hrana za životinje, ekstrakcija pektina je vrijednija upotreba voćnog otpada.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina već se uspješno izvodi s korama citrusa (kao što su narandže, mandarine, grejp), kore dinje, komine jabuke, pulpe šećerne repe, kore od manga, otpadaka paradajza, kao i džekfruta, marakuje, kore smokava, između ostalog.
Studije slučaja ultrazvučne ekstrakcije pektina
Zbog nedostataka konvencionalne ekstrakcije pektina toplinom, istraživanja i industrija su već istražili inovativne alternative kao što je ultrazvučna ekstrakcija. Na taj način su dostupne mnoge informacije o parametrima procesa za različite sirovine, kao i podaci o optimizaciji procesa.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina iz komine jabuke
Dranca i Oroian (2019) istraživali su ultrazvučno potpomognuti proces ekstrakcije pektina iz komine jabuke primjenom različitih ultrazvučnih uvjeta i korištenjem Box-Behnkenova odgovornog dizajna površine. Utvrdili su da amplituda ultrazvuka snažno utiče na prinos i stepen esterifikacije ekstrahovanog pektina, dok je pH ekstrakcije imao veliki uticaj na sva tri odgovora, odnosno na prinos, sadržaj GalA i stepen esterifikacije. Optimalni uslovi za ekstrakciju bili su 100% amplituda, pH 1,8, odnos čvrsta i tečnost od 1:10 g/mL i 30 min ultrazvučne obrade. U ovim uslovima prinos pektina je bio 9,183% i imao je sadržaj GalA od 98,127 g/100 g i stepen esterifikacije 83,202%. Da bi se rezultati ultrazvučno ekstrahovanog pektina povezali sa komercijalnim pektinom, uzorak pektina dobijen ultrazvučnom ekstrakcijom u optimalnim uslovima upoređen je sa komercijalnim uzorcima pektina citrusa i jabuke pomoću FT-IR, DSC, reološke analize i SEM. Prve dvije tehnike naglasile su neke posebnosti uzorka pektina ekstrahiranog ultrazvučnom ekstrakcijom, kao što su uži raspon distribucije molekulske težine, uredan molekularni raspored i visok stupanj esterifikacije koji je sličan onom kod komercijalno dostupnih jabučnih pektina. Analiza morfoloških karakteristika ultrazvučno dobijenog uzorka ukazuje na obrazac određivanja između distribucije veličine fragmenata ovog uzorka i njegovog sadržaja GalA s jedne strane i kapaciteta upijanja vode s druge strane. Viskoznost ultrazvučno ekstrahovanog rastvora pektina bila je mnogo veća od viskoznosti rastvora napravljenih korišćenjem komercijalnog pektina, što je možda zbog visoke koncentracije galakturonske kiseline. Uzimajući u obzir i visok stepen esterifikacije, ovo bi moglo objasniti zašto je viskozitet bio veći za ultrazvučno ekstrahovan pektin. Istraživači zaključuju da čistoća, struktura i reološko ponašanje pektina ekstrahiranog ultrazvučnom ekstrakcijom iz komine jabuke Malus domestica 'Fălticeni' ukazuje na obećavajuću primjenu ovog rastvorljivog vlakna. (up. Dranca & Oroian 2019)
- Veći prinosi
- brža obrada
- blaže uslove obrade
- Poboljšana ukupna efikasnost
- Jednostavan i siguran rad
- Fast RoI
Ultrazvučni ekstraktor visokih performansi za proizvodnju pektina
Ultrazvučna ekstrakcija je pouzdana tehnologija prerade, koja olakšava i ubrzava proizvodnju visokokvalitetnih pektina raznih sirovina kao što su nusproizvodi i kore agruma, komina jabuke i mnoge druge. Hielscher Ultrasonics portfolio pokriva cijeli raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrasonicatora do industrijskih sistema za ekstrakciju. Stoga vam mi u Hielscheru možemo ponuditi najprikladniji ultrasonikator za vaš predviđeni kapacitet procesa. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testiranja izvodljivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sistema na konačnom nivou proizvodnje.
Mali otisak naših ultrazvučnih ekstraktora, kao i njihova svestranost u mogućnostima ugradnje, čine ih uklapanjem čak i u male prostore za preradu pektina. Ultrazvučni procesori su instalirani širom svijeta u pogonima za proizvodnju hrane, farmacije i dodataka prehrani.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics – Sofisticirana oprema za ekstrakciju
Hielscher Ultrasonics portfolio proizvoda pokriva cijeli niz ultrazvučnih ekstraktora visokih performansi od malih do velikih. Dodatni dodaci omogućavaju jednostavnu montažu najprikladnije konfiguracije ultrazvučnog uređaja za vaš proces ekstrakcije pektina. Optimalna ultrazvučna postavka zavisi od predviđenog kapaciteta, zapremine, sirovine, serijskog ili inline procesa i vremenskog okvira.
batch i inline
Hielscher ultrasonicatori se mogu koristiti za šaržnu i kontinuiranu protočnu obradu. Ultrazvučna serijska obrada je idealna za testiranje procesa, optimizaciju i nivo proizvodnje male do srednje veličine. Za proizvodnju velikih količina pektina, inline prerada bi mogla biti korisnija. Kontinuirani inline proces miješanja zahtijeva sofisticirano podešavanje – koji se sastoji od pumpe, creva ili cevi i rezervoara -, ali je veoma efikasan, brz i zahteva znatno manje rada. Hielscher Ultrasonics ima najprikladniju postavku ekstrakcije za vaš volumen ekstrakcije i ciljeve procesa.
Ultrazvučni ekstraktori za svaki proizvodni kapacitet
Asortiman proizvoda Hielscher Ultrasonics pokriva cijeli spektar ultrazvučnih procesora od kompaktnih laboratorijskih ultrasonikatora preko stolnih i pilot sistema do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora sa kapacitetom za obradu kamiona po satu. Cijeli asortiman proizvoda nam omogućava da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni ekstraktor za vašu sirovinu koja sadrži pektin, kapacitet procesa i proizvodne ciljeve.
Ultrazvučni stoni sistemi su idealni za testove izvodljivosti i optimizaciju procesa. Linearno povećanje na osnovu utvrđenih parametara procesa olakšava povećanje preradnih kapaciteta od manjih serija do potpuno komercijalne proizvodnje. Povećanje se može izvršiti bilo instaliranjem snažnije ultrazvučne jedinice za ekstrakciju ili grupiranjem nekoliko ultrazvučnih uređaja paralelno. Sa UIP16000, Hielscher nudi najmoćniji ultrazvučni ekstraktor na svijetu.
Precizno kontrolisane amplitude za optimalne rezultate
Svi Hielscher ultrasonikatori su precizno kontrolirani i time pouzdani radni konji u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih parametara procesa koji utiču na efikasnost i efektivnost ultrazvučne ekstrakcije pektina iz voća i biološkog otpada.
Svi Hielscher sonikatori omogućavaju precizno podešavanje amplitude. Sonotrode i buster rogovi su dodaci koji omogućavaju modificiranje amplitude u još širem rasponu. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i isporučiti potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne aplikacije. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7.
Precizna podešavanja amplitude i trajno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost da svoju sirovinu tretirate najefikasnijim ultrazvučnim uslovima. Optimalna sonikacija za najbolje rezultate ekstrakcije!
Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima. Ovo čini Hielscherovu ultrazvučnu opremu pouzdanim radnim alatom koji ispunjava vaše zahtjeve za ekstrakcijom.
Lako testiranje bez rizika
Ultrazvučni procesi se mogu potpuno linearno skalirati. To znači da svaki rezultat koji ste postigli korištenjem laboratorijskog ili stonog ultrazvučnog aparata, može se skalirati na potpuno isti izlaz koristeći potpuno iste procesne parametre. Ovo čini ultrasonication idealnim za testiranje izvodljivosti bez rizika, optimizaciju procesa i naknadnu implementaciju u komercijalnu proizvodnju. Kontaktirajte nas da saznate kako ultrazvuk može povećati proizvodnju ekstrakta pektina.
Najviša kvaliteta – Dizajniran i proizveden u Njemačkoj
Kao porodično preduzeće koje je u porodičnom vlasništvu, Hielscher daje prioritet najvišim standardima kvaliteta za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrasonikatori su dizajnirani, proizvedeni i temeljno testirani u našem sjedištu u Teltowu blizu Berlina, Njemačka. Robusnost i pouzdanost Hielscherove ultrazvučne opreme čine je radnim konjem u vašoj proizvodnji. 24/7 rad pod punim opterećenjem iu zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika Hielscher miksera visokih performansi.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
O pektinima
Pektin je razgranati heteropolisaharid koji se sastoji od dugolančanih segmenata galakturonana i drugih neutralnih šećera kao što su ramnoza, arabinoza, galaktoza i ksiloza. Da budemo precizniji, pektin je blok kopolimera koji se sastoji od 1,4-α-vezane galakturonske kiseline i 1,2-vezane ramnoze sa bočnim granama β-D-galaktoze, L-arabinoze i drugih šećernih jedinica. Budući da se u pektinu nalazi nekoliko dijelova šećera i različiti nivoi metil esterifikacije, pektin nema definiranu molekulsku masu kao drugi polisaharidi. Pektin, koji je određen za upotrebu u hrani, definira se kao heteropolisaharid koji sadrži najmanje 65% jedinica galakturonske kiseline. Primjenom specifičnih uslova ekstrakcije, pektini se mogu uspješno modificirati i funkcionalizirati kako bi ispunili specifične zahtjeve. Proizvodnja funkcionaliziranih i modificiranih pektina je od interesa za posebne primjene, npr. niskometoksilirani pektin za farmaceutske proizvode.
Kako se pektin odvaja od rastvora ekstrakta?
Precipitacija pektina nakon ultrazvučne ekstrakcije: Dodavanje etanola u otopinu ekstrakta može pomoći da se pektin odvoji kroz proces koji se naziva precipitacija. Pektin, složeni polisaharid koji se nalazi u ćelijskim zidovima biljaka, rastvorljiv je u vodi u normalnim uslovima. Međutim, promjenom okruženja rastvarača dodatkom etanola, topljivost pektina se može smanjiti, što dovodi do njegovog taloženja iz otopine.
U nastavku vam objašnjavamo hemiju koja stoji iza taloženja pektina korištenjem etanola:
- Poremećaj vodoničnih veza: Molekule pektina drže zajedno vodonične veze, koje doprinose njihovoj topljivosti u vodi. Etanol prekida ove vodonične veze takmičeći se s molekulima vode za mjesta vezivanja na molekulima pektina. Kako molekule etanola zamjenjuju molekule vode oko molekula pektina, vodikove veze između molekula pektina slabe, smanjujući njihovu topljivost u rastvaraču.
- Smanjeni polaritet rastvarača: Etanol je manje polaran od vode, što znači da ima manju sposobnost rastvaranja polarnih tvari poput pektina. Kako se etanol dodaje otopini ekstrakta, ukupni polaritet rastvarača se smanjuje, što čini manje povoljnim za molekule pektina da ostanu u otopini. To dovodi do taloženja pektina iz otopine jer postaje manje rastvorljiv u smjesi etanol-voda.
- Povećana koncentracija pektina: Kako se molekule pektina talože iz otopine, koncentracija pektina u preostaloj otopini raste. Ovo omogućava lakše odvajanje pektina iz tekuće faze kroz filtraciju ili centrifugiranje.
Literatura / Reference
- 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.