Ultrazvučna ekstrakcija rezultira visokim prinosima vrhunskih kvalitetnih pektina. Koristeći sonication, vrijedni pektini mogu se efikasno proizvoditi iz voćnog otpada (npr. ostrijedci iz prerade sokova) i druge biološke sirovine. Ultrazvučna ekstrakcija pektina excelsira druge tehnike ekstrakcije proizvodeći više prinose, dajući vrhunsku kvalitetu pektina, i brzu proceduru ekstrakcije.

Intenziviranje Ekstrakcije Pectina sonicationom

Pektin se koristi kao sredstvo za geliranje, emulziju i zgušnjavanje u brojnim prehrambenim proizvodima, kao i sastojak u kozmetici i farmaceutskim proizvodima. Konvencionalna industrijska ekstrakcija pektina vrši se ekstrakcijom tople vode, gdje se sirovina kao što su kora citrusa, pomace jabuke i drugi voćni otpad natapa u toplu vodu od 60–100 °C pri niskom pH (cca pH 1,5 – 3,5) tokom dužeg vremenskog perioda. Ovo pretvara konvencionalnu ekstrakciju tople vode procesom koji troši vreme i energiju, koji često nije dovoljno efikasan da oslobodi kompletnu količinu pektina dostupnih u sirovini.
Kako bi se prevazišla neefikasnost konvencionalnog načina proizvodnje, ultrazvučno ekstrakcija se primjenjuje kao proces intenziviranje tehnike koja smanjuje vrijeme vađenja i znatno maksimizira prinos pektina u odnosu na tradicionalno vađenje tople vode.

Prednost ultrazvučne ekstrakcije pektina

Ultrazvučna ekstrakcija se primjenjuje u mnogim poljima proizvodnje ekstrakta, npr. botanički i biljni ekstrakti za hranu, dodatke, farmaceutske proizvode i kozmetiku. Vrlo istaknut primjer ultrazvučne ekstrakcije je vađenje kanabidiola (CBD) i drugih spoja iz biljke kanabisa.
Ultrazvučna ekstrakcija je tehnika netermalne ekstrakcije, koja time sprečava bioaktivne spojeve protiv toplinske degradacije. Svi ultrazvučni parametri procesa, kao što su amplitude, intenzivnost, vrijeme, temperatura i pritisak, mogu se tačno kontrolirati. To omogućava precizan proces i kontrolu kvaliteta i olakšava ponavljanje i reprodukciju jednom dobivenih rezultata ekstrakcije. Ekstrakt proizvođači vrednuju ultrasonication za pouzdanu poetivost procesa, što pomaže u standardizaciji procesa i proizvoda.

Određivanje relevantnih parametara procesa omogućava optimizirati ultrazvučni proces ekstrakcije do najviše efikasnosti i vrhunskog kvaliteta ekstrakta.
Na primer, veličina čestica sirovine (npr. kora citrusa) je važan faktor: manja veličina čestica znači veću površinu na koju ultrazvučni talasi mogu da deluju. Mala veličina čestica rezultira time većim prinosima pektina, nižim stepenom metilacije i većim odnosom ramnogalakturonskih regija.
pH vrednost rastvarača za ekstrakciju (tj. voda + kiselina) je još jedan bitan parametar. Kada se pektin ekstrahuje u kiselim uvjetima, razgrađuju se mnoge razgranate regije polimera, tako da uglavnom homogalakturonske "ravne" regije s nekoliko neutralnih molekula šećera pričvršćenih na ili u glavnom linearnom lancu ostaju.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina smanjuje vrijeme vađenja i snižava traženu temperaturu procesa, što smanjuje šansu za neželjenu modifikaciju pektina kiselinama. To omogućava upotrebu kiselina pod ograničenim uslovima kako bi se pectine modificirale upravo na zahtjeve proizvoda.

Zašto je ultrazvučna ekstrakcija pektina tako efikasna?

Uticaj ultrazvučne ekstrakcije direktno utiče na oticanje, perforaciju i lom ćelijske zidove. Ultrazvučno izazvan prijenos mase uzrokuje hidrataciju pektinoznog materijala u srednjoj lameli koja dovodi do prekida vegetarijanih tkiv. Ultrazvučna kavitacija i sile smicanja direktno udare u ćelijske zidove i lome ih otvorene. Ovi mehanizmi rezultiraju vrlo efikasnim rezultatima ultrazvučne ekstrakcije.

Ultrazvučno ekstrahirani pektin (također akustična kavitacija potpomognuta ekstraktom pektina, abbrev. ACAE) koji je imao nižu molekularnu težinu i stepen metoksilacije bio je bogatiji u regiji rhamnogalacturonan-I s dugim bočnim lancima u usporedbi s konvencionalnim toplotno ekstrahovanim pektinom iz hemijske i FT-IR analize. Potrošnja energije za ekstrakciju ulgtrazonskog pektina bila je znatno niža od konvencionalne metode grijanja, što ukazuje na njegovu obećavajuću primjenu u industrijskoj proizvodnoj skali.
(cf. Wang et al., 2017)
Vang i njegove kolege (2017) takođe potvrđuju da je ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija dokazana kao ekonomičniji i ekološki prihvatljiviji proces sa većom efikasnošću i manjim troškovima u poređenju sa konvencionalnim vađenjem grejanja.
 

SEM rezidualne pulpe šećerne repe pri uvećanju od 1000x: (a) prije ekstrakcije, a nakon ekstrakcije pektina koristeći (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Celulaza (300 U/g), (d) Xylanasae+Celulaza (1:1) i (e) Xylanasae+Celulaza (1:1.5) i (1:1.5).
(studija i slike: Abou-Elseoud et al., 2021)

Kako radi ultrazvučna ekstrakcija pektina?

Ultrazvučna ekstrakcija se zasniva na sonomehaničkom efektu ultrazvuka visokog inteziteta. Za promociju i intenziviranje ekstrakcije pektina putem ultrazvuka, ultrazvučni talasi velike snage su u paru preko ultrazvučne sonde (koja se naziva i ultrazvučni rog ili sonotrode) u tekući medij, dakle mulj koji se sastoji u sirovini koja sadrži pektin i otapalu. Ultrazvučni talasi putuju kroz tečnost i stvaraju naizmjenični ciklus niskog pritiska / visokotlačni ciklusi. Tokom ciklusa niskog pritiska stvaraju se minutni vakuumski mehurići (zvani kavitacioni mjehurići) koji rastu preko 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. U određenoj veličini, kada mehurići ne mogu apsorbirati više energije, impliraju nasilno tokom ciklusa visokog pritiska. Imploziju mjehurića karakteriziraju intenzivne kavitacione sile, uključujući vrlo visoku temperaturu i pritisak koji dostiže do 4000K odnosno 1000atm; kao i odgovarajuće diencijale visoke temperature i pritiska. Ove ultrazvučno generirane turbulencije i smicalice razbijaju biljne ćelije i oslobađaju intracelijske pektine u otapao na bazi vode. Pošto ultrazvučna kavitacija stvara veoma intezivan prijenos mase, sonikacija rezultira izuzetno visokim prinosima u vrlo kratkom vremenu obrade.

Ultrasonične izvlacenje iz ćelija biljaka: mikroskopski prijenosni odjeljak (TS) pokazuje mehanizam akcija tokom Ultrasonične izvlačenja iz ćelija (uvećavanje 2000x) [resurs: Vilkhu Et Al. 2011]

Pektini izvađeni iz voćnog otpadnog

Voćni otpad kao što su piling, osteoti voćne pulpe (nakon presovanja voćnog soka), a drugi voćni ostrijedci često su bogati izvori pektina. Dok se proizvodi od voćnog otpada često koriste kao stočna hrane, ekstrakcija pektina je vrednija upotreba voćnog otpada.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina već se uspješno izvodi s korom citrusa (kao što su naranče, mandarine, grejpfrut), korom dinje, pomaceom jabuke, pulpom šećerne repe, korom manga, otpadom od rajčice, kao i jackfruitom, strastvenim voćem, korom smokve između ostalih.

Case Studies of Ultrasonic Pectin Extraction

Zbog nedostatka konvencionalne ekstrakcije pektina toplotom, istraživanja i industrija su već istraživali inovativne alternative kao što je ultrazvučno izvlačenje. Time su dostupne i dosta informacija procesnih parametara za različite sirovine kao i podaci optimizacije procesa.

Ultrazvučna ekstrakcija Pectina iz Apple Pomacea

Dranca i Oroian (2019) istražili su ultrazvučno asistiran proces ekstrakcije pektina iz pomasa od jabuka primjenjujući različite ultrazvučne uvjete i koristeći Box-Behnken dizajn površine odgovora. Otkrili su da ultrazvučna amplituda snažno utiče na prinos i stepen esterifikacije ekstrahovanog pektina, dok je ekstrakcija pH imala veliki uticaj na sva tri odgovora, dakle na prinos, Sadržaj GalA, i stepen esterifikacije. Optimalni uslovi za ekstrakciju su bili 100% amplitude, pH od 1,8, omjer čvrste tekućine od 1:10 g/mL, i 30 min sonikacije. U ovim uslovima prinos pektina je bio 9,183% i imao je 98,127 g/100 g GalA sadržaja i 83,202% stepena esterifikacije. Da bi se postavili rezultati ultrazvučno ekstrahovanog pektina u odnosu sa komercijalnim pektinom, uzorak pektina dobiven ultrazvučnom ekstrakcijom pod optimalnim uslovima su upoređeni sa komercijalnim uzorcima citrusa i jabuka pektina od strane FT-IR, DSC, reoloških analiza, i SEM. Prve dvije tehnike su naglasile neke posebnosti uzorka pektina izvađenog ultrazvučnom ekstrakcijom kao što su uži raspon distribucije molekularne težine, redoljubiv molekularni raspored, i visok stepen esterifikacije koji je bio sličan onom komercijalno dostupnih pektina jabuke. Analiza morfoloških karakteristika ultrazvučno dobivenog uzorka ukazuje na određivanje između raspodjele veličina fragmenta ovog uzorka i njegovog GalA sadržaja na jednoj strani, i kapaciteta za unos vode na drugoj strani. Viskoznost ultrazvučno ekstrahovanog rastvora pektina bila je mnogo višu od otopine napravljene pomoću komercijalnog pektina, što je možda zbog visoke koncentracije galakturonske kiseline. Kada se uzme u obzir i visok stepen esterifikacije, to bi moglo objasniti zašto je viskoznost bila višu za ultrazvučno ekstrahiran pektin. Istraživači zaključuju da čistoća, struktura i reološko ponašanje pektina ekstrahirano ultrazvučnim izvlačenjem iz Malus domestica 'Fălticeni' jabuka pomace ukazuje na obećavajuće primjene ovog rastvornog vlakna. (cf. Dranca & Oroanski 2019)

Ultrazvučni ekstraktor visokih performansi za proizvodnju Pectina

Ultrazvučno vađenje je pouzdana tehnologija obrade, koja olakšava i ubrzava proizvodnju visokokvalitetnih pektina razne sirovine kao što su nutritori agrusnog voća i pilule, pomace od jabuka i mnoge druge. Hielscher Ultrasonics portfolio pokriva cijeli raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrasonicatora do industrijskih sistema ekstrakcije. Time, mi u Hielscheru vam možemo ponuditi najpo odgovarajući ultrasonikator za vaš predviđeni procesni kapacitet. Naše iskusno osoblje će vam pomoći od testova izvodljivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sistema na konačnom nivou proizvodnje.
Mali otisak stopala naših ultrazvučnih ekstraktora kao i njihova svestranost u mogućnostima instalacije čine da se uklapaju čak i u objekte za preradu pektina u malom prostoru. Ultrazvučni procesori se u cijelom svijetu ugrade u pogone za proizvodnju hrane, farme i nutricionih dodataka.

Hielscher Ultrazvuk – Sofisticirana oprema za izvlačenje

Hielscher Ultrasonics portfolio proizvoda pokriva cijeli raspon ultrazvučnih ekstraktora visokih performansi od malih do velikih razmjera. Dodatni dodaci omogućavaju lakši sklop najpouzvočnije konfiguracije ultrazvučnih uređaja za vaš proces ekstrakcije pektina. Optimalno ultrazvučno podešavanje zavisi od zavidnog kapaciteta, volumena, sirovine, batch ili inline procesa i timeline.

Batch i Inline

Hielscher ultrasonicators se može koristiti za obradu i neprekidnu obradu protoka. Ultrazvučna obrada grupa je idealna za testiranje procesa, optimiziranje i mali do srednji nivo proizvodnje. Za proizvodnju velikih volumena pektina, inline obrada bi mogla biti po prednosti. Kontinuirani inline proces miješanja zahtijeva sofisticirano podešavanje – koja se sastoji u pumpi, crijevima ili cijevima i spremnicima -, ali je vrlo efikasna, brza i zahtijeva znatno manje radne snage. Hielscher Ultrasonics ima najposkladnije podešavanje ekstrakcije za vaš volumen vađenja i procesne ciljeve.

Ultrazvučni ekstraktori za svaki proizvod kapacitet

Hielscher Ultrasonics raspon proizvoda pokriva cijeli spektar ultrazvučnih procesora od kompaktnih lab ultrasonicatora preko bench-top i pilot sistema do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora sa kapacitetom za obradu tereta kamiona na sat. Cijeli proizvodni raspon nam omogućava da vam ponudimo najpouzdaniji ultrazvučni ekstraktor za vašu sirovinu koja sadrži pectin, procesni kapacitet i ciljeve proizvodnje.
Ultrazvučni benchtop sistemi su idealni za testove izvodljivosti i optimizaciju procesa. Linearna skala-up na osnovu utvrđenih parametara procesa čini vrlo lako povećati kapacitete obrade od manjih lotova do potpuno komercijalne proizvodnje. Up-skaliranje se može učiniti ili instaliranjem snažnije ultrazvučne ekstraktorske jedinice ili grupiranjem nekoliko ultrazvučnikatora paralelno. Sa UIP16000, Hielscher nudi najmoćniji ultrazvučni ekstraktor širom svijeta.

Precizno kontrolisane amplitude za optimum rezultate

Svi Hielscherovi ultrasonicatori su precizno kontrolisani i time pouzdani konji u proizvodnji. Amplituda je jedan od presudnih parametara procesa koji utiču na efikasnost i učinkovitost ultrazvučnog vađenja pektina iz voća i bio-otpad.
Sve Hielscher Ultrasonics’ procesori omogućavaju precizno postavljanje amplitude. Sonotrodes i booster rogovi su pribor koji omogućava modificiranje amplitude u još širem rasponu. Hielscherovi industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i isporučiti potreban ultrazvučni intezitet za zahtjevne aplikacije. Amplitute do 200μm mogu se lako kontinuirano pokrenuti u 24/7 operaciji.
Precizne postavke amplitude i trajno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost da tretirate svoju sirovinu sa najucinkovitnijim ultrazvučnim uslovima. Optimalno sonication za najbolje rezultate izvlačenja!
Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad na teškim dužnostima i u zahtjevnim okruženjima. To čini Hielscherovu ultrazvučnu opremu pouzdanim radom alatom koji ispunjava vaše zahtjeve za izvlačenje.

Polako, testiranje bez rizika

Ultrazvučni procesi se mogu potpuno linearno skalirati. To znači svaki rezultat koji ste postigli koristeći laboratorij ili klupa-top ultrasonicator, može se skalirati na potpuno isti izlaz koristeći potpuno iste parametre procesa. To čini ultrasonication idealnim za testiranje izvodljivosti bez rizika, optimizaciju procesa i naknadno implementaciju u komercijalnu proizvodnju. Kontaktirajte nas kako biste saznali kako sonication može povećati vašu proizvodnju ekstrakta pektina.

Najkvalitetnije – Dizajniran i proizveden u Njemačkoj

Kao porodični posao i porodična posla, Hielscher prioritete najviše kvalitetnih standarda za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrasonicatori su dizajnirani, proizvedeni i temeljno testirani u našoj četvrtini u Teltow blizu Berlina, Njemačka. Robustnost i pouzdanost Hielscherove Ultrasonične opreme čini ga pravim konjem u vašoj proizvodnji. 24/7 operacija pod punim teretom i zahtevna okruženja je prirodna karakteristika Hielscherovih visokouspješnih miksuera.

Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators: