Maggiori rese di pectina con l'estrazione a ultrasuoni
L'estrazione a ultrasuoni consente di ottenere elevate rese di pectine di qualità superiore. Utilizzando la sonicazione, è possibile produrre in modo efficiente pectine pregiate da scarti di frutta (ad esempio, sottoprodotti della lavorazione del succo) e altre materie prime biologiche. L'estrazione della pectina con ultrasuoni è superiore ad altre tecniche di estrazione, in quanto produce rese più elevate, offre una qualità superiore di pectina e una procedura di estrazione rapida.
Estrazione intensificata della pectina mediante sonicazione
La pectina è utilizzata come gelificante, emulsionante e addensante in numerosi prodotti alimentari e come ingrediente di cosmetici e farmaci. L'estrazione industriale convenzionale della pectina avviene tramite estrazione ad acqua calda, in cui la materia prima, come le bucce di agrumi, la sansa di mele e altri scarti di frutta, viene immersa in acqua calda a 60-100°C e a basso pH (circa pH 1,5 - 3,5) per un lungo periodo di tempo. In questo modo l'estrazione convenzionale con acqua calda diventa un processo che richiede tempo ed energia e che spesso non è nemmeno abbastanza efficiente per rilasciare la quantità completa di pectine disponibili nella materia prima.
Per superare l'inefficienza del metodo di produzione convenzionale, l'estrazione a ultrasuoni viene applicata come tecnica di intensificazione del processo che riduce il tempo di estrazione e massimizza la resa di pectina in modo significativo rispetto alla tradizionale estrazione con acqua calda.
Il vantaggio dell'estrazione della pectina a ultrasuoni
L'estrazione a ultrasuoni viene applicata in molti campi della produzione di estratti, ad esempio estratti botanici e di erbe per alimenti, integratori, prodotti farmaceutici e cosmetici. Un esempio molto importante di estrazione a ultrasuoni è l'estrazione del cannabidiolo (CBD) e di altri composti dalla pianta di cannabis.
L'estrazione a ultrasuoni è una tecnica di estrazione non termica, che impedisce ai composti bioattivi di degradarsi termicamente. Tutti i parametri del processo a ultrasuoni, come ampiezza, intensità, tempo, temperatura e pressione, possono essere controllati esattamente. Ciò consente un controllo preciso del processo e della qualità e facilita la ripetizione e la riproduzione dei risultati di estrazione ottenuti. I produttori di estratti apprezzano l'ultrasonicazione per l'affidabile ripetibilità del processo, che aiuta a standardizzare i processi e i prodotti.
- intensità di sonicazione
- Temperatura
- Valore del pH
- Tempo
- Dimensione delle particelle della materia prima
L'estrattore a ultrasuoni UIP4000hdT è un potente estrattore da 4 kW per la produzione industriale di pectina.
La determinazione dei parametri di processo rilevanti consente di ottimizzare il processo di estrazione a ultrasuoni per ottenere la massima efficienza e una qualità superiore dell'estratto.
Ad esempio, la dimensione delle particelle della materia prima (ad esempio, le bucce di agrumi) è un fattore importante: Una dimensione minore delle particelle significa una maggiore superficie su cui agiscono le onde ultrasoniche. Una dimensione ridotta delle particelle si traduce quindi in una maggiore resa di pectina, in un minor grado di metilazione e in un maggior rapporto di regioni di ramnogalatturoni.
Il valore del pH del solvente di estrazione (cioè acqua + acido) è un altro parametro essenziale. Quando la pectina viene estratta in condizioni acide, molte regioni ramificate di ramnogalatturonano del polimero vengono decomposte, in modo che rimangano principalmente regioni "dritte" di omogalatturonano con alcune molecole di zucchero neutro attaccate sulla o nella catena lineare principale.
L'estrazione della pectina con ultrasuoni riduce il tempo di estrazione e la temperatura di processo richiesta, riducendo la possibilità di modifiche indesiderate della pectina da parte degli acidi. Ciò consente di utilizzare gli acidi in condizioni limitate per modificare le pectine in base alle esigenze del prodotto.
Cosa rende l'estrazione della pectina a ultrasuoni così efficiente?
L'impatto dell'estrazione a ultrasuoni influisce direttamente sul rigonfiamento, la perforazione e la rottura delle pareti cellulari. Il trasferimento di massa indotto dagli ultrasuoni provoca l'idratazione del materiale pectinoso nella lamella centrale, portando alla rottura dei tessuti vegetali. La cavitazione ultrasonica e le forze di taglio colpiscono direttamente le pareti cellulari e le rompono. Questi meccanismi determinano i risultati altamente efficienti dell'estrazione a ultrasuoni.
La pectina estratta con ultrasuoni (anche pectina estratta con cavitazione acustica assistita, abbreviata in ACAE), che aveva un peso molecolare e un grado di metossilazione più bassi, era più ricca di ramnogalatturonano-I con catene laterali lunghe rispetto alla pectina convenzionale estratta con il calore dall'analisi chimica e FT-IR. Il consumo di energia per l'estrazione ulgtrasonica della pectina è stato significativamente inferiore rispetto al metodo di riscaldamento convenzionale, il che indica la sua promettente applicazione per la produzione su scala industriale.
(cfr. Wang et al., 2017)
Wang e colleghi (2017) sottolineano inoltre che l'estrazione assistita da ultrasuoni si è dimostrata un processo più economico e rispettoso dell'ambiente, con un'efficienza maggiore e costi inferiori rispetto all'estrazione con riscaldamento convenzionale.
SEM della polpa di barbabietola da zucchero residua a ingrandimento 1000x: (a) prima dell'estrazione e dopo l'estrazione della pectina utilizzando (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulasi (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulasi (1:1), (e) Xylanasae+Cellulasi (1:1,5) e (f) Xylanasae+Cellulasi (1:2).
(studio e immagini: Abou-Elseoud et al., 2021)
Come funziona l'estrazione della pectina a ultrasuoni?
L'estrazione a ultrasuoni si basa sugli effetti sonomeccanici degli ultrasuoni ad alta intensità. Per promuovere e intensificare l'estrazione della pectina tramite ultrasuoni, le onde ultrasonore ad alta potenza vengono accoppiate tramite una sonda ultrasonica (chiamata anche tromba ultrasonica o sonotrodo) nel mezzo liquido, cioè l'impasto costituito dalla materia prima contenente pectina e dal solvente. Le onde ultrasonore attraversano il liquido e creano cicli alternati di bassa pressione/alta pressione. Durante i cicli di bassa pressione, si creano minuscole bolle di vuoto (le cosiddette bolle di cavitazione), che si sviluppano per diversi cicli di pressione. Durante questi cicli di crescita delle bolle, i gas disciolti nel liquido entrano nella bolla di vuoto, in modo che la bolla di vuoto si trasformi in bolle di gas in crescita. A una certa dimensione, quando le bolle non possono più assorbire energia, implodono violentemente durante un ciclo ad alta pressione. L'implosione delle bolle è caratterizzata da intense forze cavitazionali, tra cui temperature e pressioni molto elevate che raggiungono rispettivamente i 4000K e i 1000atm, oltre a corrispondenti differenziali di temperatura e pressione elevati. Queste turbolenze e forze di taglio generate dagli ultrasuoni rompono le cellule vegetali e rilasciano le pectine intracellulari nel solvente a base di acqua. Poiché la cavitazione ultrasonica crea un trasferimento di massa molto intenso, la sonicazione consente di ottenere rese eccezionalmente elevate in tempi di lavorazione molto brevi.
Estrazione a ultrasuoni da cellule vegetali: la sezione trasversale microscopica (TS) mostra il meccanismo di azione durante l'estrazione a ultrasuoni dalle cellule (ingrandimento 2000x) [risorsa: Vilkhu et al. 2011].
Estrattore a ultrasuoni UIP2000hdT con corno a cascata
Pectine estratte da scarti di frutta
Gli scarti della frutta, come le bucce, i residui della polpa di frutta (dopo la spremitura del succo di frutta) e altri sottoprodotti della frutta, sono spesso fonti ricche di pectina. Mentre i prodotti di scarto della frutta sono spesso utilizzati come mangime per animali, l'estrazione della pectina è un uso più prezioso degli scarti della frutta.
L'estrazione di pectina a ultrasuoni è già stata eseguita con successo con le bucce di agrumi (come arance, mandarini, pompelmi), le bucce di melone, la polpa di mela, la polpa di barbabietola da zucchero, le bucce di mango, gli scarti di pomodoro, nonché le bucce di jackfruit, frutto della passione e fico, tra gli altri.
Casi di studio sull'estrazione della pectina a ultrasuoni
A causa degli svantaggi dell'estrazione convenzionale della pectina mediante calore, la ricerca e l'industria hanno già studiato alternative innovative come l'estrazione a ultrasuoni. Sono quindi disponibili numerose informazioni sui parametri di processo per varie materie prime e dati sull'ottimizzazione del processo.
Estrazione a ultrasuoni di pectina dalla sansa di mela
Dranca e Oroian (2019) hanno studiato il processo di estrazione assistita da ultrasuoni della pectina dalla sansa di mela applicando varie condizioni di ultrasuoni e utilizzando il disegno della superficie di risposta Box-Behnken. Hanno scoperto che l'ampiezza degli ultrasuoni influenza fortemente la resa e il grado di esterificazione della pectina estratta, mentre il pH di estrazione ha un grande impatto su tutte e tre le risposte, ossia resa, contenuto di GalA e grado di esterificazione. Le condizioni ottimali per l'estrazione sono state 100% di ampiezza, pH di 1,8, rapporto solido-liquido di 1:10 g/mL e sonicazione di 30 minuti. In queste condizioni, la resa di pectina è stata del 9,183%, con un contenuto di GalA di 98,127 g/100 g e un grado di esterificazione dell'83,202%. Per mettere in relazione i risultati della pectina estratta a ultrasuoni con quelli della pectina commerciale, i campioni di pectina ottenuti con l'estrazione a ultrasuoni in condizioni ottimali sono stati confrontati con campioni di pectina commerciale di agrumi e mele mediante FT-IR, DSC, analisi reologica e SEM. Le prime due tecniche hanno evidenziato alcune particolarità del campione di pectina estratto con gli ultrasuoni, come la distribuzione più ristretta del peso molecolare, la disposizione ordinata delle molecole e l'elevato grado di esterificazione, simile a quello delle pectine di mela disponibili in commercio. L'analisi delle caratteristiche morfologiche del campione ottenuto con gli ultrasuoni indica un modello di determinazione tra la distribuzione delle dimensioni dei frammenti di questo campione e il suo contenuto di GalA da un lato, e la capacità di assorbimento dell'acqua dall'altro. La viscosità della soluzione di pectina estratta con gli ultrasuoni è risultata molto più elevata di quella delle soluzioni prodotte con pectina commerciale, forse a causa dell'elevata concentrazione di acido galatturonico. Se si considera anche l'alto grado di esterificazione, questo potrebbe spiegare perché la viscosità era più alta per la pectina estratta con gli ultrasuoni. I ricercatori concludono che la purezza, la struttura e il comportamento reologico della pectina estratta con ultrasuoni dalla sansa di Malus domestica 'Fălticeni' indicano applicazioni promettenti di questa fibra solubile. (cfr. Dranca & Oroian 2019)
- Rendimenti più elevati
- elaborazione più rapida
- condizioni di lavorazione più miti
- miglioramento dell'efficienza complessiva
- funzionamento semplice e sicuro
- ROI veloce
Estrattore a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di pectina
L'estrazione a ultrasuoni è una tecnologia di lavorazione affidabile, che facilita e accelera la produzione di pectine di alta qualità in diverse materie prime, come i sottoprodotti e le bucce degli agrumi, la sansa di mele e molte altre. Il portafoglio di Hielscher Ultrasonics copre l'intera gamma, dagli ultrasuoni compatti da laboratorio ai sistemi di estrazione industriali. In questo modo, noi di Hielscher siamo in grado di offrirvi l'ultrasuonatore più adatto alla capacità di processo prevista. Il nostro personale di lunga esperienza vi assisterà dai test di fattibilità e dall'ottimizzazione del processo fino all'installazione del vostro sistema a ultrasuoni a livello di produzione finale.
L'ingombro ridotto dei nostri estrattori a ultrasuoni e la loro versatilità nelle opzioni di installazione li rendono adatti anche a impianti di lavorazione della pectina con spazi ridotti. I processori a ultrasuoni sono installati in tutto il mondo in impianti di produzione di alimenti, prodotti farmaceutici e integratori alimentari.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdt |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics – Apparecchiature di estrazione sofisticate
Il portafoglio prodotti di Hielscher Ultrasonics copre l'intera gamma di estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni, dalla piccola alla grande scala. Gli accessori aggiuntivi consentono di assemblare facilmente la configurazione di dispositivi a ultrasuoni più adatta al vostro processo di estrazione della pectina. La configurazione ottimale degli ultrasuoni dipende dalla capacità prevista, dal volume, dalla materia prima, dal processo in batch o in linea e dalla tempistica.
Batch e Inline
Gli ultrasuonatori Hielscher possono essere utilizzati per il trattamento batch e continuo a flusso continuo. La lavorazione a ultrasuoni in batch è ideale per testare il processo, ottimizzarlo e per la produzione di piccole e medie dimensioni. Per la produzione di grandi volumi di pectina, il processo in linea potrebbe essere più vantaggioso. Un processo di miscelazione continua in linea richiede un'impostazione sofisticata – che consiste in una pompa, tubi o tubazioni e serbatoi -, ma è altamente efficiente, rapido e richiede molta meno manodopera. Hielscher Ultrasonics ha la configurazione di estrazione più adatta al vostro volume di estrazione e agli obiettivi del processo.
Estrattori a ultrasuoni per ogni capacità di prodotto
La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intero spettro dei processori a ultrasuoni, dagli ultrasuoni compatti da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di lavorare carichi di camion all'ora. L'intera gamma di prodotti ci permette di offrirvi l'estrattore a ultrasuoni più adatto alla vostra materia prima contenente pectina, alla capacità di processo e agli obiettivi di produzione.
I sistemi da banco a ultrasuoni sono ideali per le prove di fattibilità e l'ottimizzazione dei processi. Lo scale-up lineare basato sui parametri di processo stabiliti rende molto facile aumentare le capacità di lavorazione da lotti più piccoli alla produzione commerciale completa. L'up-scaling può essere effettuato installando un'unità di estrazione a ultrasuoni più potente o raggruppando più ultrasuoni in parallelo. Con il modello UIP16000, Hielscher offre l'estrattore a ultrasuoni più potente al mondo.
Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali
Tutti gli ultrasonici Hielscher sono controllabili con precisione e quindi affidabili nella produzione. L'ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l'efficienza e l'efficacia dell'estrazione a ultrasuoni della pectina dalla frutta e dai rifiuti organici.
Tutti i sonicatori Hielscher consentono di impostare con precisione l'ampiezza. I sonotrodi e le trombe di rinforzo sono accessori che consentono di modificare l'ampiezza in un intervallo ancora più ampio. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher sono in grado di erogare ampiezze molto elevate e di fornire l'intensità ultrasonica richiesta per le applicazioni più complesse. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Le impostazioni precise dell'ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo a ultrasuoni tramite un software intelligente consentono di trattare la materia prima con le condizioni ultrasoniche più efficaci. Sonicazione ottimale per i migliori risultati di estrazione!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili. Ciò rende le apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher uno strumento di lavoro affidabile che soddisfa le vostre esigenze di estrazione.
Test facili e senza rischi
I processi a ultrasuoni possono essere scalati in modo completamente lineare. Ciò significa che ogni risultato ottenuto con un ultrasuonatore da laboratorio o da banco può essere scalato esattamente allo stesso risultato utilizzando gli stessi parametri di processo. Ciò rende l'ultrasonicazione ideale per la verifica di fattibilità senza rischi, l'ottimizzazione dei processi e la successiva implementazione nella produzione commerciale. Contattateci per sapere come la sonicazione può aumentare la vostra produzione di estratto di pectina.
Massima qualità – Progettato e prodotto in Germania
In quanto azienda a conduzione familiare, Hielscher dà priorità ai più alti standard di qualità per i suoi processori a ultrasuoni. Tutti gli ultrasuonatori sono progettati, prodotti e testati a fondo nella nostra sede centrale di Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l'affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher ne fanno un cavallo di battaglia nella vostra produzione. Il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a pieno carico e in ambienti difficili è una caratteristica naturale dei miscelatori ad alte prestazioni Hielscher.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Informazioni sulle pectine
La pectina è un eteropolisaccaride ramificato costituito da segmenti di galatturonano a lunga catena e altri zuccheri neutri come ramnosio, arabinosio, galattosio e xilosio. Più precisamente, la pectina è un blocco di copolimero composto da acido galatturonico legato a 1,4-α e ramnosio legato a 1,2 con rami laterali di β-D-galattosio, L-arabinosio e altre unità di zucchero. Poiché nella pectina si trovano diverse società zuccherine e diversi livelli di esterificazione metilica, la pectina non ha un peso molecolare definito come altri polisaccaridi. La pectina, che è specificata per l'uso negli alimenti, è definita come un eteropolisaccaride contenente almeno il 65% di unità di acido galatturonico. Applicando specifiche condizioni di estrazione, le pectine possono essere modificate e funzionalizzate con successo per soddisfare requisiti specifici. La produzione di pectine funzionalizzate e modificate è interessante per applicazioni speciali, come ad esempio la pectina a basso contenuto di metossile per i prodotti farmaceutici.
Come si separa la pectina dalla soluzione di estratto?
Precipitazione della pectina dopo l'estrazione a ultrasuoni: L'aggiunta di etanolo a una soluzione di estratto può aiutare a separare la pectina attraverso un processo chiamato precipitazione. La pectina, un polisaccaride complesso presente nelle pareti cellulari delle piante, è solubile in acqua in condizioni normali. Tuttavia, alterando l'ambiente del solvente con l'aggiunta di etanolo, la solubilità della pectina può essere ridotta, portando alla sua precipitazione dalla soluzione.
Di seguito vi spieghiamo la chimica che sta alla base della precipitazione della pectina con l'etanolo:
- Interruzione dei legami idrogeno: Le molecole di pectina sono tenute insieme da legami idrogeno, che contribuiscono alla loro solubilità in acqua. L'etanolo interrompe questi legami idrogeno competendo con le molecole d'acqua per i siti di legame sulle molecole di pectina. Quando le molecole di etanolo sostituiscono le molecole di acqua intorno alle molecole di pectina, i legami idrogeno tra le molecole di pectina si indeboliscono, riducendo la loro solubilità nel solvente.
- Diminuzione della polarità del solvente: L'etanolo è meno polare dell'acqua, quindi ha una minore capacità di sciogliere sostanze polari come la pectina. Quando l'etanolo viene aggiunto alla soluzione di estratto, la polarità complessiva del solvente diminuisce, rendendo meno favorevole la permanenza in soluzione delle molecole di pectina. Questo porta alla precipitazione della pectina dalla soluzione, poiché diventa meno solubile nella miscela di etanolo e acqua.
- Aumento della concentrazione di pectina: Quando le molecole di pectina precipitano dalla soluzione, la concentrazione di pectina nella soluzione rimanente aumenta. Ciò consente una più facile separazione della pectina dalla fase liquida mediante filtrazione o centrifugazione.
Letteratura / Riferimenti
- 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.