Ultrasone extractie resulteert in een hoge opbrengst aan pectines van superieure kwaliteit. Met behulp van sonicatie kunnen waardevolle pectines efficiënt worden geproduceerd uit fruitafval (bijv. bijproducten van de sapverwerking) en andere biologische grondstoffen. Ultrasone pectine extractie blinkt uit in andere extractietechnieken door een hogere opbrengst, waardoor de pectine van superieure kwaliteit is, en door een snelle extractieprocedure.

Intensieve Pectine Extractie door Sonication

Pectine wordt gebruikt als geleer-, emulgeer- en verdikkingsmiddel in talrijke levensmiddelen en als ingrediënt in cosmetica en geneesmiddelen. Conventionele industriële pectine-extractie gebeurt via heetwaterextractie, waarbij de grondstof, zoals citrusschillen, appeldroesem en ander fruitafval, gedurende lange tijd wordt geweekt in heet water van 60-100°C bij een lage pH (ongeveer pH 1,5 - 3,5). Dit maakt van conventionele heetwaterextractie een tijd- en energieverslindend proces, dat vaak niet eens efficiënt genoeg is om de volledige hoeveelheid pectines in de grondstof vrij te maken.
Om de inefficiëntie van de conventionele productiemethode te overwinnen, wordt ultrasone extractie toegepast als een procesintensieve techniek die de extractietijd verkort en de pectineopbrengst aanzienlijk maximaliseert in vergelijking met de traditionele warmwaterextractie.

Het voordeel van Ultrasone Pectine Extractie

Ultrasone extractie wordt toegepast op vele gebieden van de productie van extracten, bijvoorbeeld botanische en kruidenextracten voor voedingsmiddelen, supplementen, farmaceutica en cosmetica. Een zeer prominent voorbeeld van ultrasone extractie is de extractie van cannabidiol (CBD) en andere verbindingen uit de cannabisplant.
Ultrasone extractie is een niet-thermische extractietechniek, waardoor de bioactieve verbindingen tegen thermische degradatie worden verhinderd. Alle ultrasone procesparameters, zoals amplitude, intensiteit, tijd, temperatuur en druk, kunnen exact worden geregeld. Dit maakt een nauwkeurige proces- en kwaliteitscontrole mogelijk en maakt het eenvoudig om eenmaal verkregen extractieresultaten te herhalen en te reproduceren. Producenten van extracten hechten waarde aan ultrasone technieken voor een betrouwbare procesherhaalbaarheid, wat bijdraagt aan de standaardisatie van processen en producten.

De bepaling van relevante procesparameters maakt het mogelijk om het ultrasone extractieproces te optimaliseren tot de hoogste efficiëntie en superieure extractiekwaliteit.
Zo is de deeltjesgrootte van de grondstof (bijvoorbeeld citrusschillen) een belangrijke factor: Een kleinere deeltjesgrootte betekent een groter oppervlak waarop de ultrasone golven kunnen inwerken. Een kleine deeltjesgrootte resulteert daardoor in een hogere pectineopbrengst, een lagere methyleringsgraad en een groter aandeel rhamnogalacturonangebieden.
De pH-waarde van het extractiemiddel (d.w.z. water + zuur) is een andere essentiële parameter. Wanneer pectine onder zure omstandigheden wordt geëxtraheerd, worden veel rhamnogalacturonan vertakte gebieden van het polymeer afgebroken, zodat voornamelijk homogalacturonan "rechte" gebieden overblijven met enkele neutrale suikermoleculen die aan of in de lineaire hoofdketen vastzitten.
Ultrasone pectine-extractie verkort de extractietijd en verlaagt de vereiste procestemperatuur, waardoor de kans op ongewenste pectinemodificatie door zuren afneemt. Dit maakt het mogelijk om zuren onder beperkte omstandigheden te gebruiken om pectines precies aan te passen aan de eisen van het product.

Wat maakt de Ultrasone Pectine Extractie zo efficiënt?

De impact van ultrasone extractie heeft een directe invloed op de zwelling, de perforatie en de breuk van de celwanden. Ultrasonisch geïnduceerde massatransfer veroorzaakt de hydratatie van pectineus materiaal in de middelste lamel, wat leidt tot het uiteenvallen van de plantaardige weefsels. Ultrasone cavitatie en schuifkrachten hebben een directe invloed op de celwanden en breken deze open. Deze mechanismen resulteren in de zeer efficiënte resultaten van ultrasone extractie.

Ultrasoon geëxtraheerde pectine (ook acoustic cavitation assisted extracted pectin, afgekort ACAE) met een lager moleculair gewicht en een lagere mate van methoxylering was rijker aan rhamnogalacturonan-I regio met lange zijketens in vergelijking met conventioneel door warmte geëxtraheerde pectine op basis van chemische en FT-IR analyse. Het energieverbruik voor ultrasone pectine-extractie was aanzienlijk lager dan de conventionele verwarmingsmethode, wat wijst op de veelbelovende toepassing ervan voor industriële productieschaal.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang en zijn collega's (2017) onderstrepen ook dat bewezen is dat ultrasoon ondersteunde extractie een economischer en milieuvriendelijker proces is met een hogere efficiëntie en minder kosten in vergelijking met conventionele verwarmingsextractie.
 

SEM van resterende suikerbietenpulp bij 1000x vergroting: (a) vóór extractie, en na extractie van pectine met (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), en (e) Xylanasae+Cellulase (1:1,5), en (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(studie en beelden: Abou-Elseoud et al., 2021)

Hoe werkt Ultrasone Pectine Extractie?

Ultrasone extractie is gebaseerd op de sonomechanische effecten van ultrageluid met hoge intensiteit. Om de pectine-extractie via ultrasoon te bevorderen en te intensiveren, worden krachtige ultrasone golven via een ultrasone sonde (ook wel ultrasone hoorn of sonotrode genoemd) in het vloeibare medium, d.w.z. de slurry die bestaat uit de pectine-houdende grondstof en het oplosmiddel, gekoppeld. De ultrasone golven gaan door de vloeistof heen en creëren afwisselend lagedruk-/hogedrukcycli. Tijdens lagedrukcycli ontstaan minieme vacuümbellen (zogenaamde cavitatiebellen), die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens die cycli van de groei van de luchtbellen komen de opgeloste gassen in de vloeistof in de vacuümbel terecht, zodat de vacuümbel verandert in groeiende gasbellen. Bij een bepaalde grootte, wanneer de luchtbellen niet meer energie kunnen opnemen, imploderen ze heftig tijdens een hogedrukcyclus. De implosie van de luchtbel wordt gekenmerkt door intense cavitatiekrachten, waaronder zeer hoge temperatuur- en drukverschillen tot respectievelijk 4000K en 1000atm; evenals overeenkomstige hoge temperatuur- en drukverschillen. Deze ultrasoon opgewekte turbulenties en schuifkrachten breken de plantencellen op en geven de intracellulaire pectines vrij in het oplosmiddel op waterbasis. Aangezien ultrasone cavitatie zorgt voor een zeer intensieve massatransfer, resulteert sonicatie in een uitzonderlijk hoge opbrengst binnen een zeer korte verwerkingstijd.

Ultrasone extractie uit plantencellen: de microscopische dwarsdoorsnede (TS) toont het werkingsmechanisme bij ultrasone extractie uit cellen (vergroting 2000x) [bron: Vilkhu et al. 2011].

Pectines uit fruitafval

Fruitafval zoals schillen, fruitpulpresten (na het persen van vruchtensap) en andere bijproducten van fruit zijn vaak rijke pectinebronnen. Terwijl fruitafvalproducten vaak worden gebruikt als diervoeder, is pectine-extractie een waardevoller gebruik van fruitafval.
Ultrasone pectine-extractie wordt reeds met succes toegepast op schillen van citrusvruchten (zoals sinaasappelen, mandarijnen, grapefruit), meloenschillen, appeldroesem, suikerbietenpulp, mangoschillen, tomatenafval, alsmede schillen van onder meer jackfruit, passievruchten en vijgen.

Casestudies van ultrasone pectine extractie

Vanwege de nadelen van conventionele pectine-extractie door middel van warmte, hebben onderzoek en industrie al innovatieve alternatieven onderzocht, zoals ultrasone extractie. Daarbij is veel informatie beschikbaar over procesparameters voor verschillende grondstoffen en procesoptimalisatiegegevens.

Ultrasone extractie van Pectine uit Apple Pomace

Dranca en Oroian (2019) onderzochten het ultrasoon geassisteerde extractieproces van pectine uit appeldroesem, waarbij ze verschillende ultrasone condities toepasten en gebruik maakten van het Box-Behnken responsoppervlak. Ze ontdekten dat de ultrasone amplitude de opbrengst en de mate van verestering van de geëxtraheerde pectine sterk beïnvloedt, terwijl de extractie-pH een grote invloed had op alle drie de reacties, namelijk de opbrengst, het GalA-gehalte en de mate van verestering. De optimale omstandigheden voor de extractie waren 100% amplitude, pH van 1,8, vaste-vloeistofverhouding van 1:10 g/mL, en 30 min. sonisch. Onder deze omstandigheden was de pectineopbrengst 9,183% en had een 98,127 g/100 g GalA gehalte en 83,202% veresteringsgraad. Om de resultaten van ultrasoon geëxtraheerde pectine in relatie tot commerciële pectine in te stellen, werden pectinemonsters verkregen door ultrasone extractie onder optimale omstandigheden vergeleken met commerciële citrus- en appel-pectinemonsters door FT-IR, DSC, reologische analyse en SEM. De eerste twee technieken hebben enkele bijzonderheden van het pectinemonster dat met ultrasone extractie is geëxtraheerd aan het licht gebracht, zoals het smallere verspreidingsgebied van het molecuulgewicht, de geordende moleculaire rangschikking en de hoge mate van verestering die vergelijkbaar is met die van in de handel verkrijgbare appel-pectines. De analyse van de morfologische kenmerken van het ultrasoon verkregen monster geeft een bepalingspatroon aan tussen de verdeling van het fragment van dit monster en het GalA-gehalte aan de ene kant en de wateropnamecapaciteit aan de andere kant. De viscositeit van de ultrasoon geëxtraheerde pectineoplossing was veel hoger dan die van de oplossingen die gemaakt zijn met behulp van commerciële pectine, wat wellicht te wijten is aan de hoge concentratie galacturonzuur. Wanneer ook rekening wordt gehouden met de hoge mate van verestering, zou dit kunnen verklaren waarom de viscositeit hoger was voor de ultrasoon geëxtraheerde pectine. De onderzoekers concluderen dat de zuiverheid, de structuur en het reologische gedrag van de pectine die door ultrasone extractie uit Malus domestica 'Fălticeni' appelpulp wordt geëxtraheerd, wijst op veelbelovende toepassingen van deze oplosbare vezel. (Zie Dranca & Oroian 2019)

Hoogwaardige ultrasone afzuiginstallatie voor de productie van pectine

Ultrasone extractie is een betrouwbare verwerkingstechniek, die de productie van hoogwaardige pectines diverse grondstoffen zoals bijproducten en schillen van citrusvruchten, appeldroesem en vele andere vergemakkelijkt en versnelt. Het Hielscher Ultrasonics portfolio omvat het volledige scala van compacte laboratorium ultrasoonsystemen tot industriële extractiesystemen. Hierdoor kunnen wij u bij Hielscher de meest geschikte ultrasonicator voor uw beoogde procescapaciteit aanbieden. Onze ervaren medewerkers begeleiden u van haalbaarheidstesten en procesoptimalisatie tot en met de installatie van uw ultrasoonsysteem op het uiteindelijke productieniveau.
De kleine voetafdruk van onze ultrasone afzuiginstallaties en hun veelzijdigheid aan installatiemogelijkheden maken dat ze zelfs in kleinschalige pectineverwerkingsinstallaties passen. Ultrasone processoren worden wereldwijd geïnstalleerd in productie-installaties voor voedingsmiddelen, farmaceutica en voedingssupplementen.

Hielscher Ultrasonics – Geavanceerde extractie-apparatuur

Het Hielscher Ultrasonics productportfolio omvat het volledige scala aan hoogwaardige ultrasone afzuiginstallaties van klein tot groot. Extra accessoires maken het mogelijk om eenvoudig de meest geschikte ultrasone apparaatconfiguratie voor uw pectineafzuigproces samen te stellen. De optimale ultrasone opstelling is afhankelijk van de beoogde capaciteit, het volume, de grondstof, het batch- of inline-proces en de tijdslijn.

Batch en Inline

Hielscher ultrasonicatoren kunnen worden gebruikt voor batch- en continue doorstroomverwerking. Ultrasone batchverwerking is ideaal voor procestesten, optimalisatie en kleine tot middelgrote productie. Voor het produceren van grote hoeveelheden pectine kan inline-verwerking voordeliger zijn. Een continu inline mengproces vereist een geavanceerde opstelling – bestaande uit een pomp, slangen of leidingen en tanks - maar het is zeer efficiënt, snel en vergt aanzienlijk minder arbeid. Hielscher Ultrasonics heeft de meest geschikte afzuiginstallatie voor uw afzuigvolume en procesdoelen.

Ultrasone afzuiginstallaties voor elke productcapaciteit

Het Hielscher Ultrasonics productassortiment omvat het volledige spectrum van ultrasone processoren, van compacte ultrasone laboratorium ultrasone systemen over bench-top en pilot systemen tot volledig industriële ultrasone processoren met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Het volledige productassortiment stelt ons in staat om u de meest geschikte ultrasone afzuiginstallatie te bieden voor uw pectinehoudende grondstof, procescapaciteit en productiedoelen.
Ultrasone benchtop systemen zijn ideaal voor haalbaarheidstesten en procesoptimalisatie. Lineaire schaalvergroting op basis van vastgestelde procesparameters maakt het zeer eenvoudig om de verwerkingscapaciteiten te verhogen van kleinere partijen tot volledig commerciële productie. Up-scaling kan worden gedaan door het installeren van een krachtigere ultrasone afzuigunit of door het clusteren van meerdere ultrasone apparaten parallel. Met de UIP16000 biedt Hielscher de krachtigste ultrasone afzuiginstallatie ter wereld.

Precies beheersbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle Hielscher ultrasonicatoren zijn nauwkeurig controleerbaar en daardoor betrouwbaar in de productie. De amplitude is een van de cruciale procesparameters die de efficiëntie en effectiviteit van de ultrasone extractie van pectine uit fruit en bioafval beïnvloeden.
Alle Hielscher Ultrasonics’ processoren maken het mogelijk om de amplitude nauwkeurig in te stellen. Sonotrodes en boosterhoorns zijn accessoires die het mogelijk maken om de amplitude in een nog groter bereik te wijzigen. Hielscher's industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren en de vereiste ultrasone intensiteit voor veeleisende toepassingen. Amplituden tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden uitgevoerd in 24 uur per dag, 7 dagen per week.
Nauwkeurige amplitude-instellingen en de permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software geven u de mogelijkheid om uw grondstoffen met de meest effectieve ultrasone condities te behandelen. Optimale sonicatie voor de beste extractie resultaten!
De robuustheid van Hielscher's ultrasone apparatuur maakt het mogelijk om 24 uur per dag en 7 dagen per week te werken in zware omstandigheden. Dit maakt de ultrasone apparatuur van Hielscher tot een betrouwbaar werkgereedschap dat voldoet aan uw afzuigingseisen.

Gemakkelijk, risicovrij testen

Ultrasone processen kunnen volledig lineair geschaald worden. Dit betekent dat elk resultaat dat u hebt bereikt met behulp van een laboratorium of bench-top ultrasonicator, kan worden geschaald naar exact dezelfde output met behulp van exact dezelfde procesparameters. Dit maakt ultrasoon ultrasoon ideaal voor risicovrije haalbaarheidstesten, procesoptimalisatie en de daaropvolgende implementatie in de commerciële productie. Neem contact met ons op om te weten te komen hoe u met behulp van ultrasoontechniek de productie van uw pectine-extracten kunt verhogen.

Hoogste kwaliteit – Ontworpen en geproduceerd in Duitsland

Als familiebedrijf en familiebedrijf geeft Hielscher prioriteit aan de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasone processors. Alle ultrasoonmakers zijn ontworpen, vervaardigd en grondig getest in ons hoofdkantoor in Teltow in de buurt van Berlijn, Duitsland. Robuustheid en betrouwbaarheid van Hielscher's ultrasone apparatuur maken het een werkpaard in uw productie. 24/7 bediening onder volle belasting en in veeleisende omgevingen is een natuurlijk kenmerk van hielscher's high-performance mixers.

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: