Hasil Pektin Lebih Tinggi dengan Ekstraksi Ultrasonik
Ekstraksi ultrasonik menghasilkan hasil tinggi pektin berkualitas unggul. Dengan menggunakan sonikasi, pektin berharga dapat diproduksi secara efisien dari limbah buah (misalnya, produk sampingan dari pengolahan jus) dan bahan baku biologis lainnya. Ekstraksi pektin ultrasonik mengungguli teknik ekstraksi lainnya dengan menghasilkan hasil yang lebih tinggi, memberikan kualitas pektin yang unggul, dan prosedur ekstraksi yang cepat.
Ekstraksi Pektin yang Diintensifkan dengan Sonikasi
Pektin digunakan sebagai zat pembentuk gel, pengemulsi dan pengental dalam berbagai produk makanan serta bahan dalam kosmetik dan obat-obatan. Ekstraksi pektin industri konvensional dilakukan melalui ekstraksi air panas, di mana bahan baku seperti kulit jeruk, pomace apel dan limbah buah lainnya direndam dalam air panas 60–100°C pada pH rendah (sekitar pH 1,5 – 3,5) untuk jangka waktu yang lama. Ini mengubah ekstraksi air panas konvensional menjadi proses yang memakan waktu dan energi, yang seringkali bahkan tidak cukup efisien untuk melepaskan jumlah lengkap pektin yang tersedia dalam bahan baku.
Untuk mengatasi inefisiensi metode produksi konvensional, ekstraksi ultrasonik diterapkan sebagai teknik intensif proses yang mengurangi waktu ekstraksi dan memaksimalkan hasil pektin secara signifikan jika dibandingkan dengan ekstraksi air panas tradisional.
Keuntungan dari ekstraksi pektin ultrasonik
Ekstraksi ultrasonik diterapkan di banyak bidang produksi ekstrak, misalnya ekstrak botani dan herbal untuk makanan, suplemen, obat-obatan, dan kosmetik. Contoh ekstraksi ultrasonik yang sangat menonjol adalah ekstraksi cannabidiol (CBD) dan senyawa lain dari tanaman ganja.
Ekstraksi ultrasonik adalah teknik ekstraksi non-termal, yang mencegah senyawa bioaktif terhadap degradasi termal. Semua parameter proses ultrasonik, seperti amplitudo, intensitas, waktu, suhu dan tekanan, dapat dikontrol dengan tepat. Hal ini memungkinkan proses dan kontrol kualitas yang tepat dan membuatnya mudah untuk mengulangi dan mereproduksi setelah hasil ekstraksi diperoleh. Produsen ekstrak menghargai ultrasonikasi untuk pengulangan proses yang andal, yang membantu menstandarkan proses dan produk.
- intensitas sonikasi
- Suhu
- Nilai pH
- Waktu
- Ukuran partikel bahan baku
Ekstraktor ultrasonik UIP4000hdT adalah ekstraktor kuat 4kW untuk produksi pektin industri.
Penentuan parameter proses yang relevan memungkinkan untuk mengoptimalkan proses ekstraksi ultrasonik ke efisiensi tertinggi dan kualitas ekstrak yang unggul.
Misalnya, ukuran partikel bahan baku (misalnya, kulit jeruk) merupakan faktor penting: Ukuran partikel yang lebih kecil berarti luas permukaan yang lebih tinggi untuk bertindak oleh gelombang ultrasonik. Ukuran partikel yang kecil menghasilkan hasil pektin yang lebih tinggi, tingkat metilasi yang lebih rendah dan rasio wilayah rhamnogalacturonan yang lebih besar.
Nilai pH pelarut ekstraksi (yaitu air + asam) adalah parameter penting lainnya. Ketika pektin diekstraksi dalam kondisi asam, banyak daerah bercabang rhamnogalacturonan dari polimer terurai, sehingga sebagian besar daerah "lurus" homogalacturonan dengan beberapa molekul gula netral yang melekat pada atau dalam rantai linier utama tetap ada.
Ekstraksi pektin ultrasonik mengurangi waktu ekstraksi dan menurunkan suhu proses yang diperlukan, yang mengurangi kemungkinan modifikasi pektin yang tidak diinginkan oleh asam. Hal ini memungkinkan untuk menggunakan asam dalam kondisi terbatas untuk memodifikasi pektin secara tepat sesuai kebutuhan produk.
Apa yang membuat Ekstraksi Pektin Ultrasonik begitu Efisien?
Dampak ekstraksi ultrasonik secara langsung mempengaruhi pembengkakan, perforasi, dan kerusakan dinding sel. Perpindahan massa yang diinduksi secara ultrasonik menyebabkan hidrasi bahan pektin di lamella tengah yang menyebabkan pecahnya jaringan vegetasi. Kavitasi ultrasonik dan gaya geser secara langsung berdampak pada dinding sel dan memecahkannya terbuka. Mekanisme ini menghasilkan hasil ekstraksi ultrasonik yang sangat efisien.
Pektin yang diekstraksi secara ultrasonik (juga pektin ekstraksi dibantu kavitasi akustik, singkatan ACAE) yang memiliki berat molekul dan derajat metoksilasi yang lebih rendah lebih kaya di wilayah rhamnogalacturonan-I dengan rantai samping yang panjang dibandingkan dengan pektin ekstraksi panas konvensional dari analisis kimia dan FT-IR. Konsumsi energi untuk ekstraksi pektin ulgtrasonic secara signifikan lebih rendah daripada metode pemanasan konvensional, yang menunjukkan aplikasinya yang menjanjikan untuk skala produksi industri.
(lih. Wang et al., 2017)
Wang dan rekan-rekannya (2017) juga mendukung bahwa ekstraksi yang dibantu ultrasonik terbukti sebagai proses yang lebih ekonomis dan ramah lingkungan dengan efisiensi yang lebih tinggi dan biaya lebih murah dibandingkan dengan ekstraksi pemanasan konvensional.
SEM sisa bubur bit gula pada pembesaran 1000x: (a) sebelum ekstraksi, dan setelah ekstraksi pektin menggunakan (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Selulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Selulase (1:1), dan (e) Xylanasae+Selulase (1:1.5), dan (f) Xylanasae+Selulase (1:2).
(studi dan gambar: Abou-Elseoud et al., 2021)
Bagaimana Cara Kerja Ekstraksi Pektin Ultrasonik?
Ekstraksi ultrasonik didasarkan pada efek sonomekanis dari ultrasound intensitas tinggi. Untuk mempromosikan dan mengintensifkan ekstraksi pektin melalui ultrasonikasi, gelombang ultrasound berdaya tinggi digabungkan melalui probe ultrasonik (juga disebut tanduk ultrasonik atau sonotrode) ke dalam media cair, yaitu bubur yang terdiri dari bahan baku yang mengandung pektin dan pelarut. Gelombang ultrasound bergerak melalui cairan dan menciptakan siklus tekanan rendah / tekanan tinggi yang bergantian. Selama siklus tekanan rendah, gelembung vakum kecil (yang disebut gelembung kavitasi) dibuat, yang tumbuh selama beberapa siklus tekanan. Selama siklus pertumbuhan gelembung tersebut, gas terlarut dalam cairan memasuki gelembung vakum, sehingga gelembung vakum berubah menjadi gelembung gas yang tumbuh. Pada ukuran tertentu, ketika gelembung tidak dapat menyerap lebih banyak energi, mereka meledak dengan hebat selama siklus tekanan tinggi. Ledakan gelembung ditandai dengan gaya kavitasi yang kuat, termasuk suhu dan tekanan yang sangat tinggi masing-masing mencapai hingga 4000K dan 1000atm; serta perbedaan suhu dan tekanan tinggi yang sesuai. Turbulensi dan gaya geser yang dihasilkan secara ultrasonik ini memecah sel tumbuhan dan melepaskan pektin intraseluler ke dalam pelarut berbasis air. Karena kavitasi ultrasonik menciptakan perpindahan massa yang sangat intens, sonikasi menghasilkan hasil yang sangat tinggi dalam waktu pemrosesan yang sangat singkat.
Ekstraksi ultrasonik dari sel tumbuhan: bagian melintang mikroskopis (TS) menunjukkan mekanisme tindakan selama ekstraksi ultrasonik dari sel (perbesaran 2000x) [sumber: Vilkhu et al. 2011]
Ekstraktor batch ultrasonik UIP2000hdT dengan tanduk cascatrode
Pektin yang Diekstraksi dari Limbah Buah
Limbah buah seperti kulit, residu bubur buah (setelah pengepresan jus buah), dan produk sampingan buah lainnya seringkali merupakan sumber pektin yang kaya. Sementara produk limbah buah sering digunakan sebagai pakan ternak, ekstraksi pektin adalah penggunaan limbah buah yang lebih berharga.
Ekstraksi pektin ultrasonik sudah berhasil dilakukan dengan kulit jeruk (seperti jeruk, jeruk keprok, jeruk bali), kulit melon, ampas apel, bubur bit, kulit mangga, limbah tomat, serta nangka, markisa, kulit ara antara lain.
Studi Kasus Ekstraksi Pektin Ultrasonik
Karena kelemahan ekstraksi pektin konvensional dengan panas, penelitian dan industri telah menyelidiki alternatif inovatif seperti ekstraksi ultrasonik. Dengan demikian, banyak informasi parameter proses untuk berbagai bahan baku serta data optimasi proses tersedia.
Ekstraksi Ultrasonik Pektin dari Pomace Apel
Dranca dan Oroian (2019) menyelidiki proses ekstraksi pektin yang dibantu ultrasonik dari pomace apel dengan menerapkan berbagai kondisi ultrasonik dan menggunakan desain permukaan respons Box-Behnken. Mereka menemukan bahwa amplitudo ultrasound sangat mempengaruhi hasil dan tingkat esterifikasi pektin yang diekstraksi, sedangkan pH ekstraksi berdampak besar pada ketiga respons, yaitu hasil, kandungan GalA, dan tingkat esterifikasi. Kondisi optimal untuk ekstraksi adalah amplitudo 100%, pH 1,8, rasio padat-cair 1:10 g/mL, dan sonikasi 30 menit. Dalam kondisi ini, hasil pektin adalah 9,183% dan memiliki kandungan 98,127 g/100 g GalA dan 83,202% derajat esterifikasi. Untuk mengatur hasil pektin yang diekstraksi secara ultrasonik dalam kaitannya dengan pektin komersial, sampel pektin yang diperoleh dengan ekstraksi ultrasonik dalam kondisi optimal dibandingkan dengan sampel jeruk dan pektin apel komersial dengan FT-IR, DSC, analisis reologis, dan SEM. Dua teknik pertama menyoroti beberapa kekhasan sampel pektin yang diekstraksi dengan ekstraksi ultrasonik seperti rentang distribusi berat molekul yang lebih sempit, susunan molekul yang teratur, dan tingkat esterifikasi yang tinggi yang mirip dengan pektin apel yang tersedia secara komersial. Analisis karakteristik morfologi sampel yang diperoleh secara ultrasonik menunjukkan pola penentuan antara distribusi ukuran fragmen sampel ini dan kandungan GalA-nya di satu sisi, dan kapasitas penyerapan air di sisi lain. Viskositas larutan pektin yang diekstraksi secara ultrasonik jauh lebih tinggi daripada larutan yang dibuat menggunakan pektin komersial, yang mungkin karena konsentrasi asam galakturonat yang tinggi. Ketika juga mempertimbangkan tingkat esterifikasi yang tinggi, ini mungkin menjelaskan mengapa viskositas lebih tinggi untuk pektin yang diekstraksi secara ultrasonik. Para peneliti menyimpulkan bahwa kemurnian, struktur, dan perilaku reologi pektin yang diekstraksi dengan ekstraksi ultrasonik dari ampas apel Malus domestica 'Fălticeni' menunjukkan aplikasi yang menjanjikan dari serat larut ini. (lih. Dranca & Oroian 2019)
- hasil yang lebih tinggi
- Pemrosesan lebih cepat
- Kondisi pemrosesan yang lebih ringan
- Peningkatan efisiensi keseluruhan
- Pengoperasian yang sederhana dan aman
- ROI Cepat
Ekstraktor Ultrasonik Kinerja Tinggi untuk Produksi Pektin
Ekstraksi ultrasonik adalah teknologi pemrosesan yang andal, yang memfasilitasi dan mempercepat produksi pektin berkualitas tinggi berbagai bahan baku seperti produk sampingan dan kulit buah jeruk, pomace apel dan banyak lainnya. Portofolio Hielscher Ultrasonics mencakup berbagai macam mulai dari ultrasonicators laboratorium kompak hingga sistem ekstraksi industri. Dengan demikian, kami di Hielscher dapat menawarkan ultrasonicator yang paling cocok untuk kapasitas proses yang Anda bayangkan. Staf kami yang berpengalaman lama akan membantu Anda mulai dari uji kelayakan dan optimalisasi proses hingga pemasangan sistem ultrasonik Anda pada tingkat produksi akhir.
Jejak kaki kecil dari ekstraktor ultrasonik kami serta keserbagunaannya dalam opsi pemasangan membuatnya cocok bahkan dengan fasilitas pemrosesan pektin ruang kecil. Prosesor ultrasonik dipasang di seluruh dunia di fasilitas produksi makanan, farmasi, dan suplemen nutrisi.
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
| Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 sampai 100L/menit | UIP16000 |
| n.a. | kristal yang lebbig | cluster UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanya Kami!
Hielscher Ultrasonics – Peralatan Ekstraksi Canggih
Portofolio produk Hielscher Ultrasonics mencakup berbagai macam ekstraktor ultrasonik berkinerja tinggi dari skala kecil hingga besar. Aksesori tambahan memungkinkan perakitan konfigurasi perangkat ultrasonik yang paling sesuai dengan mudah untuk proses ekstraksi pektin Anda. Pengaturan ultrasonik yang optimal tergantung pada kapasitas yang dibayangkan, volume, bahan baku, batch atau proses inline dan garis waktu.
batch dan inline
Ultrasonicators Hielscher dapat digunakan untuk pemrosesan batch dan flow-through kontinu. Pemrosesan batch ultrasonik sangat ideal untuk pengujian proses, pengoptimalan, dan tingkat produksi ukuran kecil hingga menengah. Untuk memproduksi pektin dalam jumlah besar, pemrosesan inline mungkin lebih menguntungkan. Proses pencampuran inline yang berkelanjutan membutuhkan pengaturan yang canggih – terdiri dari pompa, selang atau pipa dan tangki -, tetapi sangat efisien, cepat dan membutuhkan tenaga kerja yang jauh lebih sedikit. Hielscher Ultrasonics memiliki pengaturan ekstraksi yang paling sesuai untuk volume ekstraksi dan tujuan proses Anda.
Ekstraktor Ultrasonik untuk Setiap Kapasitas Produk
Rangkaian produk Hielscher Ultrasonics mencakup spektrum penuh prosesor ultrasonik dari ultrasonicator lab kompak melalui sistem bench-top dan pilot hingga prosesor ultrasonik industri penuh dengan kapasitas untuk memproses muatan truk per jam. Rangkaian produk lengkap memungkinkan kami untuk menawarkan ekstraktor ultrasonik yang paling cocok untuk bahan baku yang mengandung pektin, kapasitas proses, dan target produksi Anda.
Sistem benchtop ultrasonik ideal untuk uji kelayakan dan pengoptimalan proses. Peningkatan skala linier berdasarkan parameter proses yang ditetapkan membuatnya sangat mudah untuk meningkatkan kapasitas pemrosesan dari lot yang lebih kecil ke produksi komersial sepenuhnya. Peningkatan skala dapat dilakukan dengan memasang unit ekstraktor ultrasonik yang lebih kuat atau mengelompokkan beberapa ultrasonicator secara paralel. Dengan UIP16000 ini, Hielscher menawarkan ekstraktor ultrasonik paling kuat di seluruh dunia.
Amplitudo yang dapat dikontrol secara tepat untuk hasil yang optimal
Semua ultrasonicator Hielscher dapat dikontrol dengan tepat dan dengan demikian kuda kerja yang andal dalam produksi. Amplitudo adalah salah satu parameter proses penting yang mempengaruhi efisiensi dan efektivitas ekstraksi ultrasonik pektin dari buah dan limbah hayati.
Semua sonicator Hielscher memungkinkan pengaturan amplitudo yang tepat. Sonotrodes dan klakson booster adalah aksesori yang memungkinkan untuk memodifikasi amplitudo dalam jangkauan yang lebih luas. Prosesor ultrasonik industri Hielscher dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi dan memberikan intensitas ultrasonik yang diperlukan untuk aplikasi yang menuntut. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7.
Pengaturan amplitudo yang tepat dan pemantauan permanen parameter proses ultrasonik melalui perangkat lunak pintar memberi Anda kemungkinan untuk merawat bahan baku Anda dengan kondisi ultrasonik yang paling efektif. Sonikasi optimal untuk hasil ekstraksi terbaik!
Kekokohan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan pengoperasian 24/7 pada tugas berat dan di lingkungan yang menuntut. Hal ini menjadikan peralatan ultrasonik Hielscher sebagai alat kerja yang andal yang memenuhi kebutuhan ekstraksi Anda.
Pengujian yang Mudah dan Bebas Risiko
Proses ultrasonik dapat sepenuhnya berskala linier. Ini berarti setiap hasil yang telah Anda capai menggunakan ultrasonicator lab atau bench-top, dapat diskalakan ke output yang persis sama menggunakan parameter proses yang persis sama. Hal ini membuat ultrasonication ideal untuk pengujian kelayakan bebas risiko, optimalisasi proses dan implementasi selanjutnya ke dalam manufaktur komersial. Hubungi kami untuk mempelajari bagaimana sonikasi dapat meningkatkan produksi ekstrak pektin Anda.
Kualitas Tertinggi – Dirancang dan Diproduksi di Jerman
Sebagai bisnis milik keluarga dan dikelola keluarga, Hielscher memprioritaskan standar kualitas tertinggi untuk prosesor ultrasoniknya. Semua ultrasonicator dirancang, diproduksi dan diuji secara menyeluruh di kantor pusat kami di Teltow dekat Berlin, Jerman. Kekokohan dan keandalan peralatan ultrasonik Hielscher menjadikannya kuda kerja dalam produksi Anda. Operasi 24/7 di bawah beban penuh dan di lingkungan yang menuntut adalah karakteristik alami dari mixer berkinerja tinggi Hielscher.
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, percontohan, dan industri.
Tentang Pektin
Pektin adalah heteropolisakarida bercabang yang terdiri dari segmen galakturonan rantai panjang dan gula netral lainnya seperti rhamnose, arabinosa, galaktosa, dan xilosa. Untuk lebih spesifiknya, pektin adalah blok ko-polimer yang terdiri dari asam galakturonat 1,4-α-terkait dan rhamnose 1,2-terkait dengan cabang samping β-D-galaktosa, L-arabinosa dan unit gula lainnya. Karena dalam pektin beberapa bagian gula dan tingkat metil esterifikasi yang berbeda ditemukan, pektin tidak memiliki berat molekul yang ditentukan seperti polisakarida lainnya. Pektin, yang ditentukan untuk digunakan dalam makanan, didefinisikan sebagai heteropolisakarida yang mengandung setidaknya 65% unit asam galakturonat. Dengan menerapkan kondisi ekstraksi tertentu, pektin dapat berhasil dimodifikasi dan difungsikan untuk memenuhi persyaratan khusus. Produksi pektin yang difungsikan dan dimodifikasi menarik untuk aplikasi khusus, misalnya pektin rendah metoksilasi untuk obat-obatan.
Bagaimana Pektin Dipisahkan dari Larutan Ekstrak?
Presipitasi Pektin setelah Ekstraksi Ultrasonik: Menambahkan etanol ke dalam larutan ekstrak dapat membantu memisahkan pektin melalui proses yang disebut pengendapan. Pektin, polisakarida kompleks yang ditemukan di dinding sel tanaman, larut dalam air dalam kondisi normal. Namun, dengan mengubah lingkungan pelarut dengan penambahan etanol, kelarutan pektin dapat dikurangi, yang menyebabkan presipitasi dari larutan.
Di bawah ini, kami menjelaskan kimia di balik pengendapan pektin menggunakan etanol:
- Gangguan Ikatan Hidrogen: Molekul pektin disatukan oleh ikatan hidrogen, yang berkontribusi pada kelarutannya dalam air. Etanol mengganggu ikatan hidrogen ini dengan bersaing dengan molekul air untuk mendapatkan tempat pengikatan pada molekul pektin. Ketika molekul etanol menggantikan molekul air di sekitar molekul pektin, ikatan hidrogen antara molekul pektin melemah, mengurangi kelarutannya dalam pelarut.
- Penurunan Polaritas Pelarut: Etanol kurang polar daripada air, artinya ia memiliki kemampuan yang lebih rendah untuk melarutkan zat polar seperti pektin. Saat etanol ditambahkan ke larutan ekstrak, polaritas keseluruhan pelarut berkurang, sehingga kurang menguntungkan molekul pektin untuk tetap berada dalam larutan. Hal ini menyebabkan pengendapan pektin keluar dari larutan karena menjadi kurang larut dalam campuran etanol-air.
- Peningkatan konsentrasi pektin: Saat molekul pektin mengendap keluar dari larutan, konsentrasi pektin dalam larutan yang tersisa meningkat. Hal ini memungkinkan pemisahan pektin yang lebih mudah dari fase cair melalui filtrasi atau sentrifugasi.
Literatur / Referensi
- 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.