תפוקות פקטין גבוהות יותר באמצעות מיצוי אולטרסוני

מיצוי אולטרסוני מניב תפוקות גבוהות של פקטינים באיכות מעולה. באמצעות סוניקציה ניתן להפיק ביעילות פקטינים בעלי ערך מפסולת פירות (למשל, תוצרי לוואי מעיבוד מיצים) ומחומרי גלם ביולוגיים אחרים. מיצוי פקטין אולטרסוני עולה על טכניקות מיצוי אחרות בזכות תפוקות גבוהות יותר, איכות פקטין מעולה ותהליך מיצוי מהיר.

הגברת מיצוי הפקטין באמצעות סוניקציה

פקטין משמש כחומר מקריש, מתחלב ומסמיך במוצרי מזון רבים, וכן כרכיב בתכשירים קוסמטיים ובתרופות. מיצוי פקטין תעשייתי קונבנציונלי מתבצע באמצעות מיצוי במים חמים, שבו חומר הגלם, כגון קליפות הדרים, גפת תפוחים ופסולת פירות אחרת, מושרה במים חמים בטמפרטורה של 60–100°C ובערך pH נמוך (בקירוב pH 1.5 – 3.5) למשך זמן רב. הדבר הופך את המיצוי הקונבנציונלי במים חמים לתהליך הצורך זמן ואנרגיה, ולעיתים קרובות אף אינו יעיל דיו לשחרור מלוא כמות הפקטינים המצויה בחומר הגלם.
כדי להתגבר על חוסר היעילות של שיטת הייצור הקונבנציונלית, מיצוי אולטרסוני מיושם כטכניקה להגברת התהליך, המקצרת את זמן המיצוי וממקסמת את תפוקת הפקטין במידה ניכרת בהשוואה למיצוי המסורתי במים חמים.

היתרון של מיצוי פקטין אולטרסוני

מיצוי אולטרסוני מיושם בתחומים רבים של ייצור תמציות, למשל תמציות צמחים וצמחי מרפא למזון, לתוספי תזונה, לתרופות ולתכשירים קוסמטיים. דוגמה בולטת מאוד למיצוי אולטרסוני היא מיצוי קנבידיול (CBD) ותרכובות אחרות מצמח הקנאביס.
מיצוי אולטרסוני הוא טכניקת מיצוי לא תרמית, ובכך הוא מגן על התרכובות הפעילות ביולוגית מפני פירוק תרמי. ניתן לשלוט במדויק בכל פרמטרי התהליך האולטרסוני, כגון משרעת, עוצמה, זמן, טמפרטורה ולחץ. הדבר מאפשר בקרה מדויקת של התהליך ושל האיכות, ומקל על חזרה על תוצאות מיצוי שכבר הושגו ועל שחזורן. יצרני תמציות מעריכים את הסוניקציה בזכות החזרתיות האמינה של התהליך, המסייעת לתקנן תהליכים ומוצרים.

 
כאן תוכלו למצוא את הפרוטוקול למיצוי אולטרסוני של פקטין מקליפת אשכולית, המודגם בסרטון שלעיל!
 

קביעת פרמטרי התהליך הרלוונטיים מאפשרת לייעל את תהליך המיצוי האולטרסוני להשגת היעילות הגבוהה ביותר ואיכות תמצית מעולה.
למשל, גודל החלקיקים של חומר הגלם (כגון קליפות הדרים) הוא גורם חשוב: גודל חלקיקים קטן יותר משמעו שטח פנים גדול יותר שעליו יכולים הגלים האולטרסוניים לפעול. לפיכך, גודל חלקיקים קטן מוביל לתפוקות פקטין גבוהות יותר, לדרגת מתילציה נמוכה יותר ולשיעור גדול יותר של אזורי רמנוגלקטורונן.
ערך ה-pH של ממס המיצוי (כלומר מים + חומצה) הוא פרמטר חיוני נוסף. כאשר פקטין ממוצה בתנאים חומציים, אזורי רמנוגלקטורונן מסועפים רבים של הפולימר מתפרקים, כך שנותרים בעיקר אזורי הומוגלקטורונן "ישרים", שאליהם מחוברות מולקולות מעטות של סוכרים ניטרליים, על השרשרת הליניארית הראשית או בתוכה.
מיצוי פקטין אולטרסוני מקצר את זמן המיצוי ומפחית את טמפרטורת התהליך הנדרשת, ובכך מצמצם את הסיכוי לשינוי בלתי רצוי בפקטין על ידי חומצות. הדבר מאפשר להשתמש בחומצות בתנאים מוגבלים כדי להתאים את הפקטינים במדויק לדרישות המוצר.

מה הופך את מיצוי הפקטין האולטרסוני ליעיל כל כך?

המיצוי האולטרסוני משפיע ישירות על ההתנפחות, הניקוב והשבירה של דופנות התאים. מעבר מסה המושרה באמצעות אולטרסאונד גורם להידרציה של החומר הפקטיני בלמלה האמצעית, המובילה לפירוק רקמות הצמח. קוויטציה אולטרסונית וכוחות גזירה פועלים ישירות על דופנות התאים ופורצים אותן. מנגנונים אלה מובילים לתוצאות היעילות ביותר של המיצוי האולטרסוני.

מאנליזות כימיות ומאנליזות FT-IR עלה כי פקטין שהופק במיצוי אולטרסוני (המכונה גם פקטין שהופק במיצוי בסיוע קוויטציה אקוסטית, ובקיצור ACAE), שהתאפיין במשקל מולקולרי ובדרגת מתוקסילציה נמוכים יותר, היה עשיר יותר באזור רמנוגלקטורונן-I בעל שרשראות צד ארוכות בהשוואה לפקטין שהופק במיצוי קונבנציונלי בחום. צריכת האנרגיה למיצוי אולטרסוני של פקטין הייתה נמוכה משמעותית מזו של שיטת החימום הקונבנציונלית, דבר המעיד על הפוטנציאל המבטיח של יישומו בהיקף ייצור תעשייתי.
(ראו Wang et al., 2017)
Wang ועמיתיו (2017) מדגישים גם כי מיצוי בסיוע אולטרסאונד הוכח כתהליך כלכלי יותר וידידותי יותר לסביבה, בעל יעילות גבוהה יותר ועלות נמוכה יותר בהשוואה למיצוי קונבנציונלי בחימום.
 

תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של שאריות ציפת סלק סוכר בהגדלה של 1000x: (a) לפני המיצוי, ולאחר מיצוי פקטין באמצעות (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), וכן (e) Xylanasae+Cellulase (1:1.5), וכן (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(מחקר ותמונות: Abou-Elseoud et al., 2021)

כיצד פועל מיצוי אולטרסוני של פקטין?

מיצוי אולטרסוני מבוסס על ההשפעות הסונומכניות של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. כדי לקדם ולהגביר את מיצוי הפקטין באמצעות סוניקציה, גלי אולטרסאונד בהספק גבוה מועברים באמצעות גשוש אולטרסוני (המכונה גם קרן אולטרסונית או סונוטרודה) אל התווך הנוזלי, כלומר התרחיף המורכב מחומר הגלם המכיל פקטין ומהממס. גלי האולטרסאונד מתפשטים בנוזל ויוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ נמוך / לחץ גבוה. במהלך מחזורי הלחץ הנמוך נוצרות בועות ריק זעירות (המכונות בועות קוויטציה), הגדלות לאורך כמה מחזורי לחץ. במהלך מחזורי גדילה אלה של הבועות, הגזים המומסים בנוזל נכנסים לבועת הריק, כך שבועת הריק הופכת לבועת גז הולכת וגדלה. בהגיען לגודל מסוים, כאשר הבועות אינן יכולות לספוג עוד אנרגיה, הן קורסות פנימה בעוצמה במהלך מחזור לחץ גבוה. קריסת הבועות מתאפיינת בכוחות קוויטציה עזים, ובהם טמפרטורה ולחץ גבוהים מאוד המגיעים עד 4000K ו-1000atm, בהתאמה; וכן בהפרשי טמפרטורה ולחץ גבוהים בהתאם. מערבולות וכוחות גזירה אלה, הנוצרים באמצעות אולטרסאונד, מפרקים תאי צמח ומשחררים את הפקטינים התוך-תאיים אל הממס על בסיס מים. מכיוון שקוויטציה אולטרסונית יוצרת מעבר מסה אינטנסיבי ביותר, סוניקציה מניבה תפוקות גבוהות במיוחד בזמן עיבוד קצר מאוד.
סוניקציה משמשת לא רק למיצוי פקטין, אלא גם לבידוד פוליפנולים מגפת פירות, מציפת פירות, מקליפות ומזרעים. קראו עוד כאן!

מיצוי אולטרסוני מתאי צמח: חתך הרוחב המיקרוסקופי (TS) מציג את מנגנון הפעולה במהלך מיצוי אולטרסוני מתאים (הגדלה של 2000x) [מקור: Vilkhu et al. 2011]

פקטינים המופקים מפסולת פירות

פסולת פירות כגון קליפות, שאריות ציפת פירות (לאחר סחיטת מיץ פירות) ותוצרי לוואי אחרים של פירות מהווים לעיתים קרובות מקורות עשירים לפקטין. בעוד שתוצרי פסולת פירות משמשים לעיתים קרובות כמזון לבעלי חיים, מיצוי פקטין הוא שימוש בעל ערך רב יותר לפסולת פירות.
מיצוי אולטרסוני של פקטין כבר מבוצע בהצלחה מקליפות פירות הדר (כגון תפוזים, מנדרינות ואשכוליות), קליפות מלון, גפת תפוחים, ציפת סלק סוכר, קליפות מנגו, פסולת עגבניות, וכן מג'קפרוט, פסיפלורה וקליפות תאנים, בין היתר.

חקרי מקרה של מיצוי אולטרסוני של פקטין

בשל החסרונות של מיצוי פקטין קונבנציונלי באמצעות חום, כבר נחקרו במחקר ובתעשייה חלופות חדשניות כגון מיצוי אולטרסוני. לפיכך, זמינים מידע רב על פרמטרי התהליך עבור חומרי גלם שונים וכן נתונים על מיטוב התהליך.

מיצוי אולטרסוני של פקטין מגפת תפוחים

Dranca ו-Oroian (2019) חקרו את תהליך המיצוי של פקטין מגפת תפוחים בסיוע אולטרסאונד, תוך יישום תנאים אולטרסוניים שונים ושימוש בתכנון משטח תגובה מסוג Box-Behnken. הם מצאו כי משרעת האולטרסאונד משפיעה מאוד על התפוקה ועל דרגת האסטריפיקציה של הפקטין שמוצה, ואילו ל-pH של המיצוי הייתה השפעה רבה על כל שלושת משתני התגובה, כלומר התפוקה, תכולת GalA ודרגת האסטריפיקציה. התנאים המיטביים למיצוי היו משרעת של 100%, pH של 1.8, יחס מוצק–נוזל של 1:10 g/mL וסוניקציה במשך 30 min. בתנאים אלה, תפוקת הפקטין הייתה 9.183%, תכולת GalA הייתה 98.127 g/100 g ודרגת האסטריפיקציה הייתה 83.202%. כדי להשוות את תוצאות הפקטין שמוצה באולטרסאונד לפקטין מסחרי, הושוותה דגימת פקטין שהתקבלה במיצוי אולטרסוני בתנאים מיטביים לדגימות פקטין מסחרי מהדרים ומתפוחים באמצעות FT-IR, DSC, ניתוח ראולוגי ו-SEM. שתי הטכניקות הראשונות הדגישו כמה מאפיינים ייחודיים של דגימת הפקטין שהופקה במיצוי אולטרסוני, כגון טווח ההתפלגות הצר יותר של המשקל המולקולרי, הסידור המולקולרי המסודר ודרגת האסטריפיקציה הגבוהה, שהייתה דומה לזו של פקטינים מתפוחים הזמינים מסחרית. ניתוח המאפיינים המורפולוגיים של הדגימה שהתקבלה באולטרסאונד מצביע על דפוס של קשר קובע בין התפלגות גדלי המקטעים בדגימה זו ותכולת GalA שלה מצד אחד, לבין יכולת ספיחת המים מצד אחר. צמיגות תמיסת הפקטין שמוצה באולטרסאונד הייתה גבוהה בהרבה מזו של התמיסות שהוכנו באמצעות פקטין מסחרי, ייתכן שבשל הריכוז הגבוה של חומצה גלקטורונית. כאשר מביאים בחשבון גם את דרגת האסטריפיקציה הגבוהה, הדבר עשוי להסביר מדוע הצמיגות הייתה גבוהה יותר עבור הפקטין שמוצה באולטרסאונד. החוקרים מסיקים כי הטוהר, המבנה וההתנהגות הראולוגית של הפקטין שהופק במיצוי אולטרסוני מגפת תפוחים מהזן Malus domestica 'Fălticeni' מצביעים על יישומים מבטיחים של סיב מסיס זה. (ראו Dranca & Oroian 2019)

מכשיר מיצוי אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים לייצור פקטין

מיצוי אולטרסוני הוא טכנולוגיית עיבוד אמינה, המקלה על ייצור פקטינים באיכות גבוהה ומאיצה אותו מחומרי גלם שונים, כגון תוצרי לוואי וקליפות של פירות הדר, גפת תפוחים ורבים אחרים. מגוון המוצרים של Hielscher Ultrasonics מכסה את כל הטווח, ממכשירי אולטרסאונד מעבדתיים קומפקטיים ועד מערכות מיצוי תעשייתיות. לפיכך, אנו ב-Hielscher יכולים להציע לכם את מכשיר האולטרסאונד המתאים ביותר לקיבולת התהליך המתוכננת שלכם. הצוות שלנו, בעל הניסיון רב השנים, יסייע לכם החל מבדיקות היתכנות ומיטוב התהליך ועד להתקנת המערכת האולטרסונית שלכם בהיקף הייצור הסופי.
השטח הקטן שתופסים מכשירי המיצוי האולטרסוניים שלנו, וכן מגוון אפשרויות ההתקנה שלהם, מאפשרים להתאימם גם למתקני עיבוד פקטין בעלי שטח מצומצם. מעבדים אולטרסוניים מותקנים ברחבי העולם במתקנים לייצור מזון, תרופות ותוספי תזונה.

הטבלה שלהלן מספקת אינדיקציה לקיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי האולטרסאונד שלנו:

Hielscher Ultrasonics – ציוד מיצוי מתקדם

מגוון המוצרים של Hielscher Ultrasonics מכסה את מלוא הטווח של מכשירי מיצוי אולטרסוניים עתירי ביצועים, מקנה מידה קטן ועד גדול. אביזרים נוספים מאפשרים להרכיב בקלות את תצורת המכשיר האולטרסוני המתאימה ביותר לתהליך מיצוי הפקטין שלכם. המערך האולטרסוני האופטימלי תלוי בכושר העיבוד המתוכנן, בנפח, בחומר הגלם, בסוג התהליך – באצוות או בתוך קו הייצור – ובלוח הזמנים.

עיבוד באצוות ובתוך קו הייצור

ניתן להשתמש במכשירים האולטרסוניים של Hielscher לעיבוד באצוות ובזרימה רציפה. עיבוד אולטרסוני באצוות אידיאלי לבדיקת תהליכים, לאופטימיזציה ולייצור בהיקף קטן עד בינוני. לייצור נפחים גדולים של פקטין, עיבוד בתוך קו הייצור עשוי להיות מועיל יותר. תהליך ערבוב רציף בתוך קו הייצור דורש מערך מתקדם – המורכב ממשאבה, מצינורות גמישים או קשיחים וממכלים – אך הוא יעיל מאוד, מהיר ודורש פחות עבודה במידה משמעותית. ל-Hielscher Ultrasonics יש מערך המיצוי המתאים ביותר לנפח המיצוי וליעדי התהליך שלכם.

מכשירי מיצוי אולטרסוניים לכל כושר ייצור

מגוון המוצרים של Hielscher Ultrasonics מכסה את מלוא קשת המעבדים האולטרסוניים, ממכשירים אולטרסוניים קומפקטיים למעבדה, דרך מערכות שולחניות ומערכות פיילוט ועד למעבדים אולטרסוניים תעשייתיים מלאים בעלי יכולת לעבד כמויות של מטעני משאיות בשעה. מגוון המוצרים המלא מאפשר לנו להציע לכם את מכשיר המיצוי האולטרסוני המתאים ביותר לחומר הגלם המכיל פקטין, לכושר העיבוד וליעדי הייצור שלכם.
מערכות אולטרסוניות שולחניות אידיאליות לבדיקות היתכנות ולאופטימיזציה של תהליכים. הגדלת קנה מידה ליניארית המבוססת על פרמטרי תהליך מבוססים מקלה מאוד על הגדלת כושר העיבוד מאצוות קטנות לייצור מסחרי מלא. ניתן להגדיל את קנה המידה באמצעות התקנת יחידת מיצוי אולטרסונית עוצמתית יותר או באמצעות שילוב כמה מכשירים אולטרסוניים במקביל. עם UIP16000, חברת Hielscher מציעה את מכשיר המיצוי האולטרסוני העוצמתי ביותר בעולם.

משרעות הניתנות לבקרה מדויקת לתוצאות מיטביות

כל המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ניתנים לבקרה מדויקת, ולכן הם כלי עבודה אמינים בייצור. המשרעת היא אחד מפרמטרי התהליך המכריעים המשפיעים על היעילות והאפקטיביות של מיצוי אולטרסוני של פקטין מפירות ומפסולת ביולוגית.
כל מכשירי הסוניקציה של Hielscher מאפשרים לקבוע את המשרעת במדויק. סונוטרודות וקרני הגברה הן אביזרים המאפשרים לשנות את המשרעת בטווח רחב עוד יותר. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד ואת העוצמה האולטרסונית הנדרשת ליישומים תובעניים. ניתן להפעיל בקלות וברציפות במשרעות של עד 200µm בפעולה של 24/7.
קביעה מדויקת של המשרעת וניטור מתמיד של פרמטרי התהליך האולטרסוני באמצעות תוכנה חכמה מאפשרים לכם לטפל בחומר הגלם שלכם בתנאים האולטרסוניים האפקטיביים ביותר. סוניקציה אופטימלית לתוצאות המיצוי הטובות ביותר!
העמידות של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת פעולה של 24/7 בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות. כך הציוד האולטרסוני של Hielscher הוא כלי עבודה אמין העונה על דרישות המיצוי שלכם.

בדיקות קלות ונטולות סיכון

ניתן להגדיל את קנה המידה של תהליכים אולטרסוניים באופן ליניארי לחלוטין. משמעות הדבר היא שכל תוצאה שהשגתם באמצעות מכשיר אולטרסוני מעבדתי או שולחני ניתנת להגדלה לאותה תפוקה בדיוק, תוך שימוש באותם פרמטרי תהליך בדיוק. הדבר הופך את הטיפול האולטרסוני לאידיאלי לבדיקות היתכנות נטולות סיכון, לאופטימיזציה של תהליכים ולהטמעה בהמשך בייצור מסחרי. צרו איתנו קשר כדי ללמוד כיצד סוניקציה יכולה להגדיל את ייצור תמצית הפקטין שלכם.

האיכות הגבוהה ביותר – מתוכנן ומיוצר בגרמניה

כעסק בבעלות משפחתית ובניהול משפחתי, Hielscher מעניקה עדיפות לתקני האיכות הגבוהים ביותר עבור המעבדים האולטרסוניים שלה. כל המכשירים האולטרסוניים מתוכננים, מיוצרים ונבדקים ביסודיות במטה שלנו בטלטו שליד ברלין, גרמניה. העמידות והאמינות של הציוד האולטרסוני של Hielscher הופכות אותו לכלי עבודה רב־עוצמה במערך הייצור שלכם. פעולה 24/7 בעומס מלא ובסביבות תובעניות היא מאפיין טבעי של המערבלים עתירי הביצועים של Hielscher.