Rese più elevate di pectina con l’estrazione a ultrasuoni

L’estrazione a ultrasuoni consente di ottenere rese elevate di pectine di qualità superiore. Mediante la sonicazione, è possibile produrre in modo efficiente pectine di valore dagli scarti della frutta (ad esempio, sottoprodotti della lavorazione dei succhi) e da altre materie prime biologiche. L’estrazione della pectina a ultrasuoni supera le altre tecniche di estrazione grazie a rese più elevate, una qualità superiore della pectina e una procedura di estrazione rapida.

Estrazione della pectina intensificata mediante sonicazione

La pectina viene utilizzata come agente gelificante, emulsionante e addensante in numerosi prodotti alimentari, oltre che come ingrediente in cosmetici e prodotti farmaceutici. L’estrazione industriale convenzionale della pectina viene effettuata con acqua calda: la materia prima, come bucce di agrumi, sansa di mele e altri scarti della frutta, viene immersa a lungo in acqua calda a 60–100°C e a basso pH (circa pH 1,5 – 3,5). Questo rende l’estrazione convenzionale con acqua calda un processo che richiede molto tempo ed energia e che spesso non è nemmeno sufficientemente efficiente da liberare tutta la quantità di pectine disponibile nella materia prima.
Per superare l’inefficienza del metodo di produzione convenzionale, l’estrazione a ultrasuoni viene applicata come tecnica di intensificazione del processo, riducendo il tempo di estrazione e massimizzando significativamente la resa di pectina rispetto all’estrazione tradizionale con acqua calda.

Il vantaggio dell’estrazione della pectina a ultrasuoni

L’estrazione a ultrasuoni viene applicata in molti ambiti della produzione di estratti, ad esempio estratti botanici e di erbe per alimenti, integratori, prodotti farmaceutici e cosmetici. Un esempio particolarmente significativo 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 protegge quindi i composti bioattivi dalla degradazione termica. Tutti i parametri del processo a ultrasuoni, come ampiezza, intensità, tempo, temperatura e pressione, possono essere controllati con precisione. Ciò consente un controllo preciso del processo e della qualità e facilita la ripetizione e la riproduzione dei risultati di estrazione già ottenuti. I produttori di estratti apprezzano la sonicazione per l’affidabile ripetibilità del processo, che aiuta a standardizzare processi e prodotti.

 
Qui trovate il protocollo per l’estrazione della pectina a ultrasuoni dalle bucce di pompelmo mostrata nel video qui sopra!
 

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 (come le bucce di agrumi) è un fattore importante: particelle più piccole offrono una superficie maggiore su cui possono agire le onde ultrasoniche. Una dimensione ridotta delle particelle comporta quindi rese più elevate di pectina, un grado di metilazione inferiore e una proporzione maggiore di regioni di ramnogalatturonano.
Il valore di pH del solvente di estrazione (ossia acqua + acido) è un altro parametro essenziale. Quando la pectina viene estratta in condizioni acide, molte regioni ramificate di ramnogalatturonano del polimero vengono decomposte, lasciando principalmente regioni «lineari» di omogalatturonano con poche molecole di zuccheri neutri legate alla catena lineare principale o presenti al suo interno.
L’estrazione della pectina a ultrasuoni riduce il tempo di estrazione e abbassa la temperatura di processo richiesta, riducendo la probabilità di modificazioni indesiderate della pectina da parte degli acidi. Ciò consente di utilizzare gli acidi in condizioni circoscritte per modificare le pectine in modo preciso secondo i requisiti del prodotto.

Che cosa rende così efficiente l’estrazione della pectina a ultrasuoni?

L’azione dell’estrazione a ultrasuoni influisce direttamente sul rigonfiamento, sulla perforazione e sulla rottura delle pareti cellulari. Il trasferimento di massa indotto dagli ultrasuoni causa l’idratazione del materiale pectico nella lamella mediana, portando alla disgregazione dei tessuti vegetali. La cavitazione ultrasonica e le forze di taglio agiscono direttamente sulle pareti cellulari e le rompono. Questi meccanismi determinano i risultati altamente efficienti dell’estrazione a ultrasuoni.

Le analisi chimiche e FT-IR hanno mostrato che la pectina estratta mediante ultrasuoni (anche detta pectina estratta con l’ausilio della cavitazione acustica, abbreviata ACAE), caratterizzata da un peso molecolare e un grado di metossilazione inferiori, era più ricca di regioni di ramnogalatturonano-I con lunghe catene laterali rispetto alla pectina estratta con il metodo termico convenzionale. Il consumo energetico per l’estrazione della pectina a ultrasuoni era significativamente inferiore rispetto al metodo di riscaldamento convenzionale, indicando prospettive promettenti per la sua applicazione su scala produttiva industriale.
(cfr. Wang et al., 2017)
Wang e i suoi colleghi (2017) sottolineano inoltre che l’estrazione assistita da ultrasuoni si è dimostrata un processo più economico e rispettoso dell’ambiente, con maggiore efficienza e costi inferiori rispetto all’estrazione convenzionale mediante riscaldamento.
 

Immagini SEM della polpa residua di barbabietola da zucchero a un ingrandimento di 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 favorire e intensificare l’estrazione della pectina mediante sonicazione, le onde ultrasoniche ad alta potenza vengono accoppiate al mezzo liquido tramite una sonda a ultrasuoni (detta anche corno ultrasonico o sonotrodo), ossia alla sospensione costituita dalla materia prima contenente pectina e dal solvente. Le onde ultrasoniche si propagano attraverso il liquido e creano cicli alternati di bassa pressione / alta pressione. Durante i cicli di bassa pressione si formano minuscole bolle di vuoto (le cosiddette bolle di cavitazione), che crescono nel corso di diversi cicli di pressione. Durante questi cicli di crescita delle bolle, i gas disciolti nel liquido entrano nelle bolle di vuoto, trasformandole in bolle di gas in espansione. Raggiunta una determinata dimensione, quando le bolle non possono più assorbire energia, implodono violentemente durante un ciclo di alta pressione. L’implosione delle bolle è caratterizzata da intense forze di cavitazione, comprese temperature e pressioni molto elevate che raggiungono rispettivamente valori fino a 4000K e 1000atm, nonché corrispondenti differenze elevate di temperatura e pressione. Queste turbolenze e forze di taglio generate dagli ultrasuoni disgregano le cellule vegetali e liberano le pectine intracellulari nel solvente a base acquosa. Poiché la cavitazione ultrasonica genera un trasferimento di massa molto intenso, la sonicazione consente di ottenere rese eccezionalmente elevate in tempi di trattamento molto brevi.
La sonicazione non viene utilizzata soltanto per l’estrazione della pectina, ma anche per l’isolamento dei polifenoli da sansa, polpa, bucce e semi della frutta. Per saperne di più, leggete qui!

Estrazione a ultrasuoni dalle cellule vegetali: la sezione trasversale microscopica (TS) mostra il meccanismo d’azione durante l’estrazione a ultrasuoni dalle cellule (ingrandimento 2000x) [fonte: Vilkhu et al. 2011]

Pectine estratte dagli scarti della frutta

Gli scarti della frutta, come bucce, residui di polpa (dopo la spremitura del succo) e altri sottoprodotti della frutta, sono spesso fonti ricche di pectina. Sebbene gli scarti della frutta vengano spesso utilizzati come mangime per animali, l’estrazione della pectina rappresenta un loro impiego di maggior valore.
L’estrazione della pectina a ultrasuoni viene già effettuata con successo da bucce di agrumi (come arance, mandarini e pompelmi), bucce di melone, sansa di mele, polpa di barbabietola da zucchero, bucce di mango, scarti di pomodoro, nonché da jackfruit, frutto della passione e bucce di 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, oltre a dati sull’ottimizzazione del processo.

Estrazione della pectina a ultrasuoni dalla sansa di mele

Dranca e Oroian (2019) hanno studiato il processo di estrazione della pectina dalla sansa di mele assistita da ultrasuoni, applicando diverse condizioni ultrasoniche e utilizzando un disegno della superficie di risposta Box-Behnken. Hanno constatato che l’ampiezza degli ultrasuoni influisce fortemente sulla resa e sul grado di esterificazione della pectina estratta, mentre il pH di estrazione ha un forte impatto su tutte e tre le risposte, ossia resa, contenuto di GalA e grado di esterificazione. Le condizioni ottimali per l’estrazione erano un’ampiezza del 100%, un pH di 1,8, un rapporto solido-liquido di 1:10 g/mL e una sonicazione di 30 min. In queste condizioni, la resa di pectina era 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 mediante estrazione a ultrasuoni in condizioni ottimali sono stati confrontati con campioni commerciali di pectina di agrumi e di mele mediante FT-IR, DSC, analisi reologica e SEM. Le prime due tecniche hanno evidenziato alcune particolarità del campione di pectina estratto a ultrasuoni, come l’intervallo più ristretto della distribuzione del peso molecolare, la disposizione molecolare ordinata e l’elevato grado di esterificazione, simile a quello delle pectine di mele disponibili in commercio. L’analisi delle caratteristiche morfologiche del campione ottenuto mediante ultrasuoni indica uno schema di relazione 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 a ultrasuoni era molto superiore a quella delle soluzioni preparate con pectina commerciale, forse a causa dell’elevata concentrazione di acido galatturonico. Considerando anche l’elevato grado di esterificazione, questo potrebbe spiegare la maggiore viscosità della pectina estratta a ultrasuoni. I ricercatori concludono che la purezza, la struttura e il comportamento reologico della pectina estratta a ultrasuoni dalla sansa di mele Malus domestica ‘Fălticeni’ indicano applicazioni promettenti di questa fibra solubile. (cfr. Dranca & Oroian 2019)

Estrattore a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di pectina

L’estrazione a ultrasuoni è una tecnologia di trattamento affidabile che facilita e accelera la produzione di pectine di alta qualità da varie materie prime, come sottoprodotti e bucce di agrumi, sansa di mele e molte altre. La gamma di Hielscher Ultrasonics comprende tutte le soluzioni, dai sonicatori compatti da laboratorio ai sistemi di estrazione industriali. Noi di Hielscher possiamo quindi offrirvi il sonicatore più adatto alla capacità di trattamento prevista. Il nostro personale, con una lunga esperienza, vi assisterà dalle prove di fattibilità e dall’ottimizzazione del processo fino all’installazione del vostro sistema a ultrasuoni al livello produttivo finale.
L’ingombro ridotto dei nostri estrattori a ultrasuoni e la versatilità delle opzioni di installazione consentono di integrarli anche in impianti di lavorazione della pectina con spazi limitati. I processori a ultrasuoni sono installati in tutto il mondo in impianti di produzione alimentare, farmaceutica e di integratori nutrizionali.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Hielscher Ultrasonics – Apparecchiature di estrazione sofisticate

La gamma di prodotti di Hielscher Ultrasonics comprende tutti gli estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni, dalla piccola alla grande scala. Gli accessori aggiuntivi consentono di assemblare facilmente la configurazione del dispositivo a ultrasuoni più adatta al vostro processo di estrazione della pectina. La configurazione ottimale del sistema a ultrasuoni dipende dalla capacità prevista, dal volume, dalla materia prima, dal processo a lotti o in linea e dalle tempistiche.

A lotti e in linea

I sonicatori Hielscher possono essere utilizzati per il trattamento a lotti e a flusso continuo. Il trattamento a ultrasuoni a lotti è ideale per le prove di processo, l’ottimizzazione e la produzione su piccola e media scala. Per produrre grandi volumi di pectina, il trattamento in linea può essere più vantaggioso. Un processo di miscelazione continuo in linea richiede una configurazione sofisticata – costituita da una pompa, tubi flessibili o tubazioni e serbatoi – ma è altamente efficiente, rapido e richiede significativamente meno manodopera. Hielscher Ultrasonics dispone della configurazione di estrazione più adatta al vostro volume di estrazione e ai vostri obiettivi di processo.

Estrattori a ultrasuoni per ogni capacità produttiva

La gamma di prodotti di Hielscher Ultrasonics comprende l’intero spettro dei processori a ultrasuoni, dai sonicatori compatti da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di trattare carichi di camion ogni ora. La gamma completa ci consente di offrirvi l’estrattore a ultrasuoni più adatto alla vostra materia prima contenente pectina, alla capacità di trattamento e agli obiettivi di produzione.
I sistemi a ultrasuoni da banco sono ideali per le prove di fattibilità e l’ottimizzazione del processo. L’aumento di scala lineare basato su parametri di processo consolidati rende molto semplice aumentare le capacità di trattamento, dai lotti più piccoli alla produzione interamente commerciale. L’aumento di scala può essere effettuato installando un’unità di estrazione a ultrasuoni più potente oppure raggruppando diversi sonicatori in parallelo. Con UIP16000, Hielscher offre l’estrattore a ultrasuoni più potente al mondo.

Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali

Tutti i sonicatori Hielscher sono controllabili con precisione e costituiscono quindi strumenti di lavoro affidabili nella produzione. L’ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l’efficienza e l’efficacia dell’estrazione della pectina a ultrasuoni dalla frutta e dagli scarti biologici.
Tutti i sonicatori Hielscher consentono di impostare con precisione l’ampiezza. I sonotrodi e i corni amplificatori sono accessori che permettono di modificare l’ampiezza in un intervallo ancora più ampio. I processori a ultrasuoni industriali Hielscher possono fornire ampiezze molto elevate e l’intensità ultrasonica richiesta per applicazioni impegnative. È possibile mantenere facilmente ampiezze fino a 200µm in funzionamento continuo 24/7.
Le impostazioni precise dell’ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo a ultrasuoni tramite un software intelligente vi consentono di trattare la materia prima nelle condizioni ultrasoniche più efficaci. Sonicazione ottimale per i migliori risultati di estrazione!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 con carichi di lavoro gravosi e in ambienti impegnativi. Questo rende le apparecchiature a ultrasuoni Hielscher strumenti di lavoro affidabili che soddisfano le vostre esigenze di estrazione.

Prove semplici e senza rischi

I processi a ultrasuoni possono essere scalati in modo completamente lineare. Ciò significa che ogni risultato ottenuto con un sonicatore da laboratorio o da banco può essere riprodotto su scala maggiore con esattamente lo stesso risultato, utilizzando esattamente gli stessi parametri di processo. Questo rende la sonicazione ideale per prove di fattibilità senza rischi, per l’ottimizzazione del processo e per la successiva implementazione nella produzione commerciale. Contattateci per scoprire come la sonicazione può aumentare la vostra produzione di estratti di pectina.

Massima qualità – Progettati e prodotti in Germania

In quanto azienda a proprietà e gestione familiare, Hielscher dà priorità ai più elevati standard di qualità per i propri processori a ultrasuoni. Tutti i sonicatori vengono progettati, prodotti e accuratamente collaudati presso la nostra sede centrale a Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l’affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher le rendono strumenti di lavoro instancabili nella vostra produzione. Il funzionamento 24/7 a pieno carico e in ambienti impegnativi è una caratteristica naturale dei miscelatori Hielscher ad alte prestazioni.