Wyższe plony pektyn dzięki ekstrakcji ultradźwiękowej

Ekstrakcja ultradźwiękowa pozwala uzyskać wysokie plony najwyższej jakości pektyn. Za pomocą ultradźwięków cenne pektyny mogą być efektywnie produkowane z odpadów owocowych (np. produktów ubocznych z przetwórstwa soków) i innych surowców biologicznych. Ekstrakcja ultradźwiękowa pektyn wyróżnia się spośród innych technik ekstrakcji, dając wyższą wydajność, najwyższą jakość pektyn i szybki proces ekstrakcji.

Zintensyfikowana ekstrakcja pektyn metodą sonikacji

Pektyna stosowana jest jako żel, emulgator i zagęstnik w wielu produktach spożywczych, a także jako składnik kosmetyków i farmaceutyków. Konwencjonalna przemysłowa ekstrakcja pektyn odbywa się poprzez ekstrakcję gorącą wodą, gdzie surowiec, taki jak skórki cytrusów, wytłoki jabłek i inne odpady owocowe, jest przez długi czas moczony w 60-100 °C gorącej wodzie o niskim pH (ok. pH 1,5 - 3,5). W ten sposób konwencjonalne pozyskiwanie ciepłej wody staje się procesem czasochłonnym i energochłonnym, który często nie jest nawet na tyle efektywny, aby uwolnić duże ilości pektyn dostępnych w surowcu.
W celu przezwyciężenia nieefektywności konwencjonalnej metody produkcji stosuje się ekstrakcję ultradźwiękową jako technikę intensyfikującą proces, która skraca czas ekstrakcji i maksymalizuje znacznie wydajność pektyn w porównaniu z tradycyjną ekstrakcją gorącej wody.

Zalety ultradźwiękowej ekstrakcji pektyn

Ekstrakcja ultradźwiękowa ma zastosowanie w wielu dziedzinach produkcji ekstraktów, np. ekstraktów botanicznych i ziołowych do żywności, suplementów, farmaceutyków i kosmetyków. Bardzo znaczącym przykładem ekstrakcji ultradźwiękowej jest ekstrakcja konopi indyjskich (CBD) i innych związków z rośliny.
Ekstrakcja ultradźwiękowa jest nietermiczną techniką ekstrakcji, która zapobiega tym samym degradacji termicznej związków bioaktywnych. Wszystkie parametry procesu ultradźwiękowego, takie jak amplituda, intensywność, czas, temperatura i ciśnienie, mogą być dokładnie kontrolowane. Pozwala to na dokładną kontrolę procesu i jakości oraz ułatwia powtarzanie i odtwarzanie raz uzyskanych wyników ekstrakcji. Producenci ekstraktów cenią sobie ultrasonografię za niezawodną powtarzalność procesu, która pomaga standaryzować procesy i produkty.

Określenie odpowiednich parametrów procesu pozwala na optymalizację procesu ekstrakcji ultradźwiękowej do najwyższej wydajności i najwyższej jakości ekstrakcji.
Ważnym czynnikiem jest na przykład wielkość cząsteczek surowca (np. skórki cytrusów): Mniejszy rozmiar cząsteczek oznacza większą powierzchnię, na której działają fale ultradźwiękowe. Niewielki rozmiar cząsteczek skutkuje tym samym wyższą wydajnością pektyn, niższym stopniem metylacji i większym stosunkiem regionów ramnogalakturonu (RG).
Kolejnym istotnym parametrem jest wartość pH rozpuszczalnika do ekstrakcji (tj. woda + kwas). Kiedy pektyna jest ekstrahowana w warunkach kwaśnych, wiele rozgałęzionych regionów ramnogalakturonu w polimerze ulega rozkładowi, tak że pozostają głównie "proste" regiony homogalakturonu (HG) z kilkoma neutralnymi cząsteczkami cukru przyczepionymi na lub w głównym łańcuchu liniowym.
Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyn skraca czas ekstrakcji i obniża wymaganą temperaturę procesu, co zmniejsza prawdopodobieństwo niepożądanej modyfikacji pektyn przez kwasy. Pozwala to na stosowanie kwasów w warunkach ograniczonych w celu dokładnej modyfikacji pektyn zgodnie z wymaganiami produktu.

Co sprawia, że Ultrasonic Pectin Extraction jest tak wydajna?

Wpływ ekstrakcji ultradźwiękowej bezpośrednio wpływa na puchnięcie, perforację i pękanie ścian komórkowych. Indukowane ultradźwiękowo przenoszenie masy powoduje nawodnienie materiału pektynowego w środkowej lamelce, co prowadzi do rozpadu tkanek roślinnych. Kawitacja ultradźwiękowa i siły ścinające oddziałują bezpośrednio na ściany komórkowe i rozbijają je. Mechanizmy te prowadzą do uzyskania bardzo efektywnych wyników ekstrakcji ultradźwiękowej.

Pektyna ekstrahowana ultradźwiękowo (również kawitacyjnie wspomagana akustycznie pektyna ekstrahowana, skrót ACAE), która miała mniejszy ciężar cząsteczkowy i stopień metoksylowania, była bogatsza w regionie ramnogalakturonu-I (RG-I) o długie łańcuchy boczne w porównaniu z pektyną ekstrahowaną termicznie (CHE) z analizy chemicznej i FT-IR. Zużycie energii na ekstrakcję pektyn ulgtrasonicznych było istotnie niższe niż w przypadku konwencjonalnej metody grzewczej, co wskazuje na jej obiecujące zastosowanie w przemysłowej skali produkcyjnej.
(por. Wang et al., 2017)
Wang i jego współpracownicy (2017) podkreślają również, że ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (ZEA) jest procesem bardziej ekonomicznym i przyjaznym dla środowiska, o większej wydajności i mniejszych kosztach w porównaniu z tradycyjną ekstrakcją ciepła (CHE).

Jak działa ultradźwiękowa ekstrakcja pektyn?

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest oparta na efektach sonomechanicznych ultradźwięków o wysokiej intensywności. W celu wspierania i intensyfikacji ekstrakcji pektyn za pomocą ultradźwięków, fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzężone za pomocą sondy ultradźwiękowej (zwanej również rogiem ultradźwiękowym lub sonotrodą) z medium płynnym, tj. zawiesiną składającą się z surowca zawierającego pektyny i rozpuszczalnika. Fale ultradźwiękowe przechodzą przez ciecz i tworzą na przemian cykle niskiego i wysokiego ciśnienia. Podczas cykli niskociśnieniowych tworzą się drobne pęcherzyki próżniowe (tzw. pęcherzyki kawitacyjne), które rosną przez kilka cykli ciśnieniowych. Podczas tych cykli wzrostu pęcherzyków, rozpuszczone w cieczy gazy dostają się do pęcherzyka próżniowego, tak że pęcherzyk próżniowy zamienia się w rosnące pęcherzyki gazowe. Przy określonej wielkości, gdy pęcherzyki nie są w stanie wchłonąć większej ilości energii, implodują gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Implozja pęcherzyka charakteryzuje się intensywnymi siłami kawitacyjnymi, w tym bardzo wysokimi temperaturami i ciśnieniami sięgającymi odpowiednio do 4000K i 1000atm, a także odpowiadającymi im wysokimi różnicami temperatur i ciśnień. Te ultradźwiękowo generowane turbulencje i siły ścinające rozbijają komórki roślinne i uwalniają pektyny wewnątrzkomórkowe do wodnego rozpuszczalnika. Ponieważ kawitacja ultradźwiękowa powoduje bardzo intensywne przenoszenie masy, sonikacja daje wyjątkowo wysoką wydajność w bardzo krótkim czasie przetwarzania.

Ekstrakcja ultradźwiękowa z komórek roślinnych: mikroskopijny przekrój poprzeczny (TS) pokazuje mechanizm działania podczas ekstrakcji ultradźwiękowej z komórek (powiększenie 2000x) [źródło: Vilkhu et al. 2011].

O Pektynach

Pektyna jest rozgałęzionym heteropolisacharydem składającym się z długołańcuchowych segmentów galakturonowych i innych cukrów neutralnych, takich jak ramnoza, arabinoza, galaktoza i ksyloza. Dokładniej mówiąc, pektyna jest blokiem kopolimeru składającym się z 1,4-α-zależnego kwasu galakturonowego i 1,2-zależnej ramnozy z bocznymi odgałęzieniami β-D-galaktozy, L-arabinozy i innych jednostek cukrowych. Ponieważ w pektynach występuje kilka odmian cukru i różne poziomy estryfikacji metylowej, pektyna nie ma określonej masy cząsteczkowej, jak inne polisacharydy. Pektyna, która jest przeznaczona do stosowania w żywności, jest zdefiniowana jako heteropolisacharyd zawierający co najmniej 65% jednostek kwasu galakturonowego. Poprzez zastosowanie określonych warunków 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. pektyny niskometoksylowane (LMP) do zastosowań farmaceutycznych.

Pektyny wyekstrahowane z odpadów owocowych

Odpady owocowe, takie jak skórki, pozostałości miąższu owoców (po wyciskaniu soku owocowego) i inne owocowe produkty uboczne, są często bogatym źródłem pektyn. Podczas gdy produkty z odpadów owocowych są często wykorzystywane jako pasza dla zwierząt, ekstrakcja pektyn jest bardziej wartościowym wykorzystaniem odpadów owocowych.
Ekstrakcja pektyn ultradźwiękowych jest już z powodzeniem stosowana m.in. w przypadku skórek cytrusowych (takich jak pomarańcze, mandarynki, grejpfruty), skórek melona, wytłoków z jabłek, wytłoków z buraków cukrowych, skórek z mango, odpadów pomidorowych, a także owoców chlebowca, męczennicy, skórek figowych.

Studia przypadków Ultradźwiękowej Ekstrakcji Pektyn

Ze względu na wady konwencjonalnej ekstrakcji pektyn za pomocą ciepła, badania i przemysł zbadały już innowacyjne rozwiązania alternatywne, takie jak ekstrakcja ultradźwiękowa. Dzięki temu dostępnych jest wiele informacji na temat parametrów procesowych dla różnych surowców, jak również danych dotyczących optymalizacji procesu.

Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyn z Apple Pomace

Dranca i Oroian (2019) badali ultradźwiękowo wspomagany proces ekstrakcji pektyny z wytłoków jabłkowych, stosując różne warunki ultradźwiękowe i wykorzystując konstrukcję powierzchni odpowiedzi Box-Behnkena. Stwierdzili, że amplituda ultradźwięków silnie wpływa na wydajność i stopień estryfikacji ekstrahowanej pektyny, a pH ekstrakcji ma duży wpływ na wszystkie trzy odpowiedzi, tj. wydajność, zawartość GalA i stopień estryfikacji. Optymalnymi warunkami do ekstrakcji były: 100% amplituda, pH 1,8, stosunek fazy stałej do ciekłej 1:10 g/mL oraz 30 minutowa sonizacja. W tych warunkach plon pektyn wynosił 9,183% i zawierał 98,127 g/100 g GalA, a stopień estryfikacji 83,202%. W celu ustalenia wyników ekstrakcji ultradźwiękowej pektyny w stosunku do pektyny handlowej porównano próbkę pektyny otrzymaną w optymalnych warunkach z komercyjnymi próbkami pektyn cytrusowych i jabłkowych za pomocą FT-IR, DSC, analizy reologicznej i SEM. Dwie pierwsze techniki podkreśliły pewne cechy charakterystyczne próbki pektyn ekstrahowanych za pomocą ekstrakcji ultradźwiękowej, takie jak węższy zakres rozkładu masy cząsteczkowej, uporządkowany układ molekularny oraz wysoki stopień estryfikacji, który był podobny do komercyjnej pektyny jabłkowej. Analiza cech morfologicznych próbki otrzymanej metodą ultradźwiękową wskazuje na wzór oznaczenia pomiędzy rozkładem wielkości fragmentów tej próbki i jej zawartością GalA po jednej stronie, a zdolnością absorpcji wody po drugiej stronie. Lepkość ultradźwiękowo wyekstrahowanego roztworu pektyny była znacznie wyższa niż roztworów wykonanych z użyciem pektyny handlowej, co być może wynikało z wysokiego stężenia kwasu galakturonowego. Biorąc pod uwagę również wysoki stopień estryfikacji, może to wyjaśniać, dlaczego lepkość była wyższa dla pektyny ekstrahowanej ultradźwiękami. Badacze stwierdzają, że czystość, struktura i zachowanie reologiczne pektyny ekstrahowanej ultradźwiękowo z wytłoków z jabłek Malus domestica "Fălticeni" wskazuje na obiecujące zastosowania tego rozpuszczalnego włókna. (por. Dranca & Oroian 2019)

Wysokowydajny ekstraktor ultradźwiękowy do produkcji pektyn

Ekstrakcja ultradźwiękowa to niezawodna technologia przetwarzania, która ułatwia i przyspiesza produkcję wysokiej jakości pektyn z różnych surowców, takich jak produkty uboczne z owoców cytrusowych i skórki, wytłoki jabłkowe i wiele innych. Portfolio firmy Hielscher Ultrasonics obejmuje pełen zakres od kompaktowych laboratoryjnych ultrasonografów do przemysłowych systemów ekstrakcji. W ten sposób firma Hielscher może zaoferować Państwu najbardziej odpowiedni ultrasonograf dla Państwa planowanej wydajności procesu. Nasi długoletni doświadczeni pracownicy pomogą Państwu począwszy od badań wykonalności i optymalizacji procesu aż do instalacji Państwa instalacji ultradźwiękowej na końcowym etapie produkcji.
Niewielkie rozmiary naszych ekstraktorów ultradźwiękowych oraz ich wszechstronność w zakresie instalacji sprawiają, że pasują one nawet do niewielkich urządzeń do przetwarzania pektyn. Procesory ultradźwiękowe są instalowane na całym świecie w zakładach produkujących żywność, farmację i suplementy diety.

Hielscher Ultrasonics – Wyrafinowane urządzenia ekstrakcyjne

Portfolio produktów firmy 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 Państwa procesu ekstrakcji pektyn. Optymalna konfiguracja urządzenia ultradźwiękowego zależy od przewidywanej wydajności, objętości, surowca, procesu wsadowego lub inline oraz czasu.

Batch i Inline

Ultradźwięki firmy Hielscher mogą być stosowane do przetwarzania wsadowego i ciągłego. Ultradźwiękowe przetwarzanie wsadowe jest idealne do testowania procesów, optymalizacji i produkcji na poziomie od małego do średniego rozmiaru. W przypadku produkcji dużych ilości pektyn przetwarzanie w linii produkcyjnej może być bardziej korzystne. Ciągły proces mieszania w linii produkcyjnej wymaga skomplikowanej konfiguracji. – składający się z pompy, węży lub rur i zbiorników - ale jest bardzo wydajny, szybki i wymaga znacznie mniejszego nakładu pracy. Firma Hielscher Ultrasonics posiada najbardziej odpowiedni zestaw odciągowy dla Twojej wydajności i celów technologicznych.

Ekstraktory ultradźwiękowe dla każdej pojemności produktu

Asortyment produktów firmy Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych laboratoryjnych ultrasonografów, poprzez systemy stacjonarne i pilotażowe, aż po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe o wydajności umożliwiającej przetwarzanie ciężarówek na godzinę. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować Państwu najbardziej odpowiedni ekstraktor ultradźwiękowy dla Państwa surowca zawierającego pektyny, wydajności procesu i celów produkcyjnych.
Ultradźwiękowe systemy stacjonarne są idealne do badań wykonalności i optymalizacji procesów. Liniowe skalowanie w oparciu o ustalone parametry procesowe umożliwia bardzo łatwe zwiększenie mocy przerobowych z mniejszych partii do w pełni komercyjnej produkcji. Skalowanie może być wykonane przez zainstalowanie mocniejszego urządzenia do ekstrakcji ultradźwiękowej lub przez połączenie kilku ultrasonografów równolegle. Dzięki UIP16000 firma Hielscher oferuje najmocniejszą na świecie ekstraktorykę ultradźwiękową.

Precyzyjnie regulowane amplitudy dla uzyskania optymalnych wyników

Wszystkie ultradźwięki firmy Hielscher są precyzyjnie sterowane i dzięki temu niezawodnie pracują z końmi roboczymi w produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu, który wpływa na efektywność i skuteczność ekstrakcji ultradźwiękowej pektyn z owoców i bioodpadów.
Wszystkie ultradźwięki Hielscher Ultrasonics’ Procesory pozwalają na precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i klaksony wzmacniające są akcesoriami pozwalającymi na modyfikację amplitudy w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą dostarczać bardzo duże amplitudy i zapewnić wymaganą intensywność ultradźwiękową dla wymagających zastosowań. Amplitudy do 200µm można z łatwością pracować w trybie ciągłym 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 uzyskania najlepszych wyników ekstrakcji!
Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 w trudnych warunkach pracy i w wymagającym otoczeniu. To sprawia, że urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher są niezawodnym narzędziem pracy, spełniającym Państwa wymagania w zakresie odciągu.

Łatwe, wolne od ryzyka testowanie

Procesy ultradźwiękowe mogą być całkowicie liniowo skalowane. Oznacza to, że każdy wynik uzyskany za pomocą laboratorium lub stacjonarnego ultrasonografu może być skalowany na dokładnie taką samą wydajność przy użyciu dokładnie takich samych parametrów procesu. Dzięki temu ultradźwięki nadają się idealnie do bezinwazyjnych testów wykonalności, optymalizacji procesów i późniejszego wdrożenia do produkcji komercyjnej. Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się, w jaki sposób ultrasonizacja może zwiększyć produkcję ekstraktu pektynowego.

Najwyższa jakość – Zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech

Jako firma rodzinna i rodzinna, Hielscher priorytetowo traktuje najwyższe standardy jakości dla swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultrasonicators są zaprojektowane, wyprodukowane i dokładnie przetestowane w naszej siedzibie w Teltowie koło Berlina, Niemcy. Solidność i niezawodność ultradźwiękowego sprzętu Hielschera sprawiają, że jest to koń roboczy w Twojej produkcji. Praca 24/7 przy pełnym obciążeniu i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą wysokowydajnych mieszalników Firmy Hielscher.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: