Des rendements de 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, il est possible de produire efficacement des pectines de valeur à partir de déchets de fruits (par exemple, les sous-produits de la transformation des jus) et d'autres matières premières biologiques. L'extraction de pectine par ultrasons surpasse les autres techniques d'extraction en produisant des rendements plus élevés, en donnant une qualité de pectine supérieure et en offrant une procédure d'extraction rapide.
Extraction intensifiée 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 remédier à l'inefficacité de la méthode de production conventionnelle, l'extraction par ultrasons est appliquée en tant que 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.
Les avantages 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 botaniques et à base de plantes pour les aliments, les compléments, les produits pharmaceutiques et les cosmétiques. L'extraction du cannabidiol (CBD) et d'autres composés de la plante de cannabis est un exemple très important d'extraction par ultrasons.
L'extraction par ultrasons est une technique d'extraction non thermique qui protège les composés bioactifs de la dégradation thermique. Tous les paramètres du processus ultrasonique, 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 déjà obtenus. Les producteurs d'extraits apprécient l'ultrasonication pour la fiabilité de la répétabilité du processus, qui contribue à la normalisation des procédés et des produits.
- intensité de la sonication
- température
- Valeur du pH
- L'heure
- 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 pertinents du processus permet d'optimiser le processus d'extraction par ultrasons pour obtenir une efficacité maximale et une qualité supérieure de l'extrait.
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 en pectine plus élevés, un degré de méthylation plus faible et un ratio plus élevé de régions de rhamnogalacturonane.
Le 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 nécessaire au processus, ce qui réduit 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 en fonction des exigences du produit.
Qu'est-ce qui rend l'extraction de pectine par ultrasons si efficace ?
L'impact de l'extraction ultrasonique 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 pectineuse dans la lamelle centrale, ce qui entraîne la rupture des tissus végétaux. La cavitation ultrasonique et les forces de cisaillement ont un impact direct sur les parois cellulaires et les brisent. Ces mécanismes sont à l'origine des 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 de haute intensité. Pour favoriser et intensifier l'extraction de la pectine par ultrasons, des ondes ultrasonores de forte puissance sont couplées via une sonde ultrasonore (également appelée cornet ultrasonore ou sonotrode) dans le milieu liquide, c'est-à-dire la suspension composée de la matière première contenant de la pectine et du solvant. Les ondes ultrasonores se déplacent dans le liquide et créent des cycles alternatifs de basse pression et de haute pression. Pendant les cycles de basse pression, de minuscules bulles de vide (appelées bulles de cavitation) sont créées et se développent 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 bulles de gaz en croissance. À une certaine taille, lorsque les bulles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles implosent violemment au cours d'un cycle de haute pression. L'implosion de la bulle est caractérisée par des forces de cavitation intenses, y compris une température et une pression très élevées atteignant jusqu'à 4000K et 1000atm, respectivement, ainsi que des différentiels de température et de pression élevés correspondants. Ces turbulences et forces de cisaillement générées par les ultrasons brisent les cellules végétales et libèrent les pectines intracellulaires dans le solvant aqueux. Comme la cavitation ultrasonique crée un transfert de masse très intense, la sonication permet d'obtenir des rendements exceptionnellement élevés dans un temps de traitement très court.
Extraction ultrasonique de cellules végétales : la coupe transversale microscopique (TS) montre le mécanisme d'action lors de l'extraction ultrasonique de cellules (grossissement 2000x) [ressource : Vilkhu et al. 2011].
Extracteur de lots par ultrasons UIP2000hdT avec cornet cascatrode
Pectines extraites de déchets de fruits
Les déchets de fruits tels que les pelures, les résidus de pulpe de fruits (après le pressage du jus de fruits) et d'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 précieuse 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 d'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. De nombreuses informations sur les paramètres du processus pour différentes matières premières ainsi que des données sur l'optimisation du processus sont disponibles.
Extraction ultrasonique de pectine à partir de marc de pomme
Dranca et Oroian (2019) ont étudié le processus d'extraction de la pectine du marc de pomme assisté par ultrasons en appliquant différentes conditions ultrasoniques et en utilisant le 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 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 d'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 %, avec une teneur en GalA de 98,127 g/100 g et un degré d'estérification de 83,202 %. Pour comparer les résultats de la pectine extraite par ultrasons avec ceux de la pectine commerciale, les échantillons de pectine obtenus par extraction ultrasonique dans des conditions optimales ont été comparés à des échantillons de pectine commerciale d'agrumes et de pommes 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 distribution plus étroite du poids moléculaire, l'arrangement moléculaire ordonné 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 de la taille des 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 beaucoup plus élevée que celle des solutions fabriquées à partir de pectine commerciale, ce qui peut être dû à 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)
- des rendements plus élevés
- un traitement plus rapide
- des conditions de transformation plus douces
- amélioration de l'efficacité globale
- fonctionnement simple et sûr
- Un retour sur investissement rapide
Extracteur ultrasonique 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 les pelures d'agrumes, le marc de pomme et bien d'autres. Le portefeuille de Hielscher Ultrasonics couvre toute la gamme, des ultrasons de laboratoire compacts aux systèmes d'extraction industriels. Ainsi, chez Hielscher, nous pouvons vous proposer l'ultrasoniseur le mieux adapté à la capacité de traitement envisagée. Notre personnel expérimenté vous assistera depuis les tests de faisabilité et l'optimisation du processus 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'adapter même aux installations de traitement de la pectine de petite taille. Les processeurs à ultrasons sont installés dans le monde entier dans des installations de production de produits alimentaires, pharmaceutiques et de compléments nutritionnels.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs 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.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics – Équipement d'extraction sophistiqué
La gamme de produits Hielscher Ultrasonics couvre l'ensemble des extracteurs à ultrasons de haute performance, de la petite à la grande échelle. Des accessoires supplémentaires permettent d'assembler facilement la configuration ultrasonique la plus adaptée à votre processus d'extraction de pectine. La configuration ultrasonique optimale dépend de la capacité envisagée, du volume, de la matière première, du processus par lots ou en ligne et du calendrier.
par lots et en ligne
Les ultrasons Hielscher peuvent être utilisés pour le traitement par lots et en continu. Le traitement ultrasonique par lots est idéal pour les tests de processus, l'optimisation et les petites et moyennes productions. Pour la production de gros volumes de pectine, le traitement en ligne peut s'avérer plus avantageux. Un processus de mélange continu en ligne nécessite une configuration sophistiquée – Cette méthode d'extraction, qui consiste en une pompe, des tuyaux ou des conduites et des réservoirs, est très efficace, rapide et nécessite beaucoup moins de main-d'œuvre. Hielscher Ultrasonics dispose de l'installation d'extraction la mieux adaptée à votre volume d'extraction et à vos objectifs de traitement.
Extracteurs ultrasoniques pour chaque capacité de produit
La gamme de produits Hielscher Ultrasonics couvre tout le spectre des processeurs à ultrasons, depuis les ultrasons de laboratoire compacts jusqu'aux processeurs à ultrasons industriels capables de traiter des camions à l'heure, en passant par les systèmes de paillasse et les systèmes pilotes. La gamme complète de produits nous permet de vous proposer l'extracteur ultrasonique 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 paillasse sont idéaux pour les essais de faisabilité et l'optimisation des procédés. La mise à l'échelle linéaire basée sur les paramètres de traitement établis permet d'augmenter très facilement les capacités de traitement des petits lots jusqu'à la production commerciale complète. La mise à l'échelle peut se faire en installant une unité d'extraction ultrasonique plus puissante ou en regroupant plusieurs unités ultrasoniques 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 appareils à ultrasons Hielscher sont contrôlables avec précision et constituent donc des outils de travail fiables pour la production. L'amplitude est l'un des paramètres cruciaux du processus qui influence l'efficacité de l'extraction par ultrasons de la pectine des fruits et des biodéchets.
Tous les sonicateurs Hielscher permettent un réglage précis de 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 Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées et l'intensité ultrasonique requise pour des applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Des réglages précis de l'amplitude et le contrôle permanent des paramètres du processus ultrasonique via un logiciel intelligent vous permettent de traiter votre matière première dans les conditions ultrasoniques les plus efficaces. Une sonication optimale pour de meilleurs résultats d'extraction !
La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher lui permet de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants. Cela fait de l'équipement à ultrasons de Hielscher un outil de travail fiable qui répond à vos exigences en matière d'extraction.
Des tests faciles et sans risque
Les procédés ultrasoniques peuvent être mis à l'échelle de manière totalement linéaire. Cela signifie que chaque résultat obtenu à l'aide d'un appareil à ultrasons de laboratoire ou de paillasse peut être mis à l'échelle pour obtenir exactement le même résultat en utilisant exactement les mêmes paramètres de processus. L'ultrasonication est donc idéale pour les essais de faisabilité sans risque, l'optimisation des processus et la mise en œuvre ultérieure dans la fabrication commerciale. Contactez-nous pour savoir comment la sonication peut augmenter votre production d'extraits de pectine.
La plus haute qualité – Conçu et fabriqué en Allemagne
En tant qu'entreprise familiale, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les appareils à ultrasons sont conçus, fabriqués et testés minutieusement dans notre siège social de Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font des outils de travail pour votre production. Le fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des mélangeurs haute performance de Hielscher.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.
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 au 1,4-α et du rhamnose lié au 1,2 avec des branches latérales de β-D-galactose, de L-arabinose et d'autres unités de sucre. Étant donné que la pectine contient plusieurs groupements de sucres et différents niveaux d'estérification méthylique, elle n'a pas de poids moléculaire défini comme les autres polysaccharides. La pectine, dont l'utilisation est spécifiée dans les aliments, 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 particulières. La production de pectines fonctionnalisées et modifiées présente un intérêt pour des applications spéciales, par exemple la pectine faiblement méthoxylée pour les produits pharmaceutiques.
Comment la pectine est-elle séparée de la solution d'extraction ?
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. Toutefois, en modifiant l'environnement du solvant par l'ajout d'éthanol, la solubilité de la pectine peut être réduite, ce qui entraîne sa précipitation dans la solution.
Ci-dessous, nous vous expliquons la chimie de la précipitation de la pectine à l'aide d'éthanol :
- Perturbation des liaisons hydrogène : Les molécules de pectine sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène, qui contribuent à leur solubilité dans l'eau. L'éthanol perturbe ces liaisons hydrogène en entrant en compétition 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. Au fur et à mesure que l'éthanol est ajouté à la solution d'extrait, la polarité globale du solvant diminue, ce qui empêche les molécules de pectine de rester 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 : Au fur et à mesure que les molécules de pectine précipitent hors de la solution, la concentration de pectine dans la solution restante augmente. Cela permet de séparer plus facilement la pectine de la phase liquide par filtration ou centrifugation.
Littérature / 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.