Suuremad pektiinisaagised ultraheliekstraktsiooni abil

Ultraheliekstraktsioon annab kõrge saagise ja ülimalt kvaliteetset pektiini. Ultraheli töötluse (sonikeerimise) abil saab väärtuslikku pektiini tõhusalt toota puuviljajäätmetest (nt mahlatöötluse kõrvalsaadustest) ja muust bioloogilisest toorainest. Ultraheliga pektiini ekstraktsioon edestab teisi ekstraktsioonitehnikaid, andes suurema saagise, parema pektiinikvaliteedi ja kiire ekstraktsiooniprotseduuri.

Pektiini intensiivistatud ekstraktsioon ultraheli töötluse abil

Pektiini kasutatakse geelistava, emulgeeriva ja paksendava ainena paljudes toidutoodetes ning koostisosana kosmeetikas ja farmaatsiatoodetes. Tavapärane tööstuslik pektiini ekstraktsioon toimub kuuma veega ekstraheerimise teel, kus tooraine, näiteks tsitrusviljade koored, õunapress ja muud puuviljajäätmed, leotatakse pikaks ajaks 60–100°C kuumas vees madala pH juures (ca pH 1,5 – 3,5). See muudab tavapärase kuuma veega ekstraheerimise aja- ja energiamahukaks protsessiks, mis sageli pole isegi piisavalt tõhus, et vabastada kogu toorainesse sisalduv pektiinikogus.
Tavapärase tootmismeetodi ebatõhususe ületamiseks rakendatakse ultraheliekstraktsiooni protsessi intensiivistava tehnikana, mis lühendab ekstraktsiooniaega ja suurendab pektiinisaagist oluliselt võrreldes traditsioonilise kuuma veega ekstraheerimisega.

Ultraheliga pektiini ekstraktsiooni eelis

Ultraheliekstraktsiooni kasutatakse paljudes ekstraktide tootmise valdkondades, nt toidu, toidulisandite, farmaatsiatoodete ja kosmeetika taimsete ja ravimtaimeekstraktide jaoks. Väga tuntud näide ultraheliekstraktsioonist on kannabidiooli (CBD) ja muude ühendite ekstraheerimine kanepitaimest.
Ultraheliekstraktsioon on mittetermiline ekstraktsioonitehnika, mis kaitseb seeläbi bioaktiivseid ühendeid termilise lagunemise eest. Kõiki ultraheli protsessiparameetreid, nagu amplituud, intensiivsus, aeg, temperatuur ja rõhk, saab täpselt kontrollida. See võimaldab täpset protsessi- ja kvaliteedikontrolli ning teeb saavutatud ekstraktsioonitulemuste kordamise ja reprodutseerimise lihtsaks. Ekstraktide tootjad hindavad ultraheli töötlust töökindla protsessi korratavuse tõttu, mis aitab protsesse ja tooteid standardiseerida.

 
Siit leiate ülaltoodud videos demonstreeritud protokolli ultraheliga pektiini ekstraktsiooniks greibi koorest!

Oluliste protsessiparameetrite määramine võimaldab optimeerida ultraheliekstraktsiooni protsessi kõrgeima tõhususe ja parima ekstrakti kvaliteedini.
Näiteks on tooraine (nt tsitrusviljade koorte) osakeste suurus oluline tegur: väiksem osakeste suurus tähendab suuremat pindala, millele ultraheli lained saavad mõjuda. Väike osakeste suurus annab seeläbi suurema pektiinisaagise, madalama metüülimisastme ja suurema ramnogalakturonaani piirkondade osakaalu.
Ekstraktsioonilahusti (st vesi + hape) pH väärtus on veel üks oluline parameeter. Kui pektiini ekstraheeritakse happelistes tingimustes, lagunevad polümeeri paljud ramnogalakturonaani hargnenud piirkonnad, nii et alles jäävad peamiselt homogalakturonaani „sirged“ piirkonnad, millel on põhilisel lineaarsel ahelal või selle sees mõned neutraalsed suhkrumolekulid.
Ultraheliga pektiini ekstraktsioon lühendab ekstraktsiooniaega ja vähendab vajalikku protsessitemperatuuri, mis vähendab happetest tingitud soovimatu pektiinimodifikatsiooni võimalust. See võimaldab kasutada happeid piiratud tingimustes, et modifitseerida pektiini täpselt vastavalt tootenõuetele.

Mis teeb ultraheliga pektiini ekstraktsiooni nii tõhusaks?

Ultraheli ekstraheerimise mõju avaldub otseselt rakuseinte paisumisele, perforeerumisele ja purunemisele. Ultrahelist põhjustatud massiülekanne põhjustab keskmise lamelli pektiinset materjali hüdratatsiooni, mis viib taimekudede lagunemiseni. Ultraheli kavitatsioon ja nihkejõud mõjuvad otseselt rakuseintele ning lõhuvad need. Need mehhanismid annavad ultraheli ekstraheerimise väga tõhusad tulemused.

Ultrahelil ekstraheeritud pektiin (ka akustilise kavitatsiooni abil ekstraheeritud pektiin, lüh. ACAE), mille molekulmass ja metoksüülimisaste olid madalamad, oli keemilise ja FT-IR-analüüsi põhjal rikkam pikkade külgahelatega rhamnogalakturonaan-I piirkonna poolest võrreldes tavapärasel kuumutamisel ekstraheeritud pektiiniga. Energiatarve ultraheli pektiiniekstraktsioonil oli oluliselt madalam kui tavapärasel kuumutamismeetodil, mis viitab selle lootustandvale rakendusele tööstuslikus tootmismastaabis.
(vrd Wang et al., 2017)
Wang ja tema kolleegid (2017) toetavad samuti seisukohta, et ultraheli abil ekstraheerimine on osutunud tavapärase kuumutamisega ekstraheerimisega võrreldes ökonoomsemaks ja keskkonnasõbralikumaks protsessiks, millel on suurem tõhusus ja väiksemad kulud.

Järelejäänud suhkrupeedipulbi SEM-pilt 1000-kordse suurendusega: (a) enne ekstraheerimist ning pärast pektiini ekstraheerimist kasutades (b) Xylanasae (250 U/g), (c) tselluloosi (Cellulase, 300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), (e) Xylanasae+Cellulase (1:1,5) ja (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(uuring ja pildid: Abou-Elseoud et al., 2021)

Kuidas ultraheli pektiiniekstraktsioon toimib?

Ultraheli ekstraheerimine põhineb suure intensiivsusega ultraheli sonomehaanilisel toimel. Pektiini ekstraheerimise soodustamiseks ja intensiivistamiseks ultraheli töötluse (sonikeerimise) abil juhitakse suure võimsusega ultrahelilained ultraheli sondi (nimetatakse ka ultraheli sarveks või sonotroodiks) kaudu vedelasse keskkonda, st pektiini sisaldavast toormaterjalist ja lahustist koosnevasse suspensiooni. Ultrahelilained levivad läbi vedeliku ja tekitavad vahelduvaid madalrõhu- ja kõrgrõhutsükleid. Madalrõhutsüklite ajal tekivad pisikesed vaakumimullid (nn kavitatsioonimullid), mis kasvavad mitme rõhutsükli jooksul. Nende mullide kasvutsüklite ajal siseneb vedelikus lahustunud gaas vaakumimulli, nii et vaakumimull muutub kasvavaks gaasimulliks. Teatud suuruse juures, kui mullid ei suuda enam energiat neelata, kollapseeruvad need kõrgrõhutsükli ajal vägivaldselt. Mulli kollapsit iseloomustavad intensiivsed kavitatsioonijõud, sealhulgas väga kõrge temperatuur ja rõhk, mis ulatuvad vastavalt kuni 4000K ja 1000atm; samuti vastavad suured temperatuuri- ja rõhuerinevused. Need ultraheli tekitatud turbulentsid ja nihkejõud lõhuvad taimerakke ning vabastavad rakusisesed pektiinid veepõhisesse lahustisse. Kuna ultraheli kavitatsioon tekitab väga intensiivse massiülekande, annab ultraheli töötlus erakordselt kõrge saagise väga lühikese töötlusaja jooksul.
Ultraheli töötlust kasutatakse mitte ainult pektiini ekstraheerimiseks, vaid ka polüfenoolide eraldamiseks puuviljade pressijääkidest, viljalihast, koorest ja seemnetest. Loe lähemalt siit!

Ultraheli ekstraheerimine taimerakkudest: mikroskoopiline ristlõige (TS) näitab toimemehhanisme ultraheli ekstraheerimisel rakkudest (suurendus 2000x) [allikas: Vilkhu et al. 2011]

Puuviljajääkidest ekstraheeritud pektiinid

Puuviljajäätmed, nagu koored, puuviljaviljaliha jäägid (pärast puuviljamahla pressimist) ja muud puuviljade kõrvalsaadused, on sageli rikkalikud pektiiniallikad. Kuigi puuviljajäätmeid kasutatakse sageli loomasöödana, on pektiini ekstraheerimine puuviljajäätmete väärtuslikum kasutusviis.
Ultraheli pektiiniekstraktsiooni tehakse juba edukalt tsitrusviljade koortest (nagu apelsinid, mandariinid, greip), melonikoortest, õunapressijääkidest, suhkrupeedipulbist, mangokoortest, tomatijäätmetest, samuti jackfruit’ist, passionfruit’ist, viigimarjakoortest ja muudest.

Ultraheli pektiiniekstraktsiooni juhtumiuuringud

Tavapärase kuumutamisel põhineva pektiini ekstraheerimise puuduste tõttu on teadus ja tööstus juba uurinud uuenduslikke alternatiive, näiteks ultrahelil põhinevat ekstraheerimist. Seega on kättesaadav rohkesti teavet protsessiparameetrite kohta erinevate toorainete puhul ning ka protsessi optimeerimise andmeid.

Pektiini ultraheliekstraheerimine õunapressimisjääkidest

Dranca ja Oroian (2019) uurisid pektiini ultraheliga toetatud ekstraheerimisprotsessi õunapressimisjääkidest, rakendades erinevaid ultraheli tingimusi ja kasutades Box-Behnkeni vastuspinna disaini. Nad leidsid, et ultraheli amplituud mõjutab tugevalt ekstraheeritud pektiini saagist ja veristumisastet, samal ajal kui ekstraheerimise pH mõjutas suurel määral kõiki kolme vastust, s.t saagist, GalA sisaldust ja veristumisastet. Ekstraheerimise optimaalsed tingimused olid 100% amplituud, pH 1,8, tahke aine ja vedeliku suhe 1:10 g/mL ning 30 min ultraheli töötlust. Nendel tingimustel oli pektiini saagis 9,183%, GalA sisaldus 98,127 g/100 g ja veristumisaste 83,202%. Et seostada ultraheliga ekstraheeritud pektiini tulemusi kommertspektiiniga, võrreldi optimaalsetes tingimustes ultraheliekstraheerimisega saadud pektiiniproovi kommertsiaalsete tsitrusviljade ja õunapektiini proovidega FT-IR-i, DSC, reoloogilise analüüsi ja SEM-i abil. Kaks esimest tehnikat tõid esile mõned ultraheliekstraheerimisega saadud pektiiniproovi eripärad, näiteks kitsama molekulmassi jaotusvahemiku, korrapärase molekulaarse paigutuse ja kõrge veristumisastme, mis oli sarnane kaubanduslikult saadaolevate õunapektiinide omaga. Ultraheliga saadud proovi morfoloogiliste tunnuste analüüs viitab määravale seosele selle proovi fragmentide suuruste jaotuse ja GalA sisalduse ühelt poolt ning veeimavuse teiselt poolt vahel. Ultraheliga ekstraheeritud pektiini lahuse viskoossus oli palju suurem kui kommertspektiiniga valmistatud lahustel, mis võib olla tingitud galakturoonhappe kõrgest kontsentratsioonist. Arvestades ka kõrget veristumisastet, võib see seletada, miks ultraheliga ekstraheeritud pektiini viskoossus oli suurem. Teadlased järeldavad, et Malus domestica ‘Fălticeni’ õunapressimisjääkidest ultraheliekstraheerimisega saadud pektiini puhtus, struktuur ja reoloogiline käitumine viitavad selle lahustuva kiudaine paljulubavatele rakendustele. (vrd Dranca & Oroian 2019)

Suure jõudlusega ultraheliekstraktor pektiini tootmiseks

Ultraheliekstraheerimine on usaldusväärne töötlustehnoloogia, mis hõlbustab ja kiirendab kvaliteetsete pektiinide tootmist erinevatest toorainetest, näiteks tsitrusviljade kõrvalsaadustest ja koortest, õunapressimisjääkidest ja paljudest muudest. Hielscher Ultrasonics tootevalik hõlmab kogu skaalat kompaktsetest laboratoorsetest ultrahelitöötlusseadmetest tööstuslike ekstraheerimissüsteemideni. Seega saame meie ettevõttes Hielscher pakkuda teile kõige sobivama ultrahelitöötlusseadme teie kavandatud protsessimahule. Meie pikaajalise kogemusega töötajad toetavad teid teostatavuskatsetest ja protsessi optimeerimisest kuni teie ultraheli süsteemi paigaldamiseni lõplikule tootmistasemele.
Meie ultraheliekstraktorite väike põhipind ja paigaldusvõimaluste mitmekülgsus võimaldavad neid paigutada isegi väikese pinnaga pektiinitöötlusrajatistesse. Ultraheliprotsessoreid on paigaldatud kogu maailmas toidu-, farmaatsia- ja toidulisandite tootmisrajatistesse.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrahelitöötlusseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Hielscher Ultrasonics – kaasaegsed ekstraheerimisseadmed

Hielscher Ultrasonicsi tootevalik hõlmab kogu spektrit suure jõudlusega ultraheliekstraktoreid väikestest suurteni. Lisatarvikud võimaldavad hõlpsasti kokku panna teie pektiini ekstraheerimisprotsessi jaoks kõige sobivama ultraheliseadme konfiguratsiooni. Optimaalne ultraheliseadistus sõltub kavandatud võimsusest, mahust, toorainest, perioodilisest (batch) või inline-protsessist ning ajakavast.

Perioodiline (batch) ja inline-töötlus

Hielscher ultrahelisonikaatoreid saab kasutada nii perioodiliseks (batch) kui ka pidevaks läbivoolutöötluseks. Ultraheli batch-töötlus sobib ideaalselt protsessi katsetamiseks, optimeerimiseks ning väikese kuni keskmise tootmismahu jaoks. Suurte pektiinikoguste tootmisel võib inline-töötlus olla soodsam. Pidev inline-segamisprotsess nõuab keerukat seadistust – mis koosneb pumbast, voolikutest või torudest ja mahutitest –, kuid see on väga tõhus, kiire ja nõuab oluliselt vähem tööjõudu. Hielscher Ultrasonicsil on teie ekstraheeritava mahu ja protsessieesmärkide jaoks kõige sobivam ekstraheerimisseadistus.

Ultraheliekstraktorid igale tootmismahule

Hielscher Ultrasonics tootevalik hõlmab kogu ultraheliprotsessorite spektrit alates kompaktsetest laboratoorsetest ultrahelisonikaatoritest kuni lauaseadmete ja pilootsüsteemideni ning täielikult tööstuslike ultraheliprotsessoriteni, mis suudavad töödelda veokitäisi tunnis. Kogu tootevalik võimaldab meil pakkuda teile kõige sobivamat ultraheliekstraktorit teie pektiini sisaldava tooraine, protsessi võimsuse ja tootmiseesmärkide jaoks.
Ultraheli lauasüsteemid sobivad ideaalselt teostatavuskatseteks ja protsessi optimeerimiseks. Väljakujunenud protsessiparameetritel põhinev lineaarne skaleerimine teeb töötlusvõimsuse suurendamise väiksematelt partiidelt täielikult kommertstootmiseni väga lihtsaks. Mastaabi suurendamiseks saab paigaldada võimsama ultraheliekstraktori või ühendada mitu ultrahelisonikaatorit paralleelselt. Seadmega UIP16000 pakub Hielscher maailma võimsaimat ultraheliekstraktorit.

Täpselt reguleeritavad amplituudid optimaalsete tulemuste saavutamiseks

Kõik Hielscher ultrahelisonikaatorid on täpselt reguleeritavad ja seetõttu usaldusväärsed tööhobused tootmises. Amplituud on üks olulisemaid protsessiparameetreid, mis mõjutavad pektiini ultraheliekstraheerimise tõhusust ja tulemuslikkust puuviljade ja biojäätmete puhul.
Kõik Hielscher sonikaatorid võimaldavad amplituudi täpset seadistamist. Sonotroodid ja võimendussonotroodid (booster horns) on tarvikud, mis võimaldavad amplituudi muuta veelgi laiemas vahemikus. Hielscher tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad pakkuda väga suuri amplituude ning tagada nõudlikes rakendustes vajaliku ultraheli intensiivsuse. Kuni 200µm amplituudidega saab hõlpsasti pidevalt töötada ööpäevaringses 24/7 režiimis.
Täpsed amplituudiseaded ja ultraheliprotsessi parameetrite pidev jälgimine nutika tarkvara abil annavad teile võimaluse töödelda oma toorainet kõige tõhusamates ultrahelitingimustes. Optimaalne ultraheli töötlus parimate ekstraheerimistulemuste saavutamiseks!
Hielscheri ultraheliseadmete töökindlus võimaldab 24/7 töörežiimi suure koormuse all ja nõudlikes keskkondades. See teeb Hielscheri ultraheliseadmetest usaldusväärse töövahendi, mis vastab teie ekstraheerimisnõuetele.

Lihtne ja riskivaba katsetamine

Ultraheliprotsesse saab skaleerida täiesti lineaarselt. See tähendab, et iga tulemuse, mille olete saavutanud laboratoorse või lauaultrahelisonikaatoriga, saab täpselt samade protsessiparameetritega skaleerida täpselt samale väljundile. See teeb ultraheli töötluse ideaalseks riskivabade teostatavuskatsete, protsessi optimeerimise ja sellele järgneva kommertstootmisse juurutamise jaoks. Võtke meiega ühendust, et teada saada, kuidas ultraheli töötlus võib suurendada teie pektiiniekstrakti tootmist.

Kõrgeim kvaliteet – kavandatud ja toodetud Saksamaal

Perekonna omanduses ja juhitava ettevõttena seab Hielscher oma ultraheliprotsessoritele kõrgeimad kvaliteedistandardid. Kõik ultraheliseadmed (ultrasonicators) projekteeritakse, toodetakse ja testitakse põhjalikult meie peakontoris Teltowis Berliini lähedal Saksamaal. Hielscheri ultraheliseadmete vastupidavus ja töökindlus teevad neist teie tootmises tõelise tööhobuse. Pidev töö 24/7 täiskoormusel ja nõudlikes keskkonnatingimustes on Hielscheri suure jõudlusega segistele loomulik omadus.