Höhere Pektinausbeuten durch Ultraschallextraktion

Die Ultraschallextraktion liefert hohe Ausbeuten an Pektinen von hervorragender Qualität. Durch Ultraschallbehandlung lassen sich wertvolle Pektine effizient aus Obstabfällen (z. B. Nebenprodukten der Saftverarbeitung) und anderen biologischen Rohstoffen gewinnen. Die Ultraschallextraktion von Pektin übertrifft andere Extraktionsverfahren durch höhere Ausbeuten, eine bessere Pektinqualität und einen schnellen Extraktionsprozess.

Intensivierte Pektinextraktion durch Ultraschallbehandlung

Pektin wird in zahlreichen Lebensmitteln als Gelier-, Emulgier- und Verdickungsmittel sowie als Inhaltsstoff in Kosmetika und Pharmazeutika eingesetzt. Die konventionelle industrielle Pektinextraktion erfolgt durch Heißwasserextraktion. Dabei werden Rohstoffe wie Zitrusschalen, Apfeltrester und andere Obstabfälle über einen langen Zeitraum in 60–100°C heißem Wasser bei niedrigem pH-Wert (etwa pH 1,5 – 3,5) eingeweicht. Dadurch ist die konventionelle Heißwasserextraktion ein zeit- und energieaufwendiger Prozess, der häufig nicht einmal effizient genug ist, um die gesamte im Rohstoff vorhandene Pektinmenge freizusetzen.
Um die Ineffizienz des konventionellen Herstellungsverfahrens zu überwinden, wird die Ultraschallextraktion als Verfahren zur Prozessintensivierung eingesetzt. Gegenüber der herkömmlichen Heißwasserextraktion verkürzt sie die Extraktionszeit und maximiert die Pektinausbeute deutlich.

Der Vorteil der Ultraschallextraktion von Pektin

Die Ultraschallextraktion wird in vielen Bereichen der Extraktherstellung eingesetzt, z. B. zur Herstellung von Pflanzen- und Kräuterextrakten für Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel, Pharmazeutika und Kosmetika. Ein besonders bekanntes Beispiel ist die Extraktion von Cannabidiol (CBD) und anderen Verbindungen aus der Cannabispflanze.
Die Ultraschallextraktion ist ein nichtthermisches Extraktionsverfahren und schützt dadurch bioaktive Verbindungen vor thermischem Abbau. Alle Ultraschallprozessparameter wie Amplitude, Intensität, Zeit, Temperatur und Druck lassen sich exakt steuern. Dies ermöglicht eine präzise Prozess- und Qualitätskontrolle und erleichtert es, einmal erzielte Extraktionsergebnisse zu wiederholen und zu reproduzieren. Extrakthersteller schätzen die Ultraschallbehandlung wegen ihrer zuverlässigen Prozesswiederholbarkeit, die zur Standardisierung von Prozessen und Produkten beiträgt.

 
Hier finden Sie das im obigen Video gezeigte Protokoll zur Ultraschallextraktion von Pektin aus Grapefruitschalen!
Die Bestimmung relevanter Prozessparameter ermöglicht es, den Ultraschallextraktionsprozess auf höchste Effizienz und hervorragende Extraktqualität zu optimieren.
So ist beispielsweise die Partikelgröße des Rohstoffs (z. B. Zitrusschalen) ein wichtiger Faktor: Eine kleinere Partikelgröße bedeutet eine größere Oberfläche, auf die die Ultraschallwellen einwirken können. Eine geringe Partikelgröße führt somit zu höheren Pektinausbeuten, einem niedrigeren Methylierungsgrad und einem größeren Anteil an Rhamnogalacturonan-Bereichen.
Der pH-Wert des Extraktionslösungsmittels (d. h. Wasser + Säure) ist ein weiterer wesentlicher Parameter. Wird Pektin unter sauren Bedingungen extrahiert, werden viele verzweigte Rhamnogalacturonan-Bereiche des Polymers abgebaut, sodass hauptsächlich „geradkettige“ Homogalacturonan-Bereiche mit wenigen neutralen Zuckermolekülen verbleiben, die an die lineare Hauptkette gebunden oder in sie eingebaut sind.
Die Ultraschallextraktion von Pektin verkürzt die Extraktionszeit und senkt die erforderliche Prozesstemperatur. Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Veränderung des Pektins durch Säuren. So können Säuren unter begrenzten Bedingungen eingesetzt werden, um Pektine gezielt entsprechend den Produktanforderungen zu modifizieren.

Was macht die Ultraschallextraktion von Pektin so effizient?

Die Ultraschallextraktion wirkt unmittelbar auf das Quellen, die Perforation und das Aufbrechen von Zellwänden. Der durch Ultraschall induzierte Stofftransport bewirkt die Hydratisierung des pektinhaltigen Materials in der Mittellamelle und führt dadurch zum Aufbrechen pflanzlicher Gewebe. Ultraschallkavitation und Scherkräfte wirken direkt auf die Zellwände ein und brechen sie auf. Diese Mechanismen ermöglichen die hocheffizienten Ergebnisse der Ultraschallextraktion.

Chemische Analysen und FT-IR-Analysen zeigten, dass mittels Ultraschall extrahiertes Pektin (auch durch akustische Kavitation unterstützt extrahiertes Pektin, abgekürzt ACAE) im Vergleich zu konventionell durch Wärme extrahiertem Pektin ein geringeres Molekulargewicht und einen niedrigeren Methoxylierungsgrad aufwies und reicher an Rhamnogalacturonan-I-Bereichen mit langen Seitenketten war. Der Energieverbrauch der Ultraschallextraktion von Pektin war deutlich niedriger als beim konventionellen Erhitzungsverfahren, was auf eine vielversprechende Anwendung im industriellen Produktionsmaßstab hindeutet.
(vgl. Wang et al., 2017)
Wang und seine Kollegen (2017) bekräftigen außerdem, dass sich die ultraschallunterstützte Extraktion gegenüber der konventionellen Wärmeextraktion als wirtschaftlicheres und umweltfreundlicheres Verfahren mit höherer Effizienz und geringeren Kosten erwiesen hat.

REM-Aufnahmen der verbleibenden Zuckerrübenschnitzel bei 1000-facher Vergrößerung: (a) vor der Extraktion sowie nach der Pektinextraktion mit (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), (e) Xylanasae+Cellulase (1:1,5) und (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(Studie und Bilder: Abou-Elseoud et al., 2021)

Wie funktioniert die Ultraschallextraktion von Pektin?

Die Ultraschallextraktion beruht auf den sonomechanischen Effekten von hochintensivem Ultraschall. Um die Pektinextraktion durch Ultraschallbehandlung zu fördern und zu intensivieren, werden leistungsstarke Ultraschallwellen über eine Ultraschallsonde (auch Ultraschallhorn oder Sonotrode genannt) in das flüssige Medium eingekoppelt, also in die Suspension aus dem pektinhaltigen Rohstoff und dem Lösungsmittel. Die Ultraschallwellen breiten sich durch die Flüssigkeit aus und erzeugen abwechselnde Niederdruck- und Hochdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen (sogenannte Kavitationsblasen), die über mehrere Druckzyklen hinweg wachsen. Während dieser Wachstumszyklen gelangen die in der Flüssigkeit gelösten Gase in die Vakuumblasen, sodass sich diese in wachsende Gasblasen umwandeln. Ab einer bestimmten Größe, wenn die Blasen keine weitere Energie aufnehmen können, implodieren sie während eines Hochdruckzyklus heftig. Die Blasenimplosion ist durch intensive Kavitationskräfte gekennzeichnet, darunter sehr hohe Temperaturen und Drücke von bis zu 4000K beziehungsweise 1000atm sowie entsprechend hohe Temperatur- und Druckunterschiede. Diese durch Ultraschall erzeugten Turbulenzen und Scherkräfte brechen Pflanzenzellen auf und setzen die intrazellulären Pektine in das wasserbasierte Lösungsmittel frei. Da Ultraschallkavitation einen äußerst intensiven Stofftransport bewirkt, erzielt die Beschallung außergewöhnlich hohe Ausbeuten innerhalb sehr kurzer Verarbeitungszeiten.
Die Ultraschallbehandlung wird nicht nur zur Pektinextraktion eingesetzt, sondern auch zur Isolierung von Polyphenolen aus Obsttrester, Fruchtfleisch, Schalen und Kernen. Lesen Sie hier mehr!

Ultraschallextraktion aus Pflanzenzellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkmechanismus bei der Ultraschallextraktion aus Zellen (2000-fache Vergrößerung) [Quelle: Vilkhu et al. 2011]

Aus Obstabfällen extrahierte Pektine

Obstabfälle wie Schalen, Fruchtfleischrückstände nach dem Auspressen von Fruchtsaft und andere Obstnebenprodukte sind häufig reichhaltige Pektinquellen. Während Obstabfälle oft als Tierfutter verwendet werden, stellt die Pektinextraktion eine höherwertige Nutzung dieser Abfälle dar.
Die Ultraschallextraktion von Pektin wird bereits erfolgreich mit Zitrusschalen (etwa von Orangen, Mandarinen und Grapefruits), Melonenschalen, Apfeltrester, Zuckerrübenschnitzeln, Mangoschalen, Tomatenabfällen sowie unter anderem mit Jackfrucht, Passionsfrucht und Feigenschalen durchgeführt.

Fallstudien zur Ultraschallextraktion von Pektin

Aufgrund der Nachteile der konventionellen Pektinextraktion durch Wärme haben Forschung und Industrie bereits innovative Alternativen wie die Ultraschallextraktion untersucht. Daher stehen umfangreiche Informationen zu Prozessparametern für verschiedene Rohstoffe sowie Daten zur Prozessoptimierung zur Verfügung.

Ultraschallextraktion von Pektin aus Apfeltrester

Dranca und Oroian (2019) untersuchten die ultraschallunterstützte Extraktion von Pektin aus Apfeltrester unter verschiedenen Ultraschallbedingungen und anhand eines Box-Behnken-Versuchsplans zur Untersuchung der Wirkungsflächen. Sie stellten fest, dass die Ultraschallamplitude die Ausbeute und den Veresterungsgrad des extrahierten Pektins stark beeinflusst, während der pH-Wert bei der Extraktion einen großen Einfluss auf alle drei Zielgrößen hatte, also auf die Ausbeute, den GalA-Gehalt und den Veresterungsgrad. Die optimalen Extraktionsbedingungen waren eine Amplitude von 100%, ein pH-Wert von 1,8, ein Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis von 1:10 g/mL und eine Beschallungsdauer von 30 min. Unter diesen Bedingungen betrug die Pektinausbeute 9,183%; das Pektin wies einen GalA-Gehalt von 98,127 g/100 g und einen Veresterungsgrad von 83,202% auf. Um die Ergebnisse für das mittels Ultraschall extrahierte Pektin mit handelsüblichem Pektin in Beziehung zu setzen, wurde die unter optimalen Bedingungen durch Ultraschallextraktion gewonnene Pektinprobe mittels FT-IR, DSC, rheologischer Analyse und REM mit handelsüblichen Zitrus- und Apfelpektinproben verglichen. Die ersten beiden Verfahren zeigten einige Besonderheiten der durch Ultraschallextraktion gewonnenen Pektinprobe auf, etwa die engere Molekulargewichtsverteilung, die geordnete molekulare Anordnung und den hohen Veresterungsgrad, der dem handelsüblicher Apfelpektine ähnelte. Die Analyse der morphologischen Eigenschaften der mittels Ultraschall gewonnenen Probe deutet auf ein bestimmendes Beziehungsmuster zwischen der Verteilung ihrer Fragmentgrößen und ihrem GalA-Gehalt einerseits sowie der Wasseraufnahmekapazität andererseits hin. Die Viskosität der Lösung des mittels Ultraschall extrahierten Pektins war wesentlich höher als die der mit handelsüblichem Pektin hergestellten Lösungen, möglicherweise aufgrund der hohen Galacturonsäurekonzentration. Unter zusätzlicher Berücksichtigung des hohen Veresterungsgrades könnte dies erklären, warum die Viskosität beim mittels Ultraschall extrahierten Pektin höher war. Die Forschenden kommen zu dem Schluss, dass Reinheit, Struktur und rheologisches Verhalten des durch Ultraschallextraktion aus Apfeltrester von Malus domestica ‚Fălticeni‘ gewonnenen Pektins auf vielversprechende Anwendungen dieses löslichen Ballaststoffs hindeuten. (vgl. Dranca & Oroian 2019)

Hochleistungs-Ultraschallextraktor für die Pektinproduktion

Die Ultraschallextraktion ist eine zuverlässige Verarbeitungstechnologie, die die Herstellung hochwertiger Pektine aus verschiedenen Rohstoffen wie Nebenprodukten und Schalen von Zitrusfrüchten, Apfeltrester und vielen weiteren erleichtert und beschleunigt. Das Portfolio von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu industriellen Extraktionssystemen ab. Dadurch können wir bei Hielscher Ihnen das für Ihre angestrebte Verarbeitungskapazität am besten geeignete Ultraschallgerät anbieten. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeitenden unterstützen Sie von Machbarkeitsversuchen und der Prozessoptimierung bis zur Installation Ihres Ultraschallsystems im endgültigen Produktionsmaßstab.
Der geringe Platzbedarf unserer Ultraschallextraktoren und ihre vielseitigen Installationsmöglichkeiten ermöglichen den Einsatz auch in Pektinverarbeitungsanlagen mit begrenztem Raumangebot. Ultraschallprozessoren sind weltweit in Produktionsanlagen für Lebensmittel, Pharmazeutika und Nahrungsergänzungsmittel installiert.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Hielscher Ultrasonics – Ausgereifte Extraktionstechnik

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics umfasst das gesamte Spektrum leistungsstarker Ultraschallextraktoren für kleine bis große Maßstäbe. Zusätzliches Zubehör ermöglicht die einfache Zusammenstellung der für Ihren Pektinextraktionsprozess am besten geeigneten Ultraschallgerätekonfiguration. Der optimale Ultraschallaufbau hängt von der angestrebten Kapazität, dem Volumen, dem Rohstoff, der Verarbeitung im Batch- oder Inline-Verfahren und dem Zeitplan ab.

Batch- und Inline-Verarbeitung

Ultraschallgeräte von Hielscher können für die chargenweise Verarbeitung und die kontinuierliche Durchflussverarbeitung eingesetzt werden. Die chargenweise Ultraschallbehandlung ist ideal für Prozessversuche, Optimierungen und die Produktion in kleinem bis mittlerem Maßstab. Für die Herstellung großer Pektinmengen kann die Inline-Verarbeitung vorteilhafter sein. Ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess erfordert einen durchdachten Aufbau – bestehend aus einer Pumpe, Schläuchen oder Rohren und Tanks –, ist jedoch hocheffizient, schnell und mit deutlich geringerem Arbeitsaufwand verbunden. Hielscher Ultrasonics bietet den für Ihr Extraktionsvolumen und Ihre Prozessziele am besten geeigneten Extraktionsaufbau.

Ultraschallextraktoren für jede Produktionskapazität

Das Produktsortiment von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum der Ultraschallprozessoren ab: von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tischgeräte und Pilotanlagen bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren, die Lkw-Ladungen pro Stunde verarbeiten können. Dank dieses umfassenden Produktsortiments können wir Ihnen den für Ihren pektinhaltigen Rohstoff, Ihre Verarbeitungskapazität und Ihre Produktionsziele am besten geeigneten Ultraschallextraktor anbieten.
Ultraschall-Tischsysteme sind ideal für Machbarkeitsversuche und die Prozessoptimierung. Die lineare Maßstabsvergrößerung auf Basis etablierter Prozessparameter macht es sehr einfach, die Verarbeitungskapazität von kleineren Chargen bis zur vollständig kommerziellen Produktion zu steigern. Die Maßstabsvergrößerung kann entweder durch die Installation eines leistungsstärkeren Ultraschallextraktors oder durch die Parallelschaltung mehrerer Ultraschallgeräte erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschallextraktor.

Präzise steuerbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Ultraschallgeräte von Hielscher lassen sich präzise steuern und sind dadurch zuverlässige Arbeitspferde in der Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, die die Effizienz und Wirksamkeit der Ultraschallextraktion von Pektin aus Obst- und Bioabfällen beeinflussen.
Alle Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen eine präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Boosterhörner sind Zubehörteile, mit denen sich die Amplitude in einem noch größeren Bereich verändern lässt. Industrielle Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die für anspruchsvolle Anwendungen erforderliche Ultraschallintensität. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos dauerhaft im 24/7-Betrieb einsetzen.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die kontinuierliche Überwachung der Ultraschallprozessparameter durch intelligente Software ermöglichen es Ihnen, Ihren Rohstoff unter den wirksamsten Ultraschallbedingungen zu behandeln. Optimale Beschallung für beste Extraktionsergebnisse!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen. Damit sind die Ultraschallgeräte von Hielscher zuverlässige Arbeitsgeräte, die Ihre Extraktionsanforderungen erfüllen.

Einfache, risikofreie Versuche

Ultraschallprozesse lassen sich vollständig linear skalieren. Das bedeutet, dass sich jedes Ergebnis, das Sie mit einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät erzielt haben, unter exakt denselben Prozessparametern auf einen größeren Maßstab übertragen lässt, wobei genau das gleiche Ergebnis erzielt wird. Damit eignet sich die Ultraschallbehandlung ideal für risikofreie Machbarkeitsversuche, die Prozessoptimierung und die anschließende Umsetzung in der kommerziellen Fertigung. Kontaktieren Sie uns, um zu erfahren, wie Ultraschallbehandlung Ihre Pektinextraktproduktion steigern kann.

Höchste Qualität – Entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als Unternehmen in Familienbesitz und unter Familienführung setzt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden an unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin, Deutschland, entwickelt, gefertigt und gründlich geprüft. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu Arbeitspferden in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist eine selbstverständliche Eigenschaft der Hochleistungsmischer von Hielscher.