Vyšší výnosy pektinu s ultrazvukovou extrakcí
Ultrazvuková extrakce vede k vysokým výtěžkům pektinů vynikající kvality. Pomocí sonikace lze cenné pektiny efektivně vyrábět z ovocného odpadu (např. Vedlejších produktů ze zpracování šťávy) a dalších biologických surovin. Ultrazvuková extrakce pektinu vyniká jinými extrakčními technikami tím, že produkuje vyšší výtěžky, poskytuje vynikající kvalitu pektinu a rychlý postup extrakce.
Zesílená extrakce pektinu sonikací
Pektin se používá jako želírující, emulgační a zahušťovací činidlo v mnoha potravinářských výrobcích a také jako přísada v kosmetice a léčivech. Konvenční průmyslová extrakce pektinu se provádí pomocí extrakce horkou vodou, kdy se surovina, jako jsou citrusové slupky, jablečné výlisky a další ovocný odpad, namočí na dlouhou dobu do horké vody o teplotě 60–100 °C o nízkém pH (cca pH 1,5 – 3,5). Konvenční extrakce horkou vodou se tak stává časově a energeticky náročným procesem, který často není ani dostatečně účinný, aby uvolnil celé množství pektinů dostupných v surovině.
Aby se překonala neefektivita konvenční výrobní metody, používá se ultrazvuková extrakce jako technika zintenzivňující proces, která zkracuje dobu extrakce a výrazně maximalizuje výtěžek pektinu ve srovnání s tradiční extrakcí horkou vodou.
Výhoda ultrazvukové extrakce pektinu
Ultrazvuková extrakce se používá v mnoha oblastech výroby extraktů, např. botanické a bylinné extrakty pro potraviny, doplňky stravy, léčiva a kosmetiku. Velmi prominentním příkladem ultrazvukové extrakce je extrakce kanabidiolu (CBD) a dalších sloučenin z rostliny konopí.
Ultrazvuková extrakce je netepelná extrakční technika, která tím zabraňuje bioaktivním sloučeninám před tepelnou degradací. Všechny parametry ultrazvukového procesu, jako je amplituda, intenzita, čas, teplota a tlak, lze přesně řídit. To umožňuje přesnou kontrolu procesu a kvality a usnadňuje opakování a reprodukci po získání výsledků extrakce. Výrobci extraktů oceňují ultrazvuku pro spolehlivou opakovatelnost procesu, což pomáhá standardizovat procesy a produkty.
- Intenzita sonikace
- teplota
- Hodnota pH
- Čas
- Velikost částic suroviny
Ultrazvukový extraktor UIP4000hdT je 4kW výkonný extraktor pro průmyslovou výrobu pektinu.
Stanovení příslušných procesních parametrů umožňuje optimalizovat proces ultrazvukové extrakce na nejvyšší účinnost a vynikající kvalitu extraktu.
Například velikost částic suroviny (např. citrusových slupek) je důležitým faktorem: Menší velikost částic znamená větší povrchovou plochu, na kterou mohou ultrazvukové vlny působit. Malá velikost částic má za následek vyšší výtěžky pektinu, nižší stupeň metylace a větší poměr oblastí rhamnogalakturonanu.
Dalším důležitým parametrem je hodnota pH extrakčního rozpouštědla (tj. voda + kyselina). Když je pektin extrahován za kyselých podmínek, mnoho rozvětvených oblastí polymeru rozvětvených rhamnogalakturonanem se rozloží, takže zůstávají převážně homogalakturonanové "rovné" oblasti s několika neutrálními molekulami cukru připojenými na hlavním lineárním řetězci nebo v něm.
Ultrazvuková extrakce pektinu zkracuje dobu extrakce a snižuje požadovanou teplotu procesu, což snižuje možnost nežádoucí modifikace pektinu kyselinami. To umožňuje používat kyseliny ve stísněných podmínkách, aby se pektiny přesně přizpůsobily požadavkům produktu.
Proč je ultrazvuková extrakce pektinu tak účinná?
Dopad ultrazvukové extrakce přímo ovlivňuje bobtnání, perforaci a lámání buněčných stěn. Ultrazvukem indukovaný přenos hmoty způsobuje hydrataci pektinózního materiálu ve střední lamele, což vede k rozpadu rostlinných tkání. Ultrazvukové kavitační a smykové síly přímo ovlivňují buněčné stěny a rozbíjejí je. Tyto mechanismy vedou k vysoce účinným výsledkům ultrazvukové extrakce.
Ultrazvukem extrahovaný pektin (také akustickou kavitací asistovaný extrahovaný pektin, zkratka ACAE), který měl nižší molekulovou hmotnost a stupeň methoxylace, byl bohatší v oblasti rhamnogalakturonanu-I s dlouhými postranními řetězci ve srovnání s konvenčním tepelně extrahovaným pektinem z chemické a FT-IR analýzy. Spotřeba energie na extrakci ulgrasonického pektinu byla výrazně nižší než u konvenční metody ohřevu, což naznačuje její slibné využití v průmyslovém měřítku výroby.
(srov. Wang et al., 2017)
Wang a jeho kolegové (2017) také dokládají, že ultrazvukem asistovaná extrakce se ukázala jako ekonomičtější a ekologičtější proces s vyšší účinností a nižšími náklady ve srovnání s konvenčním vytápěním.
SEM zbytkových řepných řízků cukrové řepy při 1000násobném zvětšení: (a) před extrakcí a po extrakci pektinu pomocí (b) Xylanasae (250 U/g), (c) celuláza (300 U/g), (d) Xylanasae+celuláza (1:1) a (e) Xylanasae+Celuláza (1:1,5) a (f) Xylanasae+Celuláza (1:2).
(studie a obrázky: Abou-Elseoud et al., 2021)
Jak funguje ultrazvuková extrakce pektinu?
Ultrazvuková extrakce je založena na sonomechanických účincích ultrazvuku s vysokou intenzitou. Aby podpořili a zintenzivnili extrakci pektinu ultrazvukem, jsou ultrazvukové vlny s vysokým výkonem spojeny prostřednictvím ultrazvukové sondy (nazývané také ultrazvukový roh nebo sonotroda) do kapalného média, tj. suspenze skládající se ze suroviny obsahující pektin a rozpouštědla. Ultrazvukové vlny se šíří kapalinou a vytvářejí střídavé nízkotlaké / vysokotlaké cykly. Během nízkotlakých cyklů vznikají nepatrné vakuové bubliny (tzv. kavitační bubliny), které rostou v průběhu několika tlakových cyklů. Během těchto cyklů růstu bublin vstupují rozpuštěné plyny v kapalině do vakuové bubliny, takže se vakuová bublina transformuje na rostoucí plynové bubliny. Při určité velikosti, kdy bubliny nemohou absorbovat více energie, během vysokotlakého cyklu prudce implodují. Imploze bublin je charakterizována intenzivními kavitačními silami, včetně velmi vysoké teploty a tlaku dosahujícího až 4000 K a 1000 atm; stejně jako odpovídající vysoké teplotní a tlakové rozdíly. Tyto ultrazvukem generované turbulence a smykové síly rozbíjejí rostlinné buňky a uvolňují intracelulární pektiny do rozpouštědla na bázi vody. Vzhledem k tomu, že ultrazvuková kavitace vytváří velmi intenzivní přenos hmoty, sonikace má za následek výjimečně vysoké výnosy během velmi krátké doby zpracování.
Ultrazvuková extrakce z rostlinných buněk: mikroskopický příčný řez (TS) ukazuje mechanismus účinku při ultrazvukové extrakci z buněk (zvětšení 2000x) [zdroj: Vilkhu et al. 2011]
Ultrazvukový vytahovač šarží UIP2000hdT s kašátkovou rohovinou
Pektiny extrahované z ovocného odpadu
Ovocný odpad, jako jsou slupky, zbytky ovocné dužiny (po lisování ovocné šťávy) a další vedlejší produkty ovoce, jsou často bohatým zdrojem pektinu. Zatímco ovocné odpadní produkty se často používají jako krmivo pro zvířata, extrakce pektinu je cennějším využitím ovocného odpadu.
Ultrazvuková extrakce pektinu se již úspěšně provádí s citrusovými slupkami (jako jsou pomeranče, mandarinky, grapefruity), melounovými slupkami, jablečnými výlisky, dužinou cukrové řepy, mangovými slupkami, rajčatovým odpadem, stejně jako jackfruitem, mučenkou, fíkovou slupkou mimo jiné.
Případové studie ultrazvukové extrakce pektinu
Vzhledem k nevýhodám konvenční extrakce pektinu teplem již výzkum a průmysl zkoumaly inovativní alternativy, jako je ultrazvuková extrakce. Díky tomu je k dispozici velké množství informací o procesních parametrech pro různé suroviny a také údaje o optimalizaci procesů.
Ultrazvuková extrakce pektinu z jablečných výlisků
Dranca a Oroian (2019) zkoumali ultrazvukem asistovaný proces extrakce pektinu z jablečných výlisků za použití různých ultrazvukových podmínek a pomocí povrchového designu Box-Behnkenovy odezvy. Zjistili, že amplituda ultrazvuku silně ovlivňuje výtěžek a stupeň esterifikace extrahovaného pektinu, zatímco extrakční pH mělo velký vliv na všechny tři reakce, tj. výtěžek, obsah GalA a stupeň esterifikace. Optimální podmínky pro extrakci byly 100% amplituda, pH 1,8, poměr pevná látka-kapalina 1:10 g / ml a 30 min sonikace. Za těchto podmínek byl výtěžek pektinu 9,183 % a měl obsah GalA 98,127 g/100 g a 83,202% stupeň esterifikace. Aby se výsledky ultrazvukem extrahovaného pektinu dostaly do vztahu ke komerčnímu pektinu, byl vzorek pektinu získaný ultrazvukovou extrakcí za optimálních podmínek porovnán s komerčními vzorky citrusového a jablečného pektinu pomocí FT-IR, DSC, reologické analýzy a SEM. První dvě techniky zdůraznily některé zvláštnosti vzorku pektinu extrahovaného ultrazvukovou extrakcí, jako je užší distribuční rozsah molekulové hmotnosti, uspořádané molekulární uspořádání a vysoký stupeň esterifikace, který byl podobný jako u komerčně dostupných jablečných pektinů. Analýza morfologických charakteristik ultrazvukem získaného vzorku naznačuje vzorec stanovení mezi distribucí velikostí fragmentů tohoto vzorku a jeho obsahem GalA na jedné straně a kapacitou absorpce vody na straně druhé. Viskozita ultrazvukem extrahovaného roztoku pektinu byla mnohem vyšší než viskozita roztoků vyrobených z komerčního pektinu, což může být způsobeno vysokou koncentrací kyseliny galakturonové. Když také vezmeme v úvahu vysoký stupeň esterifikace, mohlo by to vysvětlovat, proč byla viskozita vyšší u ultrazvukem extrahovaného pektinu. Vědci dospěli k závěru, že čistota, struktura a reologické chování pektinu extrahovaného ultrazvukovou extrakcí z jablečných výlisků Malus domestica 'Fălticeni' naznačuje slibné aplikace této rozpustné vlákniny. (srov. Dranca & Oroian 2019)
- Vyšší výnosy
- rychlejší zpracování
- mírnější podmínky zpracování
- Zlepšená celková efektivita
- jednoduchá a bezpečná obsluha
- Rychlá návratnost investic
Vysoce výkonný ultrazvukový extraktor pro výrobu pektinu
Ultrazvuková extrakce je spolehlivá technologie zpracování, která usnadňuje a urychluje výrobu vysoce kvalitních pektinů různých surovin, jako jsou vedlejší produkty a slupky citrusových plodů, jablečné výlisky a mnoho dalších. Portfolio Hielscher Ultrasonics pokrývá celou řadu od kompaktních laboratorních ultrasonicators až po průmyslové extrakční systémy. Díky tomu vám ve společnosti Hielscher můžeme nabídnout nejvhodnější ultrasonikátor pro vaši předpokládanou procesní kapacitu. Naši dlouholetí zkušení pracovníci vám pomohou od testů proveditelnosti a optimalizace procesů až po instalaci vašeho ultrazvukového systému na úrovni finální výroby.
Díky malé stopě našich ultrazvukových extraktorů a jejich univerzálnosti v možnostech instalace se vejdou i do malých prostor zařízení na zpracování pektinu. Ultrazvukové procesory jsou instalovány po celém světě v potravinářských, farmaceutických a výživových výrobních zařízeních.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Hielscher Ultrasonics – Sofistikované odsávací zařízení
Portfolio produktů Hielscher Ultrasonics pokrývá celou řadu vysoce výkonných ultrazvukových extraktorů od malých až po velké měřítky. Další příslušenství umožňuje snadnou montáž nejvhodnější konfigurace ultrazvukového zařízení pro váš proces extrakce pektinu. Optimální nastavení ultrazvuku závisí na předpokládané kapacitě, objemu, surovině, šarži nebo inline procesu a časovém harmonogramu.
Dávkové a inline
Hielscher ultrasonicators lze použít pro dávkové a kontinuální průtokové zpracování. Ultrazvukové dávkové zpracování je ideální pro testování procesů, optimalizaci a malou až středně velkou úroveň výroby. Pro výrobu velkých objemů pektinu může být výhodnější inline zpracování. Proces kontinuálního inline míchání vyžaduje sofistikované nastavení – Skládá se z čerpadla, hadic nebo potrubí a nádrží -, ale je vysoce účinný, rychlý a vyžaduje výrazně méně práce. Hielscher Ultrasonics má nejvhodnější extrakční nastavení pro váš objem extrakce a cíle procesu.
Ultrazvukové extraktory pro každou kapacitu produktu
Produktová řada Hielscher Ultrasonics pokrývá celé spektrum ultrazvukových procesorů od kompaktních laboratorních ultrasonicators přes stolní a pilotní systémy až po plně průmyslové ultrazvukové procesory s kapacitou pro zpracování nákladních automobilů za hodinu. Kompletní sortiment produktů nám umožňuje nabídnout vám nejvhodnější ultrazvukový extraktor pro vaši surovinu obsahující pektin, procesní kapacitu a výrobní cíle.
Ultrazvukové stolní systémy jsou ideální pro testy proveditelnosti a optimalizaci procesů. Lineární škálování založené na zavedených procesních parametrech umožňuje velmi snadno zvýšit zpracovatelské kapacity od menších šarží až po plně komerční výrobu. Up-scaling lze provést buď instalací výkonnější ultrazvukové extrakční jednotky, nebo shlukováním několika ultrasonikátorů paralelně. S UIP16000 nabízí Hielscher nejvýkonnější ultrazvukový extraktor na světě.
Přesně regulovatelné amplitudy pro optimální výsledky
Všechny Hielscher ultrasonicators jsou přesně ovladatelné a tím spolehlivé pracovní koně ve výrobě. Amplituda je jedním z klíčových parametrů procesu, které ovlivňují účinnost a účinnost ultrazvukové extrakce pektinu z ovoce a biologického odpadu.
Všechny Hielscher sonikátory umožňují přesné nastavení amplitudy. Sonotrody a posilovací rohy jsou příslušenství, které umožňuje upravit amplitudu v ještě širším rozsahu. Hielscher průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy a dodávat požadovanou ultrazvukovou intenzitu pro náročné aplikace. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7.
Přesné nastavení amplitudy a trvalé sledování parametrů ultrazvukového procesu pomocí inteligentního softwaru vám dává možnost zpracovávat surovinu za nejefektivnějších ultrazvukových podmínek. Optimální sonikace pro nejlepší výsledky extrakce!
Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích. Díky tomu je ultrazvukové zařízení Hielscher spolehlivým pracovním nástrojem, který splňuje vaše požadavky na extrakci.
Snadné testování bez rizika
Ultrazvukové procesy lze škálovat zcela lineárně. To znamená, že každý výsledek, kterého jste dosáhli pomocí laboratorního nebo stolního ultrazvuku, lze škálovat na přesně stejný výstup pomocí přesně stejných parametrů procesu. Díky tomu je ultrazvuku ideální pro bezrizikové testování proveditelnosti, optimalizaci procesů a následnou implementaci do komerční výroby. Kontaktujte nás a zjistěte, jak může sonikace zvýšit produkci pektinového extraktu.
Nejvyšší kvalita – Navrženo a vyrobeno v Německu
Jako rodinný podnik Hielscher upřednostňuje nejvyšší standardy kvality svých ultrazvukových procesorů. Všechny ultrasonicators jsou navrženy, vyrobeny a důkladně testovány v našem sídle v Teltow poblíž Berlína v Německu. Robustnost a spolehlivost ultrazvukového zařízení Hielscher z něj činí pracovního koně ve vaší výrobě. Provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu při plném zatížení a v náročných prostředích je přirozenou charakteristikou vysoce výkonných mixérů Hielscher.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
O pektinech
Pektin je rozvětvený heteropolysacharid skládající se z galakturonanových segmentů s dlouhým řetězcem a dalších neutrálních cukrů, jako je rhamnóza, arabinóza, galaktóza a xylóza. Přesněji řečeno, pektin je blok kopolymeru obsahující 1,4-α-vázanou kyselinu galakturonovou a 1,2-vázanou rhamnózu s postranními větvemi β-D-galaktózy, L-arabinózy a dalších cukerných jednotek. Vzhledem k tomu, že v pektinu se nachází několik cukerných skupin a různé úrovně methylesterifikace, pektin nemá definovanou molekulovou hmotnost jako jiné polysacharidy. Pektin, který je určen pro použití v potravinách, je definován jako heteropolysacharid obsahující nejméně 65 % jednotek kyseliny galakturonové. Použitím specifických extrakčních podmínek lze pektiny úspěšně modifikovat a funkcionalizovat tak, aby splňovaly specifické požadavky. Výroba funkcionalizovaných a modifikovaných pektinů je zajímavá pro speciální aplikace, např. nízkomethoxylovaný pektin pro léčiva.
Jak se pektin odděluje od extraktového roztoku?
Srážení pektinu po ultrazvukové extrakci: Přidání etanolu do extrahovaného roztoku může pomoci oddělit pektin procesem zvaným srážení. Pektin, komplexní polysacharid nacházející se v buněčných stěnách rostlin, je za normálních podmínek rozpustný ve vodě. Změnou prostředí rozpouštědla přidáním ethanolu však lze rozpustnost pektinu snížit, což vede k jeho vysrážení z roztoku.
Níže vám vysvětlíme chemii srážení pektinu pomocí etanolu:
- Narušení vodíkových vazeb: Molekuly pektinu jsou drženy pohromadě vodíkovými vazbami, které přispívají k jejich rozpustnosti ve vodě. Ethanol narušuje tyto vodíkové vazby tím, že soutěží s molekulami vody o vazebná místa na molekulách pektinu. Vzhledem k tomu, že molekuly etanolu nahrazují molekuly vody kolem molekul pektinu, vodíkové vazby mezi molekulami pektinu slábnou, čímž se snižuje jejich rozpustnost v rozpouštědle.
- Snížená polarita rozpouštědla: Etanol je méně polární než voda, což znamená, že má nižší schopnost rozpouštět polární látky, jako je pektin. Jak se do extraktového roztoku přidává ethanol, celková polarita rozpouštědla se snižuje, takže je méně příznivé pro to, aby molekuly pektinu zůstaly v roztoku. To vede k vysrážení pektinu z roztoku, protože se stává méně rozpustným ve směsi ethanolu a vody.
- Zvýšená koncentrace pektinu: Jak se molekuly pektinu vysráží z roztoku, koncentrace pektinu ve zbývajícím roztoku se zvyšuje. To umožňuje snadnější oddělení pektinu od kapalné fáze prostřednictvím filtrace nebo centrifugace.
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.