Höhere Pektinausbeuten mittels Ultraschall-Extraktion

Die Ultraschall-Extraktion verhilft zu höherer Pektin-Ausbeute und herausragender Qualität. Mit Hilfe der Ultraschall-Extraktion können wertvolle Pektine effizient aus Fruchtabfällen (z.B. Nebenprodukten der Saftverarbeitung) und anderen biologischen Rohstoffen hergestellt werden. Die Ultraschall-Extraktion von Pektinen übertrifft andere Extraktionstechniken durch höhere Ausbeuten, eine bessere Pektinqualität sowie ein schnelles Extraktionsverfahren.

Intensivierte Pektin-Extraktion mittels Sonifizierung

Pektin wird als Gelier-, Emulgier- und Verdickungsmittel in zahlreichen Lebensmitteln sowie als Bestandteil von Kosmetika und Pharmazeutika verwendet. Die konventionelle industrielle Pektinextraktion erfolgt durch Heißwasserextraktion, bei der der Rohstoff wie Zitrusschalen, Apfeltrester und andere Fruchtabfälle in 60-100°C heißem Wasser bei niedrigem pH-Wert (ca. pH 1,5 - 3,5) über einen langen Zeitraum eingeweicht wird. Dadurch wird die konventionelle Heißwasserextraktion zu einem zeit- und energieaufwändigen Prozess, der oft nicht einmal effizient genug ist, um hohe Mengen an im Rohmaterial vorhandenen Pektinen freizusetzen.
Um die Ineffizienz der konventionellen Pektinproduktion zu überwinden, wird die Ultraschallextraktion als prozess-intensivierende Technik eingesetzt, welche die Extraktionszeit verkürzt und die Pektinausbeute im Vergleich zur traditionellen Heißwasserextraktion deutlich maximiert.

Vorteile der ultraschall-gestützten Pekin-Extraktion

Die Ultraschall-Extraktion wird in vielen Bereichen der Extraktherstellung eingesetzt, z.B. bei Pflanzen- und Kräuterextrakten für Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel, Pharmazeutika und Kosmetika. Ein sehr prominentes Beispiel für die Ultraschall-Extraktion ist die Gewinnung von Cannabidiol (CBD) und anderen Verbindungen aus der Cannabispflanze.
Die Ultraschallextraktion ist eine nicht-thermische Extraktionstechnik, die dadurch die bioaktiven Verbindungen vor der hitze-induzierten Zersetzung bewahrt. Alle Ultraschall-Prozessparameter, wie Amplitude, Intensität, Zeit, Temperatur und Druck, können exakt gesteuert werden. Dies ermöglicht eine präzise Prozess- und Qualitätskontrolle und macht es einfach, einmal erzielte Extraktionsergebnisse zu wiederholen und zu reproduzieren. Extraktionshersteller schätzen Ultraschall wegen der zuverlässigen Prozesswiederholbarkeit, welche die Standardisierung von Prozessen und Produkten vereinfacht.

Die Bestimmung und Kontrolle aller relevanten Prozessparameter ermöglicht es, den Ultraschall-Extraktionsprozess auf höchste Effizienz und beste Extraktqualität zu optimieren.
Zum Beispiel ist die Partikelgröße des Rohmaterials (z.B. Zitrusschalen) ein wichtiger Faktor: Eine kleinere Partikelgröße bedeutet eine größere Oberfläche, auf die die Ultraschallwellen einwirken können. Eine kleine Partikelgröße führt dadurch zu höheren Pektinausbeuten, einem geringeren Methylierungsgrad und einem größeren Anteil an Rhamnogalacturonan (RG)-Regionen.
Der pH-Wert des Extraktionslösungsmittels (d.h. Wasser + ggf. Säure) ist ein weiterer wesentlicher Parameter. Wenn Pektin unter sauren Bedingungen extrahiert wird, werden viele Rhamnogalacturonan-Verzweigungen des Polymers zersetzt, so dass hauptsächlich "gerade" Homogalacturonan (HG)-Regionen mit einigen wenigen neutralen Zuckermolekülen, die an oder in der linearen Hauptkette gebunden sind, übrig bleiben.
Die Pektinextraktion mittels Ultraschall verkürzt die Extraktionszeit und senkt die erforderliche Prozesstemperatur, wodurch die Möglichkeit einer unerwünschten Pektinmodifikation durch Säuren verringert wird. Dies ermöglicht den Einsatz von Säuren unter beengten Bedingungen, um Pektine exakt auf die Produktanforderungen zu modifizieren.

Was macht die Ultraschall-Extraktion von Pektin so effizient?

Die Effekte der Ultraschallextraktion wirken sich direkt auf die Schwellung, Perforation und den Aufschluss der Zellwände aus. Der durch Ultraschall verursachte Massentransfer bewirkt die Hydratation von pektinösem Material in der Mittellamelle, wodurch das pflanzliche Gewebe aufgeschlossen wird. Zudem werden die Zellwände durch die Ultraschallkavitation und die Scherkräfte des Ultraschalls aufgebrochen. Diese Mechanismen führen zu den hocheffizienten Ergebnissen der Ultraschallextraktion.

Ultraschall-extrahiertes Pektin (auch akustisch kavitationsunterstütztes extrahiertes Pektin, abgekürzt ACAE), das ein niedrigeres Molekulargewicht und einen niedrigeren Methoxylierungsgrad aufwies, war reicher an Rhamnogalacturonan-I (RG-I)-Region mit langen Seitenketten im Vergleich zu konventionellem hitze-extrahiertem (CHE) Pektin. Dies wurde mittels chemischer und FT-IR-Analyse festgestellt. Der Energieverbrauch für die Ultraschall-Pektinextraktion war signifikant niedriger als bei der konventionellen Hitzemethode, was auf eine vielversprechende Anwendung im industriellen Produktionsmaßstab hinweist.
(vgl. Wang et al., 2017)
Wang und seine Kollegen (2017) unterstreichen zudem, dass sich die ultraschall-gestützte Extraktion (ultrasonically-assisted extraction = UAE) im Vergleich zur konventionellen Hitzeextraktion (conventional heat extraction = CHE) als ein wirtschaftlicheres und umweltfreundlicheres Verfahren mit höherer Effizienz und geringeren Kosten erwiesen hat.

Wie funktioniert die Ultraschall-Extraktion von Pektin?

Die Ultraschallextraktion basiert auf den sonomechanischen Effekten des hochintensiven Ultraschalls. Um die Pektinextraktion durch Ultraschall zu fördern und zu intensivieren, werden Hochleistungs-Ultraschallwellen über eine Ultraschallsonotrode (auch Ultraschallhorn oder Ultraschallstab genannt) in das flüssige Medium, d.h. die aus dem pektinhaltigen Rohstoff und dem Lösungsmittel bestehende Slurry, eingekoppelt. Die Ultraschallwellen durchlaufen die Flüssigkeit und erzeugen abwechselnd Niederdruck-/Hochdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen (sogenannte Kavitationsblasen), die über mehrere Druckzyklen wachsen. Während dieser Zyklen des Blasenwachstums treten die in der Flüssigkeit gelösten Gase in die Vakuumblase ein, so dass die Vakuumblase an Größe zunimmt. Ab einer bestimmten Größe, wenn die Blasen keine weitere Energie aufnehmen können, implodieren sie während eines Hochdruckzyklus heftig. Die Blasenimplosion ist gekennzeichnet durch intensive Kavitationskräfte, einschließlich sehr hoher Temperatur- und Druckwerte, die bis zu 4000K bzw. 1000atm erreichen, 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 die Ultraschallkavitation einen hochintensiven Stoffaustausch erzeugt, führt die Beschallung zu außergewöhnlich hohen Ausbeuten innerhalb einer sehr kurzen Verarbeitungszeit.

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

Über Pektine

Pektin ist ein verzweigtes Heteropolysaccharid, das aus langkettigen Galacturonansegmenten und anderen Neutralzuckern wie Rhamnose, Arabinose, Galactose und Xylose besteht. Genauer gesagt ist Pektin ein Copolymerblock, der aus 1,4-α-gebundener Galacturonsäure und 1,2-gebundener Rhamnose mit Seitenverzweigungen von β-D-Galactose, L-Arabinose und anderen Zuckereinheiten besteht. Da in Pektin mehrere Zuckereinheiten und verschiedene Stufen der Methylveresterung vorkommen, hat Pektin kein definiertes Molekulargewicht wie andere Polysaccharide. Pektin, das für die Verwendung in Lebensmitteln spezifiziert ist, ist definiert als ein Heteropolysaccharid, das mindestens 65% Galacturonsäure enthält. Durch Anwendung spezifischer Extraktionsbedingungen können Pektine erfolgreich modifiziert und funktionalisiert werden, um spezifische Anforderungen zu erfüllen. Die Herstellung von funktionalisierten und modifizierten Pektinen ist für spezielle Anwendungen von Interesse, z.B. niedrig-methoxyliertes Pektin (low methoxylated pectin = LMP) für Pharmazeutika.

Aus Fruchtabfällen extrahierte Pektine

Fruchtabfälle wie Schalen, Fruchtmarkrückstände (nach der Fruchtsaftpressung) und andere Fruchtnebenprodukte sind oft reiche Pektinquellen. Während Fruchtabfallprodukte häufig als Tierfutter verwendet werden, ist die Pektingewinnung eine alternative, gewinnbringendere Nutzung von Fruchtabfällen.
Die Ultraschall-Pektinextraktion wird bereits erfolgreich mit Zitrusschalen (z.B. Orangen, Mandarinen, Grapefruit), Melonenschalen, Apfeltrester, Zuckerrübentrester, Mangoschalen, Tomatenabfällen, aber auch Jackfrucht-, Passionsfrucht-, Feigenschalen u.a. durchgeführt.

Fallstudien zur Ultraschall-Extraktion von Pektin

Aufgrund der Nachteile der konventionellen Pektinextraktion mittels Hitzebehandlung haben Forschung und Industrie bereits innovative Alternativen wie die Ultraschallextraktion untersucht und in die produktonslinien implementiert. Dadurch stehen bereits zahlreiche Informationen über Prozessparameter für verschiedene Rohstoffe sowie Daten zur Prozessoptimierung zur Verfügung.

Ultraschall-Extraktion von Pektin aus Apfeltrester

Dranca und Oroian (2019) untersuchten den ultraschall-gestützten Extraktionsprozess von Pektin aus Apfeltrester unter Anwendung verschiedener Ultraschallbedingungen und unter Verwendung eines Box-Behnken Response Surface Designs. Sie fanden heraus, dass die Ultraschallamplitude die Ausbeute und den Veresterungsgrad des extrahierten Pektins stark beeinflusst, während der Extraktions-pH einen großen Einfluss auf alle drei untersuchten Faktoren, d.h. die Ausbeute, den GalA-Gehalt und den Veresterungsgrad, hatte. Die optimalen Bedingungen für die Extraktion waren 100% Amplitude, ein pH-Wert von 1,8, ein Fest-Flüssig-Verhältnis von 1:10 g/mL und 30 min Beschallung. Unter diesen Bedingungen betrug die Pektinausbeute 9,183% und hatte einen GalA-Gehalt von 98,127g/100 g und einen Veresterungsgrad von 83,202%. Um die Ergebnisse von ultraschall-extrahiertem Pektin in Beziehung zu kommerziellem Pektin zu setzen, wurden Pektinproben, die durch Ultraschallextraktion unter optimalen Bedingungen gewonnen wurden, mit kommerziellen Zitrus- und Apfelpektinproben mittels FT-IR, dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), rheologischer Analyse und Rasterelektronenmikroskopie verglichen. Die ersten beiden Techniken hoben einige Besonderheiten der durch Ultraschallextraktion extrahierten Pektinprobe hervor, wie den engeren Verteilungsbereich des Molekulargewichts, die geordnete Molekularanordnung und den hohen Veresterungsgrad, der dem der kommerziell erhältlichen Apfelpektine ähnlich ist. Die Analyse der morphologischen Merkmale der mit Ultraschall gewonnenen Proben zeigt ein Bestimmungsmuster zwischen der Verteilung der Fragmentgrößen dieser Probe und ihrem GalA-Gehalt auf der einen Seite und der Wasseraufnahmekapazität auf der anderen Seite. Die Viskosität der mit Ultraschall extrahierten Pektinlösung war viel höher als die der Lösungen, die mit handelsüblichem Pektin hergestellt wurden, was möglicherweise auf die hohe Konzentration von Galakturonsäure zurückzuführen ist. Wenn man auch den hohen Veresterungsgrad in Betracht zieht, könnte dies erklären, warum die Viskosität für das ultraschall-extrahierte Pektin höher war. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass Reinheit, Struktur und rheologisches Verhalten des mittels Ultraschallextraktion aus Apfeltrester von Malus domestica 'Fălticeni' gewonnenen Pektins auf eine vielversprechende industrielle Anwendung dieser löslichen Faser versprechen. (vgl. Dranca & Oroian 2019)

Hochleistungs-Ultraschallextraktoren für die Pektinherstellung

Die Ultraschall-Extraktion ist eine zuverlässige Verarbeitungstechnologie, welche die Herstellung von hochwertigen Pektinen aus verschiedenen Rohstoffen wie Zitrusfrucht-Restprodukten und -Schalen, Apfeltrester und vielen anderen pflanzlichen Rohstoffen erleichtert und beschleunigt. Das Portfolio von Hielscher Ultrasonics umfasst das gesamte Spektrum von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu industriellen Extraktionssystemen. Dadurch können wir bei Hielscher Ihnen das für Ihre geplante Prozesskapazität am besten geeigneten Ultraschallgerät anbieten. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeiter begleiten Sie von der Machbarkeitsprüfung über die Prozessoptimierung bis hin zur Installation der Ultraschallanlage in Ihrer Produktionslinie.
Aufgrund der platzsparenden Stellfläche unserer Ultraschall-Extraktoren sowie ihrer vielseitigen Installationsmöglichkeiten passen diese selbst in beengte Pektin-Verarbeitungsanlagen. Ultraschallprozessoren werden weltweit in Produktionsanlagen für Lebensmittel, Pharmazeutika und Nahrungsergänzungsmittel eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics – Hochentwickelte Extraktionssysteme

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics umfasst die gesamte Palette von Hochleistungs-Ultraschallextraktoren: Dazu gehören kompakte, leistungsstarke Laborhomogenisatoren sowie industrielle Hochleistungs-Ultraschallgeräte. Zusätzliches Zubehör ermöglicht die einfache Zusammenstellung der für Ihren Pektinextraktionsprozess am besten geeigneten Ultraschallgerätekonfiguration. Die optimale Ultraschall-Konfiguration hängt von der geplanten Kapazität, dem Volumen, dem Rohmaterial und dem Batch- bzw. Inline-Prozess ab.

Batch und Inline

Hielscher Ultraschallgeräte können für die Verarbeitung im Batch sowie im kontinuierliche Durchfluss eingesetzt werden. Die Ultraschall-Batch-Verarbeitung eignet sich ideal für die Prozessprüfung/Machbarkeiststudie und die Prozessoptimierung sowie für kleine bis mittlere Produktionschargen. Für die Herstellung großer Pektinmengen ist die Inline-Verarbeitung vorteilhafter. Ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess erfordert ein ausgeklügeltes Setup – bestehend aus einer Pumpe, Schläuchen oder Rohren und Tanks -, aber sie ist hocheffizient, schnell und erfordert wesentlich weniger Arbeit. Hielscher Ultrasonics hat die am besten geeignete Extraktionsanlage für Ihr Extraktionsvolumen und Ihre Prozessziele.

Ultraschall-Extraktoren für jede Produktkapazität

Die Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum der Ultraschallprozessoren ab, von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tisch- und Pilotsysteme bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit der Kapazität zur Bearbeitung von LKW-Ladungen pro Stunde. Die vollständige Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen den am besten geeigneten Ultraschall-Extraktor für Ihre pektinhaltigen Rohstoffe, Ihre Prozesskapazität und Ihr Produktionsziel anzubieten.
Ultraschall-Bechtop-Systeme sind ideal für Machbarkeitstests und Prozessoptimierung. Das lineare Scale-up auf der Grundlage etablierter Prozessparameter macht es sehr einfach, die Verarbeitungskapazitäten von kleineren Losen auf die vollständig kommerzielle Produktion zu erhöhen. Das Sclae-up kann entweder durch die Installation eines leistungsstärkeren Ultraschall-Extraktionssystems oder durch den parallelen Cluster-Aufbau mehrerer Ultraschallgeräte erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschall-Extraktor an.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Hielscher Ultraschallgeräte sind präzise steuerbar und damit zuverlässige Arbeitstiere in der Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, welcher die Effizienz und Effektivität der Ultraschall-Extraktion von Pektin aus Obst- und Bioabfällen beeinflusst.
Alle Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, welche es erlauben, die Amplitude in einem noch größeren Spektrum zu verändern. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschallprozessparameter durch eine intelligente Software geben Ihnen die Möglichkeit, Ihr Rohmaterial unter den effektivsten Ultraschallbedingungen zu behandeln. Optimale Beschallung für beste Extraktionsergebnisse!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7/365-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Das macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitsgerät, das Ihre Extraktionsanforderungen erfüllt.

Einfache, risikofreie Erprobung

Ultraschallprozesse können vollständig linear skaliert werden. Das bedeutet, dass jedes Ergebnis, das Sie mit einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät erzielt haben, auf exakt die gleiche Leistung mit den exakt gleichen Prozessparametern skaliert werden kann. Dies macht Ultraschall ideal für risikofreie Machbarkeitsprüfungen, Prozessoptimierung und die anschließende Implementierung in die kommerzielle Fertigung. Kontaktieren Sie uns, um zu erfahren, wie die Beschallung Ihre Pektinextraktproduktion steigern kann.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher auf höchste Qualitätsstandards für seine Ultraschallprozessoren. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, hergestellt und gründlich getestet. Robustheit und Zuverlässigkeit machen Hielscher Ultraschallgeräte zu einer zuverlässigen Technologie in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Merkmal der Hielscher Hochleistungsmischer.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme: