Højere pektinudbytter med ultralydsekstraktion

Ultralydsekstraktion giver høje udbytter af pektiner af overlegen kvalitet. Ved hjælp af sonikering kan værdifulde pektiner effektivt fremstilles af frugtaffald (f.eks. biprodukter fra juiceproduktion) og andre biologiske råmaterialer. Ultralydsekstraktion af pektin overgår andre ekstraktionsteknikker ved at give højere udbytter, overlegen pektinkvalitet og en hurtig ekstraktionsprocedure.

Intensiveret pektinekstraktion ved sonikering

Pektin anvendes som geleringsmiddel, emulgator og fortykningsmiddel i talrige fødevarer samt som ingrediens i kosmetik og lægemidler. Konventionel industriel pektinekstraktion udføres ved ekstraktion med varmt vand, hvor råmaterialet, såsom citrusskaller, æblepresserester og andet frugtaffald, udblødes i 60–100°C varmt vand ved lav pH (ca. pH 1,5 – 3,5) i lang tid. Dette gør konventionel ekstraktion med varmt vand til en tids- og energikrævende proces, som ofte ikke engang er effektiv nok til at frigive hele den mængde pektiner, der findes i råmaterialet.
For at overvinde den konventionelle produktionsmetodes ineffektivitet anvendes ultralydsekstraktion som en procesintensiverende teknik, der reducerer ekstraktionstiden og maksimerer pektinudbyttet betydeligt sammenlignet med traditionel ekstraktion med varmt vand.

Fordelen ved ultralydsekstraktion af pektin

Ultralydsekstraktion anvendes inden for mange områder af ekstraktproduktion, f.eks. plante- 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 dermed beskytter de bioaktive forbindelser mod termisk nedbrydning. Alle ultralydsprocesparametre, såsom amplitude, intensitet, tid, temperatur og tryk, kan styres nøjagtigt. Dette muliggør præcis proces- og kvalitetskontrol og gør det nemt at gentage og reproducere tidligere opnåede ekstraktionsresultater. Ekstraktproducenter værdsætter sonikering for processens pålidelige gentagelighed, som hjælper med at standardisere processer og produkter.

 
Find protokollen for den ultralydsekstraktion af pektin fra grapefrugtskal, der demonstreres i videoen ovenfor, her!
 

Fastlæggelse af relevante procesparametre gør det muligt at optimere ultralydsekstraktionsprocessen til den højeste effektivitet og overlegen ekstraktkvalitet.
For eksempel er råmaterialets partikelstørrelse (f.eks. citrusskaller) en vigtig faktor: En mindre partikelstørrelse betyder et større overfladeareal, som ultralydsbølgerne kan virke på. En lille partikelstørrelse giver dermed højere pektinudbytter, en lavere methyleringsgrad og en større andel af rhamnogalakturonanregioner.
Ekstraktionsopløsningsmidlets pH-værdi (dvs. vand + syre) er en anden væsentlig parameter. Når pektin ekstraheres under sure betingelser, nedbrydes mange forgrenede rhamnogalakturonanregioner i polymeren, så der hovedsageligt er “lige” homogalakturonanregioner tilbage med nogle få neutrale sukkermolekyler knyttet til eller indlejret i den lineære hovedkæde.
Ultralydsekstraktion af pektin reducerer ekstraktionstiden og sænker den nødvendige procestemperatur, hvilket reducerer risikoen for uønsket modificering af pektin med syrer. Dette gør det muligt at anvende syrer under begrænsede betingelser for at modificere pektiner præcist efter produktkravene.

Hvad gør ultralydsekstraktion af pektin så effektiv?

Ultralydsekstraktionens påvirkning indvirker direkte på cellevæggenes opsvulmning, perforering og brud. Ultralydsinduceret masseoverførsel medfører hydrering af pektinholdigt materiale i midtlamellen, hvilket fører til nedbrydning af plantevæv. Ultralydskavitation og forskydningskræfter påvirker cellevæggene direkte og bryder dem op. Disse mekanismer giver de meget effektive resultater ved ultralydsekstraktion.

Kemiske analyser og FT-IR-analyser viste, at ultralydsekstraheret pektin (også pektin ekstraheret med hjælp fra akustisk kavitation, forkortet ACAE), som havde lavere molekylvægt og methoxyleringsgrad, var rigere på rhamnogalakturonan-I-regionen med lange sidekæder sammenlignet med konventionelt varmeekstraheret pektin. Energiforbruget ved ultralydsekstraktion af pektin var betydeligt lavere end ved den konventionelle opvarmningsmetode, hvilket indikerer, at metoden er lovende til anvendelse i industriel produktionsskala.
(jf. Wang et al., 2017)
Wang og hans kolleger (2017) understreger også, at ultralydsassisteret ekstraktion har vist sig at være en mere økonomisk og miljøvenlig proces med højere effektivitet og lavere omkostninger sammenlignet med konventionel ekstraktion ved opvarmning.
 

SEM af resterende sukkerroepulp ved 1000x forstørrelse: (a) før ekstraktion og efter ekstraktion af pektin ved hjælp af (b) Xylanasae (250 U/g), (c) cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+cellulase (1:1), (e) Xylanasae+cellulase (1:1,5) og (f) Xylanasae+cellulase (1:2).
(undersøgelse og billeder: Abou-Elseoud et al., 2021)

Hvordan fungerer ultralydsekstraktion af pektin?

Ultralydsekstraktion er baseret på de sonomekaniske virkninger af højintensiv ultralyd. For at fremme og intensivere pektinekstraktion ved sonikering kobles ultralydsbølger med høj effekt ind i det flydende medium via en ultralydssonde (også kaldet ultralydshorn eller sonotrode), dvs. i suspensionen bestående af det pektinholdige råmateriale og opløsningsmidlet. Ultralydsbølgerne bevæger sig gennem væsken og skaber skiftevis lavtryks- og højtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusser dannes bittesmå vakuumbobler (såkaldte kavitationsbobler), som vokser over flere trykcyklusser. Under disse cyklusser med boblevækst trænger de opløste gasser i væsken ind i vakuumboblen, så vakuumboblen omdannes til voksende gasbobler. Ved en bestemt størrelse, når boblerne ikke kan optage mere energi, imploderer de voldsomt under en højtrykscyklus. Bobleimplosionen er kendetegnet ved intense kavitationskræfter, herunder meget høj temperatur og højt tryk, der når op til henholdsvis 4000K og 1000atm, samt tilsvarende store temperatur- og trykforskelle. Disse ultralydsgenererede turbulenser og forskydningskræfter bryder planteceller op og frigiver de intracellulære pektiner til det vandbaserede opløsningsmiddel. Da ultralydskavitation skaber meget intens masseoverførsel, giver sonikering usædvanligt høje udbytter inden for en meget kort behandlingstid.
Sonikering anvendes ikke kun til pektinekstraktion, men også til isolering af polyfenoler fra frugtpresserester, frugtkød, skræller og frø. Læs mere her!

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

Pektiner ekstraheret fra frugtaffald

Frugtaffald såsom skræller, rester af frugtkød (efter presning af frugtjuice) og andre frugtbiprodukter er ofte rige kilder til pektin. Mens frugtaffaldsprodukter ofte bruges som dyrefoder, er pektinekstraktion en mere værdifuld anvendelse af frugtaffald.
Ultralydsekstraktion af pektin udføres allerede med succes med citrusskaller (såsom appelsiner, mandariner og grapefrugter), melonskræller, æblepresserester, sukkerroepulp, mangoskræller, tomataffald samt blandt andet jackfrugt, passionsfrugt og figenskræller.

Casestudier af ultralydsekstraktion af pektin

På grund af ulemperne ved konventionel pektinekstraktion med varme har forskere og industrien allerede undersøgt innovative alternativer såsom ultralydsekstraktion. Der findes derfor omfattende oplysninger om procesparametre for forskellige råmaterialer samt data om procesoptimering.

Ultralydsekstraktion af pektin fra æblepresserester

Dranca og Oroian (2019) undersøgte den ultralydsassisterede ekstraktionsproces for pektin fra æblepresserester under forskellige ultralydsbetingelser og ved hjælp af et Box-Behnken-responsfladedesign. De fandt, at ultralydsamplituden i høj grad påvirker udbyttet og esterificeringsgraden af det ekstraherede pektin, mens ekstraktionens pH havde stor indflydelse på alle tre responsvariabler, dvs. udbytte, GalA-indhold og esterificeringsgrad. De optimale ekstraktionsbetingelser var 100% amplitude, pH på 1,8, et faststof-væske-forhold på 1:10 g/mL og 30 min sonikering. Under disse betingelser var pektinudbyttet 9,183%, og pektinet havde et GalA-indhold på 98,127 g/100 g og en esterificeringsgrad på 83,202%. For at sætte resultaterne for ultralydsekstraheret pektin i relation til kommercielt pektin blev en pektinprøve fremstillet ved ultralydsekstraktion under optimale betingelser sammenlignet med kommercielle citrus- og æblepektinprøver ved hjælp af FT-IR, DSC, reologisk analyse og SEM. De første to teknikker fremhævede nogle særlige egenskaber ved den pektinprøve, der var ekstraheret ved ultralydsekstraktion, såsom det snævrere fordelingsinterval for molekylvægt, den ordnede molekylære struktur og den høje esterificeringsgrad, som svarede til den hos kommercielt tilgængelige æblepektiner. Analysen af de morfologiske egenskaber ved den ultralydsfremstillede prøve indikerer et bestemmende mønster mellem fordelingen af denne prøves fragmentstørrelser og dens GalA-indhold på den ene side og vandoptagelseskapaciteten på den anden side. Viskositeten af den ultralydsekstraherede pektinopløsning var meget højere end viskositeten af opløsninger fremstillet med kommercielt pektin, hvilket muligvis skyldes den høje koncentration af galakturonsyre. Når den høje esterificeringsgrad også tages i betragtning, kan dette muligvis forklare, hvorfor viskositeten var højere for det ultralydsekstraherede pektin. Forskerne konkluderer, at renheden, strukturen og den reologiske adfærd hos pektin ekstraheret ved ultralydsekstraktion fra æblepresserester af Malus domestica ‘Fălticeni’ peger på lovende anvendelser af denne opløselige kostfiber. (jf. Dranca & Oroian 2019)

Højtydende ultralydsekstraktor til pektinproduktion

Ultralydsekstraktion er en pålidelig behandlingsteknologi, som letter og fremskynder fremstillingen af pektiner af høj kvalitet fra forskellige råmaterialer såsom biprodukter og skaller fra citrusfrugter, æblepresserester og mange andre. Hielscher Ultrasonics’ produktportefølje dækker hele spektret fra kompakte ultralydsapparater til laboratorier til industrielle ekstraktionssystemer. Dermed kan vi hos Hielscher tilbyde dig det bedst egnede ultralydsapparat til din planlagte proceskapacitet. Vores medarbejdere med mange års erfaring hjælper dig fra gennemførlighedstest og procesoptimering til installationen af dit ultralydssystem på det endelige produktionsniveau.
Vores ultralydsekstraktorers lille pladsbehov og alsidige installationsmuligheder gør, at de passer ind selv i pektinbehandlingsanlæg med begrænset plads. Ultralydsprocessorer er installeret verden over i produktionsanlæg til fødevarer, lægemidler og kosttilskud.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Hielscher Ultrasonics – avanceret ekstraktionsudstyr

Hielscher Ultrasonics’ produktportefølje dækker hele spektret af højtydende ultralydsekstraktorer fra lille til stor skala. Ekstra tilbehør gør det nemt at sammensætte den bedst egnede konfiguration af ultralydsudstyr til din pektinekstraktionsproces. Den optimale ultralydsopstilling afhænger af den planlagte kapacitet, volumen, råmaterialet, batch- eller inlineprocessen og tidsplanen.

Batch og inline

Hielschers ultralydsapparater kan anvendes til batchbehandling og kontinuerlig gennemstrømningsbehandling. Ultralydsbaseret batchbehandling er ideel til procestest, optimering og produktion i lille til mellemstor skala. Ved produktion af store mængder pektin kan inlinebehandling være mere fordelagtig. En kontinuerlig inlineblandeproces kræver en avanceret opstilling – bestående af en pumpe, slanger eller rør og tanke – men den er meget effektiv, hurtig og kræver betydeligt mindre arbejdskraft. Hielscher Ultrasonics har den bedst egnede ekstraktionsopstilling til dit ekstraktionsvolumen og dine procesmål.

Ultralydsekstraktorer til enhver produktionskapacitet

Hielscher Ultrasonics’ produktsortiment dækker hele spektret af ultralydsprocessorer fra kompakte ultralydsapparater til laboratorier over bord- og pilotsystemer til fuldt industrielle ultralydsprocessorer med kapacitet til at behandle lastbillæs i timen. Det komplette produktsortiment gør det muligt for os at tilbyde dig den bedst egnede ultralydsekstraktor til dit pektinholdige råmateriale, din proceskapacitet og dine produktionsmål.
Ultralydssystemer til bordopstilling er ideelle til gennemførlighedstest og procesoptimering. Lineær opskalering baseret på fastlagte procesparametre gør det meget nemt at øge behandlingskapaciteten fra mindre partier til fuldt kommerciel produktion. Opskalering kan udføres enten ved at installere en kraftigere ultralydsekstraktorenhed eller ved at sammenkoble flere ultralydsapparater parallelt. Med UIP16000 tilbyder Hielscher verdens kraftigste ultralydsekstraktor.

Præcist regulerbare amplituder for optimale resultater

Alle Hielschers ultralydsapparater kan styres præcist og er dermed pålidelige arbejdsheste i produktionen. Amplituden er en af de afgørende procesparametre, som påvirker effektiviteten og virkningen af ultralydsekstraktion af pektin fra frugt og biologisk affald.
Alle Hielschers sonikatorer muliggør præcis indstilling af amplituden. Sonotroder og boosterhorn er tilbehør, der gør det muligt at ændre amplituden inden for et endnu bredere interval. Hielschers industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder og den nødvendige ultralydsintensitet til krævende anvendelser. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift.
Præcise amplitudeindstillinger og løbende overvågning af ultralydsprocesparametrene via intelligent software giver dig mulighed for at behandle dit råmateriale under de mest effektive ultralydsbetingelser. Optimal sonikering for de bedste ekstraktionsresultater!
Hielschers ultralydsudstyrs robusthed muliggør 24/7-drift ved hård belastning og i krævende miljøer. Dette gør Hielschers ultralydsudstyr til et pålideligt arbejdsredskab, som opfylder dine ekstraktionskrav.

Nem, risikofri afprøvning

Ultralydsprocesser kan opskaleres fuldstændig lineært. Det betyder, at ethvert resultat, du har opnået med et ultralydsapparat til laboratorie- eller bordopstilling, kan opskaleres til præcis samme resultat ved brug af præcis de samme procesparametre. Dette gør sonikering ideel til risikofri gennemførlighedstest, procesoptimering og efterfølgende implementering i kommerciel produktion. Kontakt os for at høre, hvordan sonikering kan øge din produktion af pektinekstrakt.

Højeste kvalitet – udviklet og fremstillet i Tyskland

Som en familieejet og familiedrevet virksomhed prioriterer Hielscher de højeste kvalitetsstandarder for sine ultralydsprocessorer. Alle ultralydsapparater udvikles, fremstilles og testes grundigt på vores hovedsæde i Teltow nær Berlin i Tyskland. Hielschers ultralydsudstyrs robusthed og pålidelighed gør det til en arbejdshest i din produktion. 24/7-drift under fuld belastning og i krævende miljøer er en naturlig egenskab ved Hielschers højtydende blandere.