Veći prinosi pektina ultrazvučnom ekstrakcijom

Ultrazvučna ekstrakcija daje visoke prinose pektina vrhunskog kvaliteta. Ultrazvučnom obradom (sonikacijom) vrijedni pektini mogu se efikasno proizvoditi iz otpada od voća (npr. nusproizvoda prerade sokova) i druge biološke sirovine. Ultrazvučna ekstrakcija pektina nadmašuje druge tehnike ekstrakcije jer daje veće prinose, pektin vrhunskog kvaliteta i brz postupak ekstrakcije.

Intenzivirana ekstrakcija pektina ultrazvučnom obradom

Pektin se koristi kao sredstvo za geliranje, emulgiranje i zgušnjavanje u brojnim prehrambenim proizvodima, kao i sastojak u kozmetici i farmaceutskim proizvodima. Konvencionalna industrijska ekstrakcija pektina provodi se ekstrakcijom vrućom vodom, pri čemu se sirovina poput kora citrusa, tropa jabuke i drugog otpada od voća dugo potapa u vruću vodu temperature 60–100°C pri niskom pH (oko pH 1,5 – 3,5). Zbog toga je konvencionalna ekstrakcija vrućom vodom proces koji zahtijeva mnogo vremena i energije, a često nije dovoljno efikasan ni da oslobodi cjelokupnu količinu pektina prisutnu u sirovini.
Da bi se prevladala neefikasnost konvencionalne metode proizvodnje, ultrazvučna ekstrakcija primjenjuje se kao tehnika intenziviranja procesa koja skraćuje vrijeme ekstrakcije i znatno povećava prinos pektina u poređenju s tradicionalnom ekstrakcijom vrućom vodom.

Prednost ultrazvučne ekstrakcije pektina

Ultrazvučna ekstrakcija primjenjuje se u mnogim oblastima proizvodnje ekstrakata, npr. botaničkih i biljnih ekstrakata za hranu, dodatke prehrani, farmaceutske proizvode i kozmetiku. Vrlo istaknut primjer ultrazvučne ekstrakcije je ekstrakcija kanabidiola (CBD) i drugih spojeva iz biljke kanabis.
Ultrazvučna ekstrakcija je netermička tehnika ekstrakcije, čime se bioaktivni spojevi štite od termičke razgradnje. Svi ultrazvučni procesni parametri, kao što su amplituda, intenzitet, vrijeme, temperatura i pritisak, mogu se precizno kontrolirati. To omogućava preciznu kontrolu procesa i kvaliteta te olakšava ponavljanje i reprodukciju jednom postignutih rezultata ekstrakcije. Proizvođači ekstrakata cijene ultrazvučnu obradu zbog pouzdane ponovljivosti procesa, što pomaže standardizaciji procesa i proizvoda.

 
Protokol za ultrazvučnu ekstrakciju pektina iz kore grejpfruta prikazan u videu iznad pronađite ovdje!

Određivanje relevantnih procesnih parametara omogućava optimizaciju procesa ultrazvučne ekstrakcije za najveću efikasnost i vrhunski kvalitet ekstrakta.
Na primjer, veličina čestica sirovine (npr. kora citrusa) važan je faktor: manja veličina čestica znači veću površinu na koju djeluju ultrazvučni talasi. Mala veličina čestica stoga rezultira većim prinosima pektina, nižim stepenom metilacije i većim udjelom rhamnogalacturonanskih regija.
Vrijednost pH otapala za ekstrakciju (tj. voda + kiselina) još je jedan ključni parametar. Kada se pektin ekstrahira u kiselim uslovima, mnoge razgranate rhamnogalacturonanske regije polimera se razgrađuju, pa uglavnom ostaju “ravne” homogalacturonanske regije s nekoliko molekula neutralnih šećera vezanih na glavni linearni lanac ili u njemu.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina skraćuje vrijeme ekstrakcije i snižava potrebnu temperaturu procesa, čime se smanjuje mogućnost neželjene modifikacije pektina kiselinama. To omogućava upotrebu kiselina u ograničenim uslovima kako bi se pektini precizno modificirali prema zahtjevima proizvoda.

Zašto je ultrazvučna ekstrakcija pektina tako efikasna?

Djelovanje ultrazvučne ekstrakcije direktno utječe na bubrenje, perforaciju i pucanje ćelijskih zidova. Ultrazvukom izazvan prijenos mase uzrokuje hidrataciju pektinskog materijala u srednjoj lameli, što dovodi do raspadanja biljnih tkiva. Ultrazvučna kavitacija i smične sile direktno djeluju na ćelijske zidove i otvaraju ih. Ovi mehanizmi daju visoko efikasne rezultate ultrazvučne ekstrakcije.

Ultrazvučno ekstrahirani pektin (također pektin ekstrahiran uz pomoć akustične kavitacije, skr. ACAE), koji je imao manju molekulsku masu i niži stepen metoksilacije, bio je bogatiji rhamnogalacturonan-I regijom s dugim bočnim lancima u poređenju s pektinom ekstrahiranim konvencionalnim zagrijavanjem, prema hemijskoj i FT-IR analizi. Potrošnja energije za ultrazvučnu ekstrakciju pektina bila je znatno niža nego kod konvencionalne metode zagrijavanja, što ukazuje na njenu obećavajuću primjenu u industrijskoj proizvodnoj skali.
(usp. Wang et al., 2017)
Wang i saradnici (2017) također potvrđuju da se ekstrakcija uz pomoć ultrazvuka pokazala ekonomičnijim i ekološki prihvatljivijim procesom s većom efikasnošću i nižim troškovima u poređenju s konvencionalnom ekstrakcijom zagrijavanjem.

SEM preostale pulpe šećerne repe pri uvećanju 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), (e) Xylanasae+Cellulase (1:1,5) i (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(studija i slike: Abou-Elseoud et al., 2021)

Kako funkcionira ultrazvučna ekstrakcija pektina?

Ultrazvučna ekstrakcija zasniva se na sonomehaničkim efektima ultrazvuka visokog intenziteta. Radi poticanja i intenziviranja ekstrakcije pektina ultrazvučnom obradom, ultrazvučni talasi velike snage unose se putem ultrazvučne sonde (zvane i ultrazvučni rog ili sonotroda) u tekući medij, tj. suspenziju koju čine sirovina koja sadrži pektin i otapalo. Ultrazvučni talasi putuju kroz tečnost i stvaraju naizmjenične cikluse niskog i visokog pritiska. Tokom ciklusa niskog pritiska nastaju sitni vakuumski mjehurići (tzv. kavitacijski mjehurići), koji rastu tokom nekoliko ciklusa pritiska. Tokom tih ciklusa rasta mjehurića otopljeni plinovi iz tečnosti ulaze u vakuumski mjehurić, tako da se vakuumski mjehurić pretvara u rastući plinski mjehurić. Pri određenoj veličini, kada mjehurići ne mogu apsorbirati više energije, silovito implodiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Implozija mjehurića karakterizirana je intenzivnim kavitacijskim silama, uključujući vrlo visoku temperaturu i pritisak koji dosežu do 4000K, odnosno 1000atm, kao i odgovarajuće visoke temperaturne i tlačne razlike. Ove ultrazvukom stvorene turbulencije i smične sile razbijaju biljne ćelije i oslobađaju intracelularne pektine u otapalo na bazi vode. Budući da ultrazvučna kavitacija stvara vrlo intenzivan prijenos mase, ultrazvučna obrada daje izuzetno visoke prinose u vrlo kratkom vremenu obrade.
Ultrazvučna obrada ne koristi se samo za ekstrakciju pektina, nego i za izolaciju polifenola iz tropa, pulpe, kore i sjemenki voća. Saznajte više ovdje!

Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih ćelija: mikroskopski poprečni presjek (TS) prikazuje mehanizam djelovanja tokom ultrazvučne ekstrakcije iz ćelija (uvećanje 2000x) [izvor: Vilkhu et al. 2011]

Pektini ekstrahirani iz otpada od voća

Otpad od voća, kao što su kore, ostaci voćne pulpe (nakon cijeđenja voćnog soka) i drugi nusproizvodi voća, često su bogati izvori pektina. Iako se otpadni proizvodi od voća često koriste kao hrana za životinje, ekstrakcija pektina je vrjednija upotreba otpada od voća.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina već se uspješno provodi s korama citrusa (poput naranči, mandarina, grejpfruta), korama dinja, tropom jabuke, pulpom šećerne repe, korama manga, otpadom od rajčice, kao i s jackfruitom, marakujom, korama smokava i drugim.

Studije slučaja ultrazvučne ekstrakcije pektina

Zbog nedostataka konvencionalne ekstrakcije pektina toplotom, nauka i industrija već su istražile inovativne alternative kao što je ultrazvučna ekstrakcija. Stoga su dostupne brojne informacije o procesnim parametrima za različite sirovine, kao i podaci o optimizaciji procesa.

Ultrazvučna ekstrakcija pektina iz tropa jabuke

Dranca i Oroian (2019) istražili su proces ekstrakcije pektina iz tropa jabuke uz pomoć ultrazvuka primjenjujući različite ultrazvučne uslove i koristeći Box-Behnken dizajn odzivne površine. Utvrdili su da amplituda ultrazvuka snažno utječe na prinos i stepen esterifikacije ekstrahiranog pektina, dok je pH ekstrakcije imao veliki utjecaj na sva tri odziva, tj. prinos, sadržaj GalA i stepen esterifikacije. Optimalni uslovi za ekstrakciju bili su 100% amplitude, pH 1,8, omjer čvrsto-tečno 1:10 g/mL i 30 min ultrazvučne obrade. Pod tim uslovima prinos pektina iznosio je 9,183%, a sadržaj GalA 98,127 g/100 g, uz stepen esterifikacije od 83,202%. Kako bi se rezultati ultrazvučno ekstrahiranog pektina stavili u odnos s komercijalnim pektinom, uzorak pektina dobiven ultrazvučnom ekstrakcijom pod optimalnim uslovima upoređen je s komercijalnim uzorcima pektina iz citrusa i jabuke pomoću FT-IR, DSC, reološke analize i SEM. Prve dvije tehnike istakle su neke osobitosti uzorka pektina ekstrahiranog ultrazvučnom ekstrakcijom, kao što su uži raspon distribucije molekulske mase, uređen molekulski raspored i visok stepen esterifikacije koji je bio sličan stepenu komercijalno dostupnih pektina iz jabuke. Analiza morfoloških karakteristika ultrazvučno dobivenog uzorka ukazuje na određujući obrazac između distribucije veličina fragmenata ovog uzorka i njegovog sadržaja GalA s jedne strane te kapaciteta upijanja vode s druge strane. Viskoznost otopine ultrazvučno ekstrahiranog pektina bila je mnogo veća nego kod otopina napravljenih od komercijalnog pektina, što je možda posljedica visoke koncentracije galakturonske kiseline. Kada se uzme u obzir i visok stepen esterifikacije, to bi moglo objasniti zašto je viskoznost bila veća kod ultrazvučno ekstrahiranog pektina. Istraživači zaključuju da čistoća, struktura i reološko ponašanje pektina ekstrahiranog ultrazvučnom ekstrakcijom iz tropa jabuke Malus domestica ‘Fălticeni’ ukazuju na obećavajuće primjene ovog topivog vlakna. (usp. Dranca & Oroian 2019)

Visokoperformansni ultrazvučni ekstraktor za proizvodnju pektina

Ultrazvučna ekstrakcija je pouzdana tehnologija obrade koja olakšava i ubrzava proizvodnju visokokvalitetnih pektina iz raznih sirovina, kao što su nusproizvodi i kore citrusa, trop jabuke i mnoge druge. Portfelj kompanije Hielscher Ultrasonics obuhvata cijeli raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih sistema za ekstrakciju. Stoga vam mi iz kompanije Hielscher možemo ponuditi najprikladniji ultrazvučni uređaj za vaš planirani procesni kapacitet. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testova izvodljivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sistema na nivou konačne proizvodnje.
Mala površina koju zauzimaju naši ultrazvučni ekstraktori, kao i njihova raznovrsnost opcija ugradnje, omogućavaju da se uklope čak i u pogone za preradu pektina s malo prostora. Ultrazvučni procesori instalirani su širom svijeta u pogonima za proizvodnju hrane, farmaceutskih proizvoda i dodataka prehrani.

Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Hielscher Ultrasonics – sofisticirana oprema za ekstrakciju

Portfelj proizvoda kompanije Hielscher Ultrasonics obuhvata cijeli raspon visokoperformansnih ultrazvučnih ekstraktora od malih do velikih razmjera. Dodatna oprema omogućava jednostavno sastavljanje najprikladnije konfiguracije ultrazvučnog uređaja za vaš proces ekstrakcije pektina. Optimalna ultrazvučna postavka ovisi o planiranom kapacitetu, zapremini, sirovini, šaržnom ili inline procesu i vremenskom okviru.

Šaržni i inline način rada

Hielscher ultrazvučni uređaji mogu se koristiti za šaržnu i kontinuiranu protočnu obradu. Ultrazvučna šaržna obrada idealna je za testiranje procesa, optimizaciju i proizvodnju male do srednje veličine. Za proizvodnju velikih količina pektina inline obrada može biti povoljnija. Kontinuirani inline proces miješanja zahtijeva sofisticiranu postavku – koju čine pumpa, crijeva ili cijevi i spremnici –, ali je vrlo efikasan, brz i zahtijeva znatno manje rada. Hielscher Ultrasonics ima najprikladniju postavku za ekstrakciju za vašu zapreminu ekstrakcije i ciljeve procesa.

Ultrazvučni ekstraktori za svaki proizvodni kapacitet

Asortiman proizvoda kompanije Hielscher Ultrasonics obuhvata cijeli spektar ultrazvučnih procesora, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilot sistema do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom obrade kamiona tereta na sat. Cjelokupan asortiman omogućava nam da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni ekstraktor za vašu sirovinu koja sadrži pektin, procesni kapacitet i proizvodne ciljeve.
Ultrazvučni stolni sistemi idealni su za testove izvodljivosti i optimizaciju procesa. Linearno povećanje razmjera na osnovu utvrđenih procesnih parametara vrlo olakšava povećanje kapaciteta obrade s manjih serija na potpuno komercijalnu proizvodnju. Povećanje razmjera može se postići ugradnjom snažnije jedinice ultrazvučnog ekstraktora ili povezivanjem više ultrazvučnih uređaja u paralelu. Sa uređajem UIP16000 Hielscher nudi najsnažniji ultrazvučni ekstraktor u svijetu.

Precizno podesive amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrazvučni uređaji precizno su podesivi i stoga su pouzdani radni konji u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na efikasnost i djelotvornost ultrazvučne ekstrakcije pektina iz voća i biootpada.
Svi Hielscher sonikatori omogućavaju precizno podešavanje amplitude. Sonotrode i booster rogovi su dodatna oprema koja omogućava izmjenu amplitude u još širem rasponu. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne primjene. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7.
Precizne postavke amplitude i stalni nadzor ultrazvučnih procesnih parametara putem pametnog softvera daju vam mogućnost da svoju sirovinu obradite najdjelotvornijim ultrazvučnim uslovima. Optimalna ultrazvučna obrada za najbolje rezultate ekstrakcije!
Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućava rad 24/7 pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima. Zbog toga je ultrazvučna oprema kompanije Hielscher pouzdan radni alat koji ispunjava vaše zahtjeve za ekstrakciju.

Jednostavno testiranje bez rizika

Ultrazvučni procesi mogu se potpuno linearno povećavati u razmjeru. To znači da se svaki rezultat koji ste postigli pomoću laboratorijskog ili stolnog ultrazvučnog uređaja može prenijeti na potpuno isti izlaz koristeći potpuno iste procesne parametre. Zbog toga je ultrazvučna obrada idealna za testiranje izvodljivosti bez rizika, optimizaciju procesa i naknadnu implementaciju u komercijalnu proizvodnju. Kontaktirajte nas da saznate kako ultrazvučna obrada može povećati vašu proizvodnju ekstrakta pektina.

Najviši kvalitet – dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao porodično vlasništvo i porodično vođena kompanija, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvaliteta za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrazvučni uređaji dizajniraju se, proizvode i temeljito testiraju u našem sjedištu u Teltowu u blizini Berlina, Njemačka. Robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher čine je radnim konjem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika Hielscher visokoperformansnih miješalica.