Veći prinosi pektina s ultrazvučnom ekstrakcijom
Ultrazvučna ekstrakcija rezultira visokim prinosima pektina vrhunske kvalitete. Korištenjem sonikacije, vrijedni pektini mogu se učinkovito proizvesti iz otpadaka voća (npr. nusproizvoda od prerade sokova) i drugih bioloških sirovina. Ultrazvučna ekstrakcija pektina nadmašuje druge tehnike ekstrakcije stvaranjem većih prinosa, vrhunskom kvalitetom pektina i brzim postupkom ekstrakcije.
Pojačana ekstrakcija pektina sonikacijom
Pektin se koristi kao sredstvo za želiranje, emulgiranje i zgušnjavanje u brojnim prehrambenim proizvodima, kao i kao sastojak u kozmetičkim i farmaceutskim proizvodima. Konvencionalna industrijska ekstrakcija pektina provodi se ekstrakcijom vrućom vodom, gdje se sirovina kao što su kore agruma, komina jabuke i drugi otpaci voća namaču u vrućoj vodi na 60–100°C pri niskom pH (približno pH 1,5 – 3,5) dugo vremena. razdoblje. To pretvara konvencionalnu ekstrakciju toplom vodom u proces koji zahtijeva puno vremena i energije, a koji često nije ni dovoljno učinkovit da oslobodi cjelokupnu količinu pektina dostupnih u sirovini.
Kako bi se prevladala neučinkovitost konvencionalne metode proizvodnje, ultrazvučna ekstrakcija se primjenjuje kao tehnika intenziviranja procesa koja smanjuje vrijeme ekstrakcije i značajno povećava prinos pektina u usporedbi s tradicionalnom ekstrakcijom toplom vodom.
Prednost ultrazvučne ekstrakcije pektina
Ultrazvučna ekstrakcija primjenjuje se u mnogim područjima proizvodnje ekstrakata, npr. botanički i biljni ekstrakti za hranu, dodatke prehrani, lijekove i kozmetiku. Vrlo istaknuti primjer ultrazvučne ekstrakcije je ekstrakcija kanabidiola (CBD) i drugih spojeva iz biljke kanabisa.
Ultrazvučna ekstrakcija je tehnika ne-termalne ekstrakcije, koja na taj način sprječava bioaktivne spojeve od toplinske degradacije. Svi parametri ultrazvučnog procesa, kao što su amplituda, intenzitet, vrijeme, temperatura i tlak, mogu se točno kontrolirati. To omogućuje preciznu kontrolu procesa i kvalitete te olakšava ponavljanje i reprodukciju jednom dobivenih rezultata ekstrakcije. Proizvođači ekstrakta cijene ultrazvučnu obradu zbog pouzdane ponovljivosti procesa, što pomaže u standardizaciji procesa i proizvoda.
- intenzitet sonikacije
- temperatura
- pH vrijednost
- Vrijeme
- Veličina čestica sirovine
Ultrazvučni ekstraktor UIP4000hdT je 4kW snažan ekstraktor za industrijsku proizvodnju pektina.
Ovdje pronađite protokol za ultrazvučnu ekstrakciju pektina iz kore grejpa prikazan u videu iznad!
Određivanje relevantnih procesnih parametara omogućuje optimizaciju procesa ultrazvučne ekstrakcije do najveće učinkovitosti i vrhunske kvalitete ekstrakta.
Na primjer, veličina čestica sirovog materijala (npr. kora agruma) važan je faktor: manja veličina čestica znači veću površinu na koju ultrazvučni valovi djeluju. Mala veličina čestica rezultira višim prinosima pektina, nižim stupnjem metilacije i većim omjerom ramnogalakturonanskih regija.
pH vrijednost otapala za ekstrakciju (tj. voda + kiselina) još je jedan bitan parametar. Kada se pektin ekstrahira u kiselim uvjetima, mnoge ramnogalakturonanske razgranate regije polimera se razgrađuju, tako da ostaju uglavnom homogalakturonanske "ravne" regije s nekoliko neutralnih molekula šećera vezanih na ili u glavnom linearnom lancu.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina smanjuje vrijeme ekstrakcije i snižava potrebnu temperaturu procesa, čime se smanjuje mogućnost neželjene modifikacije pektina kiselinama. To omogućuje upotrebu kiselina u ograničenim uvjetima kako bi se pektini modificirali točno prema zahtjevima proizvoda.
Što čini ultrazvučnu ekstrakciju pektina tako učinkovitom?
Utjecaj ultrazvučne ekstrakcije izravno utječe na oticanje, perforaciju i lomljenje staničnih stijenki. Ultrazvučno inducirani prijenos mase uzrokuje hidrataciju pektinskog materijala u srednjoj lameli što dovodi do raspadanja biljnog tkiva. Ultrazvučna kavitacija i sile smicanja izravno utječu na stanične stijenke i otvaraju ih. Ovi mehanizmi rezultiraju visoko učinkovitim rezultatima ultrazvučne ekstrakcije.
Ultrazvučno ekstrahirani pektin (također ekstrahirani pektin potpomognut akustičnom kavitacijom, skraćeno ACAE) koji je imao manju molekularnu težinu i stupanj metoksilacije bio je bogatiji regijom ramnogalakturonana-I s dugim bočnim lancima u usporedbi s konvencionalnim pektinom ekstrahiranim toplinom iz kemijske i FT-IR analize. Potrošnja energije za ultrazvučnu ekstrakciju pektina bila je znatno manja od konvencionalne metode zagrijavanja, što ukazuje na njegovu obećavajuću primjenu u industrijskoj proizvodnji.
(usp. Wang i sur., 2017.)
Wang i njegovi kolege (2017.) također potvrđuju da je ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom dokazano ekonomičniji i ekološki prihvatljiviji proces s većom učinkovitošću i nižim troškovima u usporedbi s konvencionalnom ekstrakcijom grijanjem.
SEM ostatka pulpe šećerne repe pri povećanju od 1000x: (a) prije ekstrakcije i nakon ekstrakcije pektina korištenjem (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), i (e) Xylanasae+Cellulase (1:1.5), i (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(studija i slike: Abou-Elseoud et al., 2021.)
Kako radi ultrazvučna ekstrakcija pektina?
Ultrazvučna ekstrakcija temelji se na sonomehaničkim učincima ultrazvuka visokog intenziteta. Za promicanje i intenziviranje ekstrakcije pektina putem ultrazvučne obrade, ultrazvučni valovi velike snage spajaju se preko ultrazvučne sonde (također nazvane ultrazvučni rog ili sonotroda) u tekući medij, tj. kašu koja se sastoji od sirovog materijala koji sadrži pektin i otapala. Ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu i stvaraju naizmjenične cikluse niskog i visokog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka stvaraju se sitni vakuumski mjehurići (tzv. kavitacijski mjehurići), koji rastu tijekom nekoliko ciklusa tlaka. Tijekom tih ciklusa rasta mjehurića, otopljeni plinovi u tekućini ulaze u vakuumski mjehurić, tako da se vakuumski mjehurić pretvara u rastuće plinske mjehuriće. Pri određenoj veličini, kada mjehurići ne mogu apsorbirati više energije, oni snažno implodiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Imploziju mjehurića karakteriziraju intenzivne kavitacijske sile, uključujući vrlo visoku temperaturu i tlak koji dosežu do 4000 K odnosno 1000 atm; kao i odgovarajuće visoke razlike u temperaturi i tlaku. Ove ultrazvučno generirane turbulencije i sile smicanja razbijaju biljne stanice i oslobađaju unutarstanične pektine u otapalo na bazi vode. Budući da ultrazvučna kavitacija stvara vrlo intenzivan prijenos mase, ultrazvučna obrada rezultira iznimno visokim prinosima u vrlo kratkom vremenu obrade.
Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih stanica: mikroskopski poprečni presjek (TS) pokazuje mehanizam djelovanja tijekom ultrazvučne ekstrakcije iz stanica (povećanje 2000x) [izvor: Vilkhu et al. 2011.]
Ultrazvučni šaržni ekstraktor UIP2000hdT s kaskarodnim rogom
Pektini ekstrahirani iz otpadaka voća
Otpad voća kao što su kore, ostaci voćne pulpe (nakon prešanja voćnog soka) i drugi voćni nusproizvodi često su bogati izvori pektina. Dok se otpaci voća često koriste kao hrana za životinje, ekstrakcija pektina je vrjednija upotreba otpadaka voća.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina već se uspješno izvodi s korama citrusa (kao što su naranče, mandarine, grejp), kore dinje, komine jabuke, pulpe šećerne repe, kore manga, otpadaka rajčice, kao i jackfruita, marakuje, kore smokve među ostalima.
Studije slučaja ultrazvučne ekstrakcije pektina
Zbog nedostataka konvencionalne ekstrakcije pektina toplinom, istraživanje i industrija već su istražili inovativne alternative kao što je ultrazvučna ekstrakcija. Pritom je dostupno mnoštvo informacija o procesnim parametrima za različite sirovine kao i podaci o optimizaciji procesa.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina iz komine jabuke
Dranca i Oroian (2019) istraživali su ultrazvučno potpomognuti proces ekstrakcije pektina iz komine jabuke primjenom različitih ultrazvučnih uvjeta i korištenjem Box-Behnkenovog dizajna površine odziva. Utvrdili su da amplituda ultrazvuka snažno utječe na prinos i stupanj esterifikacije ekstrahiranog pektina, dok ekstrakcijski pH ima veliki utjecaj na sva tri odgovora, tj. prinos, sadržaj GalA i stupanj esterifikacije. Optimalni uvjeti za ekstrakciju bili su 100% amplituda, pH 1,8, omjer kruto-tekuće 1:10 g/mL i 30 min sonikacije. Pod ovim uvjetima, prinos pektina bio je 9,183% i imao je sadržaj GalA od 98,127 g/100 g i stupanj esterifikacije od 83,202%. Kako bi se rezultati ultrazvučno ekstrahiranog pektina postavili u odnos s komercijalnim pektinom, uzorak pektina dobiven ultrazvučnom ekstrakcijom u optimalnim uvjetima uspoređen je s komercijalnim uzorcima pektina citrusa i jabuke pomoću FT-IR, DSC, reološke analize i SEM. Prve dvije tehnike istaknule su neke posebnosti uzorka pektina ekstrahiranog ultrazvučnom ekstrakcijom, poput užeg raspona distribucije molekularne težine, urednog rasporeda molekula i visokog stupnja esterifikacije koji je sličan onom komercijalno dostupnih jabučnih pektina. Analiza morfoloških karakteristika ultrazvučno dobivenog uzorka ukazuje na determinacijski obrazac između distribucije veličina fragmenata ovog uzorka i njegovog sadržaja GalA s jedne strane, te kapaciteta upijanja vode s druge strane. Viskoznost ultrazvučno ekstrahirane otopine pektina bila je mnogo veća od one otopina napravljenih korištenjem komercijalnog pektina, što je možda zbog visoke koncentracije galakturonske kiseline. Kada se također uzme u obzir visok stupanj esterifikacije, to bi moglo objasniti zašto je viskoznost veća za ultrazvučno ekstrahirani pektin. Istraživači zaključuju da čistoća, struktura i reološko ponašanje pektina ekstrahiranog ultrazvučnom ekstrakcijom iz komine jabuke Malus domestica 'Fălticeni' ukazuje na obećavajuće primjene ovog topivog vlakna. (usp. Dranca & Oroian 2019.)
- veći prinosi
- brža obrada
- blaži uvjeti obrade
- poboljšana ukupna učinkovitost
- jednostavan i siguran rad
- Brzi ROI
Ultrazvučni ekstraktor visokih performansi za proizvodnju pektina
Ultrazvučna ekstrakcija je pouzdana tehnologija obrade, koja olakšava i ubrzava proizvodnju visokokvalitetnih pektina raznih sirovina kao što su nusproizvodi i kore agruma, komina jabuke i mnoge druge. Portfelj Hielscher Ultrasonics pokriva cijeli raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih sustava za ekstrakciju. Stoga vam mi u Hielscheru možemo ponuditi najprikladniji ultrazvučni uređaj za vaš predviđeni kapacitet procesa. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testova izvedivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sustava na razini konačne proizvodnje.
Mali otisak naših ultrazvučnih ekstraktora kao i njihova svestranost u mogućnostima ugradnje čine ih prikladnim čak iu malim prostorima za preradu pektina. Ultrazvučni procesori instalirani su diljem svijeta u pogonima za proizvodnju hrane, lijekova i dodataka prehrani.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics – Sofisticirana oprema za ekstrakciju
Portfelj proizvoda Hielscher Ultrasonics pokriva cijeli raspon ultrazvučnih ekstraktora visokih performansi od malih do velikih. Dodatni pribor omogućuje jednostavnu montažu najprikladnije konfiguracije ultrazvučnog uređaja za vaš proces ekstrakcije pektina. Optimalna ultrazvučna postavka ovisi o predviđenom kapacitetu, volumenu, sirovini, šaržnom ili inline procesu i vremenskoj liniji.
batch i inline
Hielscher ultrasonicators može se koristiti za šaržnu i kontinuiranu protočnu obradu. Ultrazvučna serijska obrada idealna je za testiranje procesa, optimizaciju i razinu proizvodnje male do srednje veličine. Za proizvodnju velikih količina pektina, inline obrada bi mogla biti povoljnija. Kontinuirani inline proces miješanja zahtijeva sofisticirano postavljanje – sastoji se od pumpe, crijeva ili cijevi i spremnika -, ali je vrlo učinkovit, brz i zahtijeva znatno manje rada. Hielscher Ultrasonics ima najprikladniju postavku ekstrakcije za vaš volumen ekstrakcije i ciljeve procesa.
Ultrazvučni ekstraktori za svaki kapacitet proizvoda
Asortiman proizvoda Hielscher Ultrasonics pokriva cijeli spektar ultrazvučnih procesora od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilotskih sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom obrade tereta kamiona po satu. Cijeli asortiman proizvoda omogućuje nam da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni ekstraktor za vaše sirovine koje sadrže pektin, procesni kapacitet i proizvodne ciljeve.
Ultrazvučni stolni sustavi idealni su za testove izvedivosti i optimizaciju procesa. Linearno povećanje temeljeno na utvrđenim procesnim parametrima omogućuje vrlo jednostavno povećanje kapaciteta obrade od manjih serija do potpuno komercijalne proizvodnje. Povećanje veličine može se izvršiti ugradnjom snažnije ultrazvučne jedinice za ekstrakciju ili grupiranjem nekoliko ultrazvučnih uređaja paralelno. S UIP16000, Hielscher nudi najmoćniji ultrazvučni ekstraktor na svijetu.
Precizno kontrolirane amplitude za optimalne rezultate
Svi Hielscher ultrasonicators su precizno kontrolirani i stoga pouzdani radni konji u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na učinkovitost i djelotvornost ultrazvučne ekstrakcije pektina iz voća i biološkog otpada.
Svi Hielscher sonikatori omogućuju precizno podešavanje amplitude. Sonotrode i booster rogovi su dodaci koji omogućuju izmjenu amplitude u još širem rasponu. Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i isporučiti potrebni ultrazvučni intenzitet za zahtjevne primjene. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7.
Precizne postavke amplitude i stalno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost obrade sirovina s najučinkovitijim ultrazvučnim uvjetima. Optimalna sonikacija za najbolje rezultate ekstrakcije!
Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima. To čini Hielscherovu ultrazvučnu opremu pouzdanim radnim alatom koji ispunjava vaše zahtjeve za ekstrakcijom.
Jednostavno testiranje bez rizika
Ultrazvučni procesi mogu biti potpuno linearno skalirani. To znači da se svaki rezultat koji ste postigli korištenjem laboratorijskog ili stolnog ultrazvučnog aparata može skalirati na potpuno isti izlaz koristeći potpuno iste procesne parametre. To čini ultrazvuk idealnim za testiranje izvedivosti bez rizika, optimizaciju procesa i naknadnu implementaciju u komercijalnu proizvodnju. Kontaktirajte nas da saznate kako ultrazvuk može povećati proizvodnju ekstrakta pektina.
Najviša kvaliteta – Dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj
Kao tvrtka u obiteljskom vlasništvu, Hielscher daje prioritet najvišim standardima kvalitete za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrazvučni uređaji dizajnirani su, proizvedeni i temeljito testirani u našem sjedištu u Teltowu u blizini Berlina, Njemačka. Robusnost i pouzdanost Hielscherove ultrazvučne opreme čine je radnim konjem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem iu zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika Hielscherovih miješalica visokih performansi.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
O pektinima
Pektin je razgranati heteropolisaharid koji se sastoji od dugolančanih segmenata galakturonana i drugih neutralnih šećera kao što su ramnoza, arabinoza, galaktoza i ksiloza. Da budemo precizniji, pektin je blok kopolimera koji se sastoji od 1,4-α-povezane galakturonske kiseline i 1,2-povezane ramnoze s bočnim ograncima β-D-galaktoze, L-arabinoze i drugih šećernih jedinica. Budući da se u pektinu nalazi nekoliko šećernih skupina i različite razine metil esterifikacije, pektin nema definiranu molekularnu težinu kao drugi polisaharidi. Pektin, koji je određen za upotrebu u hrani, definiran je kao heteropolisaharid koji sadrži najmanje 65% jedinica galakturonske kiseline. Primjenom specifičnih uvjeta ekstrakcije pektini se mogu uspješno modificirati i funkcionalizirati kako bi se ispunili specifični zahtjevi. Proizvodnja funkcionaliziranih i modificiranih pektina je od interesa za posebne primjene, npr. nisko metoksilirani pektin za farmaceutske proizvode.
Kako se pektin odvaja od otopine ekstrakta?
Taloženje pektina nakon ultrazvučne ekstrakcije: Dodavanje etanola otopini ekstrakta može pomoći u odvajanju pektina kroz proces koji se zove taloženje. Pektin, složeni polisaharid koji se nalazi u staničnoj stijenci biljaka, topiv je u vodi pod normalnim uvjetima. Međutim, promjenom okoline otapala dodatkom etanola, topivost pektina može se smanjiti, što dovodi do njegovog taloženja iz otopine.
U nastavku vam objašnjavamo kemiju koja stoji iza taloženja pektina pomoću etanola:
- Prekidanje vodikovih veza: Molekule pektina drže zajedno vodikove veze, što doprinosi njihovoj topivosti u vodi. Etanol prekida te vodikove veze natječući se s molekulama vode za mjesta vezivanja na molekulama pektina. Kako molekule etanola zamjenjuju molekule vode oko molekula pektina, vodikove veze između molekula pektina slabe, smanjujući njihovu topljivost u otapalu.
- Smanjeni polaritet otapala: Etanol je manje polaran od vode, što znači da ima manju sposobnost otapanja polarnih tvari poput pektina. Kako se etanol dodaje u otopinu ekstrakta, ukupna polarnost otapala se smanjuje, čineći manje povoljnim za molekule pektina da ostanu u otopini. To dovodi do taloženja pektina iz otopine jer postaje manje topljiv u smjesi etanol-voda.
- Povećana koncentracija pektina: Kako se molekule pektina talože iz otopine, koncentracija pektina u preostaloj otopini raste. To omogućuje lakše odvajanje pektina od tekuće faze filtracijom ili centrifugiranjem.
Literatura / Reference
- 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.