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超音波抽出によるより高いペクチン収率

超音波抽出は、優れた品質のペクチンの高収率をもたらす。超音波処理を使用すると、貴重なペクチンは、果物の廃棄物(例えば、ジュース加工からの副産物)および他の生物学的原料から効率的に製造することができる。超音波ペクチン抽出は、より高い収率を生み出し、優れたペクチン品質を提供し、迅速な抽出手順を提供することにより、他の抽出技術に優れています。

超音波処理による強化ペクチン抽出

ペクチンは、多くの食品のゲル化、乳化、増粘剤として、また化粧品や医薬品の成分として利用されています。従来の工業用ペクチン抽出は、柑橘類の皮やリンゴの搾りかすなどの果実廃棄物などの原料を、60〜100°Cの低pH(約pH1.5〜3.5)の熱湯に長時間浸す熱水抽出法で行われていました。これにより、従来の温水抽出は時間とエネルギーを消費するプロセスになり、多くの場合、原材料で利用可能な全量のペクチンを放出するのに十分な効率ではありません。
従来の製造方法の非効率性を克服するために、超音波抽出は、従来の熱水抽出と比較して抽出時間を短縮し、ペクチン収率を大幅に最大化するプロセス強化技術として適用されます。

超音波ペクチン抽出の利点

超音波抽出は、食品、サプリメント、医薬品、化粧品用の植物抽出物やハーブ抽出物など、抽出物製造の多くの分野で適用されています。超音波抽出の非常に顕著な例は、大麻植物からのカンナビジオール(CBD)および他の化合物の抽出である。
超音波抽出は非熱抽出技術であり、それによって生理活性化合物が熱分解に対して防止されます。振幅、強度、時間、温度、圧力などのすべての超音波プロセスパラメータは、正確に制御できます。これにより、正確なプロセスと品質管理が可能になり、一度得られた抽出結果を簡単に繰り返して再現することができます。抽出物の生産者は、プロセスと製品の標準化に役立つ信頼性の高いプロセスの再現性のために超音波処理を高く評価しています。

超音波ペクチン抽出のプロセスパラメータ

  • 超音波処理強度
  • 温度
  • pH値
  • 時間
  • 原料の粒度

 

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超音波装置 UIP4000hdT 工業用ペクチン生産のための強力な抽出器です。

超音波抽出器UIP4000hdT 工業用ペクチン生産用の4kWの強力な抽出器です。

 

このビデオでは、プローブ型超音波装置UP200Htを使用してグレープフルーツの皮からペクチンの高効率超音波抽出を紹介します。超音波処理は、果物や野菜の副産物から高品質のペクチン収量を生成するための非常に効率的な方法です。超音波抽出は、より短い処理時間でより高いペクチン量および優れた品質をもたらす。

Sonicator UP200Htを使用したグレープフルーツの皮からのペクチン抽出

ビデオサムネイル

 
グレープフルーツの皮からの超音波ペクチン抽出のプロトコルを見つける ここで上のビデオ!
 

関連するプロセスパラメータの決定により、超音波抽出プロセスを最高の効率と優れた抽出品質に最適化することができます。
例えば、原料(柑橘類の皮など)の粒径は重要な要素であり、粒径が小さいほど、超音波が作用する表面積が大きくなります。小さい粒度はそれによりより高いペクチンの収穫、メチル化のより低い程度およびrhamnogalacturonan領域のより大きい比率で起因する。
抽出溶媒(つまり、水+酸)のpH値は、別の重要なパラメータです。ペクチンを酸性条件下で抽出すると、ポリマーの多くのラムノガラクツロナン分岐領域が分解されるため、主鎖上または主線鎖に結合したいくつかの中性糖分子を持つ主にホモガラクツロナンの「直進」領域が残ります。
超音波ペクチン抽出は、抽出時間を短縮し、必要なプロセス温度を下げ、酸による望ましくないペクチン修飾の可能性を減少させる。これにより、製品の要件に合わせてペクチンを正確に修飾するために、限られた条件下で酸を使用することができます。

超音波ペクチン抽出がなぜそんなに効率的ですか?

超音波抽出の影響は、細胞壁の腫れ、穿孔、破損に直接影響します。超音波誘発物質移動は、中央ラメラ内のペクチン質材料の水和を引き起こし、植物組織の分裂をもたらす。超音波キャビテーションとせん断力は直接細胞壁に衝撃を与え、それらを壊します。これらのメカニズムは、超音波抽出の非常に効率的な結果をもたらします。

超音波抽出は、グレープフルーツの皮からペクチンを放出するための非常に効果的な技術です。この写真は、超音波処理装置UP200Htが水を溶媒として使用してグレープフルーツの皮からペクチンを抽出していることを示しています。超音波抽出されたペクチン(音響キャビテーション支援抽出ペクチン、略称ACAE)は、分子量とメトキシル化の程度が低く、化学およびFT-IR分析から従来の熱抽出ペクチンと比較して、長い側鎖を持つラムノガラクツロナン-I領域が豊富でした。ウルグトラソニックペクチン抽出のエネルギー消費量は、従来の加熱方法よりも大幅に低く、工業生産規模への応用が期待されていることを示しています。
(cf. Wang et al., 2017)
Wangと彼の同僚(2017)はまた、超音波支援抽出が従来の加熱抽出と比較して、より高い効率とより少ないコストで、より経済的で環境に優しいプロセスであることが証明されていることを裏付けています。
 

超音波処理は、テンサイパルプからのペクチンの酵素抽出を有意に促進します。SEM画像は、細胞破壊とペクチン放出に対する超音波処理の影響を示しています。

1000倍の倍率での残留テンサイパルプのSEM:(a)抽出前、および(b)キシラナサエ(250 U / g)、(c)セルラーゼ(300 U / g)、(d)キシラナサエ+セルラーゼ(1:1)、および(e)キシアナサエ+セルラーゼ(1:1.5)、および(f)キシアナサエ+セルラーゼ(1:2)を使用したペクチン抽出後。
(研究と画像:Abou-Elseoud et al., 2021)

 

超音波植物抽出はより高い収率を与える。ヒールシャーUIP2000hdT、2000ワットのホモジナイザーは、10リットルから120リットルまでのバッチを簡単に抽出するのに十分強力です。

植物の超音波抽出 - 30リットル/ 8ガロンバッチ

ビデオサムネイル

 

超音波ペクチン抽出はどのように機能しますか?

超音波抽出は、高強度超音波の音響力学的効果に基づいています。超音波処理によるペクチン抽出を促進し強化するために、高出力超音波は、超音波プローブ(超音波ホーンまたはソノトロードとも呼ばれる)を介して液体媒体、すなわちペクチン含有原料および溶媒からなるスラリーに結合される。超音波は液体を伝わり、低圧/高圧のサイクルを交互に作り出します。低圧サイクルでは、微細な真空気泡(いわゆるキャビテーションバブル)が発生し、数回の圧力サイクルで成長します。気泡の成長サイクル中に、液体中の溶存ガスが真空気泡に入り、真空気泡が成長する気泡に変わります。あるサイズで、気泡がより多くのエネルギーを吸収できなくなると、高圧サイクル中に泡は激しく爆発します。気泡の爆縮は、それぞれ最大4000Kと1000atmに達する非常に高い温度と圧力を含む、激しいキャビテーション力によって特徴付けられます。また、対応する高温・高圧差にも対応しています。これらの超音波で生成された乱流とせん断力は、植物細胞を破壊し、細胞内ペクチンを水性溶媒に放出します。超音波キャビテーションは非常に激しい物質移動を作り出すので、超音波処理は非常に短い処理時間内で非常に高い収率をもたらします。

超音波ディスラプターは、植物源(植物、藻類、菌類など)からの抽出に使用されます

植物細胞からの超音波抽出:顕微鏡横断面(TS)は、細胞からの超音波抽出中の作用機序を示しています(倍率2000倍〕 [リソース:Vilkhu et al. 2011]

超音波装置 UIP2000hdT 工業用ペクチン生産のための2kWの抽出器です。

超音波バッチ抽出器 UIP2000hdT カスカトロードホーン付き

果物廃棄物から抽出されたペクチン

超音波抽出は、柑橘類の廃棄物から高品質のペクチンを製造するのに非常に効率的です。皮、果肉の残留物(フルーツジュースの圧搾後)、その他の果物副産物などの果物廃棄物は、多くの場合、豊富なペクチン源です。果物の廃棄物は動物飼料としてよく使用されますが、ペクチン抽出は果物の廃棄物のより価値のある使用法です。
超音波ペクチン抽出は、柑橘類の皮(オレンジ、みかん、グレープフルーツなど)、メロンの皮、リンゴの搾りかす、テンサイの果肉、マンゴーの皮、トマトの廃棄物、ジャックフルーツ、パッションフルーツ、イチジクの皮などですでに成功裏に行われています。

超音波ペクチン抽出のケーススタディ

従来の熱によるペクチン抽出の欠点のために、研究および産業界はすでに超音波抽出のような革新的な代替手段を調査してきた。これにより、さまざまな原材料のプロセスパラメータの豊富な情報とプロセス最適化データを利用できます。

アップル搾りかすからのペクチンの超音波抽出

Dranca and Oroian(2019)は、さまざまな超音波条件を適用し、Box-Behnken応答表面設計を使用して、リンゴ搾りかすからのペクチンの超音波支援抽出プロセスを調査しました。その結果、超音波の振幅は抽出されたペクチンの収率とエステル化の程度に強く影響し、抽出されたpHは3つの応答すべて、すなわち収量、GalA含量、エステル化の程度に大きな影響を与えることを発見しました。抽出の最適条件は、100%振幅、pH1.8、固液比1:10g / mL、および30分間の超音波処理でした。これらの条件下では、ペクチン収率は9.183%で、GalA含有量は98.127 g / 100 g GalA、エステル化度は83.202%でした。超音波抽出されたペクチンの結果を市販のペクチンとの関係に設定するために、最適な条件下での超音波抽出によって得られたペクチンサンプルを、FT-IR、DSC、レオロジー分析、およびSEMによって市販の柑橘類およびリンゴペクチンサンプルと比較した。最初の2つの技術は、分子量の分布範囲が狭く、整然とした分子配置、および市販のリンゴペクチンと同様の高度のエステル化など、超音波抽出によって抽出されたペクチンサンプルのいくつかの特殊性を強調しました。超音波で得られたサンプルの形態学的特性の分析は、このサンプルのフラグメントサイズの分布と一方の側のそのGalA含有量と、他方の側の水取り込み容量との間の決定パターンを示しています。超音波抽出されたペクチン溶液の粘度は、市販のペクチンを使用して製造された溶液の粘度よりもはるかに高かったが、これはおそらく高濃度のガラクツロン酸のためである。エステル化の高度も考慮すると、これは超音波抽出されたペクチンの粘度が高かった理由を説明するかもしれません。研究者たちは、Malus domestica 'Fălticeni'リンゴ搾りかすからの超音波抽出によって抽出されたペクチンの純度、構造およびレオロジー的挙動は、この可溶性繊維の有望な用途を示していると結論付けています。(cf. ドランカ & オロイアン 2019)

超音波ペクチン抽出法は、以下の点で優れています。

  • より高い収量
  • より高速な処理
  • より穏やかな処理条件
  • 全体的な効率の向上
  • シンプルで安全な操作
  • 迅速なROI

ペクチン製造用の高性能超音波抽出器

超音波抽出器 UIP4000hdT ペクチン抽出用のフロースルーセットアップ付き超音波抽出は信頼性の高い加工技術であり、高品質のペクチン、柑橘系の果物の副産物や皮などのさまざまな原材料、リンゴの搾りかすなどの生産を促進し加速します。ヒールシャー超音波ポートフォリオは、コンパクトなラボ用超音波装置から工業用抽出システムまで全範囲をカバーしています。それにより、ヒールシャーでは、あなたが想定するプロセス能力に最も適した超音波装置を提供することができます。当社の長年の経験豊富なスタッフが、実現可能性テストやプロセスの最適化から、最終的な生産レベルでの超音波システムの設置まで、お客様を支援します。
当社の超音波抽出器の小さなフットプリントと設置オプションの多様性により、小さなスペースのペクチン処理施設にも適合します。超音波プロセッサは、世界中の食品、医薬品、栄養補助食品の生産施設に設置されています。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。

バッチボリューム 流量 推奨デバイス
1〜500mL 10〜200mL/分 UP100Hの
0.1〜20L 0.2 から 4L/min UIP2000hdT
10〜100L 2〜10L/分 UIP4000hdTの
N.A. 10〜100L/min UIP16000
N.A. 大きい クラスタ UIP16000

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Hielscher Ultrasonics – 洗練された抽出装置

ヒールシャー超音波製品ポートフォリオは、小規模から大規模まで高性能超音波抽出器の全範囲をカバーしています。追加のアクセサリにより、ペクチン抽出プロセスに最適な超音波デバイス構成を簡単に組み立てることができます。最適な超音波セットアップは、想定される容量、量、原材料、バッチまたはインラインプロセス、およびタイムラインによって異なります。

バッチおよびインライン

ヒールシャー超音波処理器は、バッチおよび連続フロースルー処理に使用できます。超音波バッチ処理は、プロセステスト、最適化、および中小規模の生産レベルに最適です。ペクチンを大量に生産する場合は、インライン処理の方が有利な場合があります。連続的なインライン混合プロセスには、高度なセットアップが必要です – ポンプ、ホースまたはパイプ、タンクで構成されていますが、非常に効率的で迅速で、必要な労力が大幅に少なくなります。ヒールシャー超音波は、お客様の抽出量とプロセス目標に最適な抽出セットアップを持っています。

あらゆる製品容量に対応する超音波抽出器

工業規模でのインライン超音波処理用のUIP4000hdTフローセルヒールシャー超音波製品群は、ベンチトップおよびパイロットシステム上のコンパクトなラボ用超音波装置から、1時間あたりのトラック負荷を処理する能力を持つ完全産業用超音波プロセッサまで、超音波プロセッサの全範囲をカバーしています。全製品範囲により、ペクチン含有原材料、プロセス能力、生産目標に最適な超音波抽出器を提供できます。
超音波ベンチトップシステムは、実現可能性試験やプロセスの最適化に最適です。確立されたプロセスパラメータに基づく線形スケールアップにより、処理能力を小ロットから完全な商業生産に容易に増やすことができます。アップスケーリングは、より強力な超音波抽出ユニットをインストールするか、または並列にいくつかの超音波装置をクラスタリングすることによって行うことができます。UIP16000により、ヒールシャーは世界で最も強力な超音波抽出器を提供しています。

最適な結果を得るために正確に制御可能な振幅

すべてのヒールシャー超音波装置は、正確に制御可能であり、それにより生産における信頼性の高い働き馬です。振幅は、果物やバイオ廃棄物からのペクチンの超音波抽出の効率と有効性に影響を与える重要なプロセスパラメータの1つです。
ヒールシャー超音波装置は、ブラウザ制御を介して遠隔操作することができます。超音波処理パラメータは、プロセス要件に合わせて正確に監視および調整することができます。すべてのヒールシャーソニケーターは、振幅の正確な設定を可能にします。ソノトロードとブースターホーンは、さらに広い範囲で振幅を変更できるアクセサリーです。ヒールシャー工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供し、要求の厳しいアプリケーションに必要な超音波強度を提供することができます。最大200μmの振幅は、24/7操作で簡単に連続運転できます。
正確な振幅設定とスマートソフトウェアによる超音波プロセスパラメータの恒久的な監視により、最も効果的な超音波条件で原材料を処理することができます。最高の抽出結果を得るための最適な超音波処理!
ヒールシャーの超音波装置の堅牢性は、ヘビーデューティと要求の厳しい環境での24 / 7操作を可能にします。これにより、ヒールシャーの超音波装置は、あなたの抽出要件を満たす信頼性の高い作業ツールになります。

簡単でリスクのない検査

超音波プロセスは完全に線形スケーリングすることができます。これは、実験室またはベンチトップ超音波装置を使用して達成したすべての結果は、まったく同じプロセスパラメータを使用してまったく同じ出力にスケーリングできることを意味します。これにより、超音波処理は、リスクのない実現可能性試験、プロセスの最適化、およびその後の商業製造への実装に理想的です。超音波処理があなたのペクチン抽出物の生産をどのように増加させることができるかを学ぶために私達に連絡してください。

最高品質 – ドイツで設計および製造

家族経営の企業として、ヒールシャーは、その超音波プロセッサのための最高の品質基準を優先しています。すべての超音波装置は、ドイツのベルリン近郊のテルトウにある本社で設計、製造、徹底的にテストされています。ヒールシャーの超音波装置の堅牢性と信頼性は、それをあなたの生産の働き者にします。全負荷下で、要求の厳しい環境での24 / 7操作は、ヒールシャーの高性能ミキサーの自然な特性です。

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超音波高せん断ホモジナイザーは、実験室、ベンチトップ、パイロット、工業加工で使用されています。

ヒールシャー超音波は、実験室、パイロットおよび工業規模での混合アプリケーション、分散、乳化および抽出のための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。


▽ペクチンについて

ペクチンは、長鎖ガラクツロナンセグメントとラムノース、アラビノース、ガラクトース、キシロースなどの他の中性糖からなる分岐ヘテロ多糖類です。具体的には、ペクチンは、1,4-α結合ガラクツロン酸と1,2結合ラムノースからなる共重合体のブロックであり、β-D-ガラクトース、L-アラビノース、およびその他の糖単位の側枝があります。ペクチンにはいくつかの糖部分と異なるレベルのメチルエステル化が見られるため、ペクチンは他の多糖類のように定義された分子量を持っていません。食品への使用が明記されているペクチンは、ガラクツロン酸単位が65%以上含まれるヘテロ多糖類と定義されています。特定の抽出条件を適用することにより、ペクチンをうまく修飾し、特定の要件を満たすために官能化することができます。官能基化および修飾ペクチンの製造は、医薬品用の低メトキシル化ペクチンなどの特殊な用途に関心が集まっています。

ペクチンは抽出液からどのように分離されますか?

超音波抽出後のペクチン沈殿物: 抽出液にエタノールを添加すると、沈殿と呼ばれるプロセスを通じてペクチンを分離するのに役立ちます。植物の細胞壁に見られる複雑な多糖類であるペクチンは、通常の条件下では水に溶けます。しかし、エタノールを添加して溶媒環境を変化させることで、ペクチンの溶解度を低下させ、溶液からの沈殿につながる可能性があります。

以下では、エタノールを使用したペクチン沈殿の背後にある化学的性質について説明します。

  • 水素結合の破綻: ペクチン分子は水素結合によって一緒に保持されており、水素結合が水への溶解度に寄与しています。エタノールは、ペクチン分子上の結合部位をめぐって水分子と競合することにより、これらの水素結合を破壊します。エタノール分子がペクチン分子の周りの水分子に置き換わると、ペクチン分子間の水素結合が弱まり、溶媒への溶解度が低下します。
  • 溶媒極性の低下: エタノールは水よりも極性が低いため、ペクチンなどの極性物質を溶解する能力が低くなります。抽出液にエタノールを添加すると、溶媒の全体的な極性が低下し、ペクチン分子が溶液中に留まるのに不利になります。これにより、ペクチンがエタノールと水の混合物に溶けにくくなるため、溶液からペクチンが沈殿します。
  • ペクチン濃度の増加: ペクチン分子が溶液から沈殿すると、残りの溶液中のペクチンの濃度が増加します。これにより、ろ過または遠心分離により、ペクチンを液相から容易に分離できます。

文献/参考文献

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