Suurem pektiini saagis ultraheli ekstraheerimisega
Ultraheli ekstraheerimise tulemuseks on kõrge kvaliteediga pektiinide kõrge saagis. Ultrahelitöötluse abil saab väärtuslikke pektiine tõhusalt toota puuviljajäätmetest (nt mahla töötlemise kõrvalsaadused) ja muust bioloogilisest toorainest. Ultraheli pektiini ekstraheerimine ületab teisi ekstraheerimismeetodeid, tekitades suurema saagise, andes suurepärase pektiini kvaliteedi ja kiire ekstraheerimisprotseduuri.
Intensiivsem pektiini ekstraheerimine ultrahelitöötlusega
Pektiini kasutatakse geelistavana, emulgeeriva ja paksendava ainena paljudes toiduainetes, samuti kosmeetikatoodete ja farmaatsiatoodete koostisosana. Tavapärane tööstuslik pektiini ekstraheerimine toimub kuuma vee ekstraheerimise teel, kus toorainet, nagu tsitrusviljade koored, õunajäägid ja muud puuviljajäätmed, leotatakse pikka aega 60–100 °C kuumas vees madala pH juures (umbes pH 1,5–3,5). See muudab tavapärase kuuma vee ekstraheerimise aeganõudvaks ja energianõudvaks protsessiks, mis ei ole sageli isegi piisavalt tõhus, et vabastada kogu tooraines sisalduv pektiinide kogus.
Tavapärase tootmismeetodi ebaefektiivsuse ületamiseks rakendatakse ultraheli ekstraheerimist protsessi intensiivistamise tehnikana, mis vähendab ekstraheerimisaega ja maksimeerib pektiini saagist märkimisväärselt võrreldes traditsioonilise kuuma vee ekstraheerimisega.
Ultraheli pektiini ekstraheerimise eelis
Ultraheli ekstraheerimist rakendatakse paljudes ekstraktide tootmise valdkondades, nt botaanilised ja taimsed ekstraktid toiduainetele, toidulisanditele, ravimitele ja kosmeetikatoodetele. Väga silmapaistev näide ultraheli ekstraheerimisest on kannabidiooli (CBD) ja teiste ühendite ekstraheerimine kanepitaimest.
Ultraheli ekstraheerimine on mittetermiline ekstraheerimistehnika, mis takistab seeläbi bioaktiivseid ühendeid termilise lagunemise vastu. Kõiki ultraheli protsessi parameetreid, nagu amplituud, intensiivsus, aeg, temperatuur ja rõhk, saab täpselt kontrollida. See võimaldab täpset protsessi- ja kvaliteedikontrolli ning muudab pärast ekstraheerimistulemuste saamist lihtsaks kordamise ja reprodutseerimise. Ekstrakti tootjad hindavad ultraheli usaldusväärse protsessi korratavuse tagamiseks, mis aitab protsesse ja tooteid standardiseerida.
- ultrahelitöötluse intensiivsus
- temperatuur
- pH väärtus
- Aeg
- Tooraine osakeste suurus
Ultraheli ekstraktor UIP4000hdT on 4kW võimas ekstraktor tööstuslikuks pektiini tootmiseks.
Asjakohaste protsessiparameetrite määramine võimaldab optimeerida ultraheli ekstraheerimisprotsessi kõrgeima efektiivsuse ja suurepärase ekstrakti kvaliteediga.
Näiteks tooraine osakeste suurus (nt tsitrusviljade koored) on oluline tegur: Väiksem osakeste suurus tähendab ultraheli lainete toimimise suuremat pinda. Väikese osakeste suuruse tulemuseks on suurem pektiini saagis, madalam metülatsiooniaste ja suurem ramnogalakturonaani piirkondade suhe.
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.
Ultraheli pektiini ekstraheerimine vähendab ekstraheerimisaega ja alandab vajalikku protsessi temperatuuri, mis vähendab soovimatu pektiini modifitseerimise võimalust hapete poolt. See võimaldab kasutada happeid suletud tingimustes, et muuta pektiine täpselt toote nõuetele.
Mis teeb ultraheli pektiini ekstraheerimise nii tõhusaks?
Ultraheli ekstraheerimise mõju mõjutab otseselt rakuseinte turset, perforatsiooni ja purunemist. Ultraheli indutseeritud massiülekanne põhjustab pektiinilise materjali hüdratatsiooni keskmises lamellis, mis viib taimekudede lagunemiseni. Ultraheli kavitatsioon ja nihkejõud mõjutavad otseselt rakuseinu ja purustavad need lahti. Nende mehhanismide tulemuseks on ultraheli ekstraheerimise väga tõhusad tulemused.
Ultraheli ekstraheeritud pektiin (ka akustiline kavitatsioon abistas ekstraheeritud pektiini, lühend ACAE), millel oli madalam molekulmass ja metoksüülimise aste, oli rikkam rhamnogalacturonan-I piirkonnas, millel olid pikad külgahelad, võrreldes tavapärase soojusega ekstraheeritud pektiiniga keemilisest ja FT-IR analüüsist. Ulgtrasonic pektiini ekstraheerimise energiatarbimine oli oluliselt väiksem kui tavaline kuumutamismeetod, mis näitab selle paljutõotavat rakendust tööstusliku tootmise skaalal.
(vrd Wang et al., 2017)
Wang ja tema kolleegid (2017) toetavad ka seda, et ultraheli abil ekstraheerimine on osutunud ökonoomsemaks ja keskkonnasõbralikumaks protsessiks, millel on suurem efektiivsus ja väiksemad kulud võrreldes tavapärase kütte ekstraheerimisega.
Suhkrupeedi jääkmassi semikarbomeet 1000-kordse suurendusega: a) enne ekstraheerimist ja pärast pektiini ekstraheerimist, kasutades b) ksülanasae (250 U/g), c) tsellulaasi (300 U/g), d) ksülanasae + tsellulaasi (1:1) ja e) ksülanasae + tsellulaasi (1: 1.5) ja f) ksülanasae + tsellulaasi (1: 2).
Kuidas ultraheli pektiini ekstraheerimine toimib?
Ultraheli ekstraheerimine põhineb suure intensiivsusega ultraheli sonomehaanilistel mõjudel. Pektiini ekstraheerimise edendamiseks ja intensiivistamiseks ultraheli abil ühendatakse suure võimsusega ultraheli lained ultraheli sondi (mida nimetatakse ka ultraheli sarveks või sonotrode) kaudu vedelasse keskkonda, s.t. läga, mis koosneb pektiini sisaldavast toorainest ja lahustist. Ultraheli lained liiguvad läbi vedeliku ja loovad vahelduvaid madala rõhu? kõrgsurve tsükleid. Madala rõhu tsüklite ajal tekivad minutilised vaakummullid (nn kavitatsioonimullid), mis kasvavad mitme rõhutsükli jooksul. Nende mullide kasvutsüklite ajal sisenevad vedelikus lahustunud gaasid vaakummulli, nii et vaakummull muundub kasvavateks gaasimullideks. Teatud suuruses, kui mullid ei suuda rohkem energiat absorbeerida, implodeeruvad nad kõrgsurvetsükli ajal ägedalt. Mullide implosiooni iseloomustavad intensiivsed kavitatsioonijõud, sealhulgas väga kõrge temperatuur ja rõhk, mis ulatuvad vastavalt kuni 4000K ja 1000atm; samuti vastavad kõrge temperatuuri ja rõhu erinevused. Need ultraheli genereeritud turbulentsid ja nihkejõud lagundavad taimerakke ja vabastavad rakusisesed pektiinid veepõhisesse lahustisse. Kuna ultraheli kavitatsioon loob väga intensiivse massiülekande, põhjustab ultrahelitöötlus väga lühikese töötlemisaja jooksul erakordselt suure saagise.
Ultraheli ekstraheerimine taimerakkudest: mikroskoopiline põiklõige (TS) näitab toimemehhanismi ultraheli ekstraheerimisel rakkudest (suurendus 2000x) [ressurss: Vilkhu et al. 2011]
Ultraheli partii ekstraktor UIP2000hdT Cascatrode sarvega
Puuviljajäätmetest ekstraheeritud pektiinid
Puuviljajäätmed, nagu koored, viljaliha jäägid (pärast puuviljamahla pressimist) ja muud puuvilja kõrvalsaadused, on sageli rikkalikud pektiiniallikad. Kuigi puuviljajäätmeid kasutatakse sageli loomasöödana, on pektiini ekstraheerimine puuviljajäätmete väärtuslikum kasutamine.
Ultraheli pektiini ekstraheerimine on juba edukalt läbi viidud tsitrusviljade koorega (nagu apelsinid, mandariinid, greip), melonikoored, õunajäägid, suhkrupeedi viljaliha, mangokoored, tomatijäätmed, samuti jackfruit, kannatusvili, viigimarjakoored.
Ultraheli pektiini ekstraheerimise juhtumiuuringud
Tavapärase pektiini ekstraheerimise puuduste tõttu soojuse abil on teadusuuringud ja tööstus juba uurinud uuenduslikke alternatiive, nagu ultraheli ekstraheerimine. Seega on saadaval palju teavet erinevate toorainete protsessiparameetrite ja protsessi optimeerimise andmete kohta.
Pektiini ultraheli ekstraheerimine Apple Pomace'ist
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)
- suurem saagikus
- kiirem töötlemine
- leebemad töötlemistingimused
- paranenud üldine tõhusus
- lihtne ja ohutu kasutamine
- Kiire ROI
Suure jõudlusega ultraheli ekstraktor pektiini tootmiseks
Ultraheli ekstraheerimine on usaldusväärne töötlemistehnoloogia, mis hõlbustab ja kiirendab kvaliteetsete pektiinide, erinevate toorainete, näiteks tsitrusviljade kõrvalsaaduste ja koorte, õunajäägi ja paljude teiste tootmist. Hielscher Ultrasonics portfell hõlmab kogu valikut kompaktsetest labori ultrasonikaatoritest kuni tööstuslike ekstraheerimissüsteemideni. Seega saame Hielscheris pakkuda teile kõige sobivamat ultrasonikaatorit teie kavandatud protsessivõimsuse jaoks. Meie pikaajaline kogemus aitab teil teostatavuskatsetest ja protsesside optimeerimisest kuni ultraheli süsteemi paigaldamiseni lõplikule tootmistasemele.
Meie ultraheli ekstraktorite väike jalajälg ja nende mitmekülgsus paigaldusvõimalustes muudavad need sobivaks isegi väikese ruumi pektiini töötlemise rajatistesse. Ultraheli protsessorid on paigaldatud kogu maailmas toidu-, farmaatsia- ja toidulisandite tootmisrajatistesse.
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml? min | UP100H |
| 0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L? min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L? min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust!? Küsi meilt!
Hielscher Ultrasonics – Keerukad ekstraheerimisseadmed
Hielscher Ultrasonics tooteportfell hõlmab kõiki suure jõudlusega ultraheli ekstraktoreid väikestest kuni suurteni. Lisatarvikud võimaldavad teie pektiini ekstraheerimisprotsessi jaoks kõige sobivama ultraheli seadme konfiguratsiooni lihtsat kokkupanekut. Optimaalne ultraheli seadistamine sõltub kavandatud võimsusest, mahust, toorainest, partii- või tekstisisesest protsessist ja ajakavast.
partii ja tekstisisene
Hielscheri ultrasonikaatoreid saab kasutada partii ja pideva läbivoolu töötlemiseks. Ultraheli partii töötlemine on ideaalne protsessi testimiseks, optimeerimiseks ja väikese kuni keskmise suurusega tootmistasemeks. Suure koguse pektiini tootmiseks võib inline töötlemine olla soodsam. Pidev tekstisisene segamisprotsess nõuab keerukat seadistamist – mis koosneb pumbast, voolikutest või torudest ja paakidest -, kuid see on väga tõhus, kiire ja nõuab oluliselt vähem tööjõudu. Hielscher Ultrasonicsil on teie ekstraheerimismahu ja protsessi eesmärkide jaoks kõige sobivam ekstraheerimise seadistus.
Ultraheli ekstraktorid iga toote võimsuse jaoks
Hielscher Ultrasonics tootevalik hõlmab kogu ultraheli protsessorite spektrit kompaktsetest labori ultrasonikaatoritest üle pink-top ja pilootsüsteemide kuni täielikult tööstuslike ultraheli protsessoriteni, mis suudavad töödelda veoautode koormust tunnis. Täielik tootevalik võimaldab meil pakkuda teile kõige sobivamat ultraheli ekstraktorit teie pektiini sisaldava tooraine, protsessi võimsuse ja tootmiseesmärkide jaoks.
Ultraheli pink-süsteemid sobivad ideaalselt teostatavuskatseteks ja protsessi optimeerimiseks. Kindlaksmääratud protsessiparameetritel põhinev lineaarne skaleerimine muudab töötlemisvõimsuse suurendamise väiksematest partiidest täielikult kaubanduslikuks tootmiseks väga lihtsaks. Mastaapimist saab teha kas võimsama ultraheli ekstraktoriüksuse paigaldamisega või mitme ultrasonikaatori paralleelse koondamisega. UIP16000 pakub Hielscher kõige võimsamat ultraheli ekstraktorit kogu maailmas.
Täpselt kontrollitavad amplituudid optimaalsete tulemuste saavutamiseks
Kõik Hielscheri ultrasonikaatorid on täpselt kontrollitavad ja seega usaldusväärsed tööhobused tootmises. Amplituud on üks olulisi protsessi parameetreid, mis mõjutavad pektiini ultraheli ekstraheerimise tõhusust ja tõhusust puuviljadest ja biojäätmetest.
Kõik Hielscheri sonikaatorid võimaldavad amplituudi täpset seadistamist. Sonotroodid ja võimendussarved on tarvikud, mis võimaldavad amplituudi muuta veelgi laiemas vahemikus. Hielscheri tööstuslikud ultraheli protsessorid võivad pakkuda väga kõrgeid amplituudid ja pakkuda vajalikku ultraheli intensiivsust nõudlike rakenduste jaoks. Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt käivitada 24/7 operatsioonis.
Täpsed amplituudi seaded ja ultraheli protsessi parameetrite püsiv jälgimine nutika tarkvara kaudu annavad teile võimaluse ravida oma toorainet kõige tõhusamate ultraheli tingimustega. Optimaalne ultrahelitöötlus parimate ekstraheerimistulemuste saavutamiseks!
The robustness of Hielscher’s ultrasonic equipment allows for 24/7 operation at heavy duty and in demanding environments. This makes Hielscher’s ultrasonic equipment a reliable work tool that fulfils your extraction requirements.
Lihtne ja riskivaba testimine
Ultraheli protsessid võivad olla täiesti lineaarsed. See tähendab, et iga tulemust, mille olete saavutanud labori või pink-top ultrasonikaatori abil, saab täpselt samade protsessiparameetrite abil täpselt samale väljundile skaleerida. See muudab ultraheliuuringu ideaalseks riskivabaks teostatavuse testimiseks, protsessi optimeerimiseks ja sellele järgnevaks rakendamiseks kaubanduslikuks tootmiseks. Võtke meiega ühendust, et teada saada, kuidas ultrahelitöötlus võib suurendada teie pektiiniekstrakti tootmist.
Kõrgeim kvaliteet – Disainitud ja toodetud Saksamaal
As a family-owned and family-run business, Hielscher prioritizes highest quality standards for its ultrasonic processors. All ultrasonicators are designed, manufactured and thoroughly tested in our headquarter in Teltow near Berlin, Germany. Robustness and reliability of Hielscher’s ultrasonic equipment make it a work horse in your production. 24/7 operation under full load and in demanding environments is a natural characteristic of Hielscher high-performance mixers.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Pektiinide kohta
Pektiin on hargnenud heteropolüsahhariid, mis koosneb pika ahelaga galakturonaani segmentidest ja muudest neutraalsetest suhkrutest nagu ramnoos, arabinoos, galaktoos ja ksüloos. Täpsemalt öeldes on pektiin kopolümeeri plokk, mis koosneb 1,4-α-seotud galakturroonhappest ja 1,2-seotud ramnoosist, mille külgharud on β-D-galaktoos, L-arabinoos ja muud suhkruühikud. Kuna pektiinis leidub mitmeid suhkrukomponente ja erinevaid metüülesterdamise tasemeid, ei ole pektiinil määratletud molekulmassi nagu teistel polüsahhariididel. Pektiin, mis on ette nähtud kasutamiseks toidus, on määratletud kui heteropolüsahhariid, mis sisaldab vähemalt 65% galakturroonhappe ühikuid. Spetsiifiliste ekstraheerimistingimuste rakendamisega saab pektiine edukalt modifitseerida ja funktsionaliseerida, et täita konkreetseid nõudeid. Funktsionaliseeritud ja modifitseeritud pektiinide tootmine pakub huvi erirakenduste jaoks, nt madala metoksüülitud pektiini kasutamine ravimites.
Kuidas pektiin ekstraktilahusest eraldatakse?
Pektiini sadestumine pärast ultraheli ekstraheerimist: Etanooli lisamine ekstraktilahusele võib aidata pektiini eraldada protsessi kaudu, mida nimetatakse sadestamiseks. Pektiin, taimede rakuseintes leiduv kompleksne polüsahhariid, lahustub vees normaalsetes tingimustes. Kuid lahustikeskkonna muutmisega etanooli lisamisega saab pektiini lahustuvust vähendada, mis viib selle sadestumiseni lahusest.
Allpool selgitame teile pektiini sadestamise keemiat etanooli abil:
- Vesiniksidemete katkestamine: Pektiinimolekule hoiavad koos vesiniksidemed, mis aitavad kaasa nende lahustuvusele vees. Etanool katkestab need vesiniksidemed, konkureerides veemolekulidega pektiinimolekulide sidumiskohtades. Kuna etanoolimolekulid asendavad pektiinimolekulide ümber veemolekule, nõrgenevad pektiinimolekulide vahelised vesiniksidemed, vähendades nende lahustuvust lahustis.
- Vähenenud lahusti polaarsus: Etanool on vähem polaarne kui vesi, mis tähendab, et sellel on väiksem võime lahustada polaarseid aineid nagu pektiin. Kuna ekstraktilahusele lisatakse etanooli, väheneb lahusti üldine polaarsus, muutes pektiinimolekulide lahusesse jäämise vähem soodsaks. See viib pektiini sadestumiseni lahusest välja, kuna see muutub etanooli-vee segus vähem lahustuvaks.
- Suurenenud pektiini kontsentratsioon: Kuna pektiinimolekulid sadestuvad lahusest välja, suureneb pektiini kontsentratsioon ülejäänud lahuses. See võimaldab pektiini hõlpsamini eraldada vedelast faasist filtreerimise või tsentrifuugimise teel.
Kirjandus? Viited
- Wafaa S. Abou-Elseoud, Enas A. Hassan, Mohammad L. Hassan (2021): Extraction of pectin from sugar beet pulp by enzymatic and ultrasound-assisted treatments. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, Volume 2, 2021.
- Marina Fernández-Delgado, Esther del Amo-Mateos, Mónica Coca, Juan Carlos López-Linares, M. Teresa García-Cubero, Susana Lucas (2023): Enhancement of industrial pectin production from sugar beet pulp by the integration of surfactants in ultrasound-assisted extraction followed by diafiltration/ultrafiltration. Industrial Crops and Products, Volume 194, 2023.
- Wang, Wenjun; Wu, Xingzhu; Chantapakul, Thunthacha; Wang, Danli; Zhang, Song; Ma Xiaobin; Ding, Tian; Ye, Xingqian; Liu, Donghong(2017): Acoustic cavitation assisted extraction of pectin from waste grapefruit peels: A green two-stage approach and its general mechanism. Food Research Journal Vol.102, December 2017. 101-110.
- Drance, Florina; Oroian, Mircea (2019): Ultrasound-Assisted Extraction of Pectin from Malus domestica ‘Fălticeni’ Apple Pomace. Processes 7(8): 488; 2019.
- Owais Yousuf; Anupama Singh; N. C. Shahi; Anil Kumar; A. K. Verma (2018): Ultrasound Assisted Extraction of Pectin from Orange Peel. Bulletin of Environment, Pharmacology and Life Sciences Vol 7 [12], November 2018. 48-54.
- Lena Rebecca Larsen; Julia Buerschaper; Andreas Schieber; Fabian Weber (2019): Interactions of Anthocyanins with Pectin and Pectin Fragments in Model Solutions. J Agric Food Chem 2019 Aug 21; 67(33). pp. 9344-9353.