Korkeammat pektiinisaannot ultraääniuutolla

Ultraääniuutto johtaa korkealaatuisten pektiinien korkeaan saantoon. Sonikaatiota käyttämällä arvokkaita pektiinejä voidaan tuottaa tehokkaasti hedelmäjätteestä (esim. mehunjalostuksen sivutuotteet) ja muusta biologisesta raaka-aineesta. Ultraäänipektiinin uuttaminen ylittää muut uuttotekniikat tuottamalla suurempia saantoja, mikä antaa erinomaisen pektiinin laadun ja nopean uuttomenettelyn.

Tehostettu pektiinin uuttaminen sonikaatiolla

Pektiiniä käytetään hyytelöivänä, emulgointi- ja sakeutusaineena lukuisissa elintarvikkeissa sekä kosmetiikan ja lääkkeiden ainesosana. Perinteinen teollinen pektiiniuutto tapahtuu kuumavesiuutolla, jossa raaka-ainetta, kuten sitrushedelmien kuoria, omenan puristemassaa ja muita hedelmäjätteitä, liotetaan 60–100 °C:n kuumassa vedessä alhaisessa pH:ssa (noin pH 1,5–3,5) pitkän aikaa. Tämä tekee perinteisestä kuuman veden uuttamisesta aikaa ja energiaa vievän prosessin, joka ei usein ole edes tarpeeksi tehokas vapauttamaan raaka-aineessa käytettävissä olevaa pektiinimäärää.
Tavanomaisen tuotantomenetelmän tehottomuuden voittamiseksi ultraääniuuttoa käytetään prosessia tehostavana tekniikkana, joka vähentää uuttoaikaa ja maksimoi pektiinin saannon merkittävästi verrattuna perinteiseen kuuman veden uuttamiseen.

Ultraäänipektiinin uuttamisen etu

Ultraääniuuttoa käytetään monilla uutteen tuotannon aloilla, esimerkiksi kasvitieteelliset ja kasviperäiset uutteet elintarvikkeisiin, lisäravinteisiin, lääkkeisiin ja kosmetiikkaan. Erittäin merkittävä esimerkki ultraääniuutosta on kannabidiolin (CBD) ja muiden yhdisteiden uuttaminen kannabiskasvista.
Ultraääniuutto on ei-terminen uuttotekniikka, joka estää siten bioaktiiviset yhdisteet lämpöhajoamista vastaan. Kaikki ultraääniprosessiparametrit, kuten amplitudi, intensiteetti, aika, lämpötila ja paine, voidaan ohjata tarkasti. Tämä mahdollistaa tarkan prosessin ja laadunvalvonnan ja helpottaa sen toistamista ja toistamista, kun uuttotulokset on saatu. Uutteen tuottajat arvostavat ultrasonicationia luotettavan prosessin toistettavuuden vuoksi, mikä auttaa standardoimaan prosesseja ja tuotteita.

 
Löydä yllä olevassa videossa esitetty protokolla ultraäänipektiinin uuttamiseksi greipin kuoresta täältä!
 

Asiaankuuluvien prosessiparametrien määrittäminen mahdollistaa ultraääniuuttoprosessin optimoinnin korkeimpaan hyötysuhteeseen ja erinomaiseen uutteen laatuun.
Esimerkiksi raaka-aineen (esim. sitrushedelmien kuorien) hiukkaskoko on tärkeä tekijä: Pienempi hiukkaskoko tarkoittaa suurempaa pinta-alaa ultraääniaalloille. Pieni hiukkaskoko johtaa siten suurempiin pektiinisaantoihin, pienempään metylaatioasteeseen ja suurempaan ramnogalakturonaanialueiden suhteeseen.
Uuttoliuottimen (eli veden ja hapon) pH-arvo on toinen olennainen parametri. Kun pektiini uutetaan happamissa olosuhteissa, monet polymeerin ramnogalakturonaanin haarautuneet alueet hajoavat, jolloin pääasiassa homogalakturonaani “suora” Jäljelle jäävät alueet, joilla on muutamia neutraaleja sokerimolekyylejä kiinnittyneenä lineaariseen pääketjuun tai sen sisällä.
Ultraäänipektiinin uuttaminen vähentää uuttoaikaa ja alentaa vaadittua prosessilämpötilaa, mikä vähentää happojen ei-toivotun pektiinin modifioinnin mahdollisuutta. Tämä mahdollistaa happojen käytön ahtaissa olosuhteissa pektiinien muokkaamiseksi tarkasti tuotevaatimusten mukaan.

Mikä tekee ultraäänipektiiniuutosta niin tehokkaan?

Ultraääniuuton vaikutus vaikuttaa suoraan soluseinien turvotukseen, rei'itykseen ja rikkoutumiseen. Ultraäänellä indusoitu massansiirto aiheuttaa pektiinimateriaalin hydratoitumisen keskilamellissa, mikä johtaa kasvikudosten hajoamiseen. Ultraäänikavitaatio ja leikkausvoimat vaikuttavat suoraan soluseiniin ja rikkovat ne auki. Nämä mekanismit johtavat ultraääniuuton erittäin tehokkaisiin tuloksiin.

Ultraäänellä uutettu pektiini (myös akustinen kavitaatioavusteinen uutettu pektiini, lyhenne ACAE), jolla oli pienempi molekyylipaino ja metoksylaatioaste, oli rikkaampi ramnogalakturonaani-I-alueella, jolla oli pitkät sivuketjut verrattuna tavanomaiseen kemiallisesta ja FT-IR-analyysistä uutettuun pektiiniin. Ulgtrasonisen pektiinin uuttamisen energiankulutus oli huomattavasti pienempi kuin perinteinen lämmitysmenetelmä, mikä osoittaa sen lupaavan sovelluksen teollisen tuotannon mittakaavassa.
(vrt. Wang et al., 2017)
Wang ja hänen kollegansa (2017) tukevat myös sitä, että ultraäänellä avustetun uuttamisen on osoitettu olevan taloudellisempi ja ympäristöystävällisempi prosessi, jolla on suurempi hyötysuhde ja pienemmät kustannukset verrattuna perinteiseen lämmönpoistoon.
 

Sokerijuurikkaan jäännösmassan SEM 1000-kertaisella suurennuksella: a) ennen pektiinin uuttamista ja pektiinin uuttamisen jälkeen käyttäen (b) Xylanasae (250 U/g), (c) sellulaasia (300 U/g), (d) ksylanasae + sellulaasi (1:1) ja (e) ksylanasae + sellulaasi (1:1.5) ja (f) ksylanasae + sellulaasi (1:2).
(tutkimus ja kuvat: Abou-Elseoud et ai., 2021)

Miten ultraäänipektiinin uuttaminen toimii?

Ultraääniuutto perustuu korkean intensiteetin ultraäänen sonomekaanisiin vaikutuksiin. Pektiinin uuttamisen edistämiseksi ja tehostamiseksi ultraäänellä suuritehoiset ultraääniaallot kytketään ultraäänianturin (kutsutaan myös ultraäänisarveksi tai sonotrodiksi) kautta nestemäiseen väliaineeseen eli lietteeseen, joka koostuu pektiiniä sisältävästä raaka-aineesta ja liuottimesta. Ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi ja luovat vuorottelevia matalapaine- / korkeapainesyklejä. Matalapainesyklien aikana syntyy pieniä tyhjiökuplia (ns. kavitaatiokuplia), jotka kasvavat useiden painesyklien aikana. Näiden kuplien kasvusyklien aikana nesteessä olevat liuenneet kaasut tulevat tyhjiökuplaan, jolloin tyhjiökupla muuttuu kasvaviksi kaasukupliksi. Tietyssä koossa, kun kuplat eivät pysty absorboimaan enemmän energiaa, ne luhistuvat voimakkaasti korkeapainejakson aikana. Kuplan luhistumiselle on ominaista voimakkaat kavitaatiovoimat, mukaan lukien erittäin korkea lämpötila ja paine, jotka saavuttavat vastaavasti 4000K ja 1000atm; sekä vastaavat korkeat lämpötila- ja paine-erot. Nämä ultraäänellä tuotetut turbulenssit ja leikkausvoimat hajottavat kasvisolut ja vapauttavat solunsisäiset pektiinit vesipohjaiseen liuottimeen. Koska ultraäänikavitaatio luo erittäin voimakkaan massansiirron, sonikaatio johtaa poikkeuksellisen suuriin saantoihin hyvin lyhyessä käsittelyajassa.
Sonikaatiota ei käytetä ainoastaan pektiinin uuttamiseen, vaan myös polyfenolien eristämiseen hedelmien puristejätteestä, hedelmälihasta, kuoresta ja siemenistä. Lue lisää täältä!

Ultraääniuutto kasvisoluista: mikroskooppinen poikittainen osa (TS) osoittaa vaikutusmekanismin ultraääniuuton aikana soluista (suurennus 2000x) [resurssi: Vilkhu et ai. 2011]

Hedelmäjätteistä uutetut pektiinit

Hedelmäjätteet, kuten kuoret, hedelmälihan jäämät (hedelmämehun puristamisen jälkeen) ja muut hedelmien sivutuotteet ovat usein runsaasti pektiinin lähteitä. Vaikka hedelmäjätteitä käytetään usein eläinten rehuna, pektiinin uuttaminen on hedelmäjätteen arvokkaampi käyttö.
Ultraäänipektiinin uuttaminen on jo onnistuneesti suoritettu sitrushedelmien kuorilla (kuten appelsiinit, mandariinit, greippi), melonin kuoret, omenamassa, sokerijuurikasmassa, mangon kuoret, tomaattijätteet sekä jakkipuu, intohimoinen hedelmä, viikunankuoret.

Tapaustutkimukset ultraäänipektiinin uuttamisesta

Tavanomaisen pektiinin uuttamisen lämpöhaittojen vuoksi tutkimus ja teollisuus ovat jo tutkineet innovatiivisia vaihtoehtoja, kuten ultraääniuuttoa. Näin saatavilla on runsaasti tietoa eri raaka-aineiden prosessiparametreista sekä prosessien optimointidataa.

Pektiinin ultraääniuutto omenan puristemassasta

Dranca ja Oroian (2019) tutkivat ultraääniavusteista pektiinin uuttamisprosessia omenan puristemassasta käyttäen erilaisia ultraääniolosuhteita ja käyttäen Box-Behnken-vastauspintasuunnittelua. He havaitsivat, että ultraäänen amplitudi vaikuttaa voimakkaasti uutetun pektiinin saantoon ja esteröitymisasteeseen, kun taas uuton pH:lla oli suuri vaikutus kaikkiin kolmeen vasteeseen eli saantoon, GalA-pitoisuuteen ja esteröitymisasteeseen. Optimaaliset uutto-olosuhteet olivat 100 prosentin amplitudi, pH 1,8, kiinteän ja nesteen suhde 1:10 g/ml ja 30 minuutin sonikointi. Näissä olosuhteissa pektiinin saanto oli 9,183 %, GalA-pitoisuus 98,127 g/100 g ja esteröitymisaste 83,202 %. Jotta ultraäänellä uutetun pektiinin tulokset voitaisiin suhteuttaa kaupalliseen pektiiniin, ultraääniuutolla optimaalisissa olosuhteissa saatuja pektiininäytteitä verrattiin kaupallisiin sitrus- ja omenapektiininäytteisiin FT-IR-, DSC-, reologisen analyysin ja SEM-menetelmällä. Kahdella ensimmäisellä tekniikalla korostettiin ultraääniuutolla uutetun pektiininäytteen joitakin erityispiirteitä, kuten kapeampi molekyylipainon jakauma-alue, molekyylien järjestäytyneisyys ja korkea esteröitymisaste, joka oli samanlainen kuin kaupallisesti saatavilla olevilla omenapektiineillä. Ultraäänellä saadun näytteen morfologisten ominaisuuksien analyysi osoittaa, että tämän näytteen fragmenttikokojakauman ja GalA-pitoisuuden välillä on toisaalta määritysmalli ja toisaalta vedenottokyky. Ultraäänellä uutetun pektiiniliuoksen viskositeetti oli paljon korkeampi kuin kaupallisella pektiinillä valmistettujen liuosten viskositeetti, mikä saattaa johtua galakturonihapon korkeasta pitoisuudesta. Kun otetaan huomioon myös korkea esteröitymisaste, tämä saattaa selittää, miksi ultraäänellä uutetun pektiinin viskositeetti oli korkeampi. Tutkijat päättelevät, että Malus domestica 'Fălticeni' -lajin pektiinin puhtaus, rakenne ja reologinen käyttäytyminen ultraääniuutolla uutetun pektiinin osalta on hyvä.’ omenan puristemassa osoittaa tämän liukoisen kuidun lupaavia sovelluksia. (ks. Dranca & Oroian 2019)

Korkean suorituskyvyn ultraääniuutin pektiinin tuotantoon

Ultraääniuutto on luotettava käsittelytekniikka, joka helpottaa ja nopeuttaa korkealaatuisten pektiinien, erilaisten raaka-aineiden, kuten sitrushedelmien, sivutuotteiden ja kuorien, omenan puristemassan ja monien muiden, tuotantoa. Hielscher Ultrasonics -salkku kattaa täyden valikoiman kompakteista laboratorioultraäänilaitteista teollisiin uuttojärjestelmiin. Näin me Hielscherissä voimme tarjota sinulle sopivimman ultraäänilaitteen suunnitellulle prosessikapasiteetillesi. Pitkäaikainen kokenut henkilökuntamme auttaa sinua toteutettavuustesteistä ja prosessin optimoinnista ultraäänijärjestelmän asentamiseen lopulliselle tuotantotasolle.
Ultraääniuuttimien pieni jalanjälki sekä niiden monipuolisuus asennusvaihtoehdoissa tekevät niistä sopivia myös pienikokoisiin pektiinin käsittelylaitoksiin. Ultraääniprosessorit asennetaan maailmanlaajuisesti elintarvike-, lääke- ja ravintolisien tuotantolaitoksiin.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Hielscher Ultrasonics – Kehittyneet uuttolaitteet

Hielscher Ultrasonics -tuotevalikoima kattaa täyden valikoiman korkean suorituskyvyn ultraääniuuttimia pienistä suuriin mittasuhteisiin. Lisätarvikkeet mahdollistavat pektiinin uuttoprosessiin sopivimman ultraäänilaitekokoonpanon helpon kokoamisen. Optimaalinen ultraääniasetus riippuu suunnitellusta kapasiteetista, tilavuudesta, raaka-aineesta, erä- tai inline-prosessista ja aikajanasta.

Erä ja inline

Hielscher-ultraäänilaitteita voidaan käyttää erä- ja jatkuvaan läpivirtauskäsittelyyn. Ultraäänieräkäsittely on ihanteellinen prosessitestaukseen, optimointiin ja pieniin ja keskisuuriin tuotantotasoihin. Jos pektiiniä tuotetaan suuria määriä, inline-käsittely voi olla edullisempaa. Jatkuva inline-sekoitusprosessi vaatii hienostuneen asennuksen – koostuu pumpusta, letkuista tai putkista ja säiliöistä - mutta se on erittäin tehokas, nopea ja vaatii huomattavasti vähemmän työvoimaa. Hielscher Ultrasonicsilla on sopivin uuttoasetus uuttomäärällesi ja prosessitavoitteillesi.

Ultraääniuuttimet jokaiselle tuotekapasiteetille

Hielscher Ultrasonics -tuotevalikoima kattaa täyden valikoiman ultraääniprosessoreita kompakteista laboratorioultraäänilaitteista penkki- ja pilottijärjestelmiin täysin teollisiin ultraääniprosessoreihin, joilla on kyky käsitellä kuorma-autokuormia tunnissa. Koko tuotevalikoiman avulla voimme tarjota sinulle sopivimman ultraääniuuttimen pektiiniä sisältävälle raaka-aineelle, prosessikapasiteetille ja tuotantotavoitteille.
Ultraäänipenkkijärjestelmät ovat ihanteellisia toteutettavuustesteihin ja prosessien optimointiin. Vakiintuneisiin prosessiparametreihin perustuvan lineaarisen skaalauksen ansiosta käsittelykapasiteettia on erittäin helppo lisätä pienemmistä eristä täysin kaupalliseen tuotantoon. Skaalaus voidaan tehdä joko asentamalla tehokkaampi ultraääniuuttoyksikkö tai ryhmittelemällä useita ultraäänilaitteita rinnakkain. UIP16000 kanssa Hielscher tarjoaa maailman tehokkaimman ultraääniuuttimen.

Tarkasti säädettävät amplitudit optimaalisiin tuloksiin

Kaikki Hielscher-ultraäänilaitteet ovat tarkasti hallittavissa ja siten luotettavia työhevosia tuotannossa. Amplitudi on yksi ratkaisevista prosessiparametreista, jotka vaikuttavat pektiinin ultraääniuuton tehokkuuteen ja vaikuttavuuteen hedelmistä ja biojätteestä.
Kaikki Hielscherin sonikaattorit mahdollistavat amplitudin tarkan asettamisen. Sonotrodit ja tehostesarvet ovat lisävarusteita, joiden avulla amplitudia voidaan muuttaa entistä laajemmalla alueella. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit ja tuottaa vaaditun ultraääni-intensiteetin vaativiin sovelluksiin. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa.
Tarkat amplitudiasetukset ja ultraääniprosessiparametrien pysyvä seuranta älykkään ohjelmiston avulla antavat sinulle mahdollisuuden käsitellä raaka-ainettasi tehokkaimmilla ultraääniolosuhteilla. Optimaalinen sonikaatio parhaan uuttotuloksen saavuttamiseksi!
Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7 toiminnan raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä. Tämä tekee Hielscherin ultraäänilaitteista luotettavan työvälineen, joka täyttää uuttovaatimukset.

Helppo ja riskitön testaus

Ultraääniprosessit voivat olla täysin lineaarisia. Tämä tarkoittaa, että jokainen tulos, jonka olet saavuttanut laboratoriolla tai penkki-top-ultraäänilaitteella, voidaan skaalata täsmälleen samaan lähtöön käyttämällä täsmälleen samoja prosessiparametreja. Tämä tekee ultrasonicationista ihanteellisen riskittömään toteutettavuustestaukseen, prosessin optimointiin ja myöhempään toteutukseen kaupalliseen valmistukseen. Ota meihin yhteyttä oppiaksesi, miten sonikaatio voi lisätä pektiiniuutteen tuotantoa.

Korkealaatuisia – Suunniteltu ja valmistettu Saksassa

Perheyrityksenä ja perheyrityksenä Hielscher asettaa etusijalle ultraääniprosessoriensa korkeimmat laatustandardit. Kaikki ultraäänilaitteet suunnitellaan, valmistetaan ja testataan perusteellisesti pääkonttorissamme Teltowissa lähellä Berliiniä, Saksassa. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys ja luotettavuus tekevät siitä työhevosen tuotannossasi. 24/7 käyttö täydellä kuormituksella ja vaativissa ympäristöissä on Hielscherin korkean suorituskyvyn sekoittimien luonnollinen ominaisuus.