Magasabb pektin hozam ultrahangos extrakcióval
Az ultrahangos extrakció kiváló minőségű pektinek magas hozamát eredményezi. Szonikálással értékes pektinek hatékonyan előállíthatók gyümölcshulladékból (pl. A gyümölcslé feldolgozásából származó melléktermékek) és más biológiai nyersanyagból. Az ultrahangos pektin extrakció kiemelkedik más extrakciós technikákkal magasabb hozammal, kiváló pektin minőséget és gyors extrakciós eljárást.
Fokozott pektin extrakció szonikálással
A pektint gélesítő, emulgeáló és sűrítőszerként használják számos élelmiszertermékben, valamint kozmetikumok és gyógyszerek összetevőjeként. A hagyományos ipari pektin extrakció forró vizes extrakcióval történik, ahol a nyersanyagot, például a citrushéjat, az almatörkölyt és más gyümölcshulladékot 60–100 °C-os forró vízben, alacsony pH-értéken (kb. pH 1,5 – 3,5) hosszú ideig áztatják. Ez a hagyományos melegvíz-kivonást idő- és energiaigényes folyamattá teszi, amely gyakran nem is elég hatékony ahhoz, hogy felszabadítsa a nyersanyagban rendelkezésre álló pektinek teljes mennyiségét.
Annak érdekében, hogy leküzdje a hatékonyság a hagyományos gyártási módszer, ultrahangos extrakció alkalmazzák folyamatintenzívebb technika, amely csökkenti az extrakciós idő és maximalizálja a pektin hozam jelentősen a hagyományos melegvizes extrakcióhoz képest.
Az ultrahangos pektin extrakció előnye
Az ultrahangos extrakciót a kivonatgyártás számos területén alkalmazzák, pl. növényi és gyógynövénykivonatok élelmiszerekhez, kiegészítőkhöz, gyógyszerekhez és kozmetikumokhoz. Az ultrahangos extrakció nagyon kiemelkedő példája a kannabidiol (CBD) és más vegyületek kivonása a kannabisz növényből.
Az ultrahangos extrakció egy nem termikus extrakciós technika, amely megakadályozza ezáltal a bioaktív vegyületeket a termikus lebomlás ellen. Minden ultrahangos folyamatparaméter, például amplitúdó, intenzitás, idő, hőmérséklet és nyomás, pontosan szabályozható. Ez lehetővé teszi a pontos folyamat- és minőségellenőrzést, és megkönnyíti az extrakciós eredmények megismétlését és reprodukálását. A kivonatgyártók értékelik az ultrahangos kezelést a megbízható folyamat ismételhetősége érdekében, ami segít a folyamatok és termékek szabványosításában.
- szonikációs intenzitás
- hőmérséklet
- pH-érték
- Idő
- A nyersanyag részecskemérete
Az ultrahangos elszívó UIP4000hdT egy 4 kW-os nagy teljesítményű elszívó ipari pektingyártáshoz.
A releváns folyamatparaméterek meghatározása lehetővé teszi az ultrahangos extrakciós folyamat optimalizálását a legnagyobb hatékonyság és a kiváló extrakciós minőség érdekében.
Például a nyersanyag részecskemérete (pl. citrushéj) fontos tényező: A kisebb részecskeméret nagyobb felületet jelent az ultrahangos hullámok számára. A kis részecskeméret magasabb pektinhozamot, alacsonyabb metilációs fokot és a ramnogalakturonán régiók nagyobb arányát eredményezi.
Az extrakciós oldószer (azaz víz + sav) pH-értéke egy másik lényeges paraméter. Amikor a pektint savas körülmények között extraháljuk, a polimer számos ramnogalakturon elágazó régiója lebomlik, így főként homogalakturonán "egyenes" régiók maradnak, néhány semleges cukormolekulával, amelyek a fő lineáris láncon vagy a fő lineáris láncban kapcsolódnak.
Az ultrahangos pektin extrakció csökkenti az extrakciós időt és csökkenti a szükséges folyamathőmérsékletet, ami csökkenti a savakkal történő nemkívánatos pektinmódosítás esélyét. Ez lehetővé teszi savak használatát korlátozott körülmények között annak érdekében, hogy a pektinek pontosan a termék követelményeinek megfelelően módosuljanak.
Mi teszi az ultrahangos pektin extrakciót olyan hatékonynak?
Az ultrahangos extrakció hatása közvetlenül befolyásolja a sejtfalak duzzanatát, perforációját és törését. Az ultrahanggal indukált tömegátadás a középső lamellákban lévő pektinos anyag hidratálódását okozza, ami a növényi szövetek felbomlásához vezet. Az ultrahangos kavitáció és nyíróerők közvetlenül befolyásolják a sejtfalakat és megtörik őket. Ezek a mechanizmusok az ultrahangos extrakció rendkívül hatékony eredményeit eredményezik.
Az ultrahanggal extrahált pektin (akusztikus kavitációval segített extrahált pektin, rövidítve ACAE), amely alacsonyabb molekulatömeggel és metoxilációs fokkal rendelkezett, gazdagabb volt a ramnogalakturán-I régióban, hosszú oldalláncokkal, mint a hagyományos hővel extrahált pektin kémiai és FT-IR elemzésből. Az ulgtrasonic pektin extrakció energiafogyasztása lényegesen alacsonyabb volt, mint a hagyományos fűtési módszer, ami azt jelzi, hogy ígéretes alkalmazása az ipari termelési méretekben.
(vö. Wang et al., 2017)
Wang és munkatársai (2017) azt is alátámasztják, hogy az ultrahanggal segített extrakció gazdaságosabb és környezetbarátabb folyamatnak bizonyult, nagyobb hatékonysággal és alacsonyabb költséggel, mint a hagyományos fűtési extrakció.
A maradék cukorrépapép SEM értéke 1000-szeres nagyításban: a) extrahálás előtt és a pektin b) xilanáz (250 E/g), c) celluláz (300 E/g), d) xilanáz+celluláz (1:1) és e) xilanáz+celluláz (1:1,5) és f) xilanáz+celluláz (1:2) felhasználásával történő extrahálás után.
(tanulmány és képek: Abou-Elseoud et al., 2021)
Hogyan működik az ultrahangos pektin extrakció?
Az ultrahangos extrakció a nagy intenzitású ultrahang sonomechanikai hatásain alapul. A pektin extrakció ultrahangos kezeléssel történő elősegítése és fokozása érdekében a nagy teljesítményű ultrahanghullámokat ultrahangos szondán (más néven ultrahangos kürt vagy sonotrode) keresztül összekapcsolják a folyékony közegbe, azaz a pektintartalmú nyersanyagból és az oldószerből álló szuszpenziót. Az ultrahanghullámok áthaladnak a folyadékon, és váltakozó alacsony nyomású / nagynyomású ciklusokat hoznak létre. Az alacsony nyomású ciklusok során apró vákuumbuborékok (úgynevezett kavitációs buborékok) jönnek létre, amelyek több nyomásciklus alatt nőnek. A buboréknövekedési ciklusok során a folyadékban oldott gázok belépnek a vákuumbuborékba, így a vákuumbuborék növekvő gázbuborékokká alakul át. Egy bizonyos méretben, amikor a buborékok nem tudnak több energiát elnyelni, hevesen összeomlanak egy nagynyomású ciklus során. A buborék implóziót intenzív kavitációs erők jellemzik, beleértve a nagyon magas hőmérsékletet és a 4000 K-t és 1000 atm-et elérő nyomást; valamint a megfelelő magas hőmérséklet- és nyomáskülönbségek. Ezek az ultrahanggal generált turbulenciák és nyíróerők felbontják a növényi sejteket, és felszabadítják az intracelluláris pektint a vízalapú oldószerbe. Mivel az ultrahangos kavitáció rendkívül intenzív tömegátadást eredményez, az ultrahangos kezelés kivételesen magas hozamot eredményez nagyon rövid feldolgozási idő alatt.
Ultrahangos extrakció növényi sejtekből: a mikroszkópos keresztirányú szakasz (TS) mutatja a hatásmechanizmust a sejtekből történő ultrahangos extrakció során (nagyítás 2000x) [forrás: Vilkhu et al. 2011]
Ultrahangos szakaszelszívó UIP2000hdT kaszkatród kürttel
Gyümölcshulladékból kivont pektinek
A gyümölcshulladékok, például a héjak, a gyümölcspépmaradványok (gyümölcslépréselés után) és más gyümölcs-melléktermékek gyakran gazdag pektinforrások. Míg a gyümölcshulladékokat gyakran állati takarmányként használják, a pektinkivonás a gyümölcshulladék értékesebb felhasználása.
Az ultrahangos pektin extrakciót már sikeresen elvégzik citrushéjakkal (például narancs, mandarin, grapefruit), dinnyehéjjal, almatörkölyrel, cukorrépapéppel, mangóhéjjal, paradicsomhulladékkal, valamint jackfruittal, passiógyümölcsrel, fügehéjjal többek között.
Esettanulmányok ultrahangos pektin extrakció
A hagyományos pektin hővel történő extrakciójának hátrányai miatt a kutatás és az ipar már megvizsgálta az innovatív alternatívákat, például az ultrahangos extrakciót. Ezáltal rengeteg információ áll rendelkezésre a különböző nyersanyagok folyamatparamétereiről, valamint a folyamatoptimalizálási adatokról.
Pektin ultrahangos extrakciója almatörkölyből
Dranca és Oroian (2019) megvizsgálta a pektin ultrahanggal segített extrakciós folyamatát az almatörkölyből különböző ultrahangos körülmények között és a Box-Behnken válaszfelület kialakításával. Megállapították, hogy az ultrahang amplitúdója erősen befolyásolja az extrahált pektin hozamát és észteresedésének mértékét, míg az extrakciós pH nagy hatással volt mindhárom válaszra, azaz a hozamra, a GalA-tartalomra és az észterezés mértékére. Az extrakció optimális feltételei 100% amplitúdó, pH 1.8, szilárd-folyadék arány 1:10 g / ml és 30 perc szonikálás. Ilyen körülmények között a pektinhozam 9,183% volt, 98,127 g/100 g GalA tartalommal és 83,202% észterezési fokkal rendelkezett. Az ultrahanggal extrahált pektin eredményeinek a kereskedelmi pektinhez való viszonyításához az optimális körülmények között ultrahangos extrakcióval nyert pektinmintát összehasonlítottuk a kereskedelmi citrus- és almapektinmintákkal FT-IR, DSC, reológiai elemzéssel és SEM-mel. Az első két technika kiemelte az ultrahangos extrakcióval kivont pektinminta néhány sajátosságát, például a molekulatömeg szűkebb eloszlási tartományát, a rendezett molekuláris elrendezést és a kereskedelmi forgalomban kapható alma pektinekhez hasonló magas fokú észterezést. Az ultrahanggal kapott minta morfológiai jellemzőinek elemzése determinációs mintát mutat a minta töredékméreteinek eloszlása és GalA-tartalma között az egyik oldalon, valamint a vízfelvételi kapacitás a másik oldalon. Az ultrahanggal extrahált pektinoldat viszkozitása sokkal magasabb volt, mint a kereskedelmi pektinnel készített oldatoké, ami talán a galakturonsav magas koncentrációja miatt volt. Figyelembe véve a magas észterezési fokot is, ez megmagyarázhatja, hogy miért volt magasabb a viszkozitás az ultrahanggal extrahált pektin esetében. A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a Malus domestica "Fălticeni" almatörkölyből ultrahangos extrakcióval kivont pektin tisztasága, szerkezete és reológiai viselkedése ennek az oldható rostnak az ígéretes alkalmazását jelzi. (vö. Dranca & Oroian 2019)
- magasabb hozamok
- gyorsabb feldolgozás
- Enyhébb feldolgozási feltételek
- jobb általános hatékonyság
- egyszerű és biztonságos kezelés
- Gyors megtérülés
Nagy teljesítményű ultrahangos elszívó pektin előállításához
Az ultrahangos extrakció megbízható feldolgozási technológia, amely megkönnyíti és felgyorsítja a kiváló minőségű pektinek, különböző nyersanyagok, például citrusfélék, melléktermékek és héjak, almatörköly és sok más előállítását. A Hielscher Ultrasonics portfólió lefedi a teljes tartományt a kompakt laboratóriumi ultrahangos készülékektől az ipari extrakciós rendszerekig. Ezáltal mi a Hielscher-nél kínálhatjuk Önnek a legmegfelelőbb ultrahangos készüléket a tervezett folyamatkapacitáshoz. Hosszú ideje tapasztalt munkatársaink segítenek Önnek a megvalósíthatósági tesztektől és a folyamat optimalizálásától az ultrahangos rendszer végső gyártási szinten történő telepítéséig.
Ultrahangos elszívóink kis lábnyoma, valamint sokoldalúsága a telepítési lehetőségekben még kis helyű pektinfeldolgozó létesítményekbe is illeszkedik. Az ultrahangos processzorokat világszerte telepítik az élelmiszer-, gyógyszeripari és táplálékkiegészítő gyártási létesítményekbe.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
Hielscher Ultrasonics – Kifinomult elszívó berendezések
A Hielscher Ultrasonics termékportfóliója lefedi a nagy teljesítményű ultrahangos elszívók teljes skáláját a kis- és nagyméretekben. A további tartozékok lehetővé teszik a pektin extrakciós folyamathoz legmegfelelőbb ultrahangos eszközkonfiguráció könnyű összeszerelését. Az optimális ultrahangos beállítás a tervezett kapacitástól, térfogattól, nyersanyagtól, kötegelt vagy inline folyamattól és idővonaltól függ.
Batch és Inline
A Hielscher ultrahangos készülékek kötegelt és folyamatos átfolyásos feldolgozásra használhatók. Az ultrahangos kötegelt feldolgozás ideális a folyamat teszteléséhez, optimalizálásához és kis és közepes méretű gyártási szinthez. Nagy mennyiségű pektin előállítása esetén az inline feldolgozás előnyösebb lehet. A folyamatos gyártósori keverési folyamat kifinomult beállítást igényel – szivattyúból, tömlőkből vagy csövekből és tartályokból áll, de rendkívül hatékony, gyors és lényegesen kevesebb munkaerőt igényel. A Hielscher Ultrasonics rendelkezik a legmegfelelőbb extrakciós beállítással az extrakciós mennyiséghez és a folyamat céljaihoz.
Ultrahangos elszívók minden termékkapacitáshoz
A Hielscher Ultrasonics termékcsalád lefedi az ultrahangos processzorok teljes spektrumát a kompakt laboratóriumi ultrahangos készülékektől a padon és a kísérleti rendszereken keresztül a teljesen ipari ultrahangos processzorokig, amelyek képesek óránként feldolgozni a teherautókat. A teljes termékválaszték lehetővé teszi számunkra, hogy a legmegfelelőbb ultrahangos elszívót kínáljuk a pektintartalmú nyersanyaghoz, a folyamatkapacitáshoz és a gyártási célokhoz.
Az ultrahangos asztali rendszerek ideálisak a megvalósíthatósági vizsgálatokhoz és a folyamat optimalizálásához. A meghatározott folyamatparamétereken alapuló lineáris méretnövelés nagyon egyszerűvé teszi a feldolgozási kapacitás növelését a kisebb tételekről a teljesen kereskedelmi termelésre. A méretezés egy erősebb ultrahangos elszívó egység telepítésével vagy több ultrahangos készülék párhuzamos csoportosításával történhet. A UIP16000, Hielscher kínál a legerősebb ultrahangos elszívó világszerte.
Pontosan szabályozható amplitúdók az optimális eredmények érdekében
Minden Hielscher ultrasonicators pontosan szabályozható és ezáltal megbízható munka lovak a termelésben. Az amplitúdó az egyik legfontosabb folyamatparaméter, amely befolyásolja a pektin gyümölcsből és biohulladékból történő ultrahangos extrakciójának hatékonyságát és eredményességét.
Minden Hielscher szonikátor lehetővé teszi az amplitúdó pontos beállítását. A sonotrodes és a booster szarvak olyan tartozékok, amelyek lehetővé teszik az amplitúdó még szélesebb tartományban történő módosítását. A Hielscher ipari ultrahangos processzorok nagyon nagy amplitúdókat tudnak biztosítani, és a szükséges ultrahangos intenzitást biztosítják az igényes alkalmazásokhoz. Akár 200 μm-es amplitúdók is könnyedén működtethetők folyamatosan 24/7 üzemben.
A pontos amplitúdóbeállítások és az ultrahangos folyamatparaméterek állandó ellenőrzése intelligens szoftveren keresztül lehetőséget ad arra, hogy nyersanyagát a leghatékonyabb ultrahangos körülmények között kezelje. Optimális szonikálás a legjobb extrakciós eredmények érdekében!
A Hielscher ultrahangos berendezésének robusztussága lehetővé teszi az 24/7 működést nagy teherbírású és igényes környezetben. Ez teszi a Hielscher ultrahangos berendezését megbízható munkaeszközré, amely megfelel az extrakciós követelményeknek.
Egyszerű, kockázatmentes tesztelés
Az ultrahangos folyamatok teljesen lineárisak lehetnek. Ez azt jelenti, hogy minden eredmény, amelyet laboratóriumi vagy asztali ultrahangos készülékkel ért el, pontosan ugyanarra a kimenetre méretezhető pontosan ugyanazokkal a folyamatparaméterekkel. Ez teszi az ultrahangos kezelést ideális a kockázatmentes megvalósíthatósági teszteléshez, a folyamat optimalizálásához és az azt követő kereskedelmi gyártásba történő bevezetéshez. Lépjen kapcsolatba velünk, hogy megtudja, hogyan növelheti az ultrahangos kezelés a pektin kivonat termelését.
Legmagasabb minőség – Németországban tervezték és gyártották
Családi tulajdonban lévő és családi vállalkozásként a Hielscher az ultrahangos processzorok legmagasabb minőségi előírásait helyezi előtérbe. Minden ultrahangos készüléket terveztek, gyártottak és alaposan teszteltek székhelyünkön, Teltow-ban, Berlin közelében, Németországban. A Hielscher ultrahangos berendezésének robusztussága és megbízhatósága teszi azt a munka lóvá a termelésben. Az 24/7 működés teljes terhelés alatt és igényes környezetben a Hielscher nagy teljesítményű keverőinek természetes jellemzője.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszperzióhoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti és ipari méretekben.
A pektinekről
A pektin egy elágazó heteropoliszacharid, amely hosszú láncú galakturonán szegmensekből és más semleges cukrokból, például ramnózból, arabinózból, galaktózból és xilózból áll. Pontosabban, a pektin egy kopolimerblokk, amely 1,4-α-kötésű galakturonsavból és 1,2-kötött ramnózból áll, β-D-galaktóz, L-arabinóz és más cukoregységek oldalágaival. Mivel a pektinben számos cukorrész és különböző szintű metil-észterezés található, a pektinnek nincs meghatározott molekulatömege, mint más poliszacharidoknak. Az élelmiszerekben való felhasználásra meghatározott pektint olyan heteropoliszacharidként definiálják, amely legalább 65% galakturonsav egységet tartalmaz. Speciális extrakciós feltételek alkalmazásával a pektinek sikeresen módosíthatók és funkcionalizálhatók a speciális követelmények teljesítése érdekében. A funkcionalizált és módosított pektinek előállítása különleges alkalmazások, pl. alacsony metoxilált pektin gyógyszeripari felhasználásra szolgál.
Hogyan választható el a pektin az extraktumoldattól?
Pektin kicsapódás ultrahangos extrakció után: Az etanol hozzáadása az extraktoldathoz segíthet a pektin elválasztásában a kicsapásnak nevezett folyamaton keresztül. A pektin, a növények sejtfalában található komplex poliszacharid, normál körülmények között vízben oldódik. Az oldószer környezetének etanol hozzáadásával történő megváltoztatásával azonban csökkenthető a pektin oldhatósága, ami az oldatból történő kicsapódásához vezet.
Az alábbiakban elmagyarázzuk a pektin etanollal történő kicsapásának kémiáját:
- A hidrogénkötések megszakadása: A pektinmolekulákat hidrogénkötések tartják össze, amelyek hozzájárulnak a vízben való oldhatóságukhoz. Az etanol megbontja ezeket a hidrogénkötéseket azáltal, hogy versenyez a vízmolekulákkal a pektinmolekulák kötőhelyéért. Mivel az etanolmolekulák helyettesítik a pektinmolekulák körüli vízmolekulákat, a pektinmolekulák közötti hidrogénkötések gyengülnek, csökkentve az oldószerben való oldhatóságukat.
- Csökkent oldószerpolaritás: Az etanol kevésbé poláris, mint a víz, ami azt jelenti, hogy kevésbé képes feloldani a poláris anyagokat, például a pektint. Ahogy etanolt adunk az extraktumoldathoz, az oldószer általános polaritása csökken, így kevésbé kedvező a pektinmolekulák oldatban maradása. Ez a pektin kicsapódásához vezet az oldatból, mivel kevésbé oldódik az etanol-víz keverékben.
- Megnövekedett pektinkoncentráció: Ahogy a pektin molekulák kicsapódnak az oldatból, a pektin koncentrációja a maradék oldatban nő. Ez lehetővé teszi a pektin könnyebb elválasztását a folyékony fázisból szűréssel vagy centrifugálással.
Irodalom / Hivatkozások
- 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.