Rendements en pectine plus élevés grâce à l’extraction par ultrasons
L’extraction par ultrasons permet d’obtenir des rendements élevés de pectines de qualité supérieure. Grâce à la sonication, des pectines précieuses peuvent être produites efficacement à partir de déchets de fruits (p. ex. sous-produits de la fabrication de jus) et d’autres matières premières biologiques. L’extraction de pectine par ultrasons surpasse les autres techniques d’extraction en offrant des rendements plus élevés, une qualité de pectine supérieure et une procédure d’extraction rapide.
Extraction de pectine intensifiée par sonication
La pectine est utilisée comme agent gélifiant, émulsifiant et épaississant dans de nombreux produits alimentaires, ainsi que comme ingrédient dans les cosmétiques et les produits pharmaceutiques. L’extraction industrielle conventionnelle de la pectine s’effectue par extraction à l’eau chaude : la matière première, telle que les écorces d’agrumes, le marc de pomme et d’autres déchets de fruits, est trempée dans de l’eau chaude à 60–100°C à pH bas (env. pH 1,5 – 3,5) pendant une longue période. L’extraction conventionnelle à l’eau chaude devient ainsi un procédé long et énergivore, qui n’est souvent même pas assez efficace pour libérer la totalité des pectines disponibles dans la matière première.
Afin de pallier l’inefficacité de la méthode de production conventionnelle, l’extraction par ultrasons est appliquée comme technique d’intensification des procédés qui réduit le temps d’extraction et maximise considérablement le rendement en pectine par rapport à l’extraction traditionnelle à l’eau chaude.
L’avantage de l’extraction de pectine par ultrasons
L’extraction par ultrasons est appliquée dans de nombreux domaines de la production d’extraits, p. ex. les extraits botaniques et de plantes médicinales destinés aux aliments, aux compléments, aux produits pharmaceutiques et aux cosmétiques. Un exemple très connu d’extraction par ultrasons est l’extraction du cannabidiol (CBD) et d’autres composés de la plante de cannabis.
L’extraction par ultrasons est une technique d’extraction non thermique, qui protège ainsi les composés bioactifs contre la dégradation thermique. Tous les paramètres du procédé à ultrasons, tels que l’amplitude, l’intensité, la durée, la température et la pression, peuvent être contrôlés avec exactitude. Cela permet un contrôle précis du procédé et de la qualité et facilite la répétition et la reproduction des résultats d’extraction une fois obtenus. Les producteurs d’extraits apprécient l’ultrasonication pour la répétabilité fiable du procédé, qui contribue à standardiser les procédés et les produits.
- Intensité de sonication
- Température
- Valeur du pH
- Durée
- Taille des particules de la matière première
L’extracteur à ultrasons UIP4000hdT est un extracteur puissant de 4kW pour la production industrielle de pectine.
La détermination des paramètres de procédé pertinents permet d’optimiser le procédé d’extraction par ultrasons pour atteindre une efficacité maximale et une qualité d’extrait supérieure.
Par exemple, la taille des particules de la matière première (p. ex. écorces d’agrumes) est un facteur important : une taille de particules plus petite signifie une plus grande surface sur laquelle les ondes ultrasonores peuvent agir. Une petite taille de particules se traduit ainsi par des rendements en pectine plus élevés, un degré de méthylation plus faible et une proportion plus importante de régions rhamnogalacturonanes.
La valeur du pH du solvant d’extraction (c.-à-d. eau + acide) est un autre paramètre essentiel. Lorsque la pectine est extraite en conditions acides, de nombreuses régions ramifiées de rhamnogalacturonane du polymère sont décomposées, de sorte qu’il subsiste principalement des régions « droites » d’homogalacturonane avec quelques molécules de sucres neutres fixées sur ou dans la chaîne linéaire principale.
L’extraction de pectine par ultrasons réduit le temps d’extraction et abaisse la température de procédé requise, ce qui diminue le risque de modification indésirable de la pectine par les acides. Cela permet d’utiliser des acides dans des conditions restreintes afin de modifier les pectines précisément selon les exigences du produit.
Qu’est-ce qui rend l’extraction de pectine par ultrasons si efficace ?
L’action de l’extraction par ultrasons agit directement sur le gonflement, la perforation et la rupture des parois cellulaires. Le transfert de masse induit par ultrasons provoque l’hydratation de la matière pectique dans la lamelle moyenne, entraînant la désagrégation des tissus végétaux. La cavitation ultrasonore et les forces de cisaillement agissent directement sur les parois cellulaires et les rompent. Ces mécanismes expliquent les résultats très efficaces de l’extraction par ultrasons.
La pectine extraite par ultrasons (également appelée pectine extraite assistée par cavitation acoustique, abrév. ACAE), qui présentait un poids moléculaire et un degré de méthoxylation plus faibles, était plus riche en région rhamnogalacturonane-I à longues chaînes latérales que la pectine extraite par chauffage conventionnel, d’après les analyses chimiques et FT-IR. La consommation d’énergie de l’extraction de pectine par ultrasons était nettement inférieure à celle de la méthode de chauffage conventionnelle, ce qui indique son application prometteuse à l’échelle de la production industrielle.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang et ses collègues (2017) soulignent également que l’extraction assistée par ultrasons s’est avérée être un procédé plus économique et plus respectueux de l’environnement, avec une efficacité supérieure et un coût moindre par rapport à l’extraction conventionnelle par chauffage.
MEB de la pulpe de betterave sucrière résiduelle à un grossissement de 1000x : (a) avant extraction, et après extraction de la pectine à l’aide de (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), et (e) Xylanasae+Cellulase (1:1,5), et (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(étude et images : Abou-Elseoud et al., 2021)
Comment fonctionne l’extraction de pectine par ultrasons ?
L’extraction par ultrasons repose sur les effets sonomécaniques des ultrasons de haute intensité. Pour favoriser et intensifier l’extraction de pectine par ultrasonication, des ondes ultrasonores de haute puissance sont couplées via une sonde à ultrasons (également appelée corne à ultrasons ou sonotrode) dans le milieu liquide, c.-à-d. la suspension composée de la matière première contenant de la pectine et du solvant. Les ondes ultrasonores se propagent dans le liquide et créent des cycles alternés de basse pression / haute pression. Pendant les cycles de basse pression, de minuscules bulles de vide (appelées bulles de cavitation) se forment et grossissent sur plusieurs cycles de pression. Au cours de ces cycles de croissance des bulles, les gaz dissous dans le liquide pénètrent dans la bulle de vide, de sorte que la bulle de vide se transforme en bulle de gaz en croissance. À une certaine taille, lorsque les bulles ne peuvent plus absorber d’énergie, elles implosent violemment pendant un cycle de haute pression. L’implosion des bulles se caractérise par des forces de cavitation intenses, notamment des températures et des pressions très élevées atteignant respectivement jusqu’à 4000K et 1000atm, ainsi que des différentiels de température et de pression élevés correspondants. Ces turbulences et forces de cisaillement générées par ultrasons font éclater les cellules végétales et libèrent les pectines intracellulaires dans le solvant aqueux. Comme la cavitation ultrasonore crée un transfert de masse très intense, la sonication permet d’obtenir des rendements exceptionnellement élevés en un temps de traitement très court.
La sonication n’est pas seulement utilisée pour l’extraction de pectine, mais aussi pour l’isolement de polyphénols à partir de marc, de pulpe, d’écorces et de pépins de fruits. En savoir plus ici !
Extraction par ultrasons à partir de cellules végétales : la coupe transversale (TS) microscopique montre le mécanisme d’action lors de l’extraction par ultrasons à partir de cellules (grossissement 2000x) [source : Vilkhu et al. 2011]
Extracteur à ultrasons en batch UIP2000hdT avec corne cascatrode
Pectines extraites de déchets de fruits
Les déchets de fruits tels que les écorces, les résidus de pulpe (après le pressage des jus de fruits) et d’autres sous-produits fruitiers sont souvent des sources riches en pectine. Alors que les déchets de fruits sont souvent utilisés comme aliments pour animaux, l’extraction de pectine constitue une utilisation plus valorisante de ces déchets.
L’extraction de pectine par ultrasons est déjà pratiquée avec succès sur les écorces d’agrumes (telles que les oranges, les tangerines, le pamplemousse), les écorces de melon, le marc de pomme, la pulpe de betterave sucrière, les écorces de mangue, les déchets de tomates, ainsi que le jacquier, le fruit de la passion et les écorces de figue, entre autres.
Études de cas sur l’extraction de pectine par ultrasons
En raison des inconvénients de l’extraction conventionnelle de pectine par la chaleur, la recherche et l’industrie ont déjà étudié des alternatives innovantes telles que l’extraction par ultrasons. De nombreuses informations sur les paramètres de procédé pour diverses matières premières ainsi que des données d’optimisation de procédé sont ainsi disponibles.
Extraction par ultrasons de la pectine à partir de marc de pomme
Dranca et Oroian (2019) ont étudié le procédé d’extraction assistée par ultrasons de la pectine à partir de marc de pomme en appliquant diverses conditions ultrasonores et en utilisant un plan de surface de réponse de Box-Behnken. Ils ont constaté que l’amplitude des ultrasons influence fortement le rendement et le degré d’estérification de la pectine extraite, tandis que le pH d’extraction avait un impact important sur les trois réponses, à savoir le rendement, la teneur en GalA et le degré d’estérification. Les conditions optimales d’extraction étaient une amplitude de 100%, un pH de 1,8, un rapport solide-liquide de 1:10 g/mL et 30 min de sonication. Dans ces conditions, le rendement en pectine était de 9,183%, avec une teneur en GalA de 98,127 g/100 g et un degré d’estérification de 83,202%. Afin de mettre en relation les résultats de la pectine extraite par ultrasons avec la pectine commerciale, l’échantillon de pectine obtenu par extraction par ultrasons dans les conditions optimales a été comparé à des échantillons commerciaux de pectine d’agrumes et de pomme par FT-IR, DSC, analyse rhéologique et MEB. Les deux premières techniques ont mis en évidence certaines particularités de l’échantillon de pectine extrait par ultrasons, telles que la plage de distribution plus étroite du poids moléculaire, l’arrangement moléculaire ordonné et le degré d’estérification élevé, similaire à celui des pectines de pomme disponibles dans le commerce. L’analyse des caractéristiques morphologiques de l’échantillon obtenu par ultrasons indique un schéma de détermination entre la distribution des tailles de fragments de cet échantillon et sa teneur en GalA d’une part, et la capacité d’absorption d’eau d’autre part. La viscosité de la solution de pectine extraite par ultrasons était bien supérieure à celle des solutions préparées avec de la pectine commerciale, ce qui pourrait être dû à la forte concentration en acide galacturonique. Si l’on tient compte également du degré d’estérification élevé, cela pourrait expliquer pourquoi la viscosité était plus élevée pour la pectine extraite par ultrasons. Les chercheurs concluent que la pureté, la structure et le comportement rhéologique de la pectine extraite par ultrasons à partir de marc de pomme Malus domestica ‘Fălticeni’ indiquent des applications prometteuses de cette fibre soluble. (cf. Dranca & Oroian 2019)
- des rendements plus élevés
- un traitement plus rapide
- des conditions de traitement plus douces
- une efficacité globale améliorée
- une utilisation simple et sûre
- un RoI rapide
Extracteur à ultrasons haute performance pour la production de pectine
L’extraction par ultrasons est une technologie de traitement fiable qui facilite et accélère la production de pectines de haute qualité à partir de diverses matières premières telles que les sous-produits et écorces d’agrumes, le marc de pomme et bien d’autres. Le portefeuille de Hielscher Ultrasonics couvre toute la gamme, des ultrasonicateurs de laboratoire compacts aux systèmes d’extraction industriels. Ainsi, chez Hielscher, nous pouvons vous proposer l’ultrasonicateur le mieux adapté à la capacité de traitement envisagée. Notre personnel expérimenté de longue date vous accompagne, des essais de faisabilité et de l’optimisation du procédé jusqu’à l’installation de votre système à ultrasons au niveau de la production finale.
Le faible encombrement de nos extracteurs à ultrasons ainsi que la polyvalence de leurs options d’installation leur permettent de s’intégrer même dans des installations de transformation de pectine disposant de peu d’espace. Les processeurs à ultrasons sont installés dans le monde entier dans des sites de production alimentaire, pharmaceutique et de compléments nutritionnels.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | supérieur | cluster de UIP16000 |
Contactez-nous ! / Posez-nous vos questions !
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Sonicateur UIP1000hdT – Extraction d’arômes de pêches
image : L’Air du Temps
Hielscher Ultrasonics – Équipements d’extraction sophistiqués
Le portefeuille de produits de Hielscher Ultrasonics couvre toute la gamme d’extracteurs à ultrasons haute performance, de la petite à la grande échelle. Des accessoires supplémentaires permettent d’assembler facilement la configuration d’appareil à ultrasons la mieux adaptée à votre procédé d’extraction de pectine. La configuration ultrasonore optimale dépend de la capacité envisagée, du volume, de la matière première, du procédé en batch ou en ligne et du calendrier.
Batch et en ligne
Les ultrasonicateurs Hielscher peuvent être utilisés pour le traitement en batch et en flux continu. Le traitement par ultrasons en batch est idéal pour les essais de procédé, l’optimisation et la production à petite et moyenne échelle. Pour produire de grands volumes de pectine, le traitement en ligne peut être plus avantageux. Un procédé de mélange en ligne continu nécessite une installation sophistiquée – composée d’une pompe, de tuyaux ou de conduites et de cuves –, mais il est très efficace, rapide et nécessite beaucoup moins de main-d’œuvre. Hielscher Ultrasonics dispose de la configuration d’extraction la mieux adaptée à votre volume d’extraction et à vos objectifs de procédé.
Extracteurs à ultrasons pour toutes les capacités de production
La gamme de produits de Hielscher Ultrasonics couvre tout le spectre des processeurs à ultrasons, des ultrasonicateurs de laboratoire compacts aux processeurs à ultrasons entièrement industriels capables de traiter des camions entiers par heure, en passant par les systèmes de paillasse et pilotes. La gamme complète nous permet de vous proposer l’extracteur à ultrasons le mieux adapté à votre matière première contenant de la pectine, à votre capacité de traitement et à vos objectifs de production.
Les systèmes à ultrasons de paillasse sont idéaux pour les essais de faisabilité et l’optimisation des procédés. Une mise à l’échelle linéaire basée sur des paramètres de procédé établis permet d’augmenter très facilement les capacités de traitement, des petits lots à la production entièrement commerciale. La mise à l’échelle peut se faire soit en installant une unité d’extraction à ultrasons plus puissante, soit en regroupant plusieurs ultrasonicateurs en parallèle. Avec l’UIP16000, Hielscher propose l’extracteur à ultrasons le plus puissant au monde.
Amplitudes contrôlables avec précision pour des résultats optimaux
Tous les ultrasonicateurs Hielscher sont contrôlables avec précision et constituent ainsi des bêtes de somme fiables en production. L’amplitude est l’un des paramètres de procédé déterminants qui influencent l’efficience et l’efficacité de l’extraction par ultrasons de la pectine à partir de fruits et de biodéchets.
Tous les sonicateurs Hielscher permettent un réglage précis de l’amplitude. Les sonotrodes et les cornes booster sont des accessoires qui permettent de modifier l’amplitude dans une plage encore plus large. Les processeurs à ultrasons industriels Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées et délivrer l’intensité ultrasonore requise pour les applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7.
Des réglages précis de l’amplitude et la surveillance permanente des paramètres du procédé à ultrasons via un logiciel intelligent vous permettent de traiter votre matière première dans les conditions ultrasonores les plus efficaces. Une sonication optimale pour les meilleurs résultats d’extraction !
La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants. Cela fait des équipements à ultrasons Hielscher un outil de travail fiable qui répond à vos exigences d’extraction.
Essais faciles et sans risque
Les procédés à ultrasons peuvent être mis à l’échelle de manière entièrement linéaire. Cela signifie que chaque résultat obtenu avec un ultrasonicateur de laboratoire ou de paillasse peut être transposé à l’échelle pour obtenir exactement le même résultat en utilisant exactement les mêmes paramètres de procédé. Cela fait de l’ultrasonication la solution idéale pour des essais de faisabilité sans risque, l’optimisation des procédés et la mise en œuvre ultérieure dans la fabrication commerciale. Contactez-nous pour découvrir comment la sonication peut augmenter votre production d’extrait de pectine.
Qualité optimale – Conçu et fabriqué en Allemagne
En tant qu’entreprise familiale, détenue et gérée par la famille, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasonicateurs sont conçus, fabriqués et testés minutieusement dans notre siège à Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons Hielscher en font une bête de somme dans votre production. Le fonctionnement 24/7 à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des mélangeurs haute performance Hielscher.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour les applications de mélange, la dispersion, l’émulsification et l’extraction à l’échelle du laboratoire, pilote et industrielle.
À propos des pectines
La pectine est un hétéropolysaccharide ramifié composé de segments de galacturonane à longue chaîne et d’autres sucres neutres tels que le rhamnose, l’arabinose, le galactose et le xylose. Plus précisément, la pectine est un bloc de copolymère comprenant de l’acide galacturonique lié en 1,4-α et du rhamnose lié en 1,2, avec des ramifications latérales de β-D-galactose, de L-arabinose et d’autres unités de sucres. Comme la pectine contient plusieurs fractions de sucres et différents niveaux d’estérification méthylique, la pectine n’a pas de poids moléculaire défini comme les autres polysaccharides. La pectine destinée à un usage alimentaire est définie comme un hétéropolysaccharide contenant au moins 65% d’unités d’acide galacturonique. En appliquant des conditions d’extraction spécifiques, les pectines peuvent être modifiées et fonctionnalisées avec succès afin de répondre à des exigences spécifiques. La production de pectines fonctionnalisées et modifiées présente un intérêt pour des applications particulières, p. ex. la pectine faiblement méthoxylée pour les produits pharmaceutiques.
Comment la pectine est-elle séparée de la solution d’extrait ?
Précipitation de la pectine après extraction par ultrasons : L’ajout d’éthanol à une solution d’extrait peut aider à séparer la pectine par un processus appelé précipitation. La pectine, un polysaccharide complexe présent dans les parois cellulaires des plantes, est soluble dans l’eau dans des conditions normales. Cependant, en modifiant l’environnement du solvant par l’ajout d’éthanol, la solubilité de la pectine peut être réduite, ce qui entraîne sa précipitation hors de la solution.
Ci-dessous, nous vous expliquons la chimie de la précipitation de la pectine à l’aide d’éthanol :
- Rupture des liaisons hydrogène : Les molécules de pectine sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène, qui contribuent à leur solubilité dans l’eau. L’éthanol rompt ces liaisons hydrogène en entrant en concurrence avec les molécules d’eau pour les sites de liaison sur les molécules de pectine. À mesure que les molécules d’éthanol remplacent les molécules d’eau autour des molécules de pectine, les liaisons hydrogène entre les molécules de pectine s’affaiblissent, ce qui réduit leur solubilité dans le solvant.
- Diminution de la polarité du solvant : L’éthanol est moins polaire que l’eau, ce qui signifie qu’il a une capacité moindre à dissoudre les substances polaires comme la pectine. À mesure que l’éthanol est ajouté à la solution d’extrait, la polarité globale du solvant diminue, ce qui rend moins favorable le maintien des molécules de pectine en solution. Cela entraîne la précipitation de la pectine hors de la solution, car elle devient moins soluble dans le mélange éthanol-eau.
- Augmentation de la concentration en pectine : À mesure que les molécules de pectine précipitent hors de la solution, la concentration de pectine dans la solution restante augmente. Cela facilite la séparation de la pectine de la phase liquide par filtration ou centrifugation.
Bibliographie / Références
- 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.