Ultrazvučna ekstrakcija rezultira visokim prinosima vrhunske kvalitete pektina. Koristeći sonikaciju, vrijedni pektini mogu se učinkovito proizvesti iz voćnog otpada (npr. po proizvodima iz prerade sokova) i druge biološke sirovine. Ultrazvučna ekstrakcija pektina ističe druge tehnike ekstrakcije proizvodeći veće prinose, dajući vrhunsku kvalitetu pektina i postupak brzog vađenja.

Pojačano vađenje pektina sonikacijom

Pektin se koristi kao sredstvo za geliranje, emulgiranje i zgušnjavanje u brojnim prehrambenim proizvodima, kao i sastojak kozmetike i lijekova. Konvencionalna industrijska ekstrakcija pektina vrši se ekstrakcijom tople vode, gdje se sirovina kao što su kore citrusa, komina jabuka i drugi voćni otpad natapa u vrućoj vodi od 60–100 °C pri niskoj pH vrijednosti (približno pH 1,5 – 3,5) dulje vrijeme. To konvencionalnu ekstrakciju tople vode pretvara u proces koji troši vrijeme i energiju, a koji često nije ni dovoljno učinkovit da oslobodi cjelokupnu količinu pektina dostupnih u sirovini.
Kako bi se prevladala neučinkovitost konvencionalne metode proizvodnje, primjenjuje se ultrazvučna ekstrakcija kao tehnika intenziviranja procesa koja smanjuje vrijeme ekstrakcije i značajno maksimizira prinos pektina u usporedbi s tradicionalnim vađenjem tople vode.

Prednost ultrazvučnog izvlačenja pektina

Ultrazvučna ekstrakcija primjenjuje se u mnogim područjima proizvodnje ekstrakta, npr botanički i biljni ekstrakti za hranu, dodataka, farmaceutskih, i kozmetike. Vrlo istaknuti primjer ultrazvučnog ekstrakcije je ekstrakcija kanabidiola (CBD) i drugih spojeva iz biljke kanabisa.
Ultrazvučna ekstrakcija je tehnika ne-termalne ekstrakcije, koja sprječava time bioaktivne spojeve protiv toplinske degradacije. Svi parametri ultrazvučnog procesa, kao što su amplitude, intenzitet, vrijeme, temperatura i tlak, mogu se točno kontrolirati. To omogućuje precizan proces i kontrolu kvalitete i olakšava ponavljanje i reprodukciju nakon dobivenih rezultata ekstrakcije. Proizvođači ekstrakta cijene ultrazvukciju za pouzdanu ponovljivost procesa, što pomaže u standardizaciji procesa i proizvoda.

Određivanje relevantnih parametara procesa omogućuje optimizaciju ultrazvučnog procesa ekstrakcije na najvišu učinkovitost i vrhunsku kvalitetu ekstrakta.
Na primjer, veličina čestica sirovine (npr. Kore citrusa) važan je čimbenik: Manja veličina čestica znači veću površinu na koju ultrazvučni valovi mogu djelovati. Mala veličina čestica time rezultira većim prinosima pektina, nižim stupnjem metilacije i većim omjerom romnogalakturonskih regija.
PH vrijednost ekstrakcijskog otapala (tj. vode + kiseline) još je jedan bitan parametar. Kada se pektin ekstrahira u kiselim uvjetima, razgrađuju se mnoga razgranata područja polimera razgranata, tako da uglavnom ostaju homogalakturonske "ravne" regije s nekoliko neutralnih molekula šećera pričvršćenih na ili u glavnom linearnom lancu.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina smanjuje vrijeme ekstrakcije i snižava potrebnu temperaturu procesa, što smanjuje mogućnost neželjene modifikacije pektina kiselinama. To omogućuje korištenje kiselina u ograničenim uvjetima kako bi se izmijeniti pectins upravo u zahtjeve proizvoda.

Što čini ultrazvučnu pectin ekstrakciju tako učinkovitom?

Utjecaj ultrazvučne ekstrakcije izravno utječe na oticanje, perforaciju i lom staničnih zidova. Ultrazvučno induciran prijenos mase uzrokuje hidrataciju pektinousnog materijala u srednjoj lamelli što dovodi do raspada vegetativnih tkiva. Ultrazvučne sile kavijacije i smicanja izravno udaraju u stanične stijenke i otvaraju ih. Ovi mehanizmi rezultiraju vrlo učinkovitim rezultatima ultrazvučne ekstrakcije.

Ultrazvučno ekstrahirani pektin (također akustična kavitacija potpomognuta ekstrahiranim pektinom, abbrev. ACAE) koji je imao manju molekularnu težinu i stupanj metoksilacije bio je bogatiji u regiji rhamnogalacturonan-I s dugim bočnim lancima u usporedbi s konvencionalnim toplinski ekstrahiranim pektinom iz kemijske i FT-IR analize. Potrošnja energije za ekstrakciju ulgtrasoničnog pektina bila je znatno niža od konvencionalne metode grijanja, što ukazuje na njezinu obećavajuću primjenu za ljestvicu industrijske proizvodnje.
(cf. Wang i sur., 2017.)
Wang i njegovi kolege (2017) također podupiru da je ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija dokazano ekonomičniji i ekološki prihvatljiviji proces s većom učinkovitošću i manjim troškovima u usporedbi s konvencionalnom ekstrakcijom grijanja.
 

SEM rezidualne pulpe šećerne repe pri povećanju od 1000x: (a) prije ekstrakcije i nakon ekstrakcije pektina pomoću (b) ksilanasae (250 U/g), (c) celulaze (300 U/g), (d) ksilanasae+celulaze (1:1) i (e) ksilanasae+celulaze (1:1.5) i (f) ksilanasae+celulaze (1:2).
(studija i slike: Abou-Elseoud i sur., 2021)

Kako funkcionira ultrazvučna ekstrakcija pektina?

Ultrazvučna ekstrakcija temelji se na sonomehaničkim učincima ultrazvuka visokog intenziteta. Za promicanje i intenziviranje ekstrakcije pektina ultrazvukom, ultrazvučni valovi velike snage spoje se ultrazvučnom sondom (koja se naziva i ultrazvučni rog ili sonotrode) u tekući medij, odnosno kašu koja se sastoji od sirovine koja sadrži pektin i otapala. Ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu i stvaraju naizmjenične cikluse niskog tlaka / visokog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka stvaraju se minutni vakuumski mjehurići (takozvani mjehurići karitacije), 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 mjehuriće plina. U određenoj veličini, kada mjehurići ne mogu apsorbirati više energije, oni nasilno implodiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Imploziju mjehurića karakteriziraju intenzivne kavitacijske sile, uključujući vrlo visoku temperaturu i tlak koji dosežu do 4000K odnosno 1000tm; kao i odgovarajuće diferencijali visoke temperature i tlaka. Ove ultrazvučno generirane turbulencije i sile smicanje razbijaju biljne stanice i otpuštaju unutarstanične pektine u otapalo na bazi vode. Budući da ultrazvučna kavijacija stvara vrlo intenzivan prijenos mase, sonikacija rezultira iznimno visokim prinosima u vrlo kratkom vremenu obrade.

Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih stanica: mikroskopski transverzalni dio (TS) pokazuje mehanizam djelovanja tijekom ultrazvučnog ekstrakcije iz stanica (povećanje 2000x) [resurs: Vilkhu et Al. 2011]

Pektini izvađeni iz voćnog otpada

Voćni otpad kao što su kore, ostaci voćne pulpe (nakon prešanja voćnog soka) i drugi voćni proizvodi često su bogati pektinski izvori. Dok se proizvodi od voćnog otpada često koriste kao hrana za životinje, vađenje pektina je vrijednija upotreba voćnog otpada.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina već se uspješno izvodi s korama citrusa (kao što su naranče, mandarine, grejp), kore dinje, komina od jabuka, pulpa šećerne repe, kore manga, otpad od rajčice, kao i jackfruit, marakuje, kore smokve između ostalog.

Studije slučaja ultrazvučne ekstrakcije pektina

Zbog nedostataka konvencionalne ekstrakcije pektina toplinom, istraživanja i industrija već su istražili inovativne alternative kao što je ultrazvučna ekstrakcija. Time je dostupno mnogo informacija o parametrima procesa za različite sirovine, kao i podaci o optimizaciji procesa.

Ultrazvučna ekstrakcija Pektina iz Jabuke Pomace

Dranca i Oroian (2019) istraživali su ultrazvučno potpomognut proces ekstrakcije pektina iz jabučne pomace primjenjujući različite ultrazvučne uvjete i koristeći Box-Behnken dizajn površine odziva. Utvrdili su da ultrazvučna amplitude snažno utječe na prinos i stupanj esterifikacije izvađenog pektina, dok je pH ekstrakcija imala velik utjecaj na sva tri odgovora, odnosno prinos, GalA sadržaj, te stupanj esterifikacije. Optimalni uvjeti za ekstrakciju bili su 100% amplitude, pH od 1,8, omjer čvrste tekućine od 1:10 g/2 i 30 min sonikacije. U tim uvjetima prinos pektina bio je 9,183% i imao je 98.127 g/100 g GalA sadržaja i 83.202% stupanj esterifikacije. Kako bi se rezultati ultrazvučno izvađenog pektina postavili u odnos s komercijalnim pektinom, uzorak pektina dobiven ultrazvučnim ekstrakcijom u optimalnim uvjetima uspoređen je s komercijalnim uzorcima citrusa i pektina jabuka ft-IR, DSC, reološkom analizom i SEM-om. Prve dvije tehnike istaknule su neke posebnosti uzorka pektina izvađenog ultrazvučnom ekstrakcijom kao što su uži raspon distribucije molekularne težine, uredni molekularni raspored i visok stupanj esterifikacije koji je bio sličan onome komercijalno dostupnih jabučnih pektina. Analiza morfoloških karakteristika ultrazvučno dobivenog uzorka ukazuje na obrazac određivanja između raspodjele veličina fragmenata ovog uzorka i sadržaja gala s jedne strane i kapaciteta unosa vode s druge strane. Viskoznost ultrazvučne ekstrahirane pektinske otopine bila je mnogo veća od rješenja napravljenih pomoću komercijalnog pektina, što možda zbog visoke koncentracije galakturonske kiseline. Kada se uzme u obzir i visok stupanj esterifikacije, to bi moglo objasniti zašto je viskoznost bila veća za ultrazvučno izvađen pektin. Istraživači zaključuju da čistoća, struktura i reološko ponašanje pektina izvađenog ultrazvučnim vađenjem iz Malus domestica 'Fălticeni' jabučnog pomace ukazuje na obećavajuće primjene ovog topivog vlakna. (cf. Dranca & Oroian 2019.)

Ultrazvučni ekstraktor visokih performansi za proizvodnju Pectina

Ultrazvučna ekstrakcija je pouzdana tehnologija prerade, koja olakšava i ubrzava proizvodnju visokokvalitetnih pectina različitih sirovina kao što su po-proizvodi i kore od agruma, pomace od jabuka i mnogi drugi. Hielscher Ultrasonics portfelj pokriva cijeli raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvuka do industrijskih sustava ekstrakcije. Time vam mi u Hielscheru možemo ponuditi najprikladniji ultrazvuk za predviđeni kapacitet procesa. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testova izvedivosti i optimizacije procesa do ugradnje vašeg ultrazvučnog sustava na konačnoj razini proizvodnje.
Mali otisak stopala naših ultrazvučnih ekstraktora, kao i njihova svestranost u mogućnostima instalacije čine ih uklapajući se čak iu male prostorne pektin postrojenja za obradu. Ultrazvučni procesori instalirani su širom svijeta u proizvodnim pogonima hrane, farmacije i dodataka prehrani.

Hielscher Ultrasonics – Sofisticirana oprema za ekstrakciju

Hielscher Ultrasonics portfelj proizvoda pokriva cijeli niz ultrazvučnih ekstraktora visokih performansi od malih do velikih razmjera. Dodatni dodaci omogućuju jednostavan sklop najprikladnije konfiguracije ultrazvučnog uređaja za proces ekstrakcije pektina. Optimalna ultrazvučna postava ovisi o predviđenom kapacitetu, volumenu, sirovinama, seriji ili linijskom postupku i vremenskoj crti.

Serije i inline

Hielscher ultrasonikatori mogu se koristiti za seriju i kontinuiranu obradu protoka. Ultrazvučna obrada serija idealna je za testiranje procesa, optimizaciju i malu do srednju razinu proizvodnje. Za proizvodne velike količine pektina, obrada linije može biti povoljnija. Kontinuirani proces miješanja linija zahtijeva sofisticirano postavljanje – sastoji se od pumpe, crijeva ili cijevi i spremnika - ali je vrlo učinkovit, brz i zahtijeva znatno manje radne snage. Hielscher Ultrasonics ima najprikladniju postavku ekstrakcije za volumen ekstrakcije i ciljeve procesa.

Ultrazvučni ekstraktori za svaki proizvod kapacitet

Hielscher Ultrasonics asortiman proizvoda pokriva cijeli spektar ultrazvučnih procesora od kompaktnih laboratorijskih ultrasonikatora preko bench-top i pilot sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom za obradu kamiona na sat. Cijeli asortiman proizvoda omogućuje nam da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni ekstraktor za vašu sirovinu koja sadrži pektin, kapacitet procesa i proizvodne ciljeve.
Ultrazvučni sustavi klupe idealni su za testove izvedivosti i optimizaciju procesa. Linearna skala-up na temelju utvrđenih parametara procesa čini vrlo lako povećati kapacitete obrade od manjih lotova do potpuno komercijalne proizvodnje. Up-skaliranje može biti učinjeno ili instaliranjem snažnije ultrazvučne ekstraktorske jedinice ili nakupljanja nekoliko ultrazvučnikatora paralelno. Uz UIP16000, Hielscher nudi najmoćniji ultrazvučni ekstraktor diljem svijeta.

Precizno Controllable Amplitudes za Optimum Rezultate

Svi Hielscherovi ultrazvuci su precizno kontrolirani i time pouzdani radni konji u proizvodnji. Amplitude je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na učinkovitost i učinkovitost ultrazvučnog vađenja pektina iz voća i biootužja.
Svi Hielscher Ultrasonics’ procesori omogućuju precizno postavljanje amplitude. Sonotrodes i booster rogovi su pribor koji omogućuju izmjenu amplitude u još širem rasponu. Hielscher je industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i isporučiti potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne aplikacije. Amplitude do 200μm mogu se lako kontinuirano izvoditi u 24/7 operaciji.
Precizne postavke amplitude i trajno praćenje ultrazvučnih parametara procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost tretiranja sirovine s najučinkovitijim ultrazvučnim uvjetima. Optimalna sonikacija za najbolje rezultate ekstrakcije!
Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad na teškim dužnostima i u zahtjevnim okruženjima. To čini Hielscher ultrazvučnu opremu pouzdanim radnih alat koji ispunjava vaše zahtjeve vađenja.

Jednostavno, Testiranje bez rizika

Ultrazvučni procesi mogu biti potpuno linearni. To znači da svaki rezultat koji ste postigli pomoću laboratorija ili ultrazvuka na vrhu klupe, može se skalirati na potpuno isti izlaz koristeći potpuno iste parametre procesa. To čini ultrazvukciju idealnom za testiranje izvedivosti bez rizika, optimizaciju procesa i naknadnu implementaciju u komercijalnu proizvodnju. Obratite nam se kako biste saznali kako sonikacija može povećati proizvodnju pektin ekstrakta.

Najviša kvaliteta – Dizajniran i proizveden u Njemačkoj

Kao obiteljski i obiteljski posao, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvalitete za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrasonicators su dizajnirani, proizvedeni i temeljito testirani u našem sjedištu u Teltow u blizini Berlina, Njemačka. Robusnost i pouzdanost Hielscherove ultrazvučne opreme čine ga radnim konjem u vašoj proizvodnji. 24/7 rad pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika Hielscherovih miješalica visokih performansi.

Tablica u nastavku daje vam pokazatelj približne mogućnosti obrade naših ultrazvučnih uređaja: