L'extraction par ultrasons permet d'obtenir des rendements élevés de pectines de qualité supérieure. Grâce à la sonication, il est possible de produire efficacement des pectines de valeur à partir de déchets de fruits (par exemple, des sous-produits du traitement des jus) et d'autres matières premières biologiques. L'extraction de pectine par ultrasons excelle dans les autres techniques d'extraction en produisant des rendements plus élevés, en donnant une qualité de pectine supérieure et en permettant une procédure d'extraction rapide.

Intensification de l'extraction de pectine 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 se fait par extraction à l'eau chaude, où la matière première telle que les écorces d'agrumes, le marc de pommes et d'autres déchets de fruits est trempée dans de l'eau chaude à 60-100°C et à faible pH (environ pH 1,5 - 3,5) pendant une longue période de temps. L'extraction conventionnelle à l'eau chaude devient ainsi un processus long et énergivore, qui n'est souvent même pas assez efficace pour libérer la totalité des pectines présentes dans la matière première.
Afin de surmonter l'inefficacité de la méthode de production conventionnelle, l'extraction par ultrasons est appliquée comme une technique d'intensification du processus qui réduit le temps d'extraction et maximise le rendement en pectine de manière significative 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, par exemple les extraits de plantes et d'herbes pour les aliments, les compléments, les produits pharmaceutiques et les cosmétiques. Un exemple très important 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 empêche ainsi les composés bioactifs de se dégrader thermiquement. Tous les paramètres du processus ultrasonore, tels que l'amplitude, l'intensité, la durée, la température et la pression, peuvent être contrôlés avec précision. Cela permet un contrôle précis du processus et de la qualité et facilite la répétition et la reproduction des résultats d'extraction obtenus. Les producteurs d'extraits apprécient l'ultrason pour la répétabilité fiable du processus, qui contribue à la normalisation des procédés et des produits.

La détermination des paramètres pertinents du processus permet d'optimiser le processus d'extraction par ultrasons pour obtenir une efficacité maximale et une qualité d'extraction supérieure.
Par exemple, la taille des particules de la matière première (par exemple, les écorces d'agrumes) est un facteur important : Une taille de particule plus petite signifie une plus grande surface d'action pour les ondes ultrasoniques. Une taille de particule plus petite se traduit donc par des rendements plus élevés en pectine, un degré de méthylation plus faible et un ratio plus élevé de régions de rhamnogalacturonane.
La valeur du pH du solvant d'extraction (c'est-à-dire eau + acide) est un autre paramètre essentiel. Lorsque la pectine est extraite dans des conditions acides, de nombreuses régions ramifiées en rhamnogalacturonane du polymère sont décomposées, de sorte qu'il reste principalement des régions "droites" en homogalacturonane avec quelques molécules de sucre neutres attachées sur ou dans la chaîne linéaire principale.
L'extraction de pectine par ultrasons réduit le temps d'extraction et abaisse la température de traitement requise, ce qui réduit le risque de modification indésirable de la pectine par les acides. Cela permet d'utiliser les acides dans des conditions confinées afin de modifier les pectines précisément en fonction des exigences du produit.

Qu'est-ce qui rend l'extraction de pectine par ultrasons si efficace ?

L'impact de l'extraction par ultrasons affecte directement le gonflement, la perforation et la rupture des parois cellulaires. Le transfert de masse induit par les ultrasons provoque l'hydratation de la matière pectinée dans la lamelle moyenne, ce qui entraîne la rupture des tissus végétaux. La cavitation et les forces de cisaillement des ultrasons ont un impact direct sur les parois cellulaires et les brisent. Ces mécanismes donnent les résultats très efficaces de l'extraction par ultrasons.

La pectine extraite par ultrasons (également appelée pectine extraite par cavitation acoustique, abrégée ACAE), dont le poids moléculaire et le degré de méthoxylation étaient inférieurs, était plus riche en région rhamnogalacturonan-I avec de longues chaînes latérales que la pectine extraite par la chaleur conventionnelle, d'après l'analyse chimique et FT-IR. La consommation d'énergie pour l'extraction ultrasonique de la pectine était nettement inférieure à celle de la méthode thermique conventionnelle, ce qui indique que son application à l'échelle de la production industrielle est prometteuse.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang et ses collègues (2017) soulignent également que l'extraction assistée par ultrasons s'est avérée être un processus plus économique et plus respectueux de l'environnement, plus efficace et moins coûteux que l'extraction conventionnelle par chauffage.
 

MEB de la pulpe résiduelle de betterave sucrière à un grossissement de 1000x : (a) avant extraction, et après extraction de la pectine en utilisant (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 est basée sur les effets sonomécaniques des ultrasons à haute intensité. Pour favoriser et intensifier l'extraction de la pectine par ultrasons, des ondes ultrasonores de haute puissance sont couplées par une sonde ultrasonore (également appelée corne ultrasonore ou sonotrode) dans le milieu liquide, c'est-à-dire la boue constituée de la matière première contenant la pectine et du solvant. Les ondes ultrasonores traversent le liquide et créent des cycles alternés de basse pression et de haute pression. Pendant les cycles de basse pression, de minuscules bulles de vide (appelées bulles de cavitation) sont créées, qui se développent sur plusieurs cycles de pression. Pendant ces cycles de croissance des bulles, les gaz dissous dans le liquide entrent dans la bulle à vide, de sorte que la bulle à vide se transforme en bulles de gaz en croissance. À partir d'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 est caractérisée par des forces de cavitation intenses, y compris une température et une pression très élevées atteignant respectivement 4000K et 1000atm ; ainsi que des différences de température et de pression élevées correspondantes. Ces turbulences et forces de cisaillement générées par les ultrasons brisent les cellules végétales et libèrent les pectines intracellulaires dans le solvant à base d'eau. Comme la cavitation ultrasonique crée un transfert de masse très intense, la sonication permet d'obtenir des rendements exceptionnellement élevés en un temps de traitement très court.

Extraction ultrasonore à partir de cellules végétales : la coupe transversale microscopique (TS) montre le mécanisme d'action lors de l'extraction ultrasonore à partir de cellules (grossissement 2000x)[ressource : Vilkhu et al. 2011].

Pectines extraites de déchets de fruits

Les déchets de fruits tels que les pelures, les résidus de pulpe de fruits (après le pressage des jus de fruits) et autres sous-produits de fruits sont souvent de riches sources de pectine. Alors que les déchets de fruits sont souvent utilisés comme aliments pour animaux, l'extraction de pectine est une utilisation plus intéressante des déchets de fruits.
L'extraction de pectine par ultrasons est déjà réalisée avec succès avec des écorces d'agrumes (oranges, mandarines, pamplemousses), des écorces de melon, du marc de pomme, de la pulpe de betterave sucrière, des écorces de mangue, des déchets de tomate, ainsi que des écorces de jacquier, de fruit de la passion et de figue, entre autres.

Études de cas sur l'extraction de pectine par ultrasons

En raison des inconvénients de l'extraction conventionnelle de la pectine par la chaleur, la recherche et l'industrie ont déjà étudié des alternatives innovantes telles que l'extraction par ultrasons. Ainsi, de nombreuses informations sur les paramètres des procédés pour diverses matières premières ainsi que des données sur l'optimisation des procédés sont disponibles.

Extraction par ultrasons de la pectine du marc de pomme

Dranca et Oroian (2019) ont étudié le processus d'extraction assistée par ultrasons de la pectine du marc de pomme en appliquant diverses conditions ultrasoniques et en utilisant la conception de surface de réponse Box-Behnken. Ils ont découvert que l'amplitude des ultrasons influence fortement le rendement et le degré d'estérification de la pectine extraite, tandis que le pH d'extraction a un grand impact sur les trois réponses, c'est-à-dire le rendement, la teneur en GalA et le degré d'estérification. Les conditions optimales pour l'extraction étaient une amplitude de 100%, un pH de 1,8, un rapport solide-liquide de 1:10 g/mL et une sonication de 30 minutes. Dans ces conditions, le rendement en pectine était de 9,183 % et présentait une teneur en GalA de 98,127 g/100 g et un degré d'estérification de 83,202 %. Pour mettre les résultats de la pectine extraite par ultrasons en relation avec la pectine commerciale, l'échantillon de pectine obtenu par extraction ultrasonique dans des 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 extraction ultrasonique, telles que la plage de distribution plus étroite du poids moléculaire, la disposition ordonnée des molécules et le degré élevé d'estérification qui était 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 des fragments de cet échantillon et sa teneur en GalA d'un côté, et la capacité d'absorption d'eau de l'autre. La viscosité de la solution de pectine extraite par ultrasons était beaucoup plus élevée que celle des solutions fabriquées à partir de pectine commerciale, ce qui s'explique peut-être par la forte concentration d'acide galacturonique. Si l'on considère également le degré élevé d'estérification, 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 du marc de pomme de Malus domestica "Fălticeni" indiquent des applications prometteuses de cette fibre soluble. (cf. Dranca & Oroian 2019)

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 ; diverses matières premières telles que les sous-produits et les écorces d'agrumes, le marc de pomme et bien d'autres encore. Le portefeuille de Hielscher Ultrasons couvre toute la gamme, des ultrasonateurs compacts de laboratoire aux systèmes d'extraction industriels. Ainsi, Hielscher peut vous proposer l'ultrasonateur le mieux adapté à la capacité de traitement que vous envisagez. Notre personnel expérimenté de longue date vous assistera depuis les tests de faisabilité et l'optimisation du processus jusqu'à l'installation de votre système ultrasonore au niveau de la production finale.
La petite taille de nos extracteurs à ultrasons ainsi que leur polyvalence en termes d'options d'installation leur permet de s'intégrer même dans des installations de traitement de pectine de petite taille. Les processeurs à ultrasons sont installés dans le monde entier dans des installations de production de denrées alimentaires, de produits pharmaceutiques et de compléments nutritionnels.

Hielscher Ultrasonics – Équipement d'extraction sophistiqué

Le portefeuille de produits de Hielscher Ultrasons couvre la gamme complète des extracteurs à ultrasons à haute performance, de la petite à la grande échelle. Des accessoires supplémentaires permettent d'assembler facilement la configuration d'appareil à ultrasons la plus adaptée à votre processus d'extraction de pectine. La configuration optimale des ultrasons dépend de la capacité, du volume, de la matière première, du procédé par lots ou en ligne et du calendrier envisagés.

Par lots et en ligne

Les ultrasonateurs Hielscher peuvent être utilisés pour le traitement par lots et en continu. Le traitement par lots par ultrasons est idéal pour le contrôle et l'optimisation des processus et pour les petites et moyennes productions. Pour une production de grands volumes de pectine, le traitement en ligne peut être plus avantageux. Un processus de mélange en ligne continu nécessite une configuration sophistiquée – qui consiste en une pompe, des tuyaux ou des conduites et des réservoirs -, mais il est très efficace, rapide et nécessite beaucoup moins de main-d'œuvre. Hielscher Ultrasons dispose de l'installation d'extraction la mieux adaptée à votre volume d'extraction et à vos objectifs de processus.

Des extracteurs à ultrasons pour chaque capacité de produit

La gamme de produits Hielscher Ultrasons couvre tout l'éventail des processeurs ultrasoniques, depuis les ultrasonores compacts de laboratoire jusqu'aux processeurs ultrasoniques industriels capables de traiter des charges de camion à l'heure, en passant par les systèmes de table et les systèmes pilotes. La gamme complète de produits 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 ultrasoniques de table sont idéaux pour les tests de faisabilité et l'optimisation des processus. La mise à l'échelle linéaire basée sur des paramètres de processus établis permet d'augmenter très facilement les capacités de traitement, depuis les petits lots jusqu'à la production entièrement commerciale. La mise à l'échelle peut se faire soit en installant une unité d'extraction ultrasonore plus puissante, soit en regroupant plusieurs ultrasonores en parallèle. Avec l'UIP16000, Hielscher propose l'extracteur à ultrasons le plus puissant au monde.

Des amplitudes précisément contrôlables pour des résultats optimaux

Tous les ultrasonateurs Hielscher sont contrôlables avec précision et donc des chevaux de travail fiables en production. L'amplitude est l'un des paramètres de processus cruciaux qui influencent l'efficacité et l'efficience de l'extraction par ultrasons de la pectine des fruits et des biodéchets.
Tous les ultrasons Hielscher’ Les processeurs permettent de régler précisément l'amplitude. Les sonotrodes et les cornes d'amplification sont des accessoires qui permettent de modifier l'amplitude dans une plage encore plus large. Les processeurs ultrasoniques industriels de Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées et délivrer l'intensité ultrasonore requise pour des applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent facilement être utilisées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Des réglages d'amplitude précis et le contrôle permanent des paramètres du processus ultrasonore par un logiciel intelligent vous donnent la possibilité de traiter votre matière première avec les conditions ultrasonores les plus efficaces. Une sonication optimale pour de meilleurs résultats d'extraction !
La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des environnements difficiles. Cela fait de l'équipement à ultrasons de Hielscher un outil de travail fiable qui répond à vos besoins d'extraction.

Des tests faciles et sans risque

Les processus ultrasonores peuvent être mis à l'échelle de manière totalement linéaire. Cela signifie que chaque résultat obtenu avec un ultrasonateur de laboratoire ou de table peut être mis à l'échelle pour obtenir exactement le même résultat en utilisant exactement les mêmes paramètres de processus. Cela rend l'ultrasonographie idéale pour les tests de faisabilité sans risque, l'optimisation des processus et leur mise en œuvre ultérieure dans la fabrication commerciale. Contactez-nous pour savoir comment la sonication peut augmenter votre production d'extrait de pectine.

La plus haute qualité – Conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale et familiale, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasons sont conçus, fabriqués et testés à fond dans notre siège social à Teltow près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité de l’équipement ultrasonique de Hielscher en font un cheval de travail dans votre production. Le fonctionnement 24h/24 et 7j/7 sous pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des mélangeurs haute performance de Hielscher.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators: