Wyższe plony pektyny z ekstrakcją ultradźwiękową
Ekstrakcja ultradźwiękowa skutkuje wysoką wydajnością pektyn najwyższej jakości. Za pomocą sonikacji, cenne pektyny mogą być skutecznie wytwarzane z odpadów owocowych (np. produktów ubocznych z przetwórstwa soków) i innych surowców biologicznych. Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyn przewyższa inne techniki ekstrakcji, dając wyższe plony, zapewniając doskonałą jakość pektyn i szybką procedurę ekstrakcji.
Zintensyfikowana ekstrakcja pektyn za pomocą sonikacji
Pektyna jest wykorzystywana jako środek żelujący, emulgujący i zagęszczający w wielu produktach spożywczych, a także jako składnik kosmetyków i farmaceutyków. Konwencjonalna przemysłowa ekstrakcja pektyn odbywa się poprzez ekstrakcję gorącą wodą, w której surowiec, taki jak skórki cytrusów, wytłoki jabłkowe i inne odpady owocowe, jest moczony w gorącej wodzie o temperaturze 60-100°C i niskim pH (około pH 1,5 - 3,5) przez długi okres czasu. To sprawia, że konwencjonalna ekstrakcja gorącą wodą jest procesem czasochłonnym i energochłonnym, który często nie jest nawet wystarczająco wydajny, aby uwolnić pełną ilość pektyn dostępnych w surowcu.
W celu przezwyciężenia nieefektywności konwencjonalnej metody produkcji, ekstrakcja ultradźwiękowa jest stosowana jako technika intensyfikacji procesu, która skraca czas ekstrakcji i maksymalizuje wydajność pektyny w porównaniu do tradycyjnej ekstrakcji gorącą wodą.
Zaleta ultradźwiękowej ekstrakcji pektyny
Ekstrakcja ultradźwiękowa jest stosowana w wielu dziedzinach produkcji ekstraktów, np. ekstraktów botanicznych i ziołowych do żywności, suplementów, farmaceutyków i kosmetyków. Bardzo ważnym przykładem ekstrakcji ultradźwiękowej jest ekstrakcja kannabidiolu (CBD) i innych związków z konopi indyjskich.
Ekstrakcja ultradźwiękowa jest nietermiczną techniką ekstrakcji, która zapobiega degradacji termicznej związków bioaktywnych. Wszystkie parametry procesu ultradźwiękowego, takie jak amplituda, intensywność, czas, temperatura i ciśnienie, mogą być dokładnie kontrolowane. Pozwala to na precyzyjną kontrolę procesu i jakości oraz ułatwia powtarzanie i odtwarzanie raz uzyskanych wyników ekstrakcji. Producenci ekstraktów cenią ultradźwięki za niezawodną powtarzalność procesu, która pomaga standaryzować procesy i produkty.
- intensywność sonikacji
- temperatura
- Wartość pH
- Czas
- Wielkość cząstek surowca
Określenie odpowiednich parametrów procesu pozwala zoptymalizować proces ekstrakcji ultradźwiękowej do najwyższej wydajności i najwyższej jakości ekstraktu.
Na przykład wielkość cząstek surowca (np. skórki cytrusów) jest ważnym czynnikiem: Mniejszy rozmiar cząstek oznacza większą powierzchnię, na którą działają fale ultradźwiękowe. Mały rozmiar cząstek skutkuje wyższą wydajnością pektyny, niższym stopniem metylacji i większym stosunkiem regionów ramnogalakturonanu.
Kolejnym istotnym parametrem jest wartość pH rozpuszczalnika ekstrakcyjnego (tj. woda + kwas). Gdy pektyna jest ekstrahowana w warunkach kwaśnych, wiele rozgałęzionych regionów ramnogalakturonanu polimeru ulega rozkładowi, tak że pozostają głównie "proste" regiony homogalakturonanu z kilkoma neutralnymi cząsteczkami cukru przyłączonymi do lub w głównym łańcuchu liniowym.
Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyn skraca czas ekstrakcji i obniża wymaganą temperaturę procesu, co zmniejsza ryzyko niepożądanej modyfikacji pektyn przez kwasy. Umożliwia to stosowanie kwasów w ograniczonych warunkach w celu modyfikacji pektyn dokładnie do wymagań produktu.
Co sprawia, że ultradźwiękowa ekstrakcja pektyny jest tak wydajna?
Wpływ ekstrakcji ultradźwiękowej bezpośrednio wpływa na pęcznienie, perforację i pękanie ścian komórkowych. Indukowany ultradźwiękami transfer masy powoduje uwodnienie materiału pektynowego w środkowej blaszce, co prowadzi do rozpadu tkanek roślinnych. Kawitacja ultradźwiękowa i siły ścinające bezpośrednio wpływają na ściany komórkowe i rozbijają je. Mechanizmy te skutkują wysoce wydajnymi wynikami ekstrakcji ultradźwiękowej.
Pektyna ekstrahowana ultradźwiękami (również pektyna ekstrahowana wspomagana kawitacją akustyczną, skrót ACAE), która miała niższą masę cząsteczkową i stopień metoksylacji, była bogatsza w region ramnogalakturonanu-I z długimi łańcuchami bocznymi w porównaniu z konwencjonalną pektyną ekstrahowaną ciepłem z analizy chemicznej i FT-IR. Zużycie energii podczas ultradźwiękowej ekstrakcji pektyny było znacznie niższe niż w przypadku konwencjonalnej metody ogrzewania, co wskazuje na jej obiecujące zastosowanie w produkcji przemysłowej.
(por. Wang i in., 2017)
Wang i jego koledzy (2017) podkreślają również, że ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami okazała się bardziej ekonomicznym i przyjaznym dla środowiska procesem o wyższej wydajności i niższych kosztach w porównaniu z konwencjonalną ekstrakcją grzewczą.
Jak działa ultradźwiękowa ekstrakcja pektyny?
Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na sonomechanicznych efektach ultradźwięków o wysokiej intensywności. Aby promować i intensyfikować ekstrakcję pektyny za pomocą ultradźwięków, fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzężone za pomocą sondy ultradźwiękowej (zwanej również tubą ultradźwiękową lub sonotrodą) do ciekłego medium, tj. zawiesiny składającej się z surowca zawierającego pektynę i rozpuszczalnika. Fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz i tworzą naprzemienne cykle niskiego / wysokiego ciśnienia. Podczas cykli niskociśnieniowych powstają drobne pęcherzyki próżniowe (tzw. pęcherzyki kawitacyjne), które rosną w ciągu kilku cykli ciśnieniowych. Podczas tych cykli wzrostu pęcherzyków, rozpuszczone gazy w cieczy dostają się do pęcherzyków próżniowych, tak że pęcherzyki próżniowe przekształcają się w rosnące pęcherzyki gazu. Przy pewnym rozmiarze, gdy pęcherzyki nie są w stanie wchłonąć więcej energii, implodują gwałtownie podczas cyklu wysokociśnieniowego. Implozja pęcherzyków charakteryzuje się intensywnymi siłami kawitacyjnymi, w tym bardzo wysoką temperaturą i ciśnieniem sięgającymi odpowiednio 4000K i 1000atm; a także odpowiadającymi im wysokimi różnicami temperatur i ciśnień. Te ultradźwiękowo generowane turbulencje i siły ścinające rozbijają komórki roślinne i uwalniają wewnątrzkomórkowe pektyny do rozpuszczalnika na bazie wody. Ponieważ kawitacja ultradźwiękowa powoduje bardzo intensywny transfer masy, sonikacja skutkuje wyjątkowo wysoką wydajnością w bardzo krótkim czasie przetwarzania.
Pektyny ekstrahowane z odpadów owocowych
Odpady owocowe, takie jak skórki, pozostałości pulpy owocowej (po wyciskaniu soku owocowego) i inne produkty uboczne z owoców są często bogatym źródłem pektyn. Podczas gdy odpady owocowe są często wykorzystywane jako pasza dla zwierząt, ekstrakcja pektyn jest bardziej wartościowym zastosowaniem odpadów owocowych.
Ekstrakcja pektyn ultradźwiękowych jest już z powodzeniem przeprowadzana ze skórkami owoców cytrusowych (takich jak pomarańcze, mandarynki, grejpfruty), skórkami melonów, wytłokami jabłkowymi, wysłodkami buraczanymi, skórkami mango, odpadami pomidorowymi, a także m.in. ze skórkami jackfruit, marakui i fig.
Studia przypadków ultradźwiękowej ekstrakcji pektyny
Ze względu na wady konwencjonalnej ekstrakcji pektyny za pomocą ciepła, badania i przemysł zbadały już innowacyjne alternatywy, takie jak ekstrakcja ultradźwiękowa. W związku z tym dostępnych jest wiele informacji na temat parametrów procesu dla różnych surowców, a także danych dotyczących optymalizacji procesu.
Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyny z wytłoków jabłkowych
Dranca i Oroian (2019) zbadali proces ekstrakcji pektyny z wytłoków jabłkowych wspomagany ultradźwiękami, stosując różne warunki ultradźwiękowe i wykorzystując projekt powierzchni odpowiedzi Boxa-Behnkena. Okazało się, że amplituda ultradźwięków silnie wpływa na wydajność i stopień estryfikacji ekstrahowanej pektyny, podczas gdy pH ekstrakcji miało duży wpływ na wszystkie trzy odpowiedzi, tj. wydajność, zawartość GalA i stopień estryfikacji. Optymalne warunki ekstrakcji to 100% amplituda, pH 1,8, stosunek ciało stałe-ciecz 1:10 g/ml i 30-minutowa sonikacja. W tych warunkach wydajność pektyny wynosiła 9,183% i miała 98,127 g/100 g zawartości GalA i 83,202% stopnia estryfikacji. Aby ustawić wyniki pektyny ekstrahowanej ultradźwiękowo w stosunku do pektyny handlowej, próbkę pektyny otrzymaną przez ekstrakcję ultradźwiękową w optymalnych warunkach porównano z próbkami pektyny cytrusowej i jabłkowej za pomocą FT-IR, DSC, analizy reologicznej i SEM. Pierwsze dwie techniki podkreśliły pewne szczególne cechy próbki pektyny ekstrahowanej ekstrakcją ultradźwiękową, takie jak węższy zakres rozkładu masy cząsteczkowej, uporządkowany układ molekularny i wysoki stopień estryfikacji, który był podobny do dostępnej w handlu pektyny jabłkowej. Analiza cech morfologicznych próbki uzyskanej ultradźwiękowo wskazuje na wzór determinacji między rozkładem wielkości fragmentów tej próbki a zawartością GalA z jednej strony i zdolnością do wchłaniania wody z drugiej strony. Lepkość ultradźwiękowo ekstrahowanego roztworu pektyny była znacznie wyższa niż w przypadku roztworów wykonanych przy użyciu komercyjnej pektyny, co może wynikać z wysokiego stężenia kwasu galakturonowego. Biorąc również pod uwagę wysoki stopień estryfikacji, może to wyjaśniać, dlaczego lepkość była wyższa dla pektyny ekstrahowanej ultradźwiękowo. Naukowcy doszli do wniosku, że czystość, struktura i zachowanie reologiczne pektyny ekstrahowanej metodą ekstrakcji ultradźwiękowej z wytłoków jabłkowych Malus domestica "Fălticeni" wskazuje na obiecujące zastosowania tego rozpuszczalnego błonnika. (por. Dranca & Oroian 2019)
- Wyższe zyski
- szybsze przetwarzanie
- łagodniejsze warunki przetwarzania
- Poprawiona ogólna wydajność
- Prosta i bezpieczna obsługa
- Szybki zwrot z inwestycji
Wysokowydajny ekstraktor ultradźwiękowy do produkcji pektyny
Ekstrakcja ultradźwiękowa jest niezawodną technologią przetwarzania, która ułatwia i przyspiesza produkcję wysokiej jakości pektyn z różnych surowców, takich jak produkty uboczne i skórki owoców cytrusowych, wytłoki jabłkowe i wiele innych. Portfolio Hielscher Ultrasonics obejmuje pełen zakres od kompaktowych ultrasonografów laboratoryjnych po przemysłowe systemy ekstrakcyjne. Dzięki temu w firmie Hielscher możemy zaoferować najbardziej odpowiedni ultrasonograf dla przewidywanej wydajności procesu. Nasz wieloletni doświadczony personel pomoże Ci od testów wykonalności i optymalizacji procesu do instalacji systemu ultradźwiękowego na końcowym poziomie produkcji.
Niewielki ślad naszych ekstraktorów ultradźwiękowych, a także ich wszechstronność w opcjach instalacji sprawiają, że pasują one nawet do małych instalacji do przetwarzania pektyn. Procesory ultradźwiękowe są instalowane na całym świecie w zakładach produkujących żywność, farmaceutyki i suplementy diety.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
---|---|---|
1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Hielscher Ultrasonics – Zaawansowany sprzęt do ekstrakcji
Portfolio produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełną gamę wysokowydajnych ekstraktorów ultradźwiękowych od małej do dużej skali. Dodatkowe akcesoria pozwalają na łatwy montaż najbardziej odpowiedniej konfiguracji urządzenia ultradźwiękowego dla procesu ekstrakcji pektyny. Optymalna konfiguracja ultradźwiękowa zależy od przewidywanej wydajności, objętości, surowca, procesu wsadowego lub liniowego i osi czasu.
wsadowe i inline
Ultradźwięki Hielscher mogą być stosowane do przetwarzania wsadowego i ciągłego. Ultradźwiękowa obróbka wsadowa jest idealna do testowania procesów, optymalizacji i produkcji na małym i średnim poziomie. Do produkcji dużych ilości pektyny, przetwarzanie inline może być bardziej korzystne. Ciągły proces mieszania w linii wymaga zaawansowanej konfiguracji – składający się z pompy, węży lub rur i zbiorników - ale jest bardzo wydajny, szybki i wymaga znacznie mniej pracy. Hielscher Ultrasonics ma najbardziej odpowiednią konfigurację ekstrakcji dla objętości ekstrakcji i celów procesu.
Ekstraktory ultradźwiękowe dla każdej wydajności produktu
Asortyment produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych ultrasonografów laboratoryjnych, przez systemy stacjonarne i pilotażowe, po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe o wydajności umożliwiającej przetwarzanie ładunków ciężarówek na godzinę. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować najbardziej odpowiedni ekstraktor ultradźwiękowy dla surowca zawierającego pektynę, wydajności procesu i celów produkcyjnych.
Ultradźwiękowe systemy stacjonarne są idealne do testów wykonalności i optymalizacji procesów. Liniowe skalowanie w oparciu o ustalone parametry procesu bardzo ułatwia zwiększenie wydajności przetwarzania z mniejszych partii do w pełni komercyjnej produkcji. Skalowanie w górę można wykonać, instalując mocniejszą ultradźwiękową jednostkę ekstrakcyjną lub grupując równolegle kilka ultrasonicatorów. Dzięki UIP16000 firma Hielscher oferuje najpotężniejszy ekstraktor ultradźwiękowy na świecie.
Precyzyjnie kontrolowane amplitudy dla optymalnych wyników
Wszystkie ultradźwięki Hielscher są precyzyjnie sterowane, a tym samym niezawodne w produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu, które wpływają na wydajność i skuteczność ultradźwiękowej ekstrakcji pektyny z owoców i bioodpadów.
Wszystkie sonikatory Hielscher umożliwiają precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i rogi wzmacniające to akcesoria, które pozwalają modyfikować amplitudę w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy i zapewniać wymaganą intensywność ultradźwięków w wymagających zastosowaniach. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania dają możliwość obróbki surowca w najbardziej efektywnych warunkach ultradźwiękowych. Optymalna sonikacja dla najlepszych wyników ekstrakcji!
Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach. Dzięki temu sprzęt ultradźwiękowy firmy Hielscher jest niezawodnym narzędziem pracy, które spełnia wymagania dotyczące ekstrakcji.
Łatwe testowanie bez ryzyka
Procesy ultradźwiękowe można skalować całkowicie liniowo. Oznacza to, że każdy wynik osiągnięty przy użyciu ultrasonografu laboratoryjnego lub stacjonarnego można skalować do dokładnie tej samej wydajności przy użyciu dokładnie tych samych parametrów procesu. To sprawia, że ultradźwięki są idealne do testowania wykonalności bez ryzyka, optymalizacji procesu i późniejszego wdrożenia do produkcji komercyjnej. Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się, jak ultradźwięki mogą zwiększyć produkcję ekstraktu pektyny.
Najwyższa jakość – Zaprojektowany i wyprodukowany w Niemczech
Jako firma rodzinna, Hielscher priorytetowo traktuje najwyższe standardy jakości dla swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultradźwięki są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Solidność i niezawodność sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher sprawiają, że jest to koń roboczy w Twojej produkcji. Praca 24/7 pod pełnym obciążeniem i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą wysokowydajnych mikserów Hielscher.
O pektynach
Pektyna jest rozgałęzionym heteropolisacharydem składającym się z długołańcuchowych segmentów galakturonianu i innych neutralnych cukrów, takich jak ramnoza, arabinoza, galaktoza i ksyloza. Aby być bardziej szczegółowym, pektyna jest blokiem kopolimeru składającego się z 1,4-α-powiązanego kwasu galakturonowego i 1,2-powiązanej ramnozy z bocznymi odgałęzieniami β-D-galaktozy, L-arabinozy i innych jednostek cukrowych. Ponieważ w pektynie występuje kilka grup cukrowych i różne poziomy estryfikacji metylowej, pektyna nie ma określonej masy cząsteczkowej, jak inne polisacharydy. Pektyna, która jest określona do stosowania w żywności, jest zdefiniowana jako heteropolisacharyd zawierający co najmniej 65% jednostek kwasu galakturonowego. Stosując określone warunki ekstrakcji, pektyny mogą być z powodzeniem modyfikowane i funkcjonalizowane w celu spełnienia określonych wymagań. Produkcja funkcjonalizowanych i modyfikowanych pektyn jest interesująca dla specjalnych zastosowań, np. niskometoksylowanych pektyn dla farmaceutyków.
W jaki sposób pektyna jest oddzielana od roztworu ekstraktu?
Wytrącanie pektyny po ekstrakcji ultradźwiękowej: Dodanie etanolu do roztworu ekstraktu może pomóc w oddzieleniu pektyny w procesie zwanym wytrącaniem. Pektyna, złożony polisacharyd występujący w ścianach komórkowych roślin, jest rozpuszczalna w wodzie w normalnych warunkach. Jednak poprzez zmianę środowiska rozpuszczalnika z dodatkiem etanolu, rozpuszczalność pektyny może zostać zmniejszona, co prowadzi do jej wytrącenia z roztworu.
Poniżej wyjaśniamy chemię wytrącania pektyn przy użyciu etanolu:
- Przerwanie wiązań wodorowych: Cząsteczki pektyny są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe, które przyczyniają się do ich rozpuszczalności w wodzie. Etanol zakłóca te wiązania wodorowe, konkurując z cząsteczkami wody o miejsca wiązania na cząsteczkach pektyny. Gdy cząsteczki etanolu zastępują cząsteczki wody wokół cząsteczek pektyny, wiązania wodorowe między cząsteczkami pektyny słabną, zmniejszając ich rozpuszczalność w rozpuszczalniku.
- Zmniejszona polarność rozpuszczalnika: Etanol jest mniej polarny niż woda, co oznacza, że ma mniejszą zdolność do rozpuszczania substancji polarnych, takich jak pektyny. W miarę dodawania etanolu do roztworu ekstraktu, ogólna polarność rozpuszczalnika zmniejsza się, co sprawia, że cząsteczki pektyny pozostają w roztworze mniej korzystnie. Prowadzi to do wytrącania pektyny z roztworu, ponieważ staje się ona mniej rozpuszczalna w mieszaninie etanolu i wody.
- Zwiększone stężenie pektyny: Gdy cząsteczki pektyny wytrącają się z roztworu, stężenie pektyny w pozostałym roztworze wzrasta. Pozwala to na łatwiejsze oddzielenie pektyny od fazy ciekłej poprzez filtrację lub wirowanie.
Literatura / Referencje
- Wafaa S. Abou-Elseoud, Enas A. Hassan, Mohammad L. Hassan (2021): Extraction of pectin from sugar beet pulp by enzymatic and ultrasound-assisted treatments. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, Volume 2, 2021.
- Marina Fernández-Delgado, Esther del Amo-Mateos, Mónica Coca, Juan Carlos López-Linares, M. Teresa García-Cubero, Susana Lucas (2023): Enhancement of industrial pectin production from sugar beet pulp by the integration of surfactants in ultrasound-assisted extraction followed by diafiltration/ultrafiltration. Industrial Crops and Products, Volume 194, 2023.
- Wang, Wenjun; Wu, Xingzhu; Chantapakul, Thunthacha; Wang, Danli; Zhang, Song; Ma Xiaobin; Ding, Tian; Ye, Xingqian; Liu, Donghong(2017): Acoustic cavitation assisted extraction of pectin from waste grapefruit peels: A green two-stage approach and its general mechanism. Food Research Journal Vol.102, December 2017. 101-110.
- Drance, Florina; Oroian, Mircea (2019): Ultrasound-Assisted Extraction of Pectin from Malus domestica ‘Fălticeni’ Apple Pomace. Processes 7(8): 488; 2019.
- Owais Yousuf; Anupama Singh; N. C. Shahi; Anil Kumar; A. K. Verma (2018): Ultrasound Assisted Extraction of Pectin from Orange Peel. Bulletin of Environment, Pharmacology and Life Sciences Vol 7 [12], November 2018. 48-54.
- Lena Rebecca Larsen; Julia Buerschaper; Andreas Schieber; Fabian Weber (2019): Interactions of Anthocyanins with Pectin and Pectin Fragments in Model Solutions. J Agric Food Chem 2019 Aug 21; 67(33). pp. 9344-9353.