Mayor rendimiento de la pectina con la extracción ultrasónica

La extracción por ultrasonidos da lugar a altos rendimientos de pectinas de calidad superior. Mediante la sonicación, se pueden producir pectinas valiosas de forma eficiente a partir de residuos de frutas (por ejemplo, subproductos del procesado de zumos) y otras materias primas biológicas. La extracción ultrasónica de pectinas supera a otras técnicas de extracción al producir mayores rendimientos, ofrecer una calidad superior de pectinas y un procedimiento de extracción rápido.

Extracción intensificada de pectina por sonicación

La pectina se utiliza como agente gelificante, emulsionante y espesante en numerosos productos alimenticios, así como ingrediente en cosméticos y productos farmacéuticos. La extracción industrial convencional de pectina se realiza mediante extracción con agua caliente, en la que la materia prima, como cáscaras de cítricos, orujo de manzana y otros residuos de frutas, se sumerge en agua caliente a 60-100°C y pH bajo (aprox. pH 1,5 - 3,5) durante un largo periodo de tiempo. 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 bastante eficaz para liberar toda la cantidad de pectinas disponibles en la materia prima.
Para superar la ineficacia del método de producción convencional, se aplica la extracción por ultrasonidos como técnica intensificadora del proceso que reduce el tiempo de extracción y maximiza el rendimiento de pectina de forma significativa en comparación con la extracción tradicional con agua caliente.

Ventajas de la extracción ultrasónica de pectina

La extracción por ultrasonidos se aplica en muchos campos de la producción de extractos, por ejemplo, extractos botánicos y herbales para alimentos, suplementos, productos farmacéuticos y cosméticos. Un ejemplo muy destacado de extracción por ultrasonidos es la extracción de cannabidiol (CBD) y otros compuestos de la planta de cannabis.
La extracción por ultrasonidos es una técnica de extracción no térmica, que evita así la degradación térmica de los compuestos bioactivos. Todos los parámetros del proceso ultrasónico, como la amplitud, la intensidad, el tiempo, la temperatura y la presión, pueden controlarse 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 una vez. Los productores de extractos valoran la ultrasonicación por la repetibilidad fiable del proceso, que ayuda a estandarizar los procesos y los productos.

Parámetros del proceso de extracción de pectina por ultrasonidos

  • intensidad de sonicación
  • temperatura
  • Valor pH
  • Tiempo
  • Granulometría de la materia prima

 

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El ultrasonicador UIP4000hdT es un potente extractor para la producción industrial de pectina.

El extractor ultrasónico UIP4000hdT es un potente extractor de 4 kW para la producción industrial de pectina.

 

En este vídeo, le presentamos la extracción ultrasónica altamente eficaz de la pectina de la cáscara de pomelo utilizando el sonicador tipo sonda UP200Ht. La sonicación es un método muy eficaz para producir pectina de alta calidad a partir de subproductos de frutas y verduras. La extracción ultrasónica produce mayores cantidades de pectina y una calidad superior en un tiempo de procesado más corto.

Extracción de pectina de la cáscara de pomelo con el Sonicator UP200Ht

Vídeo en miniatura

 
Aquí encontrará el protocolo de extracción de pectina por ultrasonidos de la cáscara de pomelo que se muestra en el vídeo anterior.
 

La determinación de los parámetros relevantes del proceso permite optimizar el proceso de extracción por ultrasonidos para lograr la máxima eficacia y una calidad superior del extracto.
Por ejemplo, el tamaño de las partículas de la materia prima (por ejemplo, cáscaras de cítricos) es un factor importante: Cuanto menor sea el tamaño de las partículas, mayor será la superficie sobre la que actúen las ondas ultrasónicas. Un tamaño de partícula pequeño se traduce en un mayor rendimiento 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 quedan principalmente regiones "rectas" de homogalacturonano con unas pocas moléculas de azúcar neutro unidas sobre o en la cadena lineal principal.
La extracción de pectina por ultrasonidos reduce el tiempo de extracción y disminuye la temperatura de proceso necesaria, lo que reduce la posibilidad de modificación no deseada de la pectina por los ácidos. Esto permite utilizar ácidos en condiciones confinadas para modificar las pectinas con precisión según los requisitos del producto.

¿Por qué es tan eficaz la extracción ultrasónica de pectina?

El impacto de la extracción ultrasónica afecta directamente a la hinchazón, perforación y rotura de las paredes celulares. La transferencia de masa inducida por ultrasonidos provoca la hidratación del material pectinoso en la laminilla media, lo que conduce a la ruptura de los tejidos vegetales. La cavitación ultrasónica y las fuerzas de cizallamiento impactan directamente en las paredes celulares y las rompen. Estos mecanismos dan lugar a los resultados altamente eficaces de la extracción por ultrasonidos.

La extracción por ultrasonidos es una técnica muy eficaz para liberar las pectinas de la cáscara de pomelo. Esta imagen muestra el sonicador UP200Ht extrayendo pectinas de la cáscara de pomelo utilizando agua como disolvente.La pectina extraída por ultrasonidos (también pectina extraída asistida por cavitación acústica, abreviado ACAE), que tenía menor peso molecular y grado de metoxilación, era más rica en la región del ramnogalacturonano-I con cadenas laterales largas en comparación con la pectina extraída por calor convencional a partir de análisis químicos y de FT-IR. El consumo energético de la extracción de pectina por ultrasonidos fue significativamente inferior al del método convencional por calor, lo que indica su prometedora aplicación a escala de producción industrial.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang y sus colegas (2017) también subrayan que la extracción asistida por ultrasonidos ha demostrado ser un proceso más económico y respetuoso con el medio ambiente, con mayor eficiencia y menor coste en comparación con la extracción por calentamiento convencional.
 

La ultrasonicación favorece significativamente la extracción enzimática de las pectinas de la pulpa de remolacha azucarera. Las imágenes SEM muestran el impacto de la ultrasonicación en la disrupción celular y la liberación de pectinas.

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

 

La extracción botánica ultrasónica proporciona mayores rendimientos. El Hielscher UIP2000hdT, 2000 vatios homogeneizador es lo suficientemente potente como para extraer lotes de 10 litros a 120 litros fácilmente.

Extracción ultrasónica de productos botánicos - Lote de 30 litros / 8 galones

Vídeo en miniatura

 

¿Cómo funciona la extracción ultrasónica de pectina?

La extracción por ultrasonidos se basa en los efectos sonomecánicos de los ultrasonidos de alta intensidad. Para promover e intensificar la extracción de pectina mediante ultrasonidos, se introducen ondas ultrasónicas de alta potencia a través de una sonda ultrasónica (también llamada sonotrodo o bocina ultrasónica) en el medio líquido, es decir, la suspensión formada por la materia prima que contiene pectina y el disolvente. Las ondas ultrasónicas viajan a través del líquido y crean ciclos alternos de baja y alta presión. Durante los ciclos de baja presión, se crean diminutas burbujas de vacío (las llamadas burbujas de cavitación), que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Durante esos ciclos de crecimiento de la burbuja, los gases disueltos en el líquido entran en la burbuja de vacío, de modo que ésta se transforma en burbujas de gas en crecimiento. Al llegar a cierto tamaño, cuando las burbujas no pueden absorber más energía, implosionan violentamente durante un ciclo de alta presión. La implosión de la burbuja se caracteriza por intensas fuerzas de cavitación, que incluyen temperaturas y presiones muy elevadas que alcanzan hasta 4000K y 1000atm, respectivamente; así como los correspondientes diferenciales de temperatura y presión elevados. 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 crea una transferencia de masa muy intensa, la sonicación da lugar a rendimientos excepcionalmente altos en un tiempo de procesado muy corto.

Los disruptores ultrasónicos se utilizan para extracciones de fuentes fito (por ejemplo, plantas, algas, hongos)

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

El ultrasonicador UIP2000hdT es un extractor de 2 kW para la producción industrial de pectina.

Extractor ultrasónico por lotes UIP2000hdT con bocina cascatrode

Pectinas extraídas de residuos de frutas

La extracción por ultrasonidos es muy eficaz para producir pectinas de alta calidad a partir de residuos de cítricos.Los residuos de fruta, como las cáscaras, los restos de pulpa (tras el prensado del zumo de fruta) y otros subproductos de la fruta suelen ser fuentes ricas en pectina. Mientras que los residuos de fruta se utilizan a menudo como pienso, la extracción de pectina es un uso más valioso de los residuos de fruta.
La extracción de pectina por ultrasonidos ya se realiza con éxito con cáscaras de cítricos (como naranjas, mandarinas, pomelos), cáscaras de melón, orujo de manzana, pulpa de remolacha azucarera, cáscaras de mango, residuos de tomate, así como cáscaras de jackfruit, fruta de la pasión, higos, entre otros.

Casos prácticos de extracción ultrasónica de pectina

Debido a los inconvenientes de la extracción convencional de pectina por calor, la investigación y la industria ya han investigado alternativas innovadoras como la extracción por ultrasonidos. Por ello, se dispone de abundante información sobre los parámetros del proceso para diversas materias primas, así como datos sobre la optimización del proceso.

Extracción ultrasónica de pectina de orujo de manzana

Dranca y Oroian (2019) investigaron el proceso de extracción asistida por ultrasonidos de la pectina del orujo de manzana aplicando diversas condiciones ultrasónicas y utilizando el diseño de superficie de respuesta Box-Behnken. Encontraron que la amplitud del ultrasonido influye fuertemente en el rendimiento y el grado de esterificación de la pectina extraída, mientras que el pH de extracción tuvo un gran impacto en las tres respuestas, es decir, rendimiento, contenido de GalA y grado de esterificación. Las condiciones óptimas para la 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% y tuvo un contenido de 98,127 g/100 g de GalA y un grado de esterificación del 83,202%. Para poner los resultados de la pectina extraída por ultrasonidos en relación con la pectina comercial, la muestra de pectina obtenida por extracción ultrasónica en condiciones óptimas se comparó con muestras comerciales de pectina de cítricos y manzana mediante FT-IR, DSC, análisis reológico y SEM. Las dos primeras técnicas pusieron de manifiesto algunas particularidades de la muestra de pectina extraída por ultrasonidos, como el rango de distribución más estrecho del peso molecular, la disposición molecular ordenada y el alto grado de esterificación, similar al de las pectinas de manzana comerciales. 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 en GalA, por un lado, y la capacidad de absorción de agua, por otro. La viscosidad de la solución de pectina extraída por ultrasonidos era mucho mayor que la de las soluciones elaboradas con pectina comercial, lo que puede deberse a la elevada concentración de ácido galacturónico. Si se tiene en cuenta también el alto grado de esterificación, esto podría explicar por qué la viscosidad era mayor en el caso de 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 la manzana Malus domestica 'Fălticeni' indican aplicaciones prometedoras de esta fibra soluble. (cf. Dranca & Oroian 2019)

El método de extracción de pectina por ultrasonidos destaca por

  • mayor rendimiento
  • procesamiento más rápido
  • condiciones de transformación más suaves
  • mejora de la eficacia global
  • Funcionamiento sencillo y seguro
  • RoI rápido

Extractor ultrasónico de alto rendimiento para la producción de pectina

Extractor ultrasónico UIP4000hdT con configuración de flujo continuo para la extracción de pectinaLa extracción por ultrasonidos es una tecnología de procesamiento fiable, que facilita y acelera la producción de pectinas de alta calidad de diversas materias primas, como subproductos y cáscaras de cítricos, orujo de manzana y muchos otros. La cartera de productos de Hielscher Ultrasonics cubre toda la gama, desde los ultrasonidos compactos de laboratorio hasta los sistemas de extracción industriales. Por lo tanto, en Hielscher podemos ofrecerle el ultrasonido más adecuado para su capacidad de proceso prevista. Nuestro experimentado personal le ayudará desde las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación de su sistema de ultrasonidos en el nivel de producción final.
El reducido tamaño de nuestros extractores ultrasónicos, así como su versatilidad en cuanto a opciones de instalación, hacen que encajen incluso en instalaciones de procesamiento de pectina con poco espacio. Los procesadores por ultrasonidos se instalan en todo el mundo en plantas de producción de alimentos, productos farmacéuticos y suplementos nutricionales.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del loteTasa de flujoDispositivos recomendados
1 a 500 mL10 a 200 mL/min.UP100H
0,1 a 20 L0,2 a 4 L/minUIP2000hdT
10 a 100 L2 a 10 L/minUIP4000hdT
n.a.10 a 100 L/minUIP16000
n.a.mayorGrupo de UIP16000

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Hielscher Ultrasonics – Sofisticados equipos de extracción

La cartera de productos de Hielscher Ultrasonics cubre toda la gama de extractores ultrasónicos de alto rendimiento, desde pequeña a gran escala. Los accesorios adicionales permiten montar fácilmente la configuración de dispositivo 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 proceso por lotes o en línea y el plazo.

Por lotes y en línea

Los ultrasonidos de Hielscher pueden utilizarse para el procesamiento por lotes y en continuo. El procesamiento ultrasónico por lotes es ideal para pruebas de procesos, optimización y niveles de producción pequeños y medianos. Para producir grandes volúmenes de pectina, el procesamiento en línea puede ser más ventajoso. Un proceso continuo de mezcla en línea requiere una configuración sofisticada – consistente en una bomba, mangueras o tuberías y depósitos-, pero es altamente eficaz, rápido y requiere mucha menos mano de obra. Hielscher Ultrasonics tiene la configuración de extracción más adecuada para su volumen de extracción y objetivos del proceso.

Extractores ultrasónicos para cualquier capacidad de producto

Célula de flujo UIP4000hdT para sonicación en línea a escala industrialLa gama de productos de Hielscher Ultrasonics cubre todo el espectro de procesadores por ultrasonidos, desde los compactos ultrasonicadores de laboratorio, pasando por los sistemas de sobremesa y piloto, hasta los procesadores por ultrasonidos totalmente industriales con capacidad para procesar camiones cargados por hora. La gama completa de productos nos permite ofrecerle el extractor por ultrasonidos más adecuado para su materia prima con pectina, capacidad de proceso y objetivos de producción.
Los sistemas ultrasónicos de sobremesa son ideales para pruebas de viabilidad y optimización de procesos. El escalado lineal basado en parámetros de proceso establecidos facilita enormemente el aumento de las capacidades de procesamiento desde lotes más pequeños hasta la producción totalmente comercial. La ampliación puede realizarse instalando una unidad de extracción por ultrasonidos más potente o agrupando varios ultrasonicadores en paralelo. Con el UIP16000, Hielscher ofrece el extractor por ultrasonidos más potente del mundo.

Amplitudes controlables con precisión para resultados óptimos

Todos los ultrasonidos de Hielscher se pueden controlar con precisión y, por tanto, son caballos de batalla fiables en la producción. La amplitud es uno de los parámetros cruciales del proceso que influyen en la eficiencia y eficacia de la extracción por ultrasonidos de la pectina de frutas y biorresiduos.
Los ultrasonidos de Hielscher pueden controlarse a distancia mediante un navegador. Los parámetros de sonicación pueden supervisarse y ajustarse con precisión a los requisitos del proceso.Todos los sonicadores Hielscher permiten ajustar con precisión la amplitud. Los sonotrodos y las bocinas de refuerzo son accesorios que permiten modificar la amplitud en un rango aún más amplio. Los procesadores industriales de ultrasonidos Hielscher pueden ofrecer amplitudes muy elevadas y proporcionar la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ajustes precisos de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante un software inteligente le ofrecen la posibilidad de tratar su materia prima con las condiciones ultrasónicas más eficaces. Sonicación óptima para obtener los mejores resultados de extracción.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en condiciones de trabajo duras y en entornos exigentes. Esto convierte a los equipos de ultrasonidos de Hielscher en una herramienta de trabajo fiable que satisface sus requisitos de extracción.

Pruebas fáciles y sin riesgos

Los procesos ultrasónicos pueden escalarse de forma completamente lineal. Esto significa que todos los resultados obtenidos con un ultrasonido de laboratorio o de sobremesa pueden escalarse hasta obtener exactamente el mismo resultado con los mismos parámetros de proceso. Esto hace que la ultrasonicación sea ideal para pruebas de viabilidad sin riesgos, optimización de procesos y posterior implementación en la fabricación comercial. Póngase en contacto con nosotros para saber cómo la sonicación puede aumentar su producción de extracto de pectina.

Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher prioriza los más altos estándares de calidad para sus procesadores por ultrasonidos. Todos los equipos de ultrasonidos se diseñan, fabrican y prueban exhaustivamente en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín (Alemania). La robustez y fiabilidad de los equipos de ultrasonidos de Hielscher los convierten en un caballo de batalla en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica natural de los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher.

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.


Acerca de las pectinas

La pectina es un heteropolisacárido ramificado formado por segmentos de galacturonano de cadena larga y otros azúcares neutros como ramnosa, arabinosa, galactosa y xilosa. Para ser más específicos, la pectina es un bloque de copolímero compuesto por ácido galacturónico 1,4-α-ligado y ramnosa 1,2-ligada con ramas laterales de β-D-galactosa, L-arabinosa y otras unidades de azúcar. Dado que en la pectina se encuentran varias fracciones de azúcar y diferentes niveles de metilesterificación, la pectina no tiene un peso molecular definido como otros polisacáridos. La pectina, que se especifica para su uso en alimentos, se define como un heteropolisacárido que contiene al menos un 65% de unidades de ácido galacturónico. Aplicando condiciones de extracción específicas, las pectinas pueden modificarse y funcionalizarse con éxito para cumplir requisitos específicos. La producción de pectinas funcionalizadas y modificadas es interesante para aplicaciones especiales, por ejemplo, pectina con bajo contenido en metoxilato para productos farmacéuticos.

¿Cómo se separa la pectina de la solución de extracto?

Precipitación de pectina tras extracción ultrasónica: Añadir etanol a una solución de extracto puede ayudar a separar la pectina mediante un proceso denominado precipitación. La pectina, un polisacárido complejo que se encuentra en las paredes celulares de las plantas, es soluble en agua en condiciones normales. Sin embargo, al alterar el entorno del disolvente con la adición de etanol, se puede reducir la solubilidad de la pectina, lo que conduce a su precipitación de la solución.

A continuación, le explicamos la química que hay detrás de la precipitación de pectina utilizando etanol:

  • Interrupción de los enlaces de hidrógeno: Las moléculas de pectina se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno, que contribuyen a su solubilidad en agua. El etanol interrumpe estos enlaces de hidrógeno al competir con las moléculas de agua por los sitios de unión en las moléculas de pectina. A medida que las moléculas de etanol sustituyen a las moléculas de agua alrededor de las moléculas de pectina, los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de pectina se debilitan, reduciendo su solubilidad en el disolvente.
  • Disminución de la polaridad del disolvente: El etanol es menos polar que el agua, lo que significa que tiene una menor capacidad para disolver sustancias polares como la pectina. A medida que se añade etanol a la solución de extracto, la polaridad general del disolvente disminuye, lo que hace menos favorable que las moléculas de pectina permanezcan en solución. Esto conduce a la precipitación de la pectina fuera de la solución, ya que se vuelve menos soluble en la mezcla de etanol y agua.
  • Aumento de la concentración de pectina: A medida que las moléculas de pectina precipitan fuera de la solución, aumenta la concentración de pectina en la solución restante. Esto permite separar más fácilmente la pectina de la fase líquida mediante filtración o centrifugación.

Literatura / Referencias

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