Mayores rendimientos de pectina con la extracción ultrasónica

La extracción ultrasónica permite obtener altos rendimientos de pectinas de calidad superior. Mediante sonicación, se pueden producir eficientemente pectinas de gran valor a partir de residuos de frutas (p. ej., subproductos del procesamiento de zumos) y otras materias primas biológicas. La extracción ultrasónica de pectina supera a otras técnicas de extracción al ofrecer mayores rendimientos, una calidad superior de la pectina y un procedimiento de extracción rápido.

Extracción de pectina intensificada mediante sonicación

La pectina se utiliza como agente gelificante, emulsionante y espesante en numerosos productos alimentarios, así como ingrediente en cosméticos y productos farmacéuticos. La extracción industrial convencional de pectina se realiza con agua caliente: la materia prima, como las cáscaras de cítricos, el orujo de manzana y otros residuos de frutas, se mantiene sumergida durante un periodo prolongado en agua caliente a 60–100 °C y con un pH bajo (aprox. pH 1,5 – 3,5). Esto convierte la extracción convencional con agua caliente en un proceso que consume mucho tiempo y energía y que, a menudo, ni siquiera es lo suficientemente eficiente para liberar toda la cantidad de pectinas presente en la materia prima.
Para superar la ineficiencia del método de producción convencional, la extracción ultrasónica se aplica como técnica de intensificación del proceso que reduce el tiempo de extracción y maximiza significativamente el rendimiento de pectina en comparación con la extracción tradicional con agua caliente.

La ventaja de la extracción ultrasónica de pectina

La extracción ultrasónica se aplica en muchos ámbitos de la producción de extractos, por ejemplo, extractos botánicos y de hierbas para alimentos, complementos alimenticios, productos farmacéuticos y cosméticos. Un ejemplo destacado de extracción ultrasónica es la extracción de cannabidiol (CBD) y otros compuestos de la planta de cannabis.
La extracción ultrasónica es una técnica de extracción no térmica que protege los compuestos bioactivos frente a la degradación térmica. Todos los parámetros del proceso ultrasónico, como la amplitud, la intensidad, el tiempo, la temperatura y la presión, se pueden controlar con exactitud. Esto permite un control preciso del proceso y de la calidad, y facilita la repetición y reproducción de los resultados de extracción obtenidos. Los productores de extractos valoran la ultrasonicación por la repetibilidad fiable del proceso, que ayuda a estandarizar los procesos y los productos.

 
¡Consulte aquí el protocolo de extracción ultrasónica de pectina de cáscara de pomelo que se muestra en el vídeo anterior!
 

La determinación de los parámetros relevantes del proceso permite optimizar la extracción ultrasónica para alcanzar la máxima eficiencia y una calidad superior del extracto.
Por ejemplo, el tamaño de partícula de la materia prima (p. ej., cáscaras de cítricos) es un factor importante: un tamaño de partícula menor implica una mayor superficie sobre la que pueden actuar las ondas ultrasónicas. Por tanto, un tamaño de partícula pequeño da lugar a mayores rendimientos de pectina, un menor grado de metilación y una mayor proporción de regiones de ramnogalacturonano.
El valor de pH del disolvente de extracción (es decir, agua + ácido) es otro parámetro esencial. Cuando la pectina se extrae en condiciones ácidas, muchas regiones ramificadas de ramnogalacturonano del polímero se descomponen, de modo que permanecen principalmente regiones «rectas» de homogalacturonano con unas pocas moléculas de azúcares neutros unidas a la cadena lineal principal o integradas en ella.
La extracción ultrasónica de pectina reduce el tiempo de extracción y la temperatura de proceso necesaria, lo que disminuye la probabilidad de que los ácidos modifiquen la pectina de forma no deseada. Esto permite utilizar ácidos en condiciones restringidas para modificar las pectinas con precisión conforme a los requisitos del producto.

¿Qué hace que la extracción ultrasónica de pectina sea tan eficiente?

La extracción ultrasónica influye directamente en el hinchamiento, la perforación y la rotura de las paredes celulares. La transferencia de masa inducida por ultrasonidos provoca la hidratación del material péctico de la lámina media, lo que conduce a la desintegración de los tejidos vegetales. La cavitación ultrasónica y las fuerzas de cizallamiento actúan directamente sobre las paredes celulares y las rompen. Estos mecanismos explican los resultados altamente eficientes de la extracción ultrasónica.

Según los análisis químicos y FT-IR, la pectina extraída por ultrasonidos (también denominada pectina extraída con asistencia de cavitación acústica, abreviada ACAE), que presentaba un menor peso molecular y un menor grado de metoxilación, era más rica en la región de ramnogalacturonano-I con cadenas laterales largas que la pectina extraída mediante el método térmico convencional. El consumo energético de la extracción ultrasónica de pectina fue significativamente inferior al del método convencional de calentamiento, lo que indica su prometedora aplicación a escala de producción industrial.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang y sus colaboradores (2017) también señalan que se ha demostrado que la extracción asistida por ultrasonidos es un proceso más económico y respetuoso con el medio ambiente, con mayor eficiencia y menor coste que la extracción convencional por calentamiento.
 

SEM de pulpa residual de remolacha azucarera con un aumento de 1000x: (a) antes de la extracción y después de la extracción de pectina utilizando (b) Xylanasae (250 U/g), (c) celulasa (300 U/g), (d) Xylanasae+celulasa (1:1), (e) Xylanasae+celulasa (1:1,5) y (f) Xylanasae+celulasa (1:2).
(estudio e imágenes: Abou-Elseoud et al., 2021)

¿Cómo funciona la extracción ultrasónica de pectina?

La extracción ultrasónica se basa en los efectos sonomecánicos de los ultrasonidos de alta intensidad. Para favorecer e intensificar la extracción de pectina mediante ultrasonicación, se acoplan ondas ultrasónicas de alta potencia al medio líquido mediante una sonda ultrasónica (también denominada bocina ultrasónica o sonotrodo), es decir, a la suspensión formada por la materia prima que contiene pectina y el disolvente. Las ondas ultrasónicas se propagan por el líquido y crean ciclos alternos de baja presión / alta presión. Durante los ciclos de baja presión se generan diminutas burbujas de vacío (denominadas burbujas de cavitación), que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Durante estos ciclos de crecimiento, los gases disueltos en el líquido entran en las burbujas de vacío, que se transforman así en burbujas de gas en expansión. Cuando alcanzan un determinado tamaño y ya no pueden absorber más energía, implosionan violentamente durante un ciclo de alta presión. La implosión de las burbujas se caracteriza por intensas fuerzas de cavitación, con temperaturas y presiones muy elevadas que alcanzan hasta 4000K y 1000atm, respectivamente, así como por los correspondientes diferenciales elevados de temperatura y presión. Estas turbulencias y fuerzas de cizallamiento generadas por ultrasonidos rompen las células vegetales y liberan las pectinas intracelulares en el disolvente acuoso. Dado que la cavitación ultrasónica genera una transferencia de masa muy intensa, la sonicación permite obtener rendimientos excepcionalmente altos en un tiempo de procesamiento muy corto.
La sonicación no solo se utiliza para extraer pectina, sino también para aislar polifenoles del orujo, la pulpa, la cáscara y las semillas de frutas. ¡Más información aquí!

Extracción ultrasónica de células vegetales: la sección transversal microscópica (TS) muestra el mecanismo de acción durante la extracción ultrasónica de células (aumento de 2000x) [resource: Vilkhu et al. 2011]

Pectinas extraídas de residuos de frutas

Los residuos de frutas, como las cáscaras, los residuos de pulpa (tras el prensado para obtener zumo) y otros subproductos de frutas, suelen ser fuentes ricas en pectina. Aunque los residuos de frutas se utilizan a menudo como alimento para animales, la extracción de pectina constituye un aprovechamiento de mayor valor.
La extracción ultrasónica de pectina ya se realiza con éxito a partir de cáscaras de cítricos (como naranjas, mandarinas y pomelos), cáscaras de melón, orujo de manzana, pulpa de remolacha azucarera, cáscaras de mango y residuos de tomate, así como de yaca, maracuyá y cáscaras de higo, entre otros.

Estudios de caso sobre la extracción ultrasónica de pectina

Debido a los inconvenientes de la extracción convencional de pectina mediante calor, tanto el ámbito de la investigación como la industria ya han estudiado alternativas innovadoras, como la extracción ultrasónica. Por ello, se dispone de abundante información sobre los parámetros del proceso para diversas materias primas, así como de datos sobre la optimización del proceso.

Extracción ultrasónica de pectina del orujo de manzana

Dranca y Oroian (2019) investigaron el proceso de extracción de pectina del orujo de manzana asistida por ultrasonidos, aplicando diversas condiciones ultrasónicas y utilizando un diseño de superficie de respuesta Box-Behnken. Observaron que la amplitud de los ultrasonidos influye considerablemente en el rendimiento y el grado de esterificación de la pectina extraída, mientras que el pH de extracción tuvo un gran efecto sobre las tres respuestas: el rendimiento, el contenido de GalA y el grado de esterificación. Las condiciones óptimas de extracción fueron una amplitud del 100%, un pH de 1,8, una relación sólido-líquido de 1:10 g/mL y 30 min de sonicación. En estas condiciones, el rendimiento de pectina fue del 9,183%, con un contenido de GalA de 98,127 g/100 g y un grado de esterificación del 83,202%. Para comparar los resultados de la pectina extraída por ultrasonidos con los de la pectina comercial, la muestra de pectina obtenida mediante extracción ultrasónica en condiciones óptimas se comparó con muestras de pectina comercial de cítricos y de manzana mediante FT-IR, DSC, análisis reológico y SEM. Las dos primeras técnicas pusieron de relieve algunas particularidades de la muestra de pectina extraída por ultrasonidos, como el intervalo más estrecho de distribución del peso molecular, la disposición molecular ordenada y el alto grado de esterificación, similar al de las pectinas de manzana disponibles comercialmente. El análisis de las características morfológicas de la muestra obtenida por ultrasonidos indica un patrón de determinación entre la distribución de los tamaños de los fragmentos de esta muestra y su contenido de GalA, por un lado, y la capacidad de absorción de agua, por otro. La viscosidad de la solución de pectina extraída por ultrasonidos fue mucho mayor que la de las soluciones elaboradas con pectina comercial, posiblemente debido a la alta concentración de ácido galacturónico. Si también se considera el alto grado de esterificación, esto podría explicar por qué la viscosidad fue mayor en la pectina extraída por ultrasonidos. Los investigadores concluyen que la pureza, la estructura y el comportamiento reológico de la pectina extraída por ultrasonidos del orujo de manzana Malus domestica ‘Fălticeni’ indican aplicaciones prometedoras para esta fibra soluble. (cf. Dranca & Oroian 2019)

Extractor ultrasónico de alto rendimiento para la producción de pectina

La extracción ultrasónica es una tecnología de procesamiento fiable que facilita y acelera la producción de pectinas de alta calidad a partir de diversas materias primas, como subproductos y cáscaras de cítricos, orujo de manzana y muchas otras. La gama de Hielscher Ultrasonics abarca desde ultrasonicadores compactos de laboratorio hasta sistemas de extracción industrial. Así, en Hielscher podemos ofrecerle el ultrasonicador más adecuado para la capacidad de procesamiento prevista. Nuestro personal, con muchos años de experiencia, le acompañará desde las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación de su sistema ultrasónico a escala de producción final.
El reducido espacio que ocupan nuestros extractores ultrasónicos y la versatilidad de sus opciones de instalación permiten integrarlos incluso en instalaciones de procesamiento de pectina con poco espacio disponible. Los procesadores ultrasónicos se instalan en todo el mundo en plantas de producción de alimentos, productos farmacéuticos y complementos alimenticios.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:

Hielscher Ultrasonics – Equipos de extracción avanzados

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics abarca todos los extractores ultrasónicos de alto rendimiento, desde pequeña hasta gran escala. Los accesorios adicionales permiten montar fácilmente la configuración de equipo ultrasónico más adecuada para su proceso de extracción de pectina. La configuración ultrasónica óptima depende de la capacidad prevista, el volumen, la materia prima, el procesamiento por lotes o en línea y el plazo disponible.

Por lotes y en línea

Los ultrasonicadores Hielscher pueden utilizarse para el procesamiento por lotes y en flujo continuo. El procesamiento ultrasónico por lotes es ideal para las pruebas y la optimización del proceso, así como para la producción a pequeña y mediana escala. Para producir grandes volúmenes de pectina, el procesamiento en línea puede resultar más ventajoso. Un proceso de mezcla continuo en línea requiere una configuración avanzada –compuesta por una bomba, mangueras o tuberías y depósitos–, pero es muy eficiente, rápido y requiere considerablemente menos mano de obra. Hielscher Ultrasonics dispone de la configuración de extracción más adecuada para su volumen de extracción y los objetivos de su proceso.

Extractores ultrasónicos para cualquier capacidad de producción

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics abarca todo el espectro de procesadores ultrasónicos, desde ultrasonicadores compactos de laboratorio y sistemas de sobremesa y piloto hasta procesadores ultrasónicos plenamente industriales con capacidad para procesar cargas de camión por hora. Esta completa gama de productos nos permite ofrecerle el extractor ultrasónico más adecuado para su materia prima con contenido de pectina, su capacidad de procesamiento y sus objetivos de producción.
Los sistemas ultrasónicos de sobremesa son ideales para las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso. El escalado lineal basado en parámetros de proceso establecidos facilita enormemente el aumento de la capacidad de procesamiento desde lotes pequeños hasta la producción plenamente comercial. El escalado puede realizarse instalando una unidad de extracción ultrasónica más potente o agrupando varios ultrasonicadores en paralelo. Con el UIP16000, Hielscher ofrece el extractor ultrasónico más potente del mundo.

Amplitudes controlables con precisión para obtener resultados óptimos

Todos los ultrasonicadores Hielscher se pueden controlar con precisión y, por ello, son equipos fiables para el trabajo intensivo en producción. La amplitud es uno de los parámetros cruciales del proceso que influyen en la eficiencia y la eficacia de la extracción ultrasónica de pectina de frutas y residuos biológicos.
Todos los sonicadores Hielscher permiten ajustar la amplitud con precisión. Los sonotrodos y las bocinas amplificadoras son accesorios que permiten modificar la amplitud dentro de un intervalo aún más amplio. Los procesadores ultrasónicos industriales Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Se pueden mantener fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7.
El ajuste preciso de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante software inteligente le permiten tratar su materia prima con las condiciones ultrasónicas más eficaces. ¡Sonicación óptima para obtener los mejores resultados de extracción!
La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 bajo condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes. Esto convierte los equipos ultrasónicos de Hielscher en herramientas de trabajo fiables que satisfacen sus requisitos de extracción.

Pruebas sencillas y sin riesgos

Los procesos ultrasónicos se pueden escalar de forma totalmente lineal. Esto significa que cualquier resultado obtenido con un ultrasonicador de laboratorio o de sobremesa se puede escalar para obtener exactamente el mismo resultado utilizando exactamente los mismos parámetros de proceso. Esto hace que la ultrasonicación sea ideal para las pruebas de viabilidad sin riesgos, la optimización del proceso y la posterior implementación en la fabricación comercial. Contacte con nosotros para descubrir cómo la sonicación puede aumentar su producción de extracto de pectina.

Máxima calidad – Diseñados y fabricados en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher da prioridad a los más altos estándares de calidad en sus procesadores ultrasónicos. Todos los ultrasonicadores se diseñan, fabrican y someten a pruebas exhaustivas en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín, Alemania. La robustez y la fiabilidad de los equipos ultrasónicos de Hielscher los convierten en herramientas para el trabajo intensivo en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica inherente a los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher.