Higher Pectin Yields with Ultrasonic Extraction

초음파 추출은 우수한 품질의 펙틴을 높은 수율로 가져옵니다. 초음파 처리를 사용하면 과일 폐기물 (예 : 주스 가공의 부산물) 및 기타 생물학적 원료로부터 귀중한 펙틴을 효율적으로 생산할 수 있습니다. 초음파 펙틴 추출은 더 높은 수율을 생성하고 우수한 펙틴 품질 및 신속한 추출 절차를 제공함으로써 다른 추출 기술을 능가합니다.

초음파 처리에 의한 강화 된 펙틴 추출

펙틴은 수많은 식품의 겔화, 유화 및 증점제로 사용되며 화장품 및 의약품의 성분으로도 사용됩니다. 기존의 산업용 펙틴 추출은 감귤류 껍질, 사과 찌꺼기 및 기타 과일 폐기물과 같은 원료를 낮은 pH (약 pH 1.5 – 3.5)의 60-100°C 온수에 장기간 담그는 뜨거운 물 추출을 통해 수행됩니다. 이로 인해 기존의 온수 추출은 시간과 에너지가 많이 소요되는 공정으로 바뀌며, 원료에서 사용할 수 있는 펙틴의 전체 양을 방출할 만큼 충분히 효율적이지 않은 경우가 많습니다.
기존 생산 방식의 비효율성을 극복하기 위해 초음파 추출은 기존의 온수 추출법과 비교하여 추출 시간을 단축하고 펙틴 수율을 크게 극대화하는 공정 강화 기법으로 적용되고 있습니다.

초음파 펙틴 추출의 장점

초음파 추출은 식품, 보충제, 의약품 및 화장품용 식물 및 허브 추출물과 같은 추출물 생산의 많은 분야에 적용됩니다. 초음파 추출의 매우 두드러진 예는 대마초 식물에서 칸 나비 디올 (CBD) 및 기타 화합물을 추출하는 것입니다.
초음파 적출은 열 강직에 대하여 bioactive 화합물을 그로 인하여 방지하는 비열 적출 기술이다. 진폭, 강도, 시간, 온도 및 압력과 같은 모든 초음파 공정 매개 변수를 정확하게 제어 할 수 있습니다. 이를 통해 정밀한 공정 및 품질 관리가 가능하며 얻은 추출 결과를 쉽게 반복하고 재현할 수 있습니다. 추출물 생산자는 공정 및 제품을 표준화하는 데 도움이되는 신뢰할 수있는 공정 반복성을 위해 초음파를 중요하게 생각합니다.

 
위 비디오에서 보여준 자몽 껍질에서 초음파 펙틴 추출을 위한 프로토콜을 찾으십시오!
 

관련 공정 매개변수의 결정은 초음파 추출 공정을 최고의 효율성과 우수한 추출 품질로 최적화할 수 있도록 합니다.
예를 들어, 원료 (예 : 감귤류 껍질)의 입자 크기는 중요한 요소입니다 : 입자 크기가 작다는 것은 초음파가 작용할 표면적이 더 높다는 것을 의미합니다. 작은 입자 크기는 그로 인하여 더 높은 펙틴 수율, 더 낮은 메틸화 정도 및 더 큰 rhamnogalacturonan 지역의 더 큰 비율을 초래합니다.
추출 용매의 pH 값(즉, 물 + 산)은 또 다른 필수 파라미터입니다. 펙틴이 산성 조건에서 추출될 때, 중합체의 많은 람노갈락투로난 분지 영역이 분해되어 주요 선형 사슬 위에 또는 주 선형 사슬에 부착된 몇 개의 중성 당 분자가 있는 주로 호모갈락투로난 "직선" 영역이 남아 있습니다.
초음파 펙틴 추출은 추출 시간을 단축하고 필요한 공정 온도를 낮추어 산에 의한 원치 않는 펙틴 변형 가능성을 줄입니다. 이를 통해 제한된 조건에서 산을 사용하여 펙틴을 제품 요구 사항에 맞게 정확하게 수정할 수 있습니다.

초음파 펙틴 추출이 그렇게 효율적인 이유는 무엇입니까?

초음파 추출의 영향은 세포벽의 팽창, 천공 및 파손에 직접적인 영향을 미칩니다. 초음파로 유도 된 질량 전달은 중간 라멜라에서 가슴 물질의 수화를 일으켜 식물 조직의 분열을 유발합니다. 초음파 캐비테이션과 전단력은 세포벽에 직접 충격을 가하여 세포벽을 파괴합니다. 이러한 메커니즘은 초음파 추출의 매우 효율적인 결과를 초래합니다.

분자량과 메톡실화 정도가 더 낮은 초음파 추출 펙틴(또한 음향 캐비테이션 보조 추출 펙틴, 약칭 ACAE)은 화학 및 FT-IR 분석에서 기존의 열 추출 펙틴에 비해 긴 곁사슬을 가진 람노갈락투로난-I 영역에서 더 풍부했습니다. ulgtrasonic 펙틴 적출을 위한 에너지 소비는 공업 생산 가늠자를 위한 그것의 유망한 신청을 나타내는 전통적인 난방 방법 보다는 현저하게 더 낮았습니다.
(Wang et al., 2017 참조)
Wang과 그의 동료들 (2017)은 또한 초음파 보조 추출이 기존의 가열 추출에 비해 효율성이 높고 비용이 적게 드는 경제적이고 환경 친화적 인 공정으로 입증되었음을 뒷받침합니다.
 

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

초음파 펙틴 추출은 어떻게 작동합니까?

초음파 추출은 고강도 초음파의 초음파 역학적 효과를 기반으로합니다. 초음파를 통해 펙틴 추출을 촉진하고 강화하기 위해 고출력 초음파는 초음파 프로브 (초음파 혼 또는 소노 트로드라고도 함)를 통해 액체 매체, 즉 펙틴 함유 원료와 용매로 구성된 슬러리로 결합됩니다. 초음파는 액체를 통해 이동하여 교대로 저압/고압 사이클을 생성합니다. 저압 사이클 중에는 미세한 진공 기포(소위 캐비테이션 기포)가 생성되며, 이는 여러 압력 주기에 걸쳐 성장합니다. 이러한 기포 성장 주기 동안 액체에 용해된 가스는 진공 기포로 들어가 진공 기포가 성장하는 기포로 변형됩니다. 특정 크기에서 기포가 더 많은 에너지를 흡수할 수 없을 때 고압 사이클 동안 격렬하게 파열됩니다. 기포 내파는 각각 최대 4000K 및 1000atm에 이르는 매우 높은 온도와 압력을 포함한 강렬한 캐비테이션 힘이 특징입니다. 뿐만 아니라 해당 고온 및 압력 차이. 이러한 초음파로 생성된 난류와 전단력은 식물 세포를 파괴하고 세포 내 펙틴을 수성 용매로 방출합니다. 초음파 캐비테이션은 매우 강렬한 질량 전달을 생성하기 때문에 초음파 처리는 매우 짧은 처리 시간 내에 매우 높은 수율을 제공합니다.

식물 세포에서 초음파 추출: 현미경 횡단면(TS)은 세포에서 초음파 추출 중 작용 메커니즘을 보여줍니다(배율 2000x) [리소스: Vilkhu et al. 2011]

과일 폐기물에서 추출한 펙틴

껍질, 과일 과육 잔류물(과일 주스 압착 후) 및 기타 과일 부산물과 같은 과일 폐기물은 종종 펙틴이 풍부한 공급원입니다. 과일 폐기물은 종종 동물 사료로 사용되지만 펙틴 추출은 과일 폐기물의 더 가치있는 용도입니다.
초음파 펙틴 추출은 이미 감귤류 껍질 (예 : 오렌지, 귤, 자몽), 멜론 껍질, 사과 찌꺼기, 사탕무 펄프, 망고 껍질, 토마토 폐기물, 잭 프루트, 패션 프루트, 무화과 껍질로 성공적으로 수행되었습니다.

초음파 펙틴 추출의 사례 연구

기존의 열에 의한 펙틴 추출의 단점으로 인해 연구 및 산업계는 이미 초음파 추출과 같은 혁신적인 대안을 조사했습니다. 따라서 다양한 원료에 대한 공정 매개변수에 대한 많은 정보와 공정 최적화 데이터를 사용할 수 있습니다.

Apple Pomace에서 Pectin의 초음파 추출

Dranca와 Oroian(2019)은 다양한 초음파 조건을 적용하고 Box-Behnken 반응 표면 설계를 사용하여 사과 찌꺼기에서 펙틴의 초음파 보조 추출 과정을 조사했습니다. 그들은 초음파 진폭이 추출된 펙틴의 수율과 에스테르화 정도에 큰 영향을 미치는 반면, 추출 pH는 수율, GalA 함량 및 에스테르화 정도의 세 가지 반응 모두에 큰 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 추출을위한 최적의 조건은 100 % 진폭, pH 1.8, 고체-액체 비율 1 : 10g / mL 및 30 분 초음파 처리였습니다. 이러한 조건에서 펙틴 수율은 9.183%였으며 98.127g/100g GalA 함량 및 83.202%의 에스테르화 정도를 가졌습니다. 초음파로 추출한 펙틴과 상업용 펙틴의 관계를 설정하기 위해 최적의 조건에서 초음파 추출로 얻은 펙틴 샘플을 FT-IR, DSC, 유변학적 분석 및 SEM에 의해 상업용 감귤류 및 사과 펙틴 샘플과 비교했습니다. 처음 두 가지 기술은 분자량의 더 좁은 분포 범위, 질서 정연한 분자 배열 및 상업적으로 이용 가능한 사과 펙틴과 유사한 높은 에스테르 화와 같은 초음파 추출로 추출한 펙틴 샘플의 몇 가지 특성을 강조했습니다. 초음파로 얻은 샘플의 형태 학적 특성 분석은이 샘플의 단편 크기와 한쪽의 GalA 함량 분포와 다른 쪽의 물 흡수 용량 사이의 측정 패턴을 나타냅니다. 초음파로 추출 된 펙틴 용액의 점도는 상업용 펙틴을 사용하여 만든 용액의 점도보다 훨씬 높았는데, 이는 아마도 고농도의 갈락 투론 산 때문일 수 있습니다. 또한 높은 수준의 에스테르화를 고려할 때, 이는 초음파로 추출된 펙틴의 점도가 더 높은 이유를 설명할 수 있습니다. 연구진은 Malus domestica 'Fălticeni' 사과 찌꺼기에서 초음파 추출로 추출한 펙틴의 순도, 구조 및 유변학적 거동이 이 수용성 섬유의 유망한 응용 분야를 나타낸다고 결론지었습니다. (참조: 드란카 & 오로이안 2019)

펙틴 생산을 위한 고성능 초음파 추출기

초음파 추출은 감귤류 과일 부산물 및 껍질, 사과 찌꺼기 등과 같은 고품질 펙틴 다양한 원료의 생산을 촉진하고 가속화하는 신뢰할 수 있는 가공 기술입니다. Hielscher 초음파 포트폴리오는 소형 실험실 초음파에서 산업용 추출 시스템에 이르기까지 모든 범위를 포괄합니다. 따라서 Hielscher는 예상되는 공정 용량에 가장 적합한 초음파를 제공 할 수 있습니다. 오랜 시간 경험이 풍부한 당사의 직원이 타당성 테스트 및 공정 최적화에서 최종 생산 수준의 초음파 시스템 설치에 이르기까지 도움을 드릴 것입니다.
당사의 초음파 추출기의 작은 발자국과 설치 옵션의 다양성으로 인해 작은 공간의 펙틴 처리 시설에도 적합합니다. 초음파 프로세서는 전 세계적으로 식품, 제약 및 영양 보충제 생산 시설에 설치되어 있습니다.

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.