초음파 추출로 펙틴 수율 향상

초음파 추출은 품질이 우수한 펙틴을 높은 수율로 얻을 수 있게 합니다. 초음파 처리를 통해 과일 폐기물(예: 주스 가공 부산물)과 기타 생물학적 원료에서 유용한 펙틴을 효율적으로 생산할 수 있습니다. 초음파 펙틴 추출은 더 높은 수율, 더 우수한 펙틴 품질, 신속한 추출 절차를 제공하여 다른 추출 기법보다 뛰어납니다.

초음파 처리를 통한 펙틴 추출 강화

펙틴은 다양한 식품에서 겔화제, 유화제 및 증점제로 사용되며, 화장품과 의약품의 성분으로도 사용됩니다. 기존의 산업용 펙틴 추출에는 열수 추출법이 사용되며, 감귤류 껍질, 사과 착즙박 및 기타 과일 폐기물과 같은 원료를 낮은 pH(약 pH 1.5 – 3.5)의 60–100°C 열수에 장시간 담가 둡니다. 따라서 기존의 열수 추출은 시간과 에너지가 많이 소요되는 공정이며, 원료에 함유된 펙틴 전량을 방출하기에 충분한 효율조차 내지 못하는 경우가 많습니다.
기존 생산 방식의 비효율성을 극복하기 위해 공정 강화 기법으로 초음파 추출을 적용하며, 이는 기존 열수 추출에 비해 추출 시간을 단축하고 펙틴 수율을 크게 극대화합니다.

초음파 펙틴 추출의 장점

초음파 추출은 식품, 보충제, 의약품 및 화장품용 식물 추출물과 허브 추출물 등 다양한 추출물 생산 분야에 적용됩니다. 초음파 추출의 매우 대표적인 사례는 대마 식물에서 칸나비디올(CBD)과 기타 화합물을 추출하는 것입니다.
초음파 추출은 비열 추출 기법으로, 생리활성 화합물의 열분해를 방지합니다. 진폭, 강도, 시간, 온도 및 압력 등 모든 초음파 공정 매개변수를 정확하게 제어할 수 있습니다. 이를 통해 공정과 품질을 정밀하게 제어할 수 있으며, 한번 얻은 추출 결과를 쉽게 반복하고 재현할 수 있습니다. 추출물 생산업체는 공정과 제품의 표준화에 도움이 되는 신뢰할 수 있는 공정 반복성 때문에 초음파 처리를 높이 평가합니다.

 
위 동영상에서 시연한 자몽 껍질의 초음파 펙틴 추출 프로토콜을 여기에서 확인하세요!
 

관련 공정 매개변수를 결정하면 초음파 추출 공정을 최적화하여 최고의 효율과 우수한 추출물 품질을 얻을 수 있습니다.
예를 들어, 원료(예: 감귤류 껍질)의 입자 크기는 중요한 요인입니다. 입자 크기가 작을수록 초음파가 작용할 수 있는 표면적이 커집니다. 따라서 입자 크기가 작으면 펙틴 수율이 높아지고, 메틸화도가 낮아지며, 람노갈락투로난 영역의 비율이 커집니다.
추출 용매(즉, 물 + 산)의 pH 값도 중요한 매개변수입니다. 산성 조건에서 펙틴을 추출하면 고분자의 람노갈락투로난 분지 영역 중 상당수가 분해되어, 주로 주 선형 사슬의 표면이나 내부에 소수의 중성 당 분자가 결합한 호모갈락투로난의 “직선형” 영역이 남습니다.
초음파 펙틴 추출은 추출 시간을 단축하고 필요한 공정 온도를 낮추어 산에 의해 펙틴이 원치 않게 변형될 가능성을 줄입니다. 이를 통해 제한된 조건에서 산을 사용하여 제품 요구사항에 정확히 맞게 펙틴을 변형할 수 있습니다.

초음파 펙틴 추출이 매우 효율적인 이유는 무엇일까요?

초음파 추출은 세포벽의 팽윤, 천공 및 파괴에 직접적인 영향을 미칩니다. 초음파로 유도된 물질 전달은 중엽에 있는 펙틴질 물질의 수화를 일으켜 식물 조직의 파괴로 이어집니다. 초음파 캐비테이션과 전단력은 세포벽에 직접 작용하여 세포벽을 파괴하고 개방합니다. 이러한 메커니즘을 통해 초음파 추출은 매우 높은 효율을 달성합니다.

화학 분석과 FT-IR 분석에 따르면, 초음파로 추출한 펙틴(음향 캐비테이션 보조 추출 펙틴이라고도 하며, 약어는 ACAE)은 기존의 열 추출 펙틴보다 분자량과 메톡실화도가 낮았으며, 긴 곁사슬을 가진 람노갈락투로난-I 영역이 더 풍부했습니다. 초음파 펙틴 추출의 에너지 소비량은 기존 가열 방식보다 현저히 낮았으며, 이는 산업적 생산 규모에서의 적용 가능성이 유망함을 나타냅니다.
(참조: Wang et al., 2017)
Wang과 동료들(2017)은 초음파 보조 추출이 기존 가열 추출에 비해 효율이 높고 비용이 적게 드는, 더욱 경제적이고 환경친화적인 공정임이 입증되었다는 점도 뒷받침합니다.
 

1000x 배율로 관찰한 잔류 사탕무 펄프의 SEM 이미지: (a) 추출 전, 그리고 (b) Xylanasae (250 U/g), (c) 셀룰라아제 (300 U/g), (d) Xylanasae+셀룰라아제 (1:1), (e) Xylanasae+셀룰라아제 (1:1.5), (f) Xylanasae+셀룰라아제 (1:2)를 사용하여 펙틴을 추출한 후.
(연구 및 이미지: Abou-Elseoud et al., 2021)

초음파 펙틴 추출은 어떻게 작동하나요?

초음파 추출은 고강도 초음파의 기계적 효과를 기반으로 합니다. 초음파 처리를 통해 펙틴 추출을 촉진하고 강화하기 위해, 초음파 프로브(초음파 혼 또는 소노트로드라고도 함)를 통해 고출력 초음파를 액체 매질, 즉 펙틴 함유 원료와 용매로 구성된 슬러리에 전달합니다. 초음파는 액체를 통과하면서 저압 / 고압 주기를 번갈아 생성합니다. 저압 주기에는 미세한 진공 기포(이른바 캐비테이션 기포)가 생성되며, 이 기포는 여러 압력 주기에 걸쳐 성장합니다. 이러한 기포 성장 주기 동안 액체에 용해된 기체가 진공 기포 안으로 들어가면서 진공 기포는 성장하는 기체 기포로 변합니다. 기포가 특정 크기에 도달하여 더 이상 에너지를 흡수할 수 없게 되면 고압 주기 동안 격렬하게 내파합니다. 기포 내파는 각각 최대 4000K와 1000atm에 이르는 매우 높은 온도와 압력, 그리고 이에 상응하는 큰 온도 차이와 압력 차이를 포함하는 강력한 캐비테이션 작용을 특징으로 합니다. 초음파로 생성된 이러한 난류와 전단력은 식물 세포를 파괴하여 세포 내 펙틴을 수성 용매로 방출합니다. 초음파 캐비테이션은 매우 강력한 물질 전달을 일으키므로, 초음파 처리는 매우 짧은 처리 시간 내에 탁월하게 높은 수율을 제공합니다.
초음파 처리는 펙틴 추출뿐만 아니라 과일 착즙박, 과육, 껍질 및 씨앗에서 폴리페놀을 분리하는 데에도 사용됩니다. 여기에서 자세히 알아보세요!

식물 세포에서의 초음파 추출: 현미경 횡단면(TS)은 세포에서 초음파로 추출하는 동안의 작용 메커니즘을 보여줍니다(배율 2000x) [출처: Vilkhu et al. 2011]

과일 폐기물에서 추출한 펙틴

껍질, 과육 잔류물(과일 착즙 후) 및 기타 과일 부산물과 같은 과일 폐기물은 흔히 펙틴이 풍부한 원료입니다. 과일 폐기물은 흔히 동물 사료로 사용되지만, 펙틴 추출은 과일 폐기물을 더욱 가치 있게 활용하는 방법입니다.
초음파 펙틴 추출은 감귤류 껍질(오렌지, 감귤, 자몽 등), 멜론 껍질, 사과 착즙박, 사탕무 펄프, 망고 껍질, 토마토 폐기물뿐만 아니라 잭프루트, 패션프루트, 무화과 껍질 등에서도 이미 성공적으로 수행되고 있습니다.

초음파 펙틴 추출 사례 연구

열을 이용한 기존 펙틴 추출법의 단점으로 인해 학계와 산업계에서는 이미 초음파 추출과 같은 혁신적인 대안을 연구해 왔습니다. 이에 따라 다양한 원료의 공정 매개변수에 관한 풍부한 정보와 공정 최적화 데이터를 이용할 수 있습니다.

사과박에서 펙틴의 초음파 추출

Dranca와 Oroian(2019)은 다양한 초음파 조건을 적용하고 Box-Behnken 반응표면 설계를 사용하여 사과박에서 펙틴을 추출하는 초음파 보조 추출 공정을 연구했습니다. 연구진은 초음파 진폭이 추출된 펙틴의 수율과 에스터화도에 큰 영향을 미치는 반면, 추출 pH는 세 가지 반응값, 즉 수율, GalA 함량, 에스터화도 모두에 큰 영향을 미친다는 사실을 확인했습니다. 최적 추출 조건은 진폭 100%, pH 1.8, 고액비 1:10 g/mL, 초음파 처리 시간 30 min이었습니다. 이 조건에서 펙틴 수율은 9.183%였으며, GalA 함량은 98.127 g/100 g, 에스터화도는 83.202%였습니다. 초음파로 추출한 펙틴의 결과를 상업용 펙틴과 비교하기 위해, 최적 조건에서 초음파 추출로 얻은 펙틴 시료를 FT-IR, DSC, 유변학적 분석 및 SEM을 통해 상업용 감귤류 및 사과 펙틴 시료와 비교했습니다. 앞의 두 분석 기법은 초음파 추출로 얻은 펙틴 시료의 몇 가지 특징을 보여주었습니다. 여기에는 더 좁은 분자량 분포 범위, 질서 정연한 분자 배열, 시판 사과 펙틴과 유사한 높은 에스터화도가 포함됩니다. 초음파로 얻은 시료의 형태학적 특성을 분석한 결과, 이 시료의 단편 크기 분포 및 GalA 함량과 수분 흡수 능력 사이에 일정한 관계 양상이 나타났습니다. 초음파로 추출한 펙틴 용액의 점도는 상업용 펙틴으로 만든 용액보다 훨씬 높았으며, 이는 갈락투론산의 높은 농도 때문일 수 있습니다. 높은 에스터화도까지 함께 고려하면, 초음파로 추출한 펙틴의 점도가 더 높았던 이유를 설명할 수 있을 것입니다. 연구진은 Malus domestica ‘Fălticeni’ 사과박에서 초음파 추출로 얻은 펙틴의 순도, 구조 및 유변학적 거동이 이 수용성 식이섬유의 유망한 활용 가능성을 보여준다고 결론지었습니다. (참조: Dranca & Oroian 2019)

펙틴 생산용 고성능 초음파 추출기

초음파 추출은 감귤류 부산물과 껍질, 사과박 등 다양한 원료에서 고품질 펙틴을 생산하는 과정을 용이하게 하고 가속하는 신뢰할 수 있는 처리 기술입니다. Hielscher Ultrasonics의 제품군은 소형 실험실용 초음파 처리기부터 산업용 추출 시스템까지 전체 범위를 포괄합니다. 따라서 Hielscher는 고객이 계획한 공정 처리 용량에 가장 적합한 초음파 처리기를 제공할 수 있습니다. 오랜 경험을 갖춘 직원들이 타당성 시험과 공정 최적화부터 최종 생산 단계의 초음파 시스템 설치까지 지원합니다.
당사의 초음파 추출기는 설치 면적이 작고 다양한 방식으로 설치할 수 있어 공간이 협소한 펙틴 처리 시설에도 적합합니다. 초음파 처리기는 전 세계 식품, 의약품 및 영양 보충제 생산 시설에 설치되어 있습니다.

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

Hielscher Ultrasonics – 정교한 추출 장비

Hielscher Ultrasonics의 제품 포트폴리오는 소규모부터 대규모까지 고성능 초음파 추출기의 전 범위를 아우릅니다. 추가 액세서리를 사용하면 펙틴 추출 공정에 가장 적합한 초음파 장치 구성을 손쉽게 조립할 수 있습니다. 최적의 초음파 시스템 구성은 계획한 처리 용량, 부피, 원료, 배치 또는 인라인 공정 및 일정에 따라 달라집니다.

배치 및 인라인

Hielscher 초음파 처리기는 배치 처리와 연속 통과식 처리에 사용할 수 있습니다. 초음파 배치 처리는 공정 시험, 최적화 및 중소규모 생산에 이상적입니다. 대량의 펙틴을 생산할 때는 인라인 처리가 더 유리할 수 있습니다. 연속 인라인 혼합 공정에는 펌프, 호스 또는 배관, 탱크로 이루어진 정교한 시스템 구성이 필요하지만, 효율이 매우 높고 신속하며 필요한 노동력이 훨씬 적습니다. Hielscher Ultrasonics는 고객의 추출 부피와 공정 목표에 가장 적합한 추출 시스템 구성을 제공합니다.

모든 생산 용량에 맞는 초음파 추출기

Hielscher Ultrasonics의 제품군은 소형 실험실용 초음파 처리기부터 벤치탑 및 파일럿 시스템을 거쳐 시간당 트럭 여러 대 분량을 처리할 수 있는 본격적인 산업용 초음파 처리기까지 전 범위를 아우릅니다. 이러한 전체 제품군을 통해 펙틴 함유 원료, 공정 처리 용량 및 생산 목표에 가장 적합한 초음파 추출기를 제공할 수 있습니다.
초음파 벤치탑 시스템은 타당성 시험과 공정 최적화에 이상적입니다. 확립된 공정 매개변수를 기반으로 한 선형 규모 확장을 통해 소량 배치에서 본격적인 상업 생산까지 처리 용량을 매우 쉽게 늘릴 수 있습니다. 더 강력한 초음파 추출 장치를 설치하거나 여러 초음파 처리기를 병렬로 연결하여 규모를 확장할 수 있습니다. Hielscher는 UIP16000을 통해 세계에서 가장 강력한 초음파 추출기를 제공합니다.

최적의 결과를 위한 정밀한 진폭 제어

모든 Hielscher 초음파 처리기는 정밀하게 제어할 수 있어 생산 현장에서 신뢰할 수 있는 핵심 장비로 활약합니다. 진폭은 과일과 생물성 폐기물에서 펙틴을 초음파로 추출할 때 효율과 효과에 영향을 미치는 중요한 공정 매개변수 중 하나입니다.
모든 Hielscher 초음파 처리기는 진폭을 정밀하게 설정할 수 있습니다. 소노트로드와 부스터 혼은 더욱 넓은 범위에서 진폭을 조절할 수 있게 하는 액세서리입니다. Hielscher 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 구현하고 까다로운 응용 분야에 필요한 초음파 강도를 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다.
정밀한 진폭 설정과 스마트 소프트웨어를 통한 초음파 공정 매개변수의 상시 모니터링을 통해 가장 효과적인 초음파 조건으로 원료를 처리할 수 있습니다. 최상의 추출 결과를 위한 최적의 초음파 처리!
Hielscher 초음파 장비는 견고하여 고부하 조건과 까다로운 환경에서도 24/7 운전이 가능합니다. 따라서 Hielscher 초음파 장비는 고객의 추출 요구 사항을 충족하는 신뢰할 수 있는 작업 도구입니다.

간편하고 위험 부담 없는 시험

초음파 공정은 완전히 선형적으로 규모를 확장할 수 있습니다. 즉, 실험실용 또는 벤치탑 초음파 처리기로 얻은 모든 결과를 정확히 동일한 공정 매개변수를 사용하여 정확히 동일한 산출 결과를 얻도록 규모를 확장할 수 있습니다. 따라서 초음파 처리는 위험 부담 없는 타당성 시험, 공정 최적화 및 후속 상업 생산 도입에 이상적입니다. 초음파 처리를 통해 펙틴 추출물 생산을 어떻게 늘릴 수 있는지 알아보려면 문의해 주십시오.

최고 품질 – 독일에서 설계 및 제조

가족이 소유하고 운영하는 기업인 Hielscher는 초음파 프로세서에 최고 수준의 품질 기준을 최우선으로 적용합니다. 모든 초음파 장치는 독일 베를린 인근 텔토에 위치한 본사에서 설계 및 제조되며 철저한 시험을 거칩니다. Hielscher 초음파 장비의 견고함과 신뢰성은 생산 현장에서 든든한 일꾼 역할을 합니다. 전부하 및 까다로운 환경에서의 24/7 운전은 Hielscher 고성능 믹서의 기본적인 특성입니다.