Hogere pectineopbrengst met ultrasone extractie

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

Intensieve pectine-extractie door Sonicatie

Pectine wordt gebruikt als geleer-, emulgeer- en verdikkingsmiddel in talloze voedingsmiddelen 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 in heet water van 60-100°C bij een lage pH (ongeveer pH 1,5 - 3,5) wordt geweekt. 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 procesverbeterende techniek die de extractietijd verkort en de pectineopbrengst aanzienlijk maximaliseert in vergelijking met de traditionele heetwaterextractie.

Het voordeel van ultrasone pectine extractie

Ultrasone extractie wordt toegepast op veel gebieden van de productie van extracten, zoals botanische en kruidenextracten voor voedingsmiddelen, supplementen, geneesmiddelen 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, die daardoor de bioactieve verbindingen beschermt tegen thermische degradatie. 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 waarderen ultrasoonbehandeling vanwege de betrouwbare herhaalbaarheid van het proces, wat helpt om processen en producten te standaardiseren.

 
Het protocol voor ultrasone pectine-extractie uit grapefruitschillen dat in de video hierboven wordt gedemonstreerd, vind je hier!
 

De bepaling van relevante procesparameters maakt het mogelijk om het ultrasone extractieproces te optimaliseren voor de hoogste efficiëntie en superieure extractkwaliteit.
De deeltjesgrootte van de grondstof (bijvoorbeeld citrusschillen) is bijvoorbeeld een belangrijke factor: Een kleinere deeltjesgrootte betekent een groter oppervlak waarop de ultrasone golven kunnen inwerken. Een kleinere deeltjesgrootte betekent een groter oppervlak voor de ultrasone golven om op in te werken. Een kleine deeltjesgrootte resulteert daardoor in een hogere pectineopbrengst, een lagere mate van methylering en een grotere verhouding van rhamnogalacturonzuurgebieden.
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 “recht” Er blijven regio's over met een paar neutrale suikermoleculen aan of in de lineaire hoofdketen.
Ultrasone pectine-extractie verkort de extractietijd en verlaagt de vereiste procestemperatuur, waardoor de kans op ongewenste pectinemodificatie door zuren afneemt. Hierdoor kunnen zuren onder beperkte omstandigheden worden gebruikt om pectines precies volgens de productvereisten te modificeren.

Wat maakt ultrasone pectine extractie zo efficiënt?

Het effect van ultrasone extractie heeft een directe invloed op het zwellen, perforeren en breken van celwanden. Ultrasoon geïnduceerde massaoverdracht veroorzaakt de hydratatie van pectineachtig materiaal in de middelste lamel, wat leidt tot het openbreken van plantaardige weefsels. Ultrasone cavitatie en schuifkrachten hebben een directe impact op de celwanden en breken deze open. Deze mechanismen resulteren in de zeer efficiënte resultaten van ultrasone extractie.

Ultrasoon geëxtraheerde pectine (ook akoestische cavitatie geassisteerde geëxtraheerde pectine, afgekort ACAE) met een lager moleculair gewicht en een lagere mate van methoxylatie was rijker aan rhamnogalacturonaan-I regio met lange zijketens in vergelijking met conventionele 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 duidt op een veelbelovende toepassing voor industriële productieschaal.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang en zijn collega's (2017) benadrukken ook dat extractie met ultrasone trillingen een zuiniger en milieuvriendelijker proces is met een hogere efficiëntie en lagere kosten in vergelijking met conventionele verwarmingsextractie.
 

SEM van overgebleven 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).
(onderzoek en afbeeldingen: 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 ultrasone trillingen te bevorderen en te intensiveren, worden ultrageluidsgolven met een hoog vermogen via een ultrasone sonde (ook wel ultrasone hoorn of sonotrode genoemd) gekoppeld aan het vloeibare medium, d.w.z. de slurry die bestaat uit de pectinehoudende grondstof en het oplosmiddel. De ultrasone golven verplaatsen zich door de vloeistof en creëren afwisselend lagedruk-/ hogedrukcycli. Tijdens lagedrukcycli ontstaan minuscule vacuümbelletjes (zogenaamde cavitatiebelletjes) die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens deze cycli van bellengroei dringen de opgeloste gassen in de vloeistof de vacuümbubbel binnen, zodat de vacuümbubbel verandert in groeiende gasbellen. Bij een bepaalde grootte, wanneer de bellen niet meer energie kunnen absorberen, imploderen ze heftig tijdens een hogedrukcyclus. De imploderende bellen worden gekenmerkt door intense cavitatiekrachten, waaronder een zeer hoge temperatuur en druk die respectievelijk 4000 K en 1000 atm kunnen bereiken, evenals overeenkomstige hoge temperatuur- en drukverschillen. Deze ultrasoon gegenereerde turbulenties en schuifkrachten breken plantencellen op en laten de intracellulaire pectines los in het oplosmiddel op waterbasis. Omdat ultrasone cavitatie zorgt voor een zeer intense massaoverdracht, resulteert sonicatie in uitzonderlijk hoge opbrengsten binnen een zeer korte verwerkingstijd.
Sonificatie wordt niet alleen gebruikt voor pectine-extractie, maar ook voor de isolatie van polyfenolen uit fruitpulp, pulp, schil en zaden. 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 uit fruitafval

Fruitafval zoals schillen, fruitpulpresten (na het persen van vruchtensap) en andere bijproducten van fruit zijn vaak rijke bronnen van pectine. Terwijl fruitafvalproducten vaak worden gebruikt als diervoeder, is pectine-extractie een waardevoller gebruik van fruitafval.
Ultrasone pectine-extractie wordt al met succes uitgevoerd met schillen van citrusvruchten (zoals sinaasappels, mandarijnen, grapefruit), meloenschillen, appeldraf, suikerbietenpulp, mangoschillen, tomatenafval, maar ook schillen van onder andere jackfruit, passievruchten en vijgen.

Praktijkvoorbeelden van ultrasone pectine-extractie

Vanwege de nadelen van conventionele pectine-extractie door hitte, hebben onderzoek en industrie al onderzoek gedaan naar innovatieve alternatieven zoals ultrasone extractie. Daardoor is er veel informatie beschikbaar over procesparameters voor verschillende grondstoffen en gegevens over procesoptimalisatie.

Ultrasone extractie van pectine uit appelschil

Dranca en Oroian (2019) onderzochten het ultrasoon geassisteerde extractieproces van pectine uit appeldroesem door toepassing van verschillende ultrasone omstandigheden en met behulp van Box-Behnken response surface design. Ze ontdekten dat de amplitude van het ultrageluid de opbrengst en de veresteringsgraad van de geëxtraheerde pectine sterk beïnvloedt, terwijl de pH van de extractie een grote invloed had op alle drie de responsen, d.w.z. opbrengst, GalA-gehalte en veresteringsgraad. De optimale omstandigheden voor extractie waren 100% amplitude, pH van 1,8, vaste-vloeistofverhouding van 1:10 g/mL en 30 minuten sonicatie. Onder deze omstandigheden was de pectineopbrengst 9,183% en had een GalA-gehalte van 98,127 g/100 g en een veresteringsgraad van 83,202%. Om de resultaten van ultrasoon geëxtraheerde pectine in relatie te brengen met commerciële pectine, werden pectinemonsters verkregen door ultrasone extractie onder optimale omstandigheden vergeleken met commerciële citrus- en appelpectinemonsters door FT-IR, DSC, reologische analyse en SEM. De eerste twee technieken benadrukten enkele bijzonderheden van het door ultrasone extractie geëxtraheerde pectinemonster, zoals het smallere distributiebereik van moleculair gewicht, de ordelijke moleculaire rangschikking en de hoge veresteringsgraad die vergelijkbaar was met die van in de handel verkrijgbare appelpectines. De analyse van de morfologische kenmerken van het ultrasoon verkregen monster wijst op een determinatiepatroon tussen de verdeling van de fragmentgrootte van dit monster en het GalA-gehalte aan de ene kant, en de wateropnamecapaciteit aan de andere kant. De viscositeit van ultrasoon geëxtraheerde pectineoplossing was veel hoger dan die van de oplossingen gemaakt met commerciële pectine, wat misschien komt door de hoge concentratie galacturonzuur. Wanneer ook rekening wordt gehouden met de hoge mate van verestering, kan dit verklaren waarom de viscositeit hoger was voor de ultrasoon geëxtraheerde pectine. De onderzoekers concluderen dat de zuiverheid, de structuur en het reologische gedrag van pectine geëxtraheerd door ultrasone extractie uit Malus domestica 'Fălticeni’ appeldroesem wijst op veelbelovende toepassingen van deze oplosbare vezel. (vgl. Dranca & Oroian 2019)

Ultrasone extractor met hoge prestaties voor de productie van pectine

Ultrasone extractie is een betrouwbare verwerkingstechnologie die de productie van pectines van hoge kwaliteit vergemakkelijkt en versnelt uit verschillende grondstoffen zoals bijproducten en schillen van citrusvruchten, appeldroesem en vele andere. Het portfolio van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige bereik van compacte ultrasone apparaten voor laboratoria tot industriële extractiesystemen. Hierdoor kunnen wij bij Hielscher u de meest geschikte ultrasoonmachine bieden voor de door u beoogde procescapaciteit. Onze ervaren medewerkers begeleiden u van haalbaarheidstests en procesoptimalisatie tot de installatie van uw ultrasoon systeem op eindproductieniveau.
Dankzij het kleine vloeroppervlak en de veelzijdige installatiemogelijkheden passen onze ultrasone extractoren zelfs in pectineverwerkingsfaciliteiten met weinig ruimte. Ultrasone processors worden wereldwijd geïnstalleerd in productiefaciliteiten voor voedingsmiddelen, farmaceutica en voedingssupplementen.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Hielscher Ultrasonics – Geavanceerde extractieapparatuur

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige scala aan hoogwaardige ultrasone extractors, van klein- tot grootschalig. Met extra accessoires kunt u eenvoudig de meest geschikte ultrasone apparaatconfiguratie voor uw pectine-extractieproces samenstellen. De optimale ultrasone opstelling is afhankelijk van de beoogde capaciteit, het volume, de grondstof, het batch- of inline-proces en de tijdlijn.

Batch en inline

Hielscher ultrasone machines kunnen worden gebruikt voor batch- en continue doorstroomverwerking. Ultrasone batchverwerking is ideaal voor het testen en optimaliseren van processen en voor kleine tot middelgrote producties. Voor de productie 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 vereist aanzienlijk minder arbeid. Hielscher Ultrasonics heeft de meest geschikte extractieopstelling voor uw extractievolume en procesdoelen.

Ultrasone afzuigers voor elke productcapaciteit

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum van ultrasone processors, van compacte laboratorium-ultrasone processors via bench-top en pilot-systemen tot volledig industriële ultrasone processors met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Dankzij het volledige productassortiment kunnen wij u de meest geschikte ultrasone extractor bieden voor uw pectinehoudende grondstof, procescapaciteit en productiedoelen.
Ultrasone benchtopsystemen zijn ideaal voor haalbaarheidstests en procesoptimalisatie. Lineaire schaalvergroting op basis van vastgestelde procesparameters maakt het heel eenvoudig om de verwerkingscapaciteit te verhogen van kleinere partijen tot volledig commerciële productie. Opschalen kan door een krachtigere ultrasone extractoreenheid te installeren of door meerdere ultrasone apparaten parallel te schakelen. Met de UIP16000 biedt Hielscher de krachtigste ultrasone extractor ter wereld.

Nauwkeurig regelbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle Hielscher ultrasone machines zijn nauwkeurig regelbaar en daardoor betrouwbare werkpaarden in de productie. De amplitude is een van de cruciale procesparameters die de efficiëntie en effectiviteit van ultrasone extractie van pectine uit fruit en bioafval beïnvloeden.
Met alle Hielscher sonicators kan de amplitude nauwkeurig worden ingesteld. Sonotrodes en boosterhoorns zijn accessoires waarmee de amplitude in een nog breder bereik kan worden aangepast. Hielscher industriële ultrasoonprocessoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren en de vereiste ultrasone intensiteit leveren voor veeleisende toepassingen. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf.
Dankzij de nauwkeurige amplitude-instellingen en de permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software kunt u uw grondstof behandelen met de meest effectieve ultrasone omstandigheden. Optimale sonicatie voor de beste extractieresultaten!
Dankzij de robuustheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur kan deze 24/7 worden gebruikt bij zware belasting en in veeleisende omgevingen. Dit maakt de ultrasoonapparatuur van Hielscher tot een betrouwbaar werkinstrument dat voldoet aan uw extractie-eisen.

Gemakkelijk en zonder risico testen

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

Hoogste kwaliteit – Ontworpen en geproduceerd in Duitsland

Als familiebedrijf geeft Hielscher de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasoonprocessoren. Alle ultrasoonapparaten worden ontworpen, geproduceerd en grondig getest in ons hoofdkantoor in Teltow bij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur maken het tot een werkpaard in uw productie. 24/7 werking onder volle belasting en in veeleisende omgevingen is een natuurlijke eigenschap van Hielscher high-performance mixers.