Suuremmat pektiinisaannot ultraääniuutolla

Ultraääniuutto tuottaa suuria saantoja erittäin korkealaatuisia pektiinejä. Ultraäänikäsittelyllä voidaan tuottaa tehokkaasti arvokkaita pektiinejä hedelmäjätteestä (esim. mehunvalmistuksen sivutuotteista) ja muista biologisista raaka-aineista. Pektiinin ultraääniuutto päihittää muut uuttotekniikat suurempien saantojen, paremman pektiinin laadun ja nopean uuttomenettelyn ansiosta.

Tehostettu pektiinin uutto ultraäänikäsittelyllä

Pektiiniä käytetään hyytelöimis-, emulgointi- ja sakeuttamisaineena lukuisissa elintarvikkeissa sekä ainesosana kosmetiikassa ja lääkkeissä. Perinteinen teollinen pektiinin uutto tehdään kuumavesiuutolla, jossa raaka-ainetta, kuten sitrushedelmien kuoria, omenan puristusjäännöstä ja muuta hedelmäjätettä, liotetaan pitkään 60–100°C:n kuumassa vedessä alhaisessa pH:ssa (noin pH 1,5 – 3,5). Tämä tekee perinteisestä kuumavesiuutosta aikaa ja energiaa kuluttavan prosessin, joka ei useinkaan ole edes riittävän tehokas vapauttamaan kaikkea raaka-aineessa olevaa pektiiniä.
Perinteisen tuotantomenetelmän tehottomuuden voittamiseksi ultraääniuuttoa käytetään prosessia tehostavana tekniikkana, joka lyhentää uuttoaikaa ja maksimoi pektiinisaannon merkittävästi perinteiseen kuumavesiuuttoon verrattuna.

Pektiinin ultraääniuuton etu

Ultraääniuuttoa käytetään monilla uutteiden tuotannon aloilla, esimerkiksi kasvi- ja yrttiuutteiden valmistuksessa elintarvikkeisiin, ravintolisiin, lääkkeisiin ja kosmetiikkaan. Erittäin tunnettu esimerkki ultraääniuutosta on kannabidiolin (CBD) ja muiden yhdisteiden uuttaminen kannabiskasvista.
Ultraääniuutto on ei-terminen uuttotekniikka, joka siten suojaa bioaktiivisia yhdisteitä lämmön aiheuttamalta hajoamiselta. Kaikkia ultraääniprosessin parametreja, kuten amplitudia, intensiteettiä, aikaa, lämpötilaa ja painetta, voidaan hallita tarkasti. Tämä mahdollistaa tarkan prosessin- ja laadunvalvonnan sekä helpottaa kerran saavutettujen uuttotulosten toistamista ja uusintamista. Uutteiden tuottajat arvostavat ultraäänikäsittelyä prosessin luotettavan toistettavuuden vuoksi, sillä se auttaa standardoimaan prosesseja ja tuotteita.

 
Löydät tästä yllä olevassa videossa esitetyn menetelmäohjeen pektiinin ultraääniuuttoon greipinkuoresta!
 

Olennaisten prosessiparametrien määrittäminen mahdollistaa ultraääniuuttoprosessin optimoinnin suurimpaan tehokkuuteen ja erinomaiseen uutteen laatuun.
Esimerkiksi raaka-aineen (kuten sitrushedelmien kuorien) hiukkaskoko on tärkeä tekijä: pienempi hiukkaskoko tarkoittaa suurempaa pinta-alaa, johon ultraääniaallot voivat vaikuttaa. Pieni hiukkaskoko johtaa siten suurempiin pektiinisaantoihin, alhaisempaan metylaatioasteeseen ja suurempaan ramnogalakturonaalialueiden osuuteen.
Uuttoliuottimen (eli veden + hapon) pH-arvo on toinen keskeinen parametri. Kun pektiiniä uutetaan happamissa olosuhteissa, monet polymeerin haarautuneet ramnogalakturonaalialueet hajoavat, jolloin jäljelle jää pääasiassa homogalakturonaalin ”suoria” alueita, joissa lineaariseen pääketjuun tai sen sisään on liittynyt muutamia neutraaleja sokerimolekyylejä.
Pektiinin ultraääniuutto lyhentää uuttoaikaa ja alentaa tarvittavaa prosessilämpötilaa, mikä pienentää happojen aiheuttaman ei-toivotun pektiinin muokkautumisen todennäköisyyttä. Tämä mahdollistaa happojen käytön rajatuissa olosuhteissa pektiinien muokkaamiseksi tarkasti tuotevaatimusten mukaisiksi.

Mikä tekee pektiinin ultraääniuutosta niin tehokasta?

Ultraääniuuton vaikutus kohdistuu suoraan soluseinien turpoamiseen, rei’ittymiseen ja rikkoutumiseen. Ultraäänen aikaansaama aineensiirto aiheuttaa välilamellin pektiinipitoisen materiaalin hydratoitumisen, mikä johtaa kasvikudosten hajoamiseen. Ultraäänikavitaatio ja leikkausvoimat vaikuttavat suoraan soluseiniin ja rikkovat ne auki. Nämä mekanismit tuottavat ultraääniuuton erittäin tehokkaat tulokset.

Kemiallisen analyysin ja FT-IR-analyysin perusteella ultraäänellä uutettu pektiini (myös akustisen kavitaation avulla uutettu pektiini, lyhenne ACAE), jonka molekyylipaino ja metoksylaatioaste olivat alhaisemmat, sisälsi enemmän ramnogalakturonaali-I-aluetta pitkine sivuketjuineen kuin perinteisesti lämmöllä uutettu pektiini. Pektiinin ultraääniuuton energiankulutus oli merkittävästi pienempi kuin perinteisen kuumennusmenetelmän, mikä viittaa sen lupaavaan soveltuvuuteen teolliseen tuotantomittakaavaan.
(vrt. Wang et al., 2017)
Wang ja hänen kollegansa (2017) korostavat myös, että ultraääniavusteinen uutto on osoitettu taloudellisemmaksi ja ympäristöystävällisemmäksi prosessiksi, jonka tehokkuus on suurempi ja kustannukset pienemmät kuin perinteisessä kuumennukseen perustuvassa uutossa.
 

Jäljelle jääneen sokerijuurikasmassan SEM-kuvat 1000x suurennuksella: (a) ennen uuttoa ja pektiinin uuton jälkeen käytettäessä (b) Xylanasae (250 U/g), (c) sellulaasia (300 U/g), (d) Xylanasae+sellulaasia (1:1), (e) Xylanasae+sellulaasia (1:1,5) ja (f) Xylanasae+sellulaasia (1:2).
(tutkimus ja kuvat: Abou-Elseoud et al., 2021)

Miten pektiinin ultraääniuutto toimii?

Ultraääniuutto perustuu voimakkaan ultraäänen sonomekaanisiin vaikutuksiin. Pektiinin uuton edistämiseksi ja tehostamiseksi ultraäänikäsittelyllä suuritehoiset ultraääniaallot kytketään ultraäänianturin (jota kutsutaan myös ultraäänitorveksi tai sonotrodiksi) kautta nestemäiseen väliaineeseen eli pektiinipitoisesta raaka-aineesta ja liuottimesta koostuvaan lietteeseen. Ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi ja synnyttävät vuorottelevia matala- ja korkeapainejaksoja. Matalapainejaksojen aikana syntyy pieniä tyhjiökuplia (niin sanottuja kavitaatiokuplia), jotka kasvavat useiden painejaksojen aikana. Näiden kuplien kasvujaksojen aikana nesteeseen liuenneet kaasut siirtyvät tyhjiökuplaan, jolloin tyhjiökuplat muuttuvat kasvaviksi kaasukupliksi. Tietyn koon saavutettuaan, kun kuplat eivät enää pysty absorboimaan lisää energiaa, ne luhistuvat rajusti korkeapainejakson aikana. Kuplan luhistumiselle ovat ominaisia voimakkaat kavitaatiovoimat, joihin liittyvät erittäin korkea lämpötila ja paine, jotka voivat nousta vastaavasti jopa 4 000K:iin ja 1 000atm:iin, sekä vastaavat suuret lämpötila- ja paine-erot. Nämä ultraäänen synnyttämät turbulenssit ja leikkausvoimat hajottavat kasvisoluja ja vapauttavat solunsisäiset pektiinit vesipohjaiseen liuottimeen. Koska ultraäänikavitaatio saa aikaan erittäin voimakkaan aineensiirron, ultraäänikäsittely tuottaa poikkeuksellisen suuria saantoja hyvin lyhyessä käsittelyajassa.
Ultraäänikäsittelyä käytetään pektiinin uuton lisäksi myös polyfenolien eristämiseen hedelmien puristusjäännöksestä, hedelmälihasta, kuorista ja siemenistä. Lue lisää tästä!

Ultraääniuutto kasvisoluista: mikroskooppinen poikkileikkaus (TS) näyttää solujen ultraääniuuton aikaisen vaikutusmekanismin (suurennus 2000x) [lähde: Vilkhu et al. 2011]

Hedelmäjätteestä uutetut pektiinit

Hedelmäjätteet, kuten kuoret, hedelmälihan jäännökset (hedelmämehun puristamisen jälkeen) ja muut hedelmien sivutuotteet, ovat usein runsaita pektiinin lähteitä. Vaikka hedelmäjätetuotteita käytetään usein eläinten rehuna, pektiinin uutto on hedelmäjätteen arvokkaampi käyttötapa.
Pektiinin ultraääniuuttoa tehdään jo menestyksekkäästi muun muassa sitrushedelmien kuorista (kuten appelsiinin, mandariinin ja greipin kuorista), melonin kuorista, omenan puristusjäännöksestä, sokerijuurikasmassasta, mangon kuorista, tomaattijätteestä sekä jakkihedelmän, passionhedelmän ja viikunan kuorista.

Tapaustutkimuksia pektiinin ultraääniuutosta

Perinteisen, lämpöön perustuvan pektiinin uuton haittojen vuoksi tutkimuksessa ja teollisuudessa on jo selvitetty innovatiivisia vaihtoehtoja, kuten ultraääniuuttoa. Näin ollen saatavilla on runsaasti tietoa eri raaka-aineiden prosessiparametreista sekä prosessin optimointitietoja.

Pektiinin ultraääniuutto omenan puristusjäännöksestä

Dranca ja Oroian (2019) tutkivat pektiinin ultraääniavusteista uuttoa omenan puristusjäännöksestä soveltaen erilaisia ultraääniolosuhteita ja käyttäen Box–Behnken-vastesuunnittelua. 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%:n amplitudi, pH 1,8, kiinteän aineen ja nesteen suhde 1:10 g/mL sekä 30 min:n ultraäänikäsittely. Näissä olosuhteissa pektiinisaanto oli 9,183%, GalA-pitoisuus 98,127 g/100 g ja esteröitymisaste 83,202%. Ultraäänellä uutetun pektiinin tulosten suhteuttamiseksi kaupalliseen pektiiniin optimaalisissa olosuhteissa ultraääniuutolla saatua pektiininäytettä verrattiin kaupallisiin sitrus- ja omenapektiininäytteisiin FT-IR:n, DSC:n, reologisen analyysin ja SEM:n avulla. Kaksi ensimmäistä tekniikkaa toivat esiin joitakin ultraääniuutolla uutetun pektiininäytteen erityispiirteitä, kuten kapeamman molekyylipainojakauman, järjestäytyneen molekyylirakenteen ja korkean esteröitymisasteen, joka oli samanlainen kuin kaupallisesti saatavilla olevilla omenapektiineillä. Ultraäänellä saadun näytteen morfologisten ominaisuuksien analyysi osoittaa määräävän yhteyden yhtäältä tämän näytteen fragmenttikokojen jakauman ja GalA-pitoisuuden sekä toisaalta vedenottokyvyn välillä. Ultraäänellä uutetun pektiiniliuoksen viskositeetti oli paljon korkeampi kuin kaupallisesta pektiinistä valmistettujen liuosten, mikä saattaa johtua suuresta galakturonihappopitoisuudesta. Kun huomioidaan myös korkea esteröitymisaste, tämä saattaa selittää, miksi ultraäänellä uutetun pektiinin viskositeetti oli korkeampi. Tutkijat päättelevät, että Malus domestica ’Fălticeni’ -omenan puristusjäännöksestä ultraääniuutolla uutetun pektiinin puhtaus, rakenne ja reologinen käyttäytyminen viittaavat tämän liukoisen kuidun lupaaviin käyttökohteisiin. (vrt. Dranca & Oroian 2019)

Suuritehoinen ultraääniuutin pektiinin tuotantoon

Ultraääniuutto on luotettava käsittelytekniikka, joka helpottaa ja nopeuttaa korkealaatuisten pektiinien tuotantoa erilaisista raaka-aineista, kuten sitrushedelmien sivutuotteista ja kuorista, omenan puristusjäännöksestä ja monista muista. Yrityksen Hielscher Ultrasonics tuotevalikoima kattaa koko kirjon kompakteista laboratorioiden ultraäänilaitteista teollisiin uuttojärjestelmiin. Siten me yrityksessä Hielscher voimme tarjota sinulle parhaiten sopivan ultraäänilaitteen suunniteltuun prosessikapasiteettiin. Pitkään alalla työskennellyt henkilöstömme auttaa sinua toteutettavuustesteistä ja prosessin optimoinnista ultraäänijärjestelmäsi asentamiseen lopulliseen tuotantomittakaavaan.
Ultraääniuuttimiemme pieni tilantarve ja monipuoliset asennusvaihtoehdot mahdollistavat niiden sijoittamisen jopa pieniin pektiinin käsittelytiloihin. Ultraääniprosessoreita on asennettu maailmanlaajuisesti elintarvikkeiden, lääkkeiden ja ravintolisien tuotantolaitoksiin.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Hielscher Ultrasonics – Edistykselliset uuttolaitteet

Hielscher Ultrasonics -tuotevalikoima kattaa koko suuritehoisten ultraääniuuttimien kirjon pienestä suureen mittakaavaan. Lisävarusteet mahdollistavat pektiinin uuttoprosessiisi parhaiten sopivan ultraäänilaitekokoonpanon helpon kokoamisen. Optimaalinen ultraäänilaitteisto riippuu suunnitellusta kapasiteetista, tilavuudesta, raaka-aineesta, erä- tai linjaprosessista ja aikataulusta.

Erä- ja linjakäsittely

Hielscher-ultraäänilaitteita voidaan käyttää eräkäsittelyyn ja jatkuvaan läpivirtauskäsittelyyn. Ultraäänieräkäsittely soveltuu ihanteellisesti prosessin testaukseen, optimointiin sekä pieneen ja keskisuureen tuotantomittakaavaan. Suurten pektiinimäärien tuotannossa linjakäsittely saattaa olla edullisempi vaihtoehto. Jatkuva linjasekoitusprosessi vaatii edistyksellisen laitteiston – joka koostuu pumpusta, letkuista tai putkista ja säiliöistä – mutta se on erittäin tehokas, nopea ja vaatii huomattavasti vähemmän työvoimaa. Hielscher Ultrasonics tarjoaa uuttomäärääsi ja prosessitavoitteisiisi parhaiten sopivan uuttolaitteiston.

Ultraääniuuttimet jokaiseen tuotantokapasiteettiin

Yrityksen Hielscher Ultrasonics tuotevalikoima kattaa koko ultraääniprosessorien kirjon kompakteista laboratorioiden ultraäänilaitteista pöytä- ja pilottilaitteistoihin sekä täysin teollisiin ultraääniprosessoreihin, joiden kapasiteetti riittää kuorma-autolastillisten käsittelyyn tunnissa. Kattava tuotevalikoima mahdollistaa pektiinipitoiseen raaka-aineeseesi, prosessikapasiteettiisi ja tuotantotavoitteisiisi parhaiten sopivan ultraääniuuttimen tarjoamisen.
Pöytämalliset ultraäänijärjestelmät soveltuvat ihanteellisesti toteutettavuustesteihin ja prosessin optimointiin. Vakiintuneisiin prosessiparametreihin perustuva lineaarinen skaalaus tekee käsittelykapasiteetin kasvattamisesta pienemmistä eristä täysimittaiseen kaupalliseen tuotantoon erittäin helppoa. Mittakaavaa voidaan kasvattaa joko asentamalla tehokkaampi ultraääniuutinyksikkö tai yhdistämällä useita ultraäänilaitteita rinnakkain. Mallilla UIP16000 Hielscher tarjoaa maailman tehokkaimman ultraääniuuttimen.

Tarkasti säädettävät amplitudit optimaalisiin tuloksiin

Kaikki Hielscher-ultraäänilaitteet ovat tarkasti säädettäviä ja siten luotettavia tuotannon työjuhtia. Amplitudi on yksi keskeisistä prosessiparametreista, jotka vaikuttavat hedelmien ja biojätteen pektiinin ultraääniuuton tehokkuuteen ja vaikuttavuuteen.
Kaikki Hielscher-ultraäänilaitteet mahdollistavat amplitudin tarkan asetuksen. Sonotrodit ja amplitudia vahvistavat torvet ovat lisävarusteita, jotka mahdollistavat amplitudin muuttamisen vielä laajemmalla alueella. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja ja vaativiin sovelluksiin tarvittavan ultraääni-intensiteetin. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä.
Tarkat amplitudiasetukset ja ultraääniprosessin parametrien jatkuva seuranta älykkäällä ohjelmistolla mahdollistavat raaka-aineesi käsittelyn tehokkaimmissa ultraääniolosuhteissa. Optimaalinen ultraäänikäsittely parhaisiin uuttotuloksiin!
Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7-käytön raskaassa kuormituksessa ja vaativissa ympäristöissä. Tämä tekee Hielscherin ultraäänilaitteista luotettavan työvälineen, joka täyttää uuttovaatimuksesi.

Helppo, riskitön testaus

Ultraääniprosessit voidaan skaalata täysin lineaarisesti. Tämä tarkoittaa, että jokainen laboratorio- tai pöytämallisella ultraäänilaitteella saavuttamasi tulos voidaan skaalata täsmälleen samaan lopputulokseen käyttämällä täsmälleen samoja prosessiparametreja. Tämä tekee ultraäänikäsittelystä ihanteellisen riskittömään toteutettavuuden testaukseen, prosessin optimointiin ja myöhempään käyttöönottoon kaupallisessa tuotannossa. Ota yhteyttä ja selvitä, miten ultraäänikäsittely voi lisätä pektiiniuutteesi tuotantoa.

Korkein laatu – Suunniteltu ja valmistettu Saksassa

Perheomisteisena ja perheen johtamana yrityksenä Hielscher asettaa ultraääniprosessoreilleen korkeimmat laatustandardit. Kaikki ultraäänilaitteet suunnitellaan, valmistetaan ja testataan perusteellisesti päätoimipaikassamme Teltowissa lähellä Berliiniä Saksassa. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys ja luotettavuus tekevät niistä tuotantosi työjuhtia. 24/7-käyttö täydellä kuormituksella ja vaativissa ympäristöissä on Hielscherin suuritehoisten sekoittimien luontainen ominaisuus.