Veći prinosi pektina ultrazvučnom ekstrakcijom

Ultrazvučna ekstrakcija omogućuje visoke prinose pektina vrhunske kvalitete. Sonikacijom se vrijedni pektini mogu učinkovito proizvesti iz voćnog otpada (npr. nusproizvoda prerade sokova) i drugih bioloških sirovina. Ultrazvučna ekstrakcija pektina nadmašuje druge tehnike ekstrakcije ostvarivanjem većih prinosa, vrhunskom kvalitetom pektina i brzim postupkom ekstrakcije.

Intenzivirana ekstrakcija pektina sonikacijom

Pektin se upotrebljava kao sredstvo za želiranje, emulgiranje i zgušnjavanje u brojnim prehrambenim proizvodima te kao sastojak kozmetičkih i farmaceutskih proizvoda. Konvencionalna industrijska ekstrakcija pektina provodi se vrućom vodom, pri čemu se sirovine poput kora agruma, jabučne komine i drugog voćnog otpada dugo namaču u vodi temperature 60–100°C pri niskom pH (približno pH 1,5 – 3,5). Zbog toga je konvencionalna ekstrakcija vrućom vodom proces koji zahtijeva mnogo vremena i energije, a često nije ni dovoljno učinkovit da oslobodi cjelokupnu količinu pektina prisutnu u sirovini.
Kako bi se prevladala neučinkovitost konvencionalne metode proizvodnje, ultrazvučna ekstrakcija primjenjuje se kao tehnika intenziviranja procesa koja skraćuje vrijeme ekstrakcije i znatno povećava prinos pektina do maksimuma u usporedbi s tradicionalnom ekstrakcijom vrućom vodom.

Prednost ultrazvučne ekstrakcije pektina

Ultrazvučna ekstrakcija primjenjuje se u mnogim područjima proizvodnje ekstrakata, primjerice botaničkih ekstrakata i ekstrakata bilja za hranu, dodatke prehrani, farmaceutske i kozmetičke proizvode. Vrlo istaknut primjer ultrazvučne ekstrakcije jest ekstrakcija kanabidiola (CBD) i drugih spojeva iz biljke kanabisa.
Ultrazvučna ekstrakcija netoplinska je tehnika ekstrakcije koja time štiti bioaktivne spojeve od toplinske razgradnje. Svi parametri ultrazvučnog procesa, poput amplitude, intenziteta, vremena, temperature i tlaka, mogu se precizno kontrolirati. To omogućuje preciznu kontrolu procesa i kvalitete te olakšava ponavljanje i reproduciranje jednom dobivenih rezultata ekstrakcije. Proizvođači ekstrakata cijene ultrazvučnu obradu zbog pouzdane ponovljivosti procesa, koja pomaže u standardizaciji procesa i proizvoda.

 
Ovdje pronađite protokol ultrazvučne ekstrakcije pektina iz kore grejpa prikazan u gornjem videozapisu!
 

Određivanje relevantnih procesnih parametara omogućuje optimizaciju procesa ultrazvučne ekstrakcije radi postizanja najviše učinkovitosti i vrhunske kvalitete ekstrakta.
Primjerice, veličina čestica sirovine (npr. kora agruma) 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 udjelom ramnogalakturonanskih područja.
pH-vrijednost ekstrakcijskog otapala (tj. voda + kiselina) još je jedan ključan parametar. Kada se pektin ekstrahira u kiselim uvjetima, mnoga razgranata ramnogalakturonanska područja polimera razgrađuju se, tako da uglavnom preostaju „ravna” homogalakturonanska područja s nekoliko molekula neutralnih šećera vezanih na glavni linearni lanac ili unutar njega.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina skraćuje vrijeme ekstrakcije i snižava potrebnu procesnu temperaturu, čime se smanjuje mogućnost neželjene modifikacije pektina kiselinama. To omogućuje primjenu kiselina u ograničenim uvjetima kako bi se pektini precizno modificirali prema zahtjevima proizvoda.

Što ultrazvučnu ekstrakciju pektina čini tako učinkovitom?

Ultrazvučna ekstrakcija izravno utječe na bubrenje, perforaciju i lomljenje staničnih stijenki. Ultrazvučno potaknut prijenos mase uzrokuje hidrataciju pektinskog materijala u središnjoj lameli, što dovodi do razgradnje biljnih tkiva. Ultrazvučna kavitacija i smične sile izravno djeluju na stanične stijenke i razaraju ih. Ti mehanizmi omogućuju vrlo učinkovitu ultrazvučnu ekstrakciju.

Kemijska analiza i analiza FT-IR pokazale su da je ultrazvučno ekstrahirani pektin (također pektin ekstrahiran uz pomoć akustične kavitacije, skraćeno ACAE), koji je imao manju molekulsku masu i niži stupanj metoksilacije, bio bogatiji regijom ramnogalakturonana-I s dugim bočnim lancima u usporedbi s pektinom ekstrahiranim konvencionalnim zagrijavanjem. Potrošnja energije za ultrazvučnu ekstrakciju pektina bila je znatno niža nego pri konvencionalnoj metodi zagrijavanja, što upućuje na perspektivnost njezine primjene u industrijskoj proizvodnji.
(usp. Wang et al., 2017)
Wang i njegovi suradnici (2017) također potkrepljuju tvrdnju da se ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom pokazala ekonomičnijim i ekološki prihvatljivijim postupkom s većom učinkovitošću i nižim troškovima u usporedbi s konvencionalnom ekstrakcijom zagrijavanjem.
 

SEM prikaz preostale pulpe šećerne repe pri povećanju 1000x: (a) prije ekstrakcije te nakon ekstrakcije pektina primjenom (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), (e) Xylanasae+Cellulase (1:1,5) i (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(istraživanje i slike: Abou-Elseoud et al., 2021)

Kako funkcionira ultrazvučna ekstrakcija pektina?

Ultrazvučna ekstrakcija temelji se na sonomehaničkim učincima ultrazvuka visokog intenziteta. Kako bi se potaknula i intenzivirala ekstrakcija pektina ultrazvukom, ultrazvučni valovi velike snage prenose se ultrazvučnom sondom (koja se naziva i ultrazvučni rog ili sonotroda) u tekući medij, odnosno suspenziju koja se sastoji od sirovine koja sadržava pektin i otapala. Ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu i stvaraju naizmjenične cikluse niskog i visokog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka nastaju sićušni vakuumski mjehurići (takozvani kavitacijski mjehurići), koji rastu tijekom nekoliko tlačnih ciklusa. Tijekom tih ciklusa rasta mjehurića plinovi otopljeni u tekućini ulaze u vakuumski mjehurić, pa se vakuumski mjehurići pretvaraju u rastuće plinske mjehuriće. Pri određenoj veličini, kada mjehurići više ne mogu apsorbirati energiju, oni snažno implodiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Imploziju mjehurića obilježavaju snažne kavitacijske sile, uključujući vrlo visoke temperature i tlakove koji dosežu do 4000K odnosno 1000atm, kao i odgovarajuće velike temperaturne i tlačne razlike. Te ultrazvučno stvorene turbulencije i smične sile razaraju biljne stanice i oslobađaju unutarstanične pektine u otapalo na bazi vode. Budući da ultrazvučna kavitacija stvara vrlo intenzivan prijenos mase, sonikacija omogućuje iznimno visoke prinose u vrlo kratkom vremenu obrade.
Sonikacija se upotrebljava ne samo za ekstrakciju pektina nego i za izolaciju polifenola iz voćne komine, pulpe, kore i sjemenki. Više pročitajte ovdje!

Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih stanica: mikroskopski poprečni presjek (TS) prikazuje mehanizam djelovanja tijekom ultrazvučne ekstrakcije iz stanica (povećanje 2000x) [izvor: Vilkhu et al. 2011]

Pektini ekstrahirani iz voćnog otpada

Voćni otpad, poput kore, ostataka voćne pulpe (nakon prešanja voćnog soka) i drugih nusproizvoda voća, često je bogat izvor pektina. Iako se voćni otpad često upotrebljava kao hrana za životinje, ekstrakcija pektina predstavlja vredniji način njegova iskorištavanja.
Ultrazvučna ekstrakcija pektina već se uspješno provodi iz kore agruma (poput naranči, mandarina i grejpa), kore dinje, jabučne komine, pulpe šećerne repe, kore manga, otpada rajčice te, među ostalim, kore jakovca, marakuje i smokve.

Studije slučaja ultrazvučne ekstrakcije pektina

Zbog nedostataka konvencionalne ekstrakcije pektina zagrijavanjem, znanstvenici i industrija već su istražili inovativne alternative poput ultrazvučne ekstrakcije. Stoga su dostupne brojne informacije o procesnim parametrima za različite sirovine, kao i podaci o optimizaciji procesa.

Ultrazvučna ekstrakcija pektina iz jabučne komine

Dranca i Oroian (2019) istražili su proces ultrazvučno potpomognute ekstrakcije pektina iz jabučne komine primjenom različitih ultrazvučnih uvjeta i Box-Behnkenova plana odzivnih površina. Utvrdili su da amplituda ultrazvuka snažno utječe na prinos i stupanj esterifikacije ekstrahiranog pektina, dok je pH ekstrakcije znatno utjecao na sva tri odziva, odnosno prinos, sadržaj GalA i stupanj esterifikacije. Optimalni uvjeti ekstrakcije bili su amplituda od 100%, pH od 1,8, omjer čvrste i tekuće faze od 1:10 g/mL te sonikacija u trajanju od 30 min. U tim uvjetima prinos pektina iznosio je 9,183%, sadržaj GalA bio je 98,127 g/100 g, a stupanj esterifikacije 83,202%. Kako bi se rezultati za ultrazvučno ekstrahirani pektin usporedili s komercijalnim pektinom, uzorak pektina dobiven ultrazvučnom ekstrakcijom u optimalnim uvjetima uspoređen je s uzorcima komercijalnog citrusnog i jabučnog pektina primjenom FT-IR-a, DSC-a, reološke analize i SEM-a. Prve dvije tehnike istaknule su neke posebnosti uzorka pektina dobivenog ultrazvučnom ekstrakcijom, poput užeg raspona raspodjele molekulske mase, uređenog rasporeda molekula i visokog stupnja esterifikacije koji je bio sličan onome komercijalno dostupnih jabučnih pektina. Analiza morfoloških karakteristika ultrazvučno dobivenog uzorka upućuje na obrazac određujuće povezanosti između raspodjele veličina fragmenata tog uzorka i njegova sadržaja GalA s jedne strane te sposobnosti upijanja vode s druge strane. Viskoznost otopine ultrazvučno ekstrahiranog pektina bila je mnogo viša od viskoznosti otopina pripremljenih s komercijalnim pektinom, što može biti posljedica visoke koncentracije galakturonske kiseline. Ako se uzme u obzir i visok stupanj esterifikacije, to bi moglo objasniti zašto je viskoznost bila viša kod ultrazvučno ekstrahiranog pektina. Istraživači zaključuju da čistoća, struktura i reološko ponašanje pektina dobivenog ultrazvučnom ekstrakcijom iz komine jabuke Malus domestica ‘Fălticeni’ upućuju na obećavajuće primjene tog topljivog vlakna. (usp. Dranca & Oroian 2019)

Ultrazvučni ekstraktor visokih performansi za proizvodnju pektina

Ultrazvučna ekstrakcija pouzdana je tehnologija obrade koja olakšava i ubrzava proizvodnju visokokvalitetnih pektina iz različitih sirovina, poput nusproizvoda i kora agruma, jabučne komine i mnogih drugih. Ponuda tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća cijeli raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih sustava za ekstrakciju. Stoga vam u tvrtki Hielscher možemo ponuditi najprikladniji ultrazvučni uređaj za vaš predviđeni kapacitet obrade. Naše osoblje s dugogodišnjim iskustvom pružit će vam podršku od ispitivanja izvedivosti i optimizacije procesa do ugradnje vašeg ultrazvučnog sustava na konačnoj proizvodnoj razini.
Zahvaljujući malim prostornim zahtjevima naših ultrazvučnih ekstraktora i raznovrsnim mogućnostima ugradnje, oni se uklapaju čak i u pogone za preradu pektina s ograničenim prostorom. Ultrazvučni procesori ugrađuju se diljem svijeta u pogone za proizvodnju hrane, farmaceutskih proizvoda i dodataka prehrani.

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Hielscher Ultrasonics – sofisticirana oprema za ekstrakciju

Asortiman proizvoda tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća cjelokupan raspon visokoučinkovitih ultrazvučnih ekstraktora za rad u malom i velikom mjerilu. Dodatna oprema omogućuje jednostavno sastavljanje najprikladnije konfiguracije ultrazvučnog uređaja za vaš postupak ekstrakcije pektina. Optimalna ultrazvučna konfiguracija ovisi o predviđenom kapacitetu, volumenu, sirovini, šaržnom ili linijskom postupku te vremenskom planu.

Šaržna i linijska obrada

Hielscher ultrazvučni uređaji mogu se upotrebljavati za šaržnu i kontinuiranu protočnu obradu. Ultrazvučna šaržna obrada idealna je za ispitivanje i optimizaciju procesa te proizvodnju malog do srednjeg opsega. Za proizvodnju velikih količina pektina linijska obrada mogla bi biti povoljnija. Kontinuirani postupak linijskog miješanja zahtijeva sofisticiranu konfiguraciju – koja se sastoji od pumpe, crijeva ili cijevi te spremnika – ali je vrlo učinkovit, brz i zahtijeva znatno manje rada. Hielscher Ultrasonics ima najprikladniju konfiguraciju za ekstrakciju za vaš volumen ekstrakcije i ciljeve procesa.

Ultrazvučni ekstraktori za svaki proizvodni kapacitet

Asortiman proizvoda tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća cijeli spektar ultrazvučnih procesora, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilotnih sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom obrade čitavih kamionskih tereta na sat. Cjelokupan asortiman proizvoda omogućuje nam da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni ekstraktor za vašu sirovinu koja sadrži pektin, kapacitet procesa i proizvodne ciljeve.
Stolni ultrazvučni sustavi idealni su za ispitivanja izvedivosti i optimizaciju procesa. Linearno povećanje mjerila na temelju utvrđenih procesnih parametara omogućuje vrlo jednostavno povećanje kapaciteta obrade od manjih šarži do potpuno komercijalne proizvodnje. Povećanje mjerila može se provesti ugradnjom snažnije ultrazvučne ekstrakcijske jedinice ili paralelnim povezivanjem više ultrazvučnih uređaja u skupinu. S uređajem UIP16000 Hielscher nudi najsnažniji ultrazvučni ekstraktor na svijetu.

Precizno podesive amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrazvučni uređaji omogućuju precizno upravljanje te su stoga pouzdani radni strojevi u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na učinkovitost i djelotvornost ultrazvučne ekstrakcije pektina iz voća i biootpada.
Svi Hielscher sonikatori omogućuju precizno podešavanje amplitude. Sonotrode i pojačivači amplitude dodatna su oprema koja omogućuje promjenu amplitude u još širem rasponu. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori mogu ostvariti vrlo visoke amplitude i osigurati potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne primjene. Rad s amplitudama do 200µm lako se može kontinuirano održavati u režimu 24/7.
Precizno podešavanje amplitude i trajno praćenje ultrazvučnih procesnih parametara putem pametnog softvera omogućuju vam obradu sirovine u najdjelotvornijim ultrazvučnim uvjetima. Optimalna sonikacija za najbolje rezultate ekstrakcije!
Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućuje rad u režimu 24/7 pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima. To Hielscher ultrazvučnu opremu čini pouzdanim radnim alatom koji ispunjava vaše zahtjeve za ekstrakciju.

Jednostavno ispitivanje bez rizika

Mjerilo ultrazvučnih procesa može se povećavati potpuno linearno. To znači da se svaki rezultat koji ste postigli laboratorijskim ili stolnim ultrazvučnim uređajem može prenijeti na veće mjerilo uz potpuno jednak izlazni rezultat i potpuno jednake procesne parametre. To sonikaciju čini idealnom za ispitivanje izvedivosti bez rizika, optimizaciju procesa i naknadno uvođenje u komercijalnu proizvodnju. Obratite nam se kako biste saznali kako sonikacija može povećati vašu proizvodnju ekstrakta pektina.

Najviša kvaliteta – projektirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao obiteljsko poduzeće kojim upravlja obitelj, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvalitete svojih ultrazvučnih procesora. Svi ultrazvučni uređaji projektiraju se, proizvode i temeljito ispituju u našem sjedištu u Teltowu pokraj Berlina u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme Hielscher čine je pouzdanim osloncem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodna je značajka visokoučinkovitih miješalica Hielscher.