Hogere pectineopbrengsten met ultrasone extractie

Ultrasone extractie levert hoge opbrengsten aan pectines van superieure kwaliteit op. Met sonicatie kunnen waardevolle pectines efficiënt worden geproduceerd uit fruitafval (bijv. bijproducten van de sapverwerking) en andere biologische grondstoffen. Ultrasone pectine-extractie overtreft andere extractietechnieken door hogere opbrengsten, een superieure pectinekwaliteit en een snelle extractieprocedure.

Geïntensiveerde pectine-extractie door sonicatie

Pectine wordt in talrijke voedingsmiddelen gebruikt als geleermiddel, emulgator en verdikkingsmiddel, en als ingrediënt in cosmetica en farmaceutische producten. Conventionele industriële pectine-extractie vindt plaats door extractie met heet water, waarbij grondstoffen zoals citrusschillen, appelpulp en ander fruitafval gedurende lange tijd worden geweekt in water van 60–100°C met een lage pH (ca. pH 1,5 – 3,5). Hierdoor is conventionele heetwaterextractie een tijdrovend en energie-intensief proces dat vaak niet eens efficiënt genoeg is om alle in de grondstof aanwezige pectines vrij te maken.
Om de inefficiëntie van de conventionele productiemethode te overwinnen, wordt ultrasone extractie toegepast als procesintensiverende techniek die de extractietijd verkort en de pectineopbrengst aanzienlijk maximaliseert ten opzichte van traditionele heetwaterextractie.

Het voordeel van ultrasone pectine-extractie

Ultrasone extractie wordt toegepast op veel gebieden van de extractproductie, bijv. bij botanische extracten en kruidenextracten voor voedingsmiddelen, supplementen, farmaceutische producten en cosmetica. Een zeer bekend voorbeeld van ultrasone extractie is de extractie van cannabidiol (CBD) en andere verbindingen uit de cannabisplant.
Ultrasone extractie is een niet-thermische extractietechniek die bioactieve verbindingen daardoor beschermt tegen thermische afbraak. Alle ultrasone procesparameters, zoals amplitude, intensiteit, tijd, temperatuur en druk, kunnen exact worden geregeld. Dit maakt nauwkeurige proces- en kwaliteitscontrole mogelijk en maakt het eenvoudig om eenmaal verkregen extractieresultaten te herhalen en te reproduceren. Extractproducenten waarderen sonicatie vanwege de betrouwbare herhaalbaarheid van het proces, die helpt om processen en producten te standaardiseren.

 
Hier vindt u het protocol voor de ultrasone extractie van pectine uit grapefruitschillen die in de bovenstaande video wordt gedemonstreerd!
 

Door de relevante procesparameters te bepalen, kan het ultrasone extractieproces worden geoptimaliseerd voor de hoogste efficiëntie en een superieure extractkwaliteit.
De deeltjesgrootte van de grondstof (bijv. citrusschillen) is bijvoorbeeld een belangrijke factor: een kleinere deeltjesgrootte betekent een groter oppervlak waarop de ultrasone golven kunnen inwerken. Een kleine deeltjesgrootte resulteert daardoor in hogere pectineopbrengsten, een lagere methyleringsgraad en een groter aandeel rhamnogalacturonangebieden.
De pH-waarde van het extractieoplosmiddel (d.w.z. water + zuur) is een andere essentiële parameter. Wanneer pectine onder zure omstandigheden wordt geëxtraheerd, worden veel vertakte rhamnogalacturonangebieden van het polymeer afgebroken, zodat voornamelijk “rechte” homogalacturonangebieden overblijven met enkele neutrale suikermoleculen die aan of in de lineaire hoofdketen zijn gebonden.
Ultrasone pectine-extractie verkort de extractietijd en verlaagt de benodigde procestemperatuur, waardoor de kans op ongewenste modificatie van pectine door zuren afneemt. Hierdoor kunnen zuren onder beperkte omstandigheden worden gebruikt om pectines nauwkeurig aan de productvereisten aan te passen.

Wat maakt ultrasone pectine-extractie zo efficiënt?

De werking van ultrasone extractie beïnvloedt rechtstreeks het zwellen, perforeren en openbreken van celwanden. Ultrasoon geïnduceerde massaoverdracht veroorzaakt de hydratatie van pectinehoudend materiaal in de middenlamel, wat leidt tot het uiteenvallen van plantaardige weefsels. Ultrasone cavitatie en afschuifkrachten werken rechtstreeks in op celwanden en breken deze open. Deze mechanismen leiden tot de zeer efficiënte resultaten van ultrasone extractie.

Uit chemische analyses en FT-IR-analyses bleek dat ultrasoon geëxtraheerde pectine (ook pectine geëxtraheerd met behulp van akoestische cavitatie, afgekort ACAE), die een lager molecuulgewicht en een lagere methoxyleringsgraad had, rijker was aan het rhamnogalacturonan-I-gebied met lange zijketens dan conventioneel met warmte geëxtraheerde pectine. Het energieverbruik voor ultrasone pectine-extractie was aanzienlijk lager dan bij de conventionele verwarmingsmethode, wat wijst op een veelbelovende toepassing op industriële productieschaal.
(vgl. Wang et al., 2017)
Wang en zijn collega’s (2017) onderbouwen ook dat extractie met behulp van ultrasoon geluid aantoonbaar een economischer en milieuvriendelijker proces is met een hogere efficiëntie en lagere kosten dan conventionele extractie door verwarming.
 

SEM van resterende suikerbietenpulp bij een vergroting van 1000x: (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).
(onderzoek en afbeeldingen: Abou-Elseoud et al., 2021)

Hoe werkt ultrasone pectine-extractie?

Ultrasone extractie is gebaseerd op de sonomechanische effecten van ultrasoon geluid met hoge intensiteit. Om pectine-extractie door sonicatie te bevorderen en te intensiveren, worden krachtige ultrasone golven via een ultrasone sonde (ook ultrasone hoorn of sonotrode genoemd) in het vloeibare medium gekoppeld, d.w.z. de suspensie bestaande uit de pectinehoudende grondstof en het oplosmiddel. De ultrasone golven bewegen door de vloeistof en creëren afwisselende lagedruk- / hogedrukcycli. Tijdens lagedrukcycli ontstaan minuscule vacuümbellen (zogenoemde cavitatiebellen), die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens deze cycli van bellengroei komen de in de vloeistof opgeloste gassen in de vacuümbel terecht, zodat de vacuümbellen veranderen in groeiende gasbellen. Bij een bepaalde grootte, wanneer de bellen geen energie meer kunnen opnemen, imploderen ze heftig tijdens een hogedrukcyclus. De implosie van de bellen wordt gekenmerkt door intense cavitatiekrachten, waaronder zeer hoge temperaturen en drukken tot respectievelijk 4000K en 1000atm, evenals bijbehorende grote temperatuur- en drukverschillen. Deze ultrasoon opgewekte turbulenties en afschuifkrachten breken plantencellen open en maken de intracellulaire pectines vrij in het oplosmiddel op waterbasis. Aangezien ultrasone cavitatie een zeer intense massaoverdracht veroorzaakt, levert sonicatie uitzonderlijk hoge opbrengsten op binnen een zeer korte verwerkingstijd.
Sonicatie wordt niet alleen gebruikt voor pectine-extractie, maar ook voor de isolatie van polyfenolen uit persresten, pulp, schillen en zaden van fruit. Lees hier meer!

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

Pectines geëxtraheerd uit fruitafval

Fruitafval zoals schillen, resten van vruchtvlees (na het persen van vruchtensap) en andere bijproducten van fruit zijn vaak rijke bronnen van pectine. Hoewel fruitafvalproducten vaak als diervoeder worden gebruikt, is pectine-extractie een waardevollere toepassing van fruitafval.
Ultrasone pectine-extractie wordt al met succes uitgevoerd met citrusschillen (zoals van sinaasappels, mandarijnen en grapefruit), meloenschillen, appelpulp, suikerbietenpulp, mangoschillen en tomatenafval, evenals onder andere jackfruit, passievrucht en vijgenschillen.

Casestudy’s over ultrasone pectine-extractie

Vanwege de nadelen van conventionele pectine-extractie door warmte hebben onderzoekers en de industrie al innovatieve alternatieven zoals ultrasone extractie onderzocht. Daardoor zijn er veel gegevens beschikbaar over procesparameters voor verschillende grondstoffen en over procesoptimalisatie.

Ultrasone extractie van pectine uit appelpulp

Dranca en Oroian (2019) onderzochten het extractieproces van pectine uit appelpulp met behulp van ultrasoon geluid, waarbij zij verschillende ultrasone omstandigheden toepasten en een Box-Behnken-proefopzet voor responsoppervlakken gebruikten. Zij ontdekten dat de ultrasone amplitude de opbrengst en de veresteringsgraad van de geëxtraheerde pectine sterk beïnvloedt, terwijl de pH tijdens de extractie een grote invloed had op alle drie de responsen, d.w.z. opbrengst, GalA-gehalte en veresteringsgraad. De optimale extractieomstandigheden waren een amplitude van 100%, een pH van 1,8, een vast-vloeistofverhouding van 1:10 g/mL en 30 min sonicatie. Onder deze omstandigheden bedroeg de pectineopbrengst 9,183% en had de pectine een GalA-gehalte van 98,127 g/100 g en een veresteringsgraad van 83,202%. Om de resultaten voor ultrasoon geëxtraheerde pectine te relateren aan commerciële pectine, werden pectinemonsters die onder optimale omstandigheden door ultrasone extractie waren verkregen, met behulp van FT-IR, DSC, reologische analyse en SEM vergeleken met commerciële monsters van citrus- en appelpectine. De eerste twee technieken brachten enkele bijzonderheden van het door ultrasone extractie verkregen pectinemonster naar voren, zoals het smallere verdelingsbereik van het molecuulgewicht, de geordende moleculaire structuur en de hoge veresteringsgraad, die vergelijkbaar was met die van commercieel verkrijgbare appelpectines. De analyse van de morfologische kenmerken van het ultrasoon verkregen monster wijst op een bepalend patroon tussen enerzijds de verdeling van de fragmentgroottes van dit monster en het GalA-gehalte ervan, en anderzijds het wateropnamevermogen. De viscositeit van de ultrasoon geëxtraheerde pectineoplossing was veel hoger dan die van de oplossingen die met commerciële pectine waren bereid, mogelijk vanwege de hoge concentratie galacturonzuur. Wanneer ook de hoge veresteringsgraad in aanmerking wordt genomen, zou dit kunnen verklaren waarom de viscositeit van de ultrasoon geëxtraheerde pectine hoger was. De onderzoekers concluderen dat de zuiverheid, structuur en het reologische gedrag van pectine die door ultrasone extractie uit appelpulp van Malus domestica ‘Fălticeni’ is verkregen, wijzen op veelbelovende toepassingen van deze oplosbare vezel. (vgl. Dranca & Oroian 2019)

Ultrasone extractor met hoge prestaties voor pectineproductie

Ultrasone extractie is een betrouwbare verwerkingstechnologie die de productie van hoogwaardige pectines uit verschillende grondstoffen, zoals bijproducten en schillen van citrusvruchten, appelpulp en vele andere, vereenvoudigt en versnelt. Het assortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige bereik van compacte laboratoriumsonicatoren tot industriële extractiesystemen. Daardoor kunnen wij bij Hielscher u de meest geschikte sonicator voor uw beoogde procescapaciteit aanbieden. Onze medewerkers met jarenlange ervaring begeleiden u vanaf haalbaarheidstests en procesoptimalisatie tot de installatie van uw ultrasone systeem op de uiteindelijke productieschaal.
Door het kleine ruimtebeslag van onze ultrasone extractoren en hun veelzijdige installatiemogelijkheden passen ze zelfs in pectineverwerkingsfaciliteiten met weinig ruimte. Ultrasone processoren worden wereldwijd geïnstalleerd in productiefaciliteiten voor voedingsmiddelen, farmaceutische producten en voedingssupplementen.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:

Hielscher Ultrasonics – Geavanceerde extractieapparatuur

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige bereik van ultrasone extractoren met hoge prestaties voor kleine tot grote schaal. Met aanvullende accessoires kan eenvoudig de meest geschikte configuratie van ultrasone apparatuur voor uw pectine-extractieproces worden samengesteld. De optimale ultrasone opstelling hangt af van de beoogde capaciteit, het volume, de grondstof, het batch- of inlineproces en de tijdsplanning.

Batch en inline

Sonicatoren van Hielscher kunnen worden gebruikt voor batchverwerking en continue doorstroomverwerking. Ultrasone batchverwerking is ideaal voor procestests, optimalisatie en productie op kleine tot middelgrote schaal. Voor de productie van grote hoeveelheden pectine kan inlineverwerking voordeliger zijn. Een continu inline mengproces vereist een geavanceerde opstelling – bestaande uit een pomp, slangen of leidingen en tanks – maar is zeer efficiënt, snel en vereist aanzienlijk minder arbeid. Hielscher Ultrasonics heeft de meest geschikte extractieopstelling voor uw extractievolume en procesdoelen.

Ultrasone extractoren voor elke productiecapaciteit

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum van ultrasone processoren, van compacte laboratoriumsonicatoren via tafelmodellen en pilotsystemen tot volledig industriële ultrasone processoren met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Dankzij het volledige productassortiment kunnen wij u de meest geschikte ultrasone extractor aanbieden voor uw pectinehoudende grondstof, procescapaciteit en productiedoelen.
Ultrasone tafelsystemen zijn ideaal voor haalbaarheidstests en procesoptimalisatie. Lineaire opschaling op basis van vastgestelde procesparameters maakt het zeer eenvoudig om de verwerkingscapaciteit te verhogen van kleinere partijen tot volledig commerciële productie. Opschaling kan plaatsvinden door een krachtigere ultrasone extractoreenheid te installeren of door meerdere sonicatoren parallel in een cluster te combineren. Met de UIP16000 biedt Hielscher de krachtigste ultrasone extractor ter wereld.

Nauwkeurig regelbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle sonicatoren van Hielscher zijn nauwkeurig regelbaar en daardoor betrouwbare werkpaarden in de productie. De amplitude is een van de cruciale procesparameters die de efficiëntie en doeltreffendheid van ultrasone extractie van pectine uit fruit en biologisch afval beïnvloeden.
Alle sonicatoren van Hielscher maken een nauwkeurige instelling van de amplitude mogelijk. Sonotrodes en boosterhoorns zijn accessoires waarmee de amplitude over een nog groter bereik kan worden aangepast. De industriële ultrasone processoren van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren en bieden de vereiste ultrasone intensiteit voor veeleisende toepassingen. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf.
Nauwkeurige amplitude-instellingen en permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software bieden u de mogelijkheid om uw grondstof onder de meest effectieve ultrasone omstandigheden te behandelen. Optimale sonicatie voor de beste extractieresultaten!
De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk. Hierdoor is de ultrasone apparatuur van Hielscher een betrouwbaar werkinstrument dat aan uw extractievereisten voldoet.

Eenvoudig, risicovrij testen

Ultrasone processen kunnen volledig lineair worden opgeschaald. Dit betekent dat elk resultaat dat u met een laboratoriumsonicator of een tafelmodel hebt bereikt, kan worden opgeschaald naar exact dezelfde output met exact dezelfde procesparameters. Dit maakt sonicatie ideaal voor risicovrije haalbaarheidstests, procesoptimalisatie en daaropvolgende implementatie in commerciële productie. Neem contact met ons op om te ontdekken hoe sonicatie uw productie van pectine-extract kan verhogen.

Hoogste kwaliteit – Ontworpen en geproduceerd in Duitsland

Als familiebedrijf dat in familiebezit is en door de familie wordt geleid, geeft Hielscher de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasone processoren prioriteit. Alle sonicatoren worden ontworpen, geproduceerd en grondig getest op ons hoofdkantoor in Teltow bij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maken deze tot een werkpaard in uw productie. 24/7-bedrijf onder volledige belasting en in veeleisende omgevingen is een vanzelfsprekend kenmerk van de mengers met hoge prestaties van Hielscher.