Υψηλότερες αποδόσεις πηκτίνης με εκχύλιση με υπερήχους

Η εκχύλιση με υπερήχους οδηγεί σε υψηλές αποδόσεις πηκτινών ανώτερης ποιότητας. Χρησιμοποιώντας υπερήχους, πολύτιμες πηκτίνες μπορούν να παραχθούν αποτελεσματικά από απόβλητα φρούτων (π.χ., υποπροϊόντα από την επεξεργασία χυμού) και άλλες βιολογικές πρώτες ύλες. Υπερήχων πηκτίνη εκχύλιση υπερέχει άλλες τεχνικές εκχύλισης με την παραγωγή υψηλότερων αποδόσεων, δίνοντας ανώτερη ποιότητα πηκτίνης, και μια ταχεία διαδικασία εκχύλισης.

Εντατικοποιημένη εκχύλιση πηκτίνης με υπερήχους

Η πηκτίνη χρησιμοποιείται ως πηκτωματογόνος, γαλακτωματοποιητικός και πυκνωτικός παράγοντας σε πολλά προϊόντα διατροφής, καθώς και ως συστατικό σε καλλυντικά και φαρμακευτικά προϊόντα. Η συμβατική βιομηχανική εκχύλιση πηκτίνης γίνεται μέσω εκχύλισης ζεστού νερού, όπου η πρώτη ύλη όπως φλούδες εσπεριδοειδών, πυρηνελαίου και άλλα απόβλητα φρούτων εμποτίζεται σε ζεστό νερό 60-100°C σε χαμηλό pH (περίπου pH 1,5 – 3,5) για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό μετατρέπει τη συμβατική εκχύλιση ζεστού νερού σε μια χρονοβόρα και ενεργοβόρα διαδικασία, η οποία συχνά δεν είναι αρκετά αποτελεσματική για να απελευθερώσει την πλήρη ποσότητα πηκτινών που είναι διαθέσιμες στην πρώτη ύλη.
Προκειμένου να ξεπεραστεί η αναποτελεσματικότητα της συμβατικής μεθόδου παραγωγής, η εκχύλιση με υπερήχους εφαρμόζεται ως τεχνική εντατικοποίησης της διαδικασίας που μειώνει το χρόνο εκχύλισης και μεγιστοποιεί σημαντικά την απόδοση πηκτίνης σε σύγκριση με την παραδοσιακή εκχύλιση ζεστού νερού.

Το πλεονέκτημα της εκχύλισης πηκτίνης υπερήχων

Υπερήχων εκχύλιση εφαρμόζεται σε πολλούς τομείς της παραγωγής εκχυλίσματος, π.χ. βοτανικά και φυτικά εκχυλίσματα για τρόφιμα, συμπληρώματα, φαρμακευτικά προϊόντα, και καλλυντικά. Ένα πολύ χαρακτηριστικό παράδειγμα εκχύλισης με υπερήχους είναι η εκχύλιση κανναβιδιόλης (CBD) και άλλων ενώσεων από το φυτό κάνναβης.
Υπερήχων εκχύλιση είναι μια μη θερμική τεχνική εκχύλισης, η οποία εμποδίζει με αυτόν τον τρόπο τις βιοδραστικές ενώσεις κατά της θερμικής υποβάθμισης. Όλες οι παράμετροι της διαδικασίας υπερήχων, όπως το πλάτος, η ένταση, ο χρόνος, η θερμοκρασία και η πίεση, μπορούν να ελεγχθούν ακριβώς. Αυτό επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της διαδικασίας και της ποιότητας και διευκολύνει την επανάληψη και την αναπαραγωγή μόλις ληφθούν τα αποτελέσματα της εκχύλισης. Οι παραγωγοί εκχυλίσματος εκτιμούν την υπερήχους για την αξιόπιστη επαναληψιμότητα της διαδικασίας, η οποία βοηθά στην τυποποίηση των διαδικασιών και των προϊόντων.

 
Βρείτε το πρωτόκολλο για την εκχύλιση πηκτίνης υπερήχων από φλούδα γκρέιπφρουτ που αποδεικνύεται στο παραπάνω βίντεο εδώ!
 

Ο προσδιορισμός των σχετικών παραμέτρων της διαδικασίας επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας εκχύλισης με υπερήχους στην υψηλότερη απόδοση και ανώτερη ποιότητα εκχυλίσματος.
Για παράδειγμα, το μέγεθος των σωματιδίων της πρώτης ύλης (π.χ. φλούδες εσπεριδοειδών) είναι ένας σημαντικός παράγοντας: Ένα μικρότερο μέγεθος σωματιδίων σημαίνει μεγαλύτερη επιφάνεια για να δράσουν τα υπερηχητικά κύματα. Ένα μικρό μέγεθος σωματιδίων έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερες αποδόσεις πηκτίνης, χαμηλότερο βαθμό μεθυλίωσης και μεγαλύτερη αναλογία περιοχών rhamnogalacturonan.
The pH value of the extraction solvent (i.e. water + acid) is another essential parameter. When pectin is extracted under acidic conditions, many rhamnogalacturonan branched regions of the polymer are decomposed, so that mainly homogalacturonan “straight” regions with a few neutral sugar molecules attached on or in the main linear chain remain.
Υπερήχων πηκτίνη εκχύλιση μειώνει το χρόνο εκχύλισης και μειώνει την απαιτούμενη θερμοκρασία της διαδικασίας, η οποία μειώνει την πιθανότητα ανεπιθύμητης τροποποίησης πηκτίνης από οξέα. Αυτό επιτρέπει τη χρήση οξέων υπό περιορισμένες συνθήκες, προκειμένου να τροποποιηθούν οι πηκτίνες με ακρίβεια στις απαιτήσεις του προϊόντος.

Τι κάνει υπερήχων πηκτίνη εκχύλιση τόσο αποτελεσματική?

Ο αντίκτυπος της εκχύλισης με υπερήχους επηρεάζει άμεσα τη διόγκωση, διάτρηση και θραύση των κυτταρικών τοιχωμάτων. Υπερήχων επαγόμενη μεταφορά μάζας προκαλεί την ενυδάτωση του πηκτώδους υλικού στο μεσαίο έλασμα που οδηγεί στη διάσπαση των φυτικών ιστών. Υπερήχων σπηλαίωση και δυνάμεις διάτμησης επηρεάζουν άμεσα τα κυτταρικά τοιχώματα και να τα σπάσουν ανοιχτά. Αυτοί οι μηχανισμοί έχουν ως αποτέλεσμα τα εξαιρετικά αποτελεσματικά αποτελέσματα της εκχύλισης με υπερήχους.

Υπερήχων εκχυλισμένη πηκτίνη (επίσης ακουστική σπηλαίωση υποβοηθούμενη εκχυλισμένη πηκτίνη, συντομογραφία ACAE) που είχε χαμηλότερο μοριακό βάρος και βαθμό μεθοξυλίωσης ήταν πλουσιότερη στην περιοχή rhamnogalacturonan-I με μακριές πλευρικές αλυσίδες σε σύγκριση με τη συμβατική θερμότητα που εξάγεται πηκτίνη από χημική και FT-IR ανάλυση. Η κατανάλωση ενέργειας για την εκχύλιση πηκτίνης ulgtrasonic ήταν σημαντικά χαμηλότερη από τη συμβατική μέθοδο θέρμανσης, γεγονός που δείχνει την πολλά υποσχόμενη εφαρμογή της για βιομηχανική κλίμακα παραγωγής.
(πρβλ. Wang et al., 2017)
Ο Wang και οι συνάδελφοί του (2017) υποστηρίζουν επίσης ότι η υπερηχητικά υποβοηθούμενη εκχύλιση έχει αποδειχθεί ότι είναι μια πιο οικονομική και φιλική προς το περιβάλλον διαδικασία με υψηλότερη απόδοση και μικρότερο κόστος σε σύγκριση με τη συμβατική εξαγωγή θέρμανσης.
 

SEM υπολειμματικού πολτού ζαχαρότευτλων σε μεγέθυνση 1000x: α) πριν από την εκχύλιση και μετά την εκχύλιση πηκτίνης χρησιμοποιώντας β) Xylanasae (250 U/g), γ) κυτταρινάση (300 U/g), δ) ξυλανάσαη+κυτταρινάση (1:1) και ε) ξυλανάσαη+κυτταρινάση (1:1,5) και στ) ξυλανάσαη+κυτταρινάση (1:2).(μελέτη και εικόνες: Abou-Elseoud et al., 2021)

Πώς υπερήχων πηκτίνη εκχύλιση εργασίας?

Υπερήχων εκχύλιση βασίζεται στις sonomechanical επιδράσεις των υπερήχων υψηλής έντασης. Για την προώθηση και την εντατικοποίηση της εκχύλισης πηκτίνης μέσω υπερήχων, τα κύματα υπερήχων υψηλής ισχύος συνδέονται μέσω ενός υπερηχητικού καθετήρα (που ονομάζεται επίσης υπερηχητικό κέρατο ή sonotrode) στο υγρό μέσο, δηλαδή στον πολτό που αποτελείται από την πρώτη ύλη που περιέχει πηκτίνη και τον διαλύτη. Τα κύματα υπερήχων ταξιδεύουν μέσω του υγρού και δημιουργούν εναλλασσόμενους κύκλους χαμηλής? υψηλής πίεσης. Κατά τη διάρκεια κύκλων χαμηλής πίεσης, δημιουργούνται λεπτές φυσαλίδες κενού (οι λεγόμενες φυσαλίδες σπηλαίωσης), οι οποίες αναπτύσσονται σε αρκετούς κύκλους πίεσης. Κατά τη διάρκεια αυτών των κύκλων ανάπτυξης φυσαλίδων, τα διαλυμένα αέρια στο υγρό εισέρχονται στη φυσαλίδα κενού, έτσι ώστε η φυσαλίδα κενού να μετατραπεί σε αναπτυσσόμενες φυσαλίδες αερίου. Σε ένα ορισμένο μέγεθος, όταν οι φυσαλίδες δεν μπορούν να απορροφήσουν περισσότερη ενέργεια, εκρήγνυνται βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Η κατάρρευση φυσαλίδων χαρακτηρίζεται από έντονες δυνάμεις σπηλαίωσης, συμπεριλαμβανομένης της πολύ υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης που φτάνει μέχρι 4000K και 1000atm, αντίστοιχα. καθώς και αντίστοιχες διαφορές υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης. Αυτές οι υπερηχητικά παραγόμενες αναταράξεις και οι δυνάμεις διάτμησης διασπούν τα φυτικά κύτταρα και απελευθερώνουν τις ενδοκυτταρικές πηκτίνες στον διαλύτη με βάση το νερό. Δεδομένου ότι η υπερηχητική σπηλαίωση δημιουργεί εξαιρετικά έντονη μεταφορά μάζας, υπερήχηση οδηγεί σε εξαιρετικά υψηλές αποδόσεις μέσα σε πολύ σύντομο χρόνο επεξεργασίας.

Υπερήχων εκχύλιση από φυτικά κύτταρα: το μικροσκοπικό εγκάρσιο τμήμα (TS) δείχνει τον μηχανισμό των δράσεων κατά τη διάρκεια της εκχύλισης με υπερήχους από κύτταρα (μεγέθυνση 2000x) [πόρος: Vilkhu et al. 2011]

Πηκτίνες που εξάγονται από απόβλητα φρούτων

Τα απόβλητα φρούτων όπως οι φλούδες, τα υπολείμματα πολτού φρούτων (μετά την πίεση του χυμού φρούτων) και άλλα υποπροϊόντα φρούτων είναι συχνά πλούσιες πηγές πηκτίνης. Ενώ τα απόβλητα φρούτων χρησιμοποιούνται συχνά ως ζωοτροφές, η εξόρυξη πηκτίνης είναι μια πιο πολύτιμη χρήση των αποβλήτων φρούτων.
Υπερήχων πηκτίνη εκχύλιση εκτελείται ήδη με επιτυχία με φλούδες εσπεριδοειδών (όπως πορτοκάλια, μανταρίνια, γκρέιπφρουτ), φλούδες πεπονιού, πυρηνέλαιο μήλου, πολτό ζαχαρότευτλων, φλούδες μάνγκο, απόβλητα ντομάτας, καθώς και jackfruit, φρούτα του πάθους, φλούδες σύκου μεταξύ άλλων.

Μελέτες περιπτώσεων εκχύλισης πηκτίνης υπερήχων

Λόγω των μειονεκτημάτων της συμβατικής εκχύλισης πηκτίνης με θερμότητα, η έρευνα και η βιομηχανία έχουν ήδη διερευνήσει καινοτόμες εναλλακτικές λύσεις όπως η εκχύλιση με υπερήχους. Με αυτόν τον τρόπο, διατίθενται πολλές πληροφορίες σχετικά με τις παραμέτρους της διαδικασίας για διάφορες πρώτες ύλες καθώς και δεδομένα βελτιστοποίησης της διαδικασίας.

Υπερήχων εκχύλιση πηκτίνης από μήλο

Dranca and Oroian (2019) investigated the ultrasonically-assisted extraction process of pectin from apple pomace applying various ultrasonic conditions and using Box-Behnken response surface design. They found that the ultrasound amplitude strongly influences the yield and the degree of esterification of the extracted pectin, while the extraction pH had a great impact on all three responses, i.e. yield, GalA content, and degree of esterification. The optimal conditions for extraction were 100% amplitude, pH of 1.8, solid-liquid ratio of 1:10 g/mL, and 30 min sonication. Under these conditions, pectin yield was 9.183% and had a 98.127 g/100 g GalA content and 83.202% degree of esterification. To set the results of ultrasonically extracted pectin into relation with commercial pectin, pectin sample obtained by ultrasonic extraction under optimal conditions were compared to commercial citrus and apple pectin samples by FT-IR, DSC, rheological analysis, and SEM. The first two techniques highlighted some particularities of the pectin sample extracted by ultrasonic extraction such as the narrower distribution range of molecular weight, the orderly molecular arrangement, and the high degree of esterification that was similar to that of commercially available apple pectins. The analysis of the morphological characteristics of ultrasonically obtained sample indicates a determination pattern between the distribution of the fragment sizes of this sample and its GalA content on one side, and the water uptake capacity on the other side. The viscosity of ultrasonically extracted pectin solution was much higher than that of the solutions made using commercial pectin, which maybe because of the high concentration of galacturonic acid. When also considering the high degree of esterification, this might explain why the viscosity were higher for the ultrasonically extracted pectin. The researchers conclude that the purity, structure and rheological behaviour of pectin extracted by ultrasonic extraction from Malus domestica ‘Fălticeni’ apple pomace indicates promising applications of this soluble fiber. (cf. Dranca & Oroian 2019)

Υψηλής απόδοσης υπερήχων απαγωγέα για την παραγωγή πηκτίνης

Η εκχύλιση με υπερήχους είναι μια αξιόπιστη τεχνολογία επεξεργασίας, η οποία διευκολύνει και επιταχύνει την παραγωγή υψηλής ποιότητας πηκτινών διαφόρων πρώτων υλών όπως υποπροϊόντα εσπεριδοειδών και φλούδες, πυρηνέλαιο μήλου και πολλά άλλα. Hielscher Υπέρηχοι χαρτοφυλάκιο καλύπτει το πλήρες φάσμα από συμπαγές εργαστήριο υπερήχων σε βιομηχανικά συστήματα εκχύλισης. Με αυτόν τον τρόπο, εμείς στο Hielscher μπορεί να σας προσφέρει το πιο κατάλληλο υπερήχων για την προβλεπόμενη ικανότητα διαδικασίας σας. Το μακροχρόνιο έμπειρο προσωπικό μας θα σας βοηθήσει από τις δοκιμές σκοπιμότητας και τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας στην εγκατάσταση του συστήματος υπερήχων σας στο τελικό επίπεδο παραγωγής.
Το μικρό αποτύπωμα των υπερήχων απαγωγέων μας, καθώς και η ευελιξία τους στις επιλογές εγκατάστασης, τους καθιστούν κατάλληλους ακόμη και σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας πηκτίνης μικρού χώρου. Υπερήχων επεξεργαστές εγκαθίστανται παγκοσμίως σε τρόφιμα, pharma και εγκαταστάσεις παραγωγής συμπληρωμάτων διατροφής.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: