Lielāks pektīna iznākums ar ultraskaņas ekstrakciju

Ultraskaņas ekstrakcija nodrošina augstu izcilas kvalitātes pektīnu iznākumu. Izmantojot apstrādi ar ultraskaņu, vērtīgus pektīnus var efektīvi iegūt no augļu atkritumiem (piemēram, sulu pārstrādes blakusproduktiem) un citām bioloģiskām izejvielām. Pektīna ekstrakcija ar ultraskaņu pārspēj citas ekstrakcijas metodes, nodrošinot lielāku iznākumu, augstāku pektīna kvalitāti un ātru ekstrakcijas procesu.

Intensificēta pektīna ekstrakcija, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu

Pektīnu izmanto kā recinātāju, emulgatoru un biezinātāju daudzos pārtikas produktos, kā arī kā kosmētikas un farmaceitisko preparātu sastāvdaļu. Tradicionālo rūpniecisko pektīna ekstrakciju veic ar karstā ūdens ekstrakcijas metodi, kurā izejvielas, piemēram, citrusaugļu mizas, ābolu izspaidas un citus augļu atkritumus, ilgstoši mērcē 60–100°C karstā ūdenī ar zemu pH (aptuveni pH 1,5 – 3,5). Tādēļ tradicionālā ekstrakcija ar karstu ūdeni ir laikietilpīgs un energoietilpīgs process, kas bieži pat nav pietiekami efektīvs, lai atbrīvotu visu izejvielās esošo pektīnu daudzumu.
Lai novērstu tradicionālās ražošanas metodes neefektivitāti, ultraskaņas ekstrakciju izmanto kā procesa intensificēšanas metodi, kas salīdzinājumā ar tradicionālo ekstrakciju ar karstu ūdeni saīsina ekstrakcijas laiku un ievērojami palielina pektīna iznākumu līdz maksimumam.

Pektīna ekstrakcijas ar ultraskaņu priekšrocība

Ultraskaņas ekstrakciju izmanto daudzās ekstraktu ražošanas jomās, piemēram, augu un ārstniecības augu ekstraktu iegūšanai pārtikai, uztura bagātinātājiem, farmaceitiskajiem preparātiem un kosmētikai. Īpaši spilgts ultraskaņas ekstrakcijas piemērs ir kanabidiola (CBD) un citu savienojumu ekstrakcija no kaņepju auga.
Ultraskaņas ekstrakcija ir netermiska ekstrakcijas metode, kas tādējādi pasargā bioaktīvos savienojumus no termiskas noārdīšanās. Visus ultraskaņas procesa parametrus, piemēram, amplitūdu, intensitāti, laiku, temperatūru un spiedienu, var precīzi kontrolēt. Tas ļauj precīzi kontrolēt procesu un kvalitāti, kā arī viegli atkārtot un reproducēt reiz iegūtos ekstrakcijas rezultātus. Ekstraktu ražotāji augstu vērtē apstrādi ar ultraskaņu tās uzticamās procesa atkārtojamības dēļ, kas palīdz standartizēt procesus un produktus.

 
Šeit atradīsiet iepriekš redzamajā video demonstrētās pektīna ekstrakcijas ar ultraskaņu no greipfrūtu mizām protokolu!
 

Attiecīgo procesa parametru noteikšana ļauj optimizēt ultraskaņas ekstrakcijas procesu, lai sasniegtu visaugstāko efektivitāti un izcilu ekstrakta kvalitāti.
Piemēram, izejvielas (piemēram, citrusaugļu mizu) daļiņu izmērs ir svarīgs faktors: mazāks daļiņu izmērs nozīmē lielāku virsmas laukumu, uz kuru var iedarboties ultraskaņas viļņi. Tādējādi mazs daļiņu izmērs nodrošina lielāku pektīna iznākumu, zemāku metilēšanas pakāpi un lielāku ramnogalakturonāna apgabalu īpatsvaru.
Ekstrakcijas šķīdinātāja (t. i., ūdens + skābe) pH vērtība ir vēl viens būtisks parametrs. Ekstrahējot pektīnu skābos apstākļos, daudzi polimēra sazarotie ramnogalakturonāna apgabali tiek noārdīti, tāpēc paliek galvenokārt homogalakturonāna “taisnie” apgabali ar dažām neitrālo cukuru molekulām, kas pievienotas galvenajai lineārajai ķēdei vai iekļautas tajā.
Pektīna ekstrakcija ar ultraskaņu saīsina ekstrakcijas laiku un pazemina nepieciešamo procesa temperatūru, tādējādi samazinot nevēlamas pektīna modifikācijas iespēju skābju iedarbībā. Tas ļauj izmantot skābes ierobežotos apstākļos, lai modificētu pektīnus precīzi atbilstoši produkta prasībām.

Kas padara pektīna ekstrakciju ar ultraskaņu tik efektīvu?

Ultraskaņas ekstrakcijas iedarbība tieši ietekmē šūnu sieniņu uzbriešanu, perforāciju un sabrukšanu. Ultraskaņas izraisītā masas pārnese veicina pektīnu saturošā materiāla hidratāciju vidusplātnītē, izraisot augu audu sairšanu. Ultraskaņas kavitācija un bīdes spēki tieši iedarbojas uz šūnu sieniņām un tās pārrauj. Šie mehānismi nodrošina ļoti efektīvus ultraskaņas ekstrakcijas rezultātus.

Ķīmiskā un FT-IR analīze parādīja, ka ar ultraskaņu ekstrahētajam pektīnam (arī pektīnam, kas ekstrahēts ar akustiskās kavitācijas palīdzību, saīsināti ACAE), kuram bija mazāka molekulmasa un zemāka metoksilēšanas pakāpe, bija lielāks ramnogalakturonāna-I reģiona ar garām sānu ķēdēm īpatsvars nekā ar tradicionālo termisko metodi ekstrahētajam pektīnam. Enerģijas patēriņš pektīna ultraskaņas ekstrakcijā bija ievērojami mazāks nekā tradicionālajā karsēšanas metodē, kas liecina par šīs metodes daudzsološu pielietojumu rūpnieciskās ražošanas mērogā.
(sal. Wang et al., 2017)
Wang un viņa kolēģi (2017) arī uzsver, ka ir pierādīts: ekstrakcija ar ultraskaņas palīdzību ir ekonomiskāks un videi draudzīgāks process ar augstāku efektivitāti un mazākām izmaksām salīdzinājumā ar tradicionālo ekstrakciju karsējot.
 

Atlikušo cukurbiešu graizījumu SEM attēli 1000x palielinājumā: (a) pirms ekstrakcijas un pēc pektīna ekstrakcijas, izmantojot (b) ksilanāzi (250 U/g), (c) celulāzi (300 U/g), (d) ksilanāzi+celulāzi (1:1), (e) ksilanāzi+celulāzi (1:1,5) un (f) ksilanāzi+celulāzi (1:2).
(pētījums un attēli: Abou-Elseoud et al., 2021)

Kā darbojas pektīna ultraskaņas ekstrakcija?

Ultraskaņas ekstrakcijas pamatā ir augstas intensitātes ultraskaņas sonomehāniskā iedarbība. Lai veicinātu un intensificētu pektīna ekstrakciju ar ultraskaņu, lielas jaudas ultraskaņas viļņi caur ultraskaņas zondi (sauktu arī par ultraskaņas ragu vai sonotrodi) tiek ievadīti šķidrajā vidē, proti, suspensijā, kas sastāv no pektīnu saturošās izejvielas un šķīdinātāja. Ultraskaņas viļņi izplatās šķidrumā un rada pamīšus zema un augsta spiediena ciklus. Zema spiediena ciklos veidojas sīki vakuuma burbulīši (tā sauktie kavitācijas burbulīši), kas vairāku spiediena ciklu laikā aug. Šajos burbulīšu augšanas ciklos šķidrumā izšķīdušās gāzes nonāk vakuuma burbulīšos, tādējādi vakuuma burbulīši pārvēršas augošos gāzes burbulīšos. Sasniedzot noteiktu izmēru, kad burbulīši vairs nespēj absorbēt enerģiju, tie augsta spiediena cikla laikā strauji sabrūk uz iekšu. Burbuļu sabrukšanu raksturo intensīvi kavitācijas spēki, tostarp ļoti augsta temperatūra un spiediens, kas sasniedz attiecīgi līdz 4000K un 1000atm, kā arī atbilstoši lielas temperatūras un spiediena starpības. Šī ultraskaņas radītā turbulence un bīdes spēki sagrauj augu šūnas un atbrīvo šūnās esošos pektīnus šķīdinātājā uz ūdens bāzes. Tā kā ultraskaņas kavitācija rada ļoti intensīvu masas pārnesi, apstrāde ar ultraskaņu nodrošina ārkārtīgi lielu iznākumu ļoti īsā apstrādes laikā.
Apstrādi ar ultraskaņu izmanto ne tikai pektīna ekstrakcijai, bet arī polifenolu izolēšanai no augļu izspaidām, mīkstuma, mizām un sēklām. Lasiet vairāk šeit!

Ultraskaņas ekstrakcija no augu šūnām: mikroskopiskais šķērsgriezums (TS) parāda iedarbības mehānismu ultraskaņas ekstrakcijas laikā no šūnām (palielinājums 2000x) [avots: Vilkhu et al. 2011]

No augļu atkritumiem ekstrahēti pektīni

Augļu atkritumi, piemēram, mizas, augļu mīkstuma atliekas (pēc augļu sulas izspiešanas) un citi augļu pārstrādes blakusprodukti, bieži ir bagātīgi pektīna avoti. Lai gan augļu atkritumus bieži izmanto dzīvnieku barībai, pektīna ekstrakcija ir vērtīgāks augļu atkritumu izmantošanas veids.
Pektīna ultraskaņas ekstrakciju jau veiksmīgi veic no citrusaugļu (piemēram, apelsīnu, mandarīnu un greipfrūtu) mizām, meloņu mizām, ābolu izspaidām, cukurbiešu graizījumiem, mango mizām, tomātu atkritumiem, kā arī džekfrūta, pasifloras augļu un vīģu mizām un citām izejvielām.

Pektīna ultraskaņas ekstrakcijas gadījumu izpēte

Tā kā tradicionālajai pektīna ekstrakcijai ar karsēšanu ir trūkumi, pētniecībā un rūpniecībā jau ir pētītas inovatīvas alternatīvas, piemēram, ekstrakcija ar ultraskaņu. Tādēļ ir pieejama plaša informācija par dažādu izejvielu apstrādes parametriem, kā arī procesa optimizācijas dati.

Pektīna ekstrakcija no ābolu izspaidām ar ultraskaņu

Dranca un Oroian (2019) pētīja pektīna ekstrakciju no ābolu izspaidām ar ultraskaņas palīdzību, izmantojot dažādus ultraskaņas apstrādes apstākļus un Boksa–Bēnkena atbildes virsmas eksperimentu plānu. Viņi konstatēja, ka ultraskaņas amplitūda būtiski ietekmē ekstrahētā pektīna iznākumu un esterifikācijas pakāpi, savukārt ekstrakcijas pH būtiski ietekmēja visus trīs atbildes rādītājus, proti, iznākumu, GalA saturu un esterifikācijas pakāpi. Optimālie ekstrakcijas apstākļi bija 100% amplitūda, pH 1,8, cietās un šķidrās fāzes attiecība 1:10 g/mL un 30 min ilga apstrāde ar ultraskaņu. Šajos apstākļos pektīna iznākums bija 9,183%, GalA saturs bija 98,127 g/100 g un esterifikācijas pakāpe bija 83,202%. Lai salīdzinātu ar ultraskaņu ekstrahētā pektīna rezultātus ar komerciālo pektīnu, optimālos apstākļos ar ultraskaņu ekstrahētais pektīna paraugs tika salīdzināts ar komerciāliem citrusaugļu un ābolu pektīna paraugiem, izmantojot FT-IR, DSC, reoloģisko analīzi un SEM. Pirmās divas metodes izcēla dažas ar ultraskaņu ekstrahētā pektīna parauga īpatnības, piemēram, šaurāku molekulmasas sadalījuma diapazonu, sakārtotu molekulu izvietojumu un augstu esterifikācijas pakāpi, kas bija līdzīga komerciāli pieejamo ābolu pektīnu esterifikācijas pakāpei. Ar ultraskaņu iegūtā parauga morfoloģisko īpašību analīze norāda uz saistības modeli starp šā parauga fragmentu izmēru sadalījumu un GalA saturu, no vienas puses, un ūdens uzņemšanas spēju, no otras puses. Ar ultraskaņu ekstrahētā pektīna šķīduma viskozitāte bija daudz augstāka nekā šķīdumiem, kas pagatavoti no komerciālā pektīna, iespējams, augstās galakturonskābes koncentrācijas dēļ. Ņemot vērā arī augsto esterifikācijas pakāpi, tas varētu izskaidrot, kādēļ ar ultraskaņu ekstrahētā pektīna viskozitāte bija augstāka. Pētnieki secina, ka no Malus domestica ‘Fălticeni’ ābolu izspaidām ar ultraskaņu ekstrahētā pektīna tīrība, struktūra un reoloģiskās īpašības liecina par perspektīvām šīs šķīstošās šķiedrvielas izmantošanas iespējām. (sal. Dranca & Oroian 2019)

Augstas veiktspējas ultraskaņas ekstraktors pektīna ražošanai

Ekstrakcija ar ultraskaņu ir uzticama apstrādes tehnoloģija, kas atvieglo un paātrina augstas kvalitātes pektīnu ražošanu no dažādām izejvielām, piemēram, citrusaugļu blakusproduktiem un mizām, ābolu izspaidām un daudzām citām. Hielscher Ultrasonics piedāvājums aptver pilnu klāstu no kompaktām laboratorijas ultraskaņas ierīcēm līdz rūpnieciskām ekstrakcijas sistēmām. Tādēļ mēs, Hielscher, varam piedāvāt jums vispiemērotāko ultraskaņas ierīci jūsu paredzētajai procesa jaudai. Mūsu darbinieki ar ilggadēju pieredzi palīdzēs jums visos posmos – no tehniskās īstenojamības pārbaudēm un procesa optimizācijas līdz ultraskaņas sistēmas uzstādīšanai galīgajā ražošanas mērogā.
Mūsu ultraskaņas ekstraktoru nelielā aizņemtā platība un daudzveidīgās uzstādīšanas iespējas ļauj tos izvietot pat nelielās pektīna pārstrādes telpās. Ultraskaņas procesori ir uzstādīti pārtikas, farmaceitisko produktu un uztura bagātinātāju ražotnēs visā pasaulē.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:

Hielscher Ultrasonics – modernas ekstrakcijas iekārtas

Hielscher Ultrasonics produktu klāsts aptver visu augstas veiktspējas ultraskaņas ekstraktoru diapazonu – no maza līdz lielam mērogam. Papildu piederumi ļauj viegli izveidot jūsu pektīna ekstrakcijas procesam vispiemērotāko ultraskaņas ierīces konfigurāciju. Optimālā ultraskaņas iekārtas konfigurācija ir atkarīga no paredzētās ražības, tilpuma, izejvielas, periodiskā vai plūsmas procesa un laika grafika.

Periodiskā apstrāde un apstrāde plūsmā

Hielscher ultraskaņas ierīces var izmantot periodiskai apstrādei un nepārtrauktai caurplūdes apstrādei. Periodiskā apstrāde ar ultraskaņu ir ideāli piemērota procesa pārbaudēm, optimizācijai un maza līdz vidēja mēroga ražošanai. Lielu pektīna apjomu ražošanai apstrāde plūsmā varētu būt izdevīgāka. Nepārtrauktam sajaukšanas procesam plūsmā ir nepieciešama sarežģīta iekārtu konfigurācija – sūknis, šļūtenes vai caurules un tvertnes –, taču tas ir ļoti efektīvs, ātrs un prasa ievērojami mazāk darbaspēka. Hielscher Ultrasonics piedāvā jūsu ekstrakcijas apjomam un procesa mērķiem vispiemērotāko ekstrakcijas iekārtu konfigurāciju.

Ultraskaņas ekstraktori jebkurai ražošanas jaudai

Hielscher Ultrasonics produktu klāsts aptver visu ultraskaņas procesoru spektru – no kompaktām laboratorijas ultraskaņas ierīcēm līdz galda un pilotiekārtām un pilnībā rūpnieciskiem ultraskaņas procesoriem, kas stundā spēj apstrādāt kravas automašīnu kravu apjomus. Pilnais produktu klāsts ļauj mums piedāvāt jūsu pektīnu saturošajai izejvielai, procesa ražībai un ražošanas mērķiem vispiemērotāko ultraskaņas ekstraktoru.
Galda ultraskaņas sistēmas ir ideāli piemērotas īstenojamības pārbaudēm un procesa optimizācijai. Lineāra mēroga palielināšana, pamatojoties uz noteiktiem procesa parametriem, ļauj ļoti viegli palielināt apstrādes jaudu no mazām partijām līdz pilna mēroga komerciālai ražošanai. Mērogu var palielināt, uzstādot jaudīgāku ultraskaņas ekstraktoru vai paralēli apvienojot vairākas ultraskaņas ierīces. Ar UIP16000 Hielscher piedāvā pasaulē jaudīgāko ultraskaņas ekstraktoru.

Precīzi regulējamas amplitūdas optimāliem rezultātiem

Visas Hielscher ultraskaņas ierīces ir precīzi regulējamas un tādējādi ir uzticami darba rīki ražošanā. Amplitūda ir viens no būtiskākajiem procesa parametriem, kas ietekmē pektīna ultraskaņas ekstrakcijas efektivitāti un rezultativitāti, ekstrahējot to no augļiem un bioloģiskajiem atkritumiem.
Visas Hielscher ultraskaņas ierīces ļauj precīzi iestatīt amplitūdu. Sonotrodes un amplitūdas pastiprinātāji ir piederumi, kas ļauj mainīt amplitūdu vēl plašākā diapazonā. Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori spēj nodrošināt ļoti lielas amplitūdas un prasīgiem lietojumiem nepieciešamo ultraskaņas intensitāti. Amplitūdas līdz pat 200µm var viegli uzturēt nepārtrauktā 24/7 darbības režīmā.
Precīzi amplitūdas iestatījumi un pastāvīga ultraskaņas procesa parametru uzraudzība ar viedas programmatūras palīdzību ļauj apstrādāt jūsu izejvielu visefektīvākajos ultraskaņas apstākļos. Optimāla apstrāde ar ultraskaņu vislabākajiem ekstrakcijas rezultātiem!
Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj darboties 24/7 režīmā ar lielu slodzi un prasīgos vides apstākļos. Tas padara Hielscher ultraskaņas iekārtas par uzticamu darba rīku, kas atbilst jūsu ekstrakcijas prasībām.

Vienkāršas pārbaudes bez riska

Ultraskaņas procesu mērogu var palielināt pilnīgi lineāri. Tas nozīmē, ka jebkuru rezultātu, ko esat sasnieguši ar laboratorijas vai galda ultraskaņas ierīci, var pārnest lielākā mērogā, iegūstot tieši tādu pašu rezultātu un izmantojot tieši tos pašus procesa parametrus. Tas padara apstrādi ar ultraskaņu ideāli piemērotu īstenojamības pārbaudēm bez riska, procesa optimizācijai un turpmākai ieviešanai komerciālā ražošanā. Sazinieties ar mums, lai uzzinātu, kā apstrāde ar ultraskaņu var palielināt jūsu pektīna ekstrakta ražošanas apjomu.

Visaugstākā kvalitāte – projektēts un ražots Vācijā

Hielscher ir ģimenes īpašumā esošs un ģimenes vadīts uzņēmums, kas saviem ultraskaņas procesoriem izvirza visaugstākos kvalitātes standartus. Visas ultraskaņas ierīces tiek projektētas, ražotas un rūpīgi pārbaudītas mūsu galvenajā mītnē Teltovā netālu no Berlīnes, Vācijā. Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība un uzticamība padara tās par neaizstājamām darba iekārtām jūsu ražošanā. Darbība 24/7 ar pilnu slodzi un sarežģītos vides apstākļos ir Hielscher augstas veiktspējas maisītāju dabiska īpašība.