Højere pektinudbytter med ultralydsekstraktion

Ultralydsekstraktion resulterer i høje udbytter af pektiner af overlegen kvalitet. Ved hjælp af sonikering kan værdifulde pektiner effektivt fremstilles af frugtaffald (f.eks. Biprodukter fra juiceforarbejdning) og andet biologisk råmateriale. Ultralydpektinekstraktion udmærker sig ved andre ekstraktionsteknikker ved at producere højere udbytter, hvilket giver overlegen pektinkvalitet og en hurtig ekstraktionsprocedure.

Intensiveret pektinekstraktion ved sonikering

Pektin bruges som gelerings-, emulgerings- og fortykningsmiddel i adskillige fødevarer samt en ingrediens i kosmetik og lægemidler. Konventionel industriel pektinekstraktion sker via varmtvandsekstraktion, hvor råmaterialet såsom citrusskaller, æblepresserester og andet frugtaffald lægges i blød i 60-100 °C varmt vand ved lav pH (ca. pH 1,5 – 3,5) i længere tid. Dette gør konventionel varmtvandsudvinding til en tids- og energikrævende proces, der ofte ikke engang er effektiv nok til at frigive den fulde mængde pektiner, der er tilgængelige i råmaterialet.
For at overvinde ineffektiviteten i den konventionelle produktionsmetode anvendes ultralydsekstraktion som en procesintensiverende teknik, der reducerer ekstraktionstiden og maksimerer pektinudbyttet betydeligt sammenlignet med den traditionelle varmtvandsekstraktion.

Fordelen ved ultralyd pektinekstraktion

Ultralydsekstraktion anvendes inden for mange områder af ekstraktproduktion, f.eks. botaniske og urteekstrakter til fødevarer, kosttilskud, lægemidler og kosmetik. Et meget fremtrædende eksempel på ultralydsekstraktion er ekstraktion af cannabidiol (CBD) og andre forbindelser fra cannabisplanten.
Ultralydsekstraktion er en ikke-termisk ekstraktionsteknik, som derved forhindrer de bioaktive forbindelser mod termisk nedbrydning. Alle ultralydsprocesparametre, såsom amplitude, intensitet, tid, temperatur og tryk, kan styres nøjagtigt. Dette giver mulighed for præcis proces- og kvalitetskontrol og gør det nemt at gentage og reproducere når de opnåede ekstraktionsresultater. Ekstraktproducenter værdsætter ultralydbehandling for den pålidelige procesrepeterbarhed, som hjælper med at standardisere processer og produkter.

 
Find protokollen for ultralydpektinekstraktion fra grapefrugtskal demonstreret i videoen ovenfor her!
 

Bestemmelsen af relevante procesparametre gør det muligt at optimere ultralydsekstraktionsprocessen til højeste effektivitet og overlegen ekstraktkvalitet.
For eksempel er partikelstørrelsen af råmaterialet (f.eks. citrusskaller) en vigtig faktor: En mindre partikelstørrelse betyder et højere overfladeareal, som ultralydsbølgerne kan virke på. En lille partikelstørrelse resulterer derved i højere pektinudbytter, en lavere grad af methylering og større forhold mellem rhamnogalacturonan-regioner.
Ekstraktionsmidlets pH-værdi (dvs. vand + syre) er en anden væsentlig parameter. Når pektin ekstraheres under sure forhold, nedbrydes mange rhamnogalacturonanske forgrenede områder af polymeren, så der hovedsageligt forbliver homogalacturonanske "lige" regioner med nogle få neutrale sukkermolekyler knyttet på eller i den lineære hovedkæde.
Ultralydpektinekstraktion reducerer ekstraktionstiden og sænker den krævede procestemperatur, hvilket reducerer risikoen for uønsket pektinmodifikation af syrer. Dette gør det muligt at bruge syrer under begrænsede forhold for at ændre pektiner præcist til produktets behov.

Hvad gør ultralydspektinekstraktion så effektiv?

Virkningen af ultralydsekstraktion påvirker direkte hævelse, perforering og brud på cellevægge. Ultralydsinduceret masseoverførsel forårsager hydrering af pektinøst materiale i den midterste lamel, hvilket fører til nedbrydning af vegetabilske væv. Ultralydkavitation og forskydningskræfter påvirker direkte cellevægge og bryder dem op. Disse mekanismer resulterer i de meget effektive resultater af ultralydsekstraktion.

Ultralydekstraheret pektin (også akustisk kavitationsassisteret ekstraheret pektin, forkortet ACAE), som havde lavere molekylvægt og grad af methoxylation, var rigere i rhamnogalacturonan-I-regionen med lange sidekæder sammenlignet med konventionel varmeekstraheret pektin fra kemisk og FT-IR-analyse. Energiforbruget til ulgtrasonic pektinekstraktion var betydeligt lavere end den konventionelle opvarmningsmetode, hvilket indikerer dens lovende anvendelse til industriel produktionsskala.
(jf. Wang et al., 2017)
Wang og hans kolleger (2017) understreger også, at ultralydassisteret ekstraktion har vist sig at være en mere økonomisk og miljøvenlig proces med højere effektivitet og lavere omkostninger sammenlignet med konventionel varmeudsugning.
 

SEM af restsukkerroetrævler ved 1000x forstørrelse: a) før ekstraktion og efter ekstraktion af pektin ved hjælp af b) Xylanasae (250 E/g), c) Cellulase (300 U/g), d) Xylanasae+Cellulase (1:1) og e) Xylanasae+Cellulase (1:1.5) og f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(undersøgelse og billeder: Abou-Elseoud et al., 2021)

Hvordan fungerer ultralyd pektinekstraktion?

Ultralydsekstraktion er baseret på de sonomekaniske virkninger af ultralyd med høj intensitet. For at fremme og intensivere pektinekstraktion via ultralydbehandling kobles ultralydbølger med høj effekt via en ultralydssonde (også kaldet ultralydshorn eller sonotrode) ind i det flydende medium, dvs. opslæmningen bestående af det pektinholdige råmateriale og opløsningsmidlet. Ultralydsbølgerne bevæger sig gennem væsken og skaber skiftende lavtryks- / højtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusser skabes små vakuumbobler (såkaldte kavitationsbobler), som vokser over flere trykcyklusser. Under disse cyklusser med boblevækst kommer de opløste gasser i væsken ind i vakuumboblen, så vakuumboblen omdannes til voksende gasbobler. Ved en vis størrelse, når boblerne ikke kan absorbere mere energi, imploderer de voldsomt under en højtrykscyklus. Bobleimplosionen er karakteriseret ved intense kavitationskræfter, herunder meget høj temperatur og tryk, der når op til henholdsvis 4000K og 1000atm; samt tilsvarende høje temperatur- og trykforskelle. Disse ultralydsgenererede turbulenser og forskydningskræfter bryder planteceller op og frigiver de intracellulære pektiner i det vandbaserede opløsningsmiddel. Da ultralydskavitation skaber meget intens masseoverførsel, resulterer sonikering i usædvanligt høje udbytter inden for en meget kort behandlingstid.

Ultralydsekstraktion fra planteceller: det mikroskopiske tværsnit (TS) viser virkningsmekanismen under ultralydsekstraktion fra celler (forstørrelse 2000x) [ressource: Vilkhu et al. 2011]

Pektiner udvundet af frugtaffald

Frugtaffald såsom skræl, frugtkødsrester (efter presning af frugtsaft) og andre frugtbiprodukter er ofte rige pektinkilder. Mens frugtaffaldsprodukter ofte bruges som dyrefoder, er pektinekstraktion en mere værdifuld anvendelse af frugtaffald.
Ultralydpektinekstraktion udføres allerede med succes med citrusskaller (såsom appelsiner, mandariner, grapefrugt), melonskaller, æblepresserester, sukkerroepulp, mangoskaller, tomataffald samt jackfrugt, passionsfrugt, figenskaller blandt andre.

Casestudier af ultralyd pektinekstraktion

På grund af ulemperne ved konventionel pektinekstraktion ved varme har forskning og industri allerede undersøgt innovative alternativer såsom ultralydsekstraktion. Derved er der masser af information om procesparametre for forskellige råmaterialer samt procesoptimeringsdata tilgængelige.

Ultralydsekstraktion af pektin fra æblepresserester

Dranca og Oroian (2019) undersøgte den ultralydsassisterede ekstraktionsproces af pektin fra æblepresserester ved at anvende forskellige ultralydsbetingelser og ved hjælp af Box-Behnken-responsoverfladedesign. De fandt, at ultralydsamplituden i høj grad påvirker udbyttet og graden af esterificering af det ekstraherede pektin, mens ekstraktionens pH havde stor indflydelse på alle tre responser, dvs. udbytte, GalA-indhold og esterificeringsgrad. De optimale betingelser for ekstraktion var 100% amplitude, pH på 1,8, faststof-væske-forhold på 1:10 g / ml og 30 minutters sonikering. Under disse forhold var pektinudbyttet 9,183 % og havde et 98,127 g/100 g GalA-indhold og 83,202 % esterificeringsgrad. For at sætte resultaterne af ultralydekstraheret pektin i forhold til kommercielt pektin blev pektinprøve opnået ved ultralydsekstraktion under optimale forhold sammenlignet med kommercielle citrus- og æblepektinprøver ved FT-IR, DSC, reologisk analyse og SEM. De to første teknikker fremhævede nogle særlige kendetegn ved pektinprøven ekstraheret ved ultralydsekstraktion, såsom det smallere fordelingsområde for molekylvægt, det ordnede molekylære arrangement og den høje grad af esterificering, der lignede den for kommercielt tilgængelige æblepektiner. Analysen af de morfologiske egenskaber ved ultralydsprøven indikerer et bestemmelsesmønster mellem fordelingen af fragmentstørrelserne i denne prøve og dens GalA-indhold på den ene side og vandoptagelseskapaciteten på den anden side. Viskositeten af ultralydekstraheret pektinopløsning var meget højere end for opløsningerne fremstillet ved hjælp af kommercielt pektin, hvilket måske skyldes den høje koncentration af galacturonsyre. Når man også overvejer den høje grad af esterificering, kan dette forklare, hvorfor viskositeten var højere for det ultralydekstraherede pektin. Forskerne konkluderer, at renheden, strukturen og den reologiske opførsel af pektin ekstraheret ved ultralydsekstraktion fra Malus domestica 'Fălticeni' æblepresserester indikerer lovende anvendelser af denne opløselige fiber. (jf. Dranca & Oroian 2019)

Højtydende ultralydsekstraktor til pektinproduktion

Ultralydsekstraktion er en pålidelig behandlingsteknologi, der letter og fremskynder produktionen af pektiner af høj kvalitet, forskellige råmaterialer såsom citrusfrugtbiprodukter og skræl, æblepresserester og mange andre. Hielscher Ultrasonics-porteføljen dækker hele spektret fra kompakte laboratorie-ultralydapparater til industrielle ekstraktionssystemer. Derved kan vi hos Hielscher tilbyde dig den bedst egnede ultralydsapparat til din påtænkte proceskapacitet. Vores mangeårige erfarne medarbejdere hjælper dig fra gennemførlighedstest og procesoptimering til installation af dit ultralydssystem på det endelige produktionsniveau.
Det lille fodaftryk af vores ultralydsekstraktorer samt deres alsidighed i installationsmuligheder gør, at de passer selv ind i pektinbehandlingsfaciliteter med lille plads. Ultralydsprocessorer er installeret over hele verden i produktionsfaciliteter til fødevarer, farmaceutiske og kosttilskud.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: