Hielscher Ultrasonics
Vi vil med glæde diskutere din proces.
Ring til os: +49 3328 437-420
Send os en mail: info@hielscher.com

Ultralyd pektinekstraktion fra frugt og bioaffald

  • Pektiner er et meget hyppigt anvendt fødevaretilsætningsstof, hovedsageligt tilsat for dets geleringsvirkninger.
  • Ultralydsekstraktion øger udbyttet og kvaliteten af pektinekstrakter betydeligt.
  • Sonikering er kendt for sine procesintensiverende virkninger, som allerede anvendes i mangfoldige industrielle processer.

Pektiner og pektinekstraktion

Citrusfrugtaffald såsom skræl og rester efter saftpressning er ideelle til ultralydsekstraktion af pektiner.Pektin er et naturligt kompleks polysaccharid (heteropolysaccharid), der især findes i frugternes cellevægge, især i citrusfrugter og æblepresserester. Højt pektinindhold findes i frugtskaller af både æble- og citrusfrugter. Æblepresserester indeholder 10-15% pektin på tørstofbasis, mens citrusskal indeholder 20-30%. Pektiner er biokompatible, biologisk nedbrydelige og vedvarende og viser gode gelerings- og fortykningsegenskaber, hvilket gør dem til et højt værdsat tilsætningsstof. Pektiner er meget udbredt i fødevarer, kosmetik og farmaceutiske produkter som reologimodifikatorer såsom emulgator, geleringsmiddel, overfladebehandlingsmiddel, stabilisator og fortykningsmiddel.
Konventionel pektinekstraktion til industrielle applikationer udføres ved hjælp af syrekatalyserede processer (ved hjælp af salpetersyre, saltsyre eller svovlsyre). Syrekatalyseret ekstraktion er den mest besøgte proces i industriel pektinproduktion, da de andre ekstraktionsteknikker såsom direkte kogning (60ºC-100ºC) i op til 24 timer og lav pH (1,0-3,0) er langsomme og lave i udbytte og kan forårsage termisk nedbrydning af den ekstraherede fiber, og pektinudbyttet er undertiden begrænset af procesbetingelserne. Den syrekatalyserede ekstraktion har dog også sine ulemper: Den hårde sure behandling forårsager depolymerisering og deesterificering af pektinkæderne, hvilket påvirker pektinkvaliteten negativt. Produktionen af store mængder surt spildevand kræver efterbehandling og dyr genanvendelsesbehandling, hvilket gør processen til en miljøbelastning.

Ultralyd pektin ekstraktion

UIP4000hdT (4kW) ultralydsprocessor til udvinding af pektiner i en industriel inline-proces.Ultralydsekstraktion er en mild, ikke-termisk behandling, der anvendes til mangfoldige fødevareprocesser. Med hensyn til udvinding af pektiner fra frugt og grøntsager producerer sonikering pektin af høj kvalitet. Ultralydekstraherede pektiner udmærker sig ved deres indhold af anhydrouronsyre, methoxyl og calciumpectat samt dets esterificeringsgrad. De milde forhold ved ultralydsekstraktionen forhindrer en termisk nedbrydning af de varmefølsomme pektiner.
Pektinkvalitet og renhed kan variere afhængigt af anhydrogalacturonsyre, esterificeringsgrad, askeindhold af ekstraheret pektin. Pektinet med høj molekylvægt og lavt askeindhold (under 10%) med høj anhydrogalacturonsyre (over 65%) er kendt som pektin af god kvalitet. Da intensiteten af ultralydsbehandlingen kan kontrolleres meget præcist, kan pektinekstraktets egenskaber påvirkes ved at justere amplitude, ekstraktionstemperatur, tryk, retentionstid og opløsningsmiddel.

 

I denne video introducerer vi dig til den meget effektive ultralydsekstraktion af pektin fra grapefrugtskal ved hjælp af sonde-type sonicator UP200Ht. Sonikering er en yderst effektiv metode til fremstilling af pektinudbytter af høj kvalitet fra frugt og grøntsager biprodukter. Ultralydsekstraktion giver højere pektinmængder og overlegen kvalitet inden for en kortere behandlingstid.

Pektinekstraktion fra grapefrugtskal ved hjælp af Sonicator UP200Ht

Video Miniature

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

Ultralydsekstraktion kan køres ved hjælp af forskellige Opløsningsmidler såsom vand, citronsyre, salpetersyreopløsning (HNO3, pH 2,0) eller ammoniumoxalat / oxalsyre, hvilket også gør det muligt at integrere sonikering i eksisterende ekstraktionslinjer (eftermontering).

Ultralydpektinekstrakter udmærker sig ved:

  • høj geleringskapacitet
  • god dispergivitet
  • pektin farve
  • højt calciumpektat
  • mindre nedbrydning
  • miljøvenlig

Frugtaffald som kilde: Højtydende ultralyd er allerede blevet anvendt med succes til at isolere pektiner fra æblepressrester, citrusfrugtskaller (såsom appelsin, citron, grapefrugt), druepresserester, granatæble, sukkerroepulp, dragefrugtskal, figenkaktuskladoder, passionsfrugtskal og mangoskaller.

Pektinudfældning efter ultralydsekstraktion

Tilsætning af ethanol til en ekstraktopløsning kan hjælpe med at adskille pektin gennem en proces kaldet nedbør. Pektin, et komplekst polysaccharid, der findes i planternes cellevægge, er opløseligt i vand under normale forhold. Ved at ændre opløsningsmiddelmiljøet med tilsætning af ethanol kan opløseligheden af pektin imidlertid reduceres, hvilket fører til dets udfældning fra opløsningen.

Kemien bag pektinudfældning ved hjælp af ethanol kan forklares ved tre reaktioner:

  • Forstyrrelse af hydrogenbindinger: Pektinmolekyler holdes sammen af hydrogenbindinger, som bidrager til deres opløselighed i vand. Ethanol forstyrrer disse hydrogenbindinger ved at konkurrere med vandmolekyler om bindingssteder på pektinmolekylerne. Da ethanolmolekyler erstatter vandmolekyler omkring pektinmolekylerne, svækkes hydrogenbindingerne mellem pektinmolekyler, hvilket reducerer deres opløselighed i opløsningsmidlet.
  • Nedsat opløsningsmiddelpolaritet: Ethanol er mindre polært end vand, hvilket betyder, at det har en lavere evne til at opløse polære stoffer som pektin. Når ethanol tilsættes til ekstraktopløsningen, falder opløsningsmidlets samlede polaritet, hvilket gør det mindre gunstigt for pektinmolekyler at forblive i opløsning. Dette fører til udfældning af pektin ud af opløsningen, da det bliver mindre opløseligt i ethanol-vandblandingen.
  • Øget pektinkoncentration: Når pektinmolekyler udfældes ud af opløsningen, øges koncentrationen af pektin i den resterende opløsning. Dette giver mulighed for lettere adskillelse af pektinet fra væskefasen gennem filtrering eller centrifugering.

Udfældning af pektin ved hjælp af ethanol er en enkel og effektiv metode til at isolere pektiner fra ekstraktopløsningen, som er et procestrin, der let kan køres efter ultralydpektinekstraktion. Tilsætningen af ethanol til ekstraktopløsningen ændrer opløsningsmiddelmiljøet på en måde, der reducerer opløseligheden af pektin, hvilket fører til dets udfældning og efterfølgende adskillelse fra opløsningen. Denne teknik bruges almindeligvis til udvinding og oprensning af pektin fra plantematerialer til forskellige industrielle og fødevareapplikationer.

UIP4000hdT flowcelle til inline sonikering i industriel skala

Ultralydsgennemstrømningsreaktor

Anmodning om oplysninger








Fordele:

  • Højere udbytte
  • Bedre kvalitet
  • ikke-termisk
  • reduceret ekstraktionstid
  • Intensivering af processer
  • eftermontering mulig
  • Grøn udvinding

Højtydende ultralydapparater

Hielscher Ultrasonics er din partner til ekstraktionsprocesser fra botaniske stoffer. Uanset om du ønsker ekstrakt små mængder til forskning og analyse eller behandle store mængder til kommerciel produktion, har vi den passende ultralydsekstraktor til dig. Vores ultralydslaboratoriehomogenisatorer samt vores bordplade og industrielle sonikere er robuste, nemme at bruge og bygget til 24/7 drift under fuld belastning. Et bredt udvalg af tilbehør såsom sonotroder (ultralydssonder / horn) med forskellige størrelser og former, flowceller og reaktorer og boostere giver mulighed for den optimale opsætning til din specifikke ekstraktionsproces.
Alle digitale ultralydsmaskiner er udstyret med et farvet berøringsdisplay, integreret SD-kort til automatisk dataprotokol og browserfjernbetjening til omfattende procesovervågning. Med Hielschers sofistikerede ultralydssystemer er en høj processtandardisering og kvalitetskontrol gjort enkel.
Kontakt os i dag for at diskutere kravene til din pektinekstraktionsproces! Vi hjælper dig gerne med vores mangeårige erfaring med ultralydsekstraktion og hjælper dig med at opnå den højeste proceseffektivitet og optimal pektinkvalitet!

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

Batch volumen Flowhastighed Anbefalede enheder
10 til 2000 ml 20 til 400 ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 til 20L 0.2 til 4 l/min UIP2000hdT
10 til 100L 2 til 10 l/min UIP4000
n.a. 10 til 100 l/min UIP16000
n.a. Større klynge af UIP16000

Kontakt os! / Spørg os!

Bed om mere information

Brug venligst nedenstående formular, hvis du ønsker at anmode om yderligere oplysninger om ultralydshomogenisering. Vi vil med glæde tilbyde dig et ultralydssystem, der opfylder dine krav.












Ultralydsekstraktion er en yderst effektiv teknik til at frigive pektiner fra grapefrugtskal. Dette billede viser sonicator UP200HTT, der ekstraherer pektiner fra grapefrugtskal ved hjælp af vand som opløsningsmiddel.

Lab soniker UP200Ht ekstraktion af pektiner fra grapefrugtskal ved hjælp af vand som opløsningsmiddel.

Forskningsresultater af ultralyd pektinekstraktion

Tomataffald: For at undgå lange ekstraktionstider (12-24 timer) i refluksproceduren blev ultralydbehandling anvendt til intensivering af ekstraktionsprocessen med hensyn til tid (15, 30, 45, 60 og 90 minutter). Afhængig af ekstraktionstider er det opnåede pektinudbytte for første ultralydsekstraktionstrin ved temperaturer på 60 ° C og 80 ° C henholdsvis 15,2-17,2% og 16,3-18,5%. Når et andet ultralydsekstraktionstrin blev anvendt, blev udbyttet af pektiner fra tomataffald øget til 34-36% afhængigt af temperaturer og tidspunkter). Det er klart, at ultralydsekstraktion øger brud på tomatcellevægsmatrix, hvilket fører til bedre interaktioner mellem opløsningsmiddel og ekstraheret materiale.
De ultralydekstraherede pektiner kan kategoriseres som højmethoxylpektiner (HM-pektin) med hurtigt hærdende geleringsegenskaber (DE) > 70 %) og en esterificeringsgrad på 73,3-85,4 %. n. Calciumpektatindholdet i ultralydekstraheret pektin blev målt mellem 41,4 % og 97,5 % afhængigt af ekstraktionsparametre (temperatur og tid). Ved højere temperatur ved ultralydsekstraktion er calciumpektatindholdet højere (91-97%) og udgør som sådan en vigtig parameter for pektingeleringsevne sammenlignet med konventionel ekstraktion.
Konventionel opløsningsmiddelekstraktion i en varighed på 24 timer giver lignende pektinudbytter sammenlignet med 15 minutters ultralydsekstraktionsbehandling. Med hensyn til opnåede resultater kan det konkluderes, at ultralydsbehandling reducerer ekstraktionstiden bemærkelsesværdigt. NMR- og FTIR-spektroskopien bekræfter eksistensen af overvejende esterificeret pektin i alle undersøgte prøver. [Grassino et al. 2016]

Passionsfrugtskal: Ekstraktionsudbyttet, galacturonsyre og esterificeringsgrad blev betragtet som indikatorer for ekstraktionseffektiviteten. højeste udbytte af pektin opnået ved ultralydsassisteret ekstraktion var 12,67 % (ekstraktionsbetingelser 85 ° C, 664 W / cm2, pH 2,0 og 10 min). Under de samme forhold blev der udført en konventionel varmeudsugning, og resultatet var 7,95%. Disse resultater er i overensstemmelse med andre undersøgelser, som rapporterer den korte tid til effektiv ekstraktion af polysaccharider, herunder pektin, hemicelluloser og andre vandopløselige polysaccharider, assisteret af ultralyd. Det blev også observeret, at ekstraktionsudbyttet steg 1,6 gange, når ekstraktionen blev assisteret af ultralyd. De opnåede resultater viste, at ultralyd var en effektiv og tidsbesparende teknik til ekstraktion af pektin fra passionsfrugtskal. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Figenkaktus Cladodes: Ultralydsassisteret ekstraktion (UAE) af pektin fra Opuntia ficus indica (OFI) kladoder efter fjernelse af slim blev forsøgt ved hjælp af responsoverflademetoden. Procesvariablerne blev optimeret af det isovariante centrale kompositdesign for at forbedre pektinekstraktionsudbyttet. Den optimale tilstand var: sonikeringstid 70 min, temperatur 70, pH 1,5 og vand-materiale-forholdet 30 ml / g. Denne betingelse blev valideret, og udførelsen af eksperimentel ekstraktion var 18,14 % ± 1,41 %, hvilket var tæt forbundet med den forudsagte værdi (19,06 %). Ultralydsekstraktion præsenterer således et lovende alternativ til konventionel ekstraktionsproces takket være dens høje effektivitet, som blev opnået på kortere tid og ved lavere temperaturer. Pektinet ekstraheret ved ultralydsekstraktion fra OFI-kladoder (UAEPC) har en lav grad af esterificering, højt uronsyreindhold, vigtige funktionelle egenskaber og god antiradikal aktivitet. Disse resultater taler for brugen af UAEPC som potentielt tilsætningsstof i fødevareindustrien. [Bayar et al. 2017]

Drue presserester: I forskningspapiret "Ultralydsassisteret ekstraktion af pektiner fra druepresserester ved hjælp af citronsyre: En responsoverflademetodisk tilgang" bruges sonikering til at ekstrahere pektiner fra druepresserester med citronsyre som ekstraktionsmiddel. I henhold til Response Surface Methodology kan det højeste pektinudbytte (∼32,3%) opnås, når ultralydsekstraktionsprocessen udføres ved 75 ° C i 60 minutter ved hjælp af en citronsyreopløsning med pH 2,0. Disse pektiske polysaccharider, der hovedsageligt består af galacturonsyreenheder (∼97% af det samlede sukkerindhold), har en gennemsnitlig molekylvægt på 163,9 kDa og en esterificeringsgrad (DE) på 55,2 %.
Overflademorfologien af sonikeret druepresserester viser, at sonikering spiller en vigtig rolle i nedbrydning af det vegetabilske væv og forbedring af ekstraktionsudbyttet. Udbyttet opnået efter ultralydsekstraktion af pektiner ved hjælp af de optimale betingelser (75 ° C, 60 min, pH 2,0) var 20% højere end det udbytte, der blev opnået, når ekstraktionen blev udført under anvendelse af de samme betingelser for temperatur, tid og pH, men uden ultralydshjælp. Derudover udviste pektiner fra ultralydsekstraktion også en højere gennemsnitlig molekylvægt. [Minjares-Fuentes et al. 2014]

Hielscher Ultrasonics hjælper dig fra første test til kommercialisering af din applikation.

Fra gennemførlighedstest til procesoptimering og industriel installation – Hielscher Ultrasonics er din partner til vellykkede ultralydsprocesser!

Litteratur/Referencer



Fakta, der er værd at vide

pektin

Pektin er et naturligt forekommende heteropolysaccharid, som hovedsageligt findes i frugter som æblepresserester og citrusfrugter. Pektiner, også kendt som pektiske polysaccharider, er rige på galacturonsyre. Inden for den pektiske gruppe er der identificeret flere forskellige polysaccharider. Homogalacturonaner er lineære kæder af α-(1-4)-bundet D-galacturonsyre. Substituerede galacturonaner er kendetegnet ved tilstedeværelsen af saccharid-afhængige rester (såsom D-xylose eller D-apiose i de respektive tilfælde af xylogalacturonan og apiogalacturonan), der forgrener sig fra en rygrad af D-galacturonsyrerester. Rhamnogalacturonan I-pektiner (RG-I) indeholder en rygrad af det gentagne disaccharid: 4)-α-D-galacturonsyre-(1,2)-α-L-rhamnose-(1. Mange rhamnoserester har sidekæder af forskellige neutrale sukkerarter. De neutrale sukkerarter er hovedsageligt D-galactose, L-arabinose og D-xylose. Typerne og proportionerne af neutrale sukkerarter varierer med pektinets oprindelse.
En anden strukturel type pektin er rhamnogalacturonan II (RG-II), som er et komplekst, stærkt forgrenet polysaccharid og sjældnere fundet i naturen. Rygraden i rhamnogalacturonan II består udelukkende af D-galacturonsyreenheder. Isoleret pektin har en molekylvægt på typisk 60.000-130.000 g/mol, varierende med oprindelse og ekstraktionsbetingelser.
Pektiner er et vigtigt tilsætningsstof med mange anvendelser i fødevarer, lægemidler såvel som i andre industrier. Brugen af pektiner er baseret på dens høje evne til at danne gel i nærvær af Ca2+ ioner eller et opløst stof ved lav pH. Der er to former for pektiner: lav-methoxylpektin (LMP) og høj-methoxylpektin (HMP). De to typer pektin er kendetegnet ved deres methyleringsgrad (DM). I afhængighed af methylathion kan pektin enten være højt methoxypektin (DM>50) eller lavt methoxypektin (DM<50). Højt methoxypektin er kendetegnet ved dets evne til at danne geler i et surt medium (pH 2,0-3,5) under den forudsætning, at saccharose i en koncentration på mindst 55 vægt% eller højere er til stede. Lavt methoxypektin kan danne geler over et større pH-område (2,0-6,0) i nærvær af en divalent ion, såsom calcium.
Med hensyn til gelering af pectin med højt methoxyl, sker tværbindingen af pektinmolekyler på grund af hydrogenbindinger og hydrofobe interaktioner mellem molekylerne. Med lav-methoxylpektin opnås gelering fra ionbindingen via calciumbroer mellem to carboxylgrupper, der tilhører to forskellige kæder i umiddelbar nærhed af hinanden.
Faktorer som pH, tilstedeværelse af andre opløste stoffer, molekylestørrelse, grad af metoxylation, antal og placering af sidekæder og ladningstæthed på molekylet påvirker pektins geleringsegenskaber. Der skelnes mellem to typer pektiner med hensyn til dets opløselighed. Der er vandopløseligt eller frit pektin og vanduopløseligt pektin. Pektins vandopløselighed er relateret til dets polymerisationsgrad og mængden og placeringen af methoxylgrupper. Generelt øges pektins vandopløselighed med faldende molekylvægt og stigninger i esterificerede carboxylgrupper. Imidlertid påvirker pH, temperatur og typen af opløst stof også opløseligheden.
Kvaliteten af pektin, hvis det anvendes kommercielt, bestemmes normalt mere af dets dispergerbarhed end af dets absolutte opløselighed. Når tørt pulveriseret pektin tilsættes til vand, er det kendt at danne såkaldte “Fiskeøjne”. Disse fiskeøjne er klumper, der dannes på grund af den hurtige hydrering af pulveret. “Fiskeøje” Klumper har en tør, ubefugtet pektinkerne, som er belagt med et meget hydreret ydre lag af vådt pulver. Sådanne klumper er svære at våde ordentligt, og de spredes kun meget langsomt.

Brug af pektiner

I fødevareindustrien tilsættes pektin til marmelade, frugtpålæg, syltetøj, gelé, drikkevarer, saucer, frosne fødevarer, konfekture og bageriprodukter. Pektin bruges i konfekturegelé for at give en god gelstruktur, et rent bid og for at give en god smagsfrigivelse. Pektin bruges også til at stabilisere sure proteindrikke, såsom at drikke yoghurt, for at forbedre tekstur, mundfølelse og frugtkødsstabilitet i juicebaserede drikkevarer og som fedterstatning i bagværk. For kaloriereduceret / kaloriefattig tilsættes pektiner som fedt- og/eller sukkererstatning.
I medicinalindustrien bruges det til at reducere kolesterolniveauet i blodet og gastrointestinale lidelser.
Andre industrielle anvendelser af pektin omfatter dets anvendelse i spiselige film, som emulsionsstabilisator til vand/olie-emulsioner, som reologimodifikator og blødgøringsmiddel, som størrelsesmiddel til papir og tekstiler osv.

Kilder til pektin

Selvom pektin kan findes i cellevæggene hos de fleste planter, er æblepresserester og appelsinskal de to vigtigste kilder til kommercielt producerede pektiner, da deres pektiner er af høj kvalitet. Andre kilder viser ofte dårlig geleringsadfærd. I frugter, udover æble og citrus, er ferskner, abrikoser, pærer, guavaer, kvæder, blommer og stikkelsbær kendt for deres høje mængde pektin. Blandt grøntsager er tomater, gulerødder og kartofler kendt for deres høje pektinindhold.

tomat

Millioner af tons tomater (Lycopersicon esculentum Mill.) forarbejdes årligt for at producere produkter som tomatsaft, pasta, puré, ketchup, sauce og salsa, hvilket resulterer i generering af store mængder affald. Tomataffald, der opnås efter presning af tomat, består af 33% frø, 27% skind og 40% frugtkød, mens tørret tomatpresserester indeholder 44% frø og 56% frugtkød og skind. Tomataffald er en god kilde til at producere pektiner.

Vi vil med glæde diskutere din proces.

Let's get in contact.