Technologia ultradźwiękowa firmy Hielscher

Ekstrakcja pektyny ultradźwiękowej z owoców i bioodpadów

  • Pektyny są bardzo często stosowanym dodatkiem do żywności, dodawanym głównie ze względu na efekt żelowania.
  • Ekstrakcja ultradźwiękowa znacznie zwiększa wydajność i jakość ekstraktów z pektyny.
  • Sonizacja znana jest z efektów intensyfikacji procesów, które są już wykorzystywane w wielu procesach przemysłowych.

 

Pektyny i ekstrakcja Pektyny

Odpady owoców cytrusowych, takie jak skórki i pozostałości po soku, są idealne do ultradźwiękowej ekstrakcji pektyn.Pektyna jest naturalnym kompleksem polisacharydów (heteropolisacharydów) występującym w szczególności w ścianach komórkowych owoców, zwłaszcza owoców cytrusowych i wytłoczyn jabłkowych. Wysoka zawartość pektyn występuje w skórkach owoców zarówno jabłek, jak i owoców cytrusowych. Miazga jabłkowa zawiera 10-15% pektyny w przeliczeniu na suchą masę, a skórka cytrusowa 20-30%. Pektyny są biokompatybilne, biodegradowalne i odnawialne oraz wykazują doskonałe właściwości żelujące i zagęszczające, co czyni je cennym dodatkiem. Pektyny są szeroko stosowane w żywności, kosmetykach i produktach farmaceutycznych jako modyfikatory reologiczne, takie jak emulgator, środek żelujący, środek glazurujący, stabilizator i zagęszczacz.
Konwencjonalna ekstrakcja pektyn do zastosowań przemysłowych jest wykonywana w procesach katalitycznych z wykorzystaniem kwasu (kwasu azotowego, solnego lub siarkowego). Ekstrakcja kwasowo-katalizująca jest najczęściej stosowanym procesem w produkcji pektyn przemysłowych, ponieważ inne techniki ekstrakcji, takie jak bezpośrednie gotowanie (60ºC-100ºC) do 24 godzin i niskie pH (1,0-3,0) są powolne i mało wydajne i mogą powodować termiczną degradację wyekstrahowanego włókna, a wydajność pektyn jest czasami ograniczona przez warunki procesu. Jednak kwasowo-katalizująca ekstrakcja również ma swoje wady: Surowa kwaśna kuracja powoduje depolimeryzację i deestryfikację łańcuchów pektynowych, co negatywnie wpływa na jakość pektyn. Produkcja dużych ilości kwaśnych ścieków wymaga przetwarzania wtórnego i kosztownego przetwarzania, co sprawia, że proces ten stanowi obciążenie dla środowiska naturalnego.

Ekstrakcja pektyny ultradźwiękowej

UIP4000hdT (4kW) procesor ultradźwiękowy do ekstrakcji pektyn w procesie przemysłowym w linii produkcyjnej.Ekstrakcja ultradźwiękowa to łagodna, nietermiczna obróbka, która jest stosowana w różnorodnych procesach spożywczych. W odniesieniu do ekstrakcji pektyn z owoców i warzyw, sonizacja produkuje pektyny wysokiej jakości. Wyekstrahowane ultradźwiękowo pektyny wyróżniają się zawartością kwasu anhydrouronowego, pektyny metoksylowej i wapniowej oraz stopniem estryfikacji. Łagodne warunki ekstrakcji ultradźwiękowej zapobiegają termicznej degradacji wrażliwych na ciepło pektyn.
Jakość i czystość pektyny może się różnić w zależności od kwasu anhydrogalakturonowego, stopnia estryfikacji, zawartości popiołu w wyekstrahowanej pektynie. Pektyna o wysokiej masie cząsteczkowej i niskiej zawartości popiołu (poniżej 10%) o wysokiej zawartości kwasu anhydroglakturonowego (powyżej 65%) znana jest jako pektyna dobrej jakości. Ponieważ intensywność zabiegu ultradźwiękowego można bardzo precyzyjnie kontrolować, na właściwości ekstraktu pektynowego można wpływać poprzez regulację amplitudy, temperatury ekstrakcji, ciśnienia, czasu retencji i rozpuszczalnika.

Komora przepływowa UIP4000hdT do sonizacji inline na skalę przemysłową

Reaktor przepływowy ultradźwiękowy

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.



Korzyści:

  • wyższa wydajność
  • lepsza jakość
  • nietermiczne
  • skrócenie czasu ekstrakcji
  • intensyfikacja procesu
  • możliwość doposażenia w urządzenia dodatkowe
  • zielona Ekstrakcja
Ekstrakcja ultradźwiękowa może być wykonywana przy użyciu różnych metod. rozpuszczalniki takich jak woda, kwas cytrynowy, roztwór kwasu azotowego (HNO3(pH 2,0) lub szczawianu amonu/kwasu szczawianowego/oksalowego, co umożliwia również integrację sonizacji z istniejącymi liniami ekstrakcyjnymi (doposażenie).

Wyciągi z pektyny ultradźwiękowej wyróżniają się na tle innych:

  • wysoka zdolność żelowania
  • dyspergowalność
  • kolor pektyny
  • wysokowapniowy pektan wapnia
  • mniej degradacji
  • przyjazny środowisku

Odpady owocowe jako źródło: Wysokowydajne ultradźwięki zostały już z powodzeniem zastosowane do izolowania pektyn z wytłoków z jabłek, skórki owoców cytrusowych (takich jak pomarańcza, cytryna, grejpfrut), wytłoków z winogron, granatu, wytłoków z buraka cukrowego, skórki owoców smoka, kladodów z gruszek kłujących, skórki owoców męczennicy i skórki z mango.

Wysokowydajne ultradźwiękowe urządzenia ultradźwiękowe

Hielscher Ultrasonics to Twój partner w procesie ekstrakcji z roślin. Czy chcesz wyodrębnić niewielkie ilości do badania i analizy procesowej lub dużych ilościach do produkcji komercyjnej, mamy odpowiedni wyciąg ultradźwiękowy dla ciebie. Nasz laboratoryjne procesory ultradźwiękowe jak również naszych bench-top i ultrasonicators przemysłowe są wytrzymałe, łatwe w obsłudze i zbudowany do pracy 24/7 pod pełnym obciążeniem. Szeroka gama Wyposażenie takie jak sonotrod (czujniki ultradźwiękowe / rogów) o różnych rozmiarach i kształtach, komórkach przepływowych i reaktorów i środki wzmacniające pozwalają na optymalne ustawione tak określonego procesu ekstrakcji.
Wszystkie cyfrowe maszyny ultradźwiękowe są wyposażone w kolorowy wyświetlacz dotykowy, zintegrowaną kartę SD do automatycznego protokołowania danych oraz zdalne sterowanie przez przeglądarkę w celu kompleksowego monitorowania procesu. Dzięki zaawansowanym systemom ultradźwiękowym firmy Hielscher, wysoka standaryzacja procesu i kontrola jakości są proste.
Skontaktuj się z nami w celu omówienia wymagań procesu ekstrakcji! Będziemy zadowoleni, aby pomóc z naszego wieloletniego doświadczenia w ekstrakcji botanicznych!
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Wielkość partii natężenie przepływu Polecane urządzenia
10 do 2000mL 20-400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10-100L 2 do 10L/min UIP4000
b.d. 10-100L/min UIP16000
b.d. większe klaster UIP16000

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Poproś o więcej informacji

Skorzystaj z formularza poniżej, jeśli chcesz zażądać dodatkowych informacji na temat ultradźwiękowej homogenizacji. Chętnie zaoferujemy Państwu system ultradźwiękowy, spełniający Państwa wymagań.









Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


Wyniki badań ultradźwiękowej ekstrakcji pektynowej

Odpady pomidorów: W celu uniknięcia długich czasów ekstrakcji (12-24 h) w procedurze refluksowej, do intensyfikacji procesu ekstrakcji zastosowano ultradźwięki (15, 30, 45, 60 i 90 min). W zależności od czasu ekstrakcji uzyskany plon pektyn dla pierwszego etapu ekstrakcji ultradźwiękowej, w temperaturze 60°C i 80°C wynosi odpowiednio 15,2-17,2% i 16,3-18,5%.) Oczywiście, ekstrakcja ultradźwiękowa zwiększa pęknięcie macierzy ściany komórkowej pomidora, prowadząc do lepszych interakcji pomiędzy rozpuszczalnikiem a wyekstrahowanym materiałem.
Wyekstrahowane ultradźwiękowo pektyny można zaklasyfikować do kategorii pektyn o wysokiej zawartości metoksylu (HM-pectin) o właściwościach szybkiego żelowania (DE > Zawartość pektanu wapnia w wyekstrahowanej ultradźwiękowo pektynie mierzono w zakresie od 41,4% do 97,5% w zależności od parametrów ekstrakcji (temperatura i czas). W wyższej temperaturze ekstrakcji ultradźwiękowej zawartość pektatu wapnia jest wyższa (91-97%) i jako taki jest ważnym parametrem zdolności żelowania pektyny w porównaniu z ekstrakcją konwencjonalną.
Konwencjonalna ekstrakcja rozpuszczalnikowa przez okres 24 godzin daje podobne wyniki pektyny w porównaniu z 15 minutami ekstrakcji ultradźwiękowej. W odniesieniu do uzyskanych wyników można stwierdzić, że leczenie ultradźwiękowe znacznie skraca czas ekstrakcji. Spektroskopia NMR i FTIR potwierdza istnienie głównie estryfikowanej pektyny we wszystkich badanych próbkach. [Grassino et al. 2016]

Skórka z owoców pasji: Największa wydajność pektyny otrzymanej metodą ekstrakcji ultradźwiękowej wynosiła 12,67% (warunki ekstrakcji 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 i 10 min). Dla tych samych warunków wykonano konwencjonalny odciąg ciepła, którego wynik wyniósł 7,95%. Wyniki te są zgodne z innymi badaniami, które informują o krótkim czasie skutecznej ekstrakcji polisacharydów, w tym pektyny, hemiceluloz i innych rozpuszczalnych w wodzie polisacharydów, wspomaganych ultradźwiękami. Zaobserwowano również, że wydajność ekstrakcji wzrosła 1,6-krotnie, gdy ekstrakcja była wspomagana ultradźwiękami. Uzyskane wyniki wykazały, że ultradźwięki są skuteczną i oszczędzającą czas techniką ekstrakcji pektyny ze skórki owoców męczennicy. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Prickly Pear Cladodes: Ultradźwiękowo wspomagana ekstrakcja (UAE) pektyny z kladododów Opuntia ficus indica (OFI) po usunięciu śluzu została podjęta z wykorzystaniem metody powierzchni odpowiedzi. Zmienne procesowe zostały zoptymalizowane przez centralny projekt kompozytu izowariantowego w celu poprawy wydajności ekstrakcji pektyny. Optymalnym osiągniętym warunkiem był: czas sonikowania 70 min, temperatura 70, pH 1,5 oraz stosunek wody do materiału 30 ml/g. Warunek ten został zatwierdzony, a wydajność ekstrakcji doświadczalnej wyniosła 18,14% ± 1,41%, co było ściśle związane z przewidywaną wartością (19,06%). Dzięki wysokiej wydajności, którą osiągnięto w krótszym czasie i przy niższych temperaturach, ekstrakcja ultradźwiękowa stanowi obiecującą alternatywę dla konwencjonalnego procesu ekstrakcji. Pektyna ekstrahowana metodą ekstrakcji ultradźwiękowej z kladodów OFI (UAEPC) charakteryzuje się niskim stopniem estryfikacji, wysoką zawartością kwasu uronowego, ważnymi właściwościami użytkowymi i dobrą aktywnością antyrodnikową. Wyniki te przemawiają za stosowaniem UAEPC jako potencjalnego dodatku w przemyśle spożywczym. [Bayar et al. 2017]

Grape Pomace: W pracy badawczej "Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyn z wytłoków z winogron przy użyciu kwasu cytrynowego: A response surface methodology approach", sonication jest używany do ekstrakcji pektyn z wytłoków z winogron z kwasem cytrynowym jako środkiem ekstrakcyjnym. Zgodnie z metodologią powierzchni reakcji, najwyższy uzysk pektyny (∼32,3%) można uzyskać, gdy proces ekstrakcji ultradźwiękowej jest przeprowadzany w temperaturze 75ºC przez 60 minut przy użyciu roztworu kwasu cytrynowego o pH 2,0. Te polisacharydy pektynowe, składające się głównie z jednostek kwasu galakturonowego (∼97% cukrów ogółem), mają średnią masę cząsteczkową 163,9kDa i stopień estryfikacji (DE) 55,2%.
Morfologia powierzchni sonikowanych wytłoków z winogron pokazuje, że sonizacja odgrywa ważną rolę w rozbijaniu tkanki roślinnej i zwiększaniu plonów z ekstrakcji. Plon uzyskany po ultradźwiękowej ekstrakcji pektyn w optymalnych warunkach (75°C, 60 min, pH 2,0) był o 20% wyższy od plonu uzyskanego przy ekstrakcji w tych samych warunkach temperatury, czasu i pH, ale bez pomocy ultradźwięków. Ponadto pektyny z ekstrakcji ultradźwiękowej wykazywały również wyższą średnią masę cząsteczkową. [Minjares-Fuentes et al. 2014]

Hielscher Ultrasonics pomoże Ci od pierwszego testu do komercjalizacji Twojej aplikacji.

Od testów wykonalności po optymalizację procesów i instalację przemysłową. – Hielscher Ultrasonics to Twój partner w udanych procesach ultradźwiękowych!

Literatura / Referencje



Fakty Warto wiedzieć

Pektyna

Pektyna jest naturalnie występującym heteropolisacharydem, występującym głównie w owocach takich jak wytłoki jabłkowe i owoce cytrusowe. Pektyny, znane również jako polisacharydy pektynowe, są bogate w kwas galakturonowy. W grupie pektycznej zidentyfikowano kilka różnych polisacharydów. Homogalakturony to liniowe łańcuchy kwasu D-galakturonowego połączonego z kwasem α-(1-4)-podstawowym. Zastępowane galakturonany charakteryzują się obecnością pozostałości dodatku sacharydów (takich jak D-ksyloza lub D-apioza w odpowiednich przypadkach ksylogalakturonanu i apiogalakturonanu) rozgałęziających się od kręgosłupa pozostałości kwasu D-galakturonowego. Pektyny Rhamnogalacturonan I (RG-I) zawierają kręgosłup powtarzającego się disacharydu: 4)-α-D-galakturonowy kwasd-(1,2)-α-L-rhamnose-(1. Wiele pozostałości ramnozy ma łańcuchy boczne z różnych cukrów obojętnych. Cukry neutralne to głównie D-galaktozy, L-arabinozy i D-ksylozy. Rodzaje i proporcje cukrów neutralnych różnią się w zależności od pochodzenia pektyny.
Innym strukturalnym typem pektyny jest ramnogalakturonan II (RG-II), który jest złożonym, silnie rozgałęzionym polisacharydem i rzadziej spotykanym w przyrodzie. Rdzeń ramnogalakturonu II składa się wyłącznie z jednostek kwasu D-galakturonowego. Odseparowana pektyna ma masę cząsteczkową typowo 60.000-130.000 g/mol, różną w zależności od pochodzenia i warunków ekstrakcji.
Pektyny są ważnym dodatkiem o różnorodnym zastosowaniu w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i innych gałęziach przemysłu. Stosowanie pektyn opiera się na ich wysokiej zdolności do tworzenia żelu w obecności Ca2+ jony lub rozpuszczalnik o niskim pH. Istnieją dwie formy pektyn: pektyna o niskiej zawartości metoksylu (LMP) i pektyna o wysokiej zawartości metoksylu (HMP). Dwa rodzaje pektyn różnią się stopniem metylacji (DM). W zależności od metylationu, pektyna może być albo pektyną wysokometoksy pektynową (DM>50) lub niskiej zawartości pektyny metoksy (DM<50). Pektyna wysokometoksydiowa charakteryzuje się zdolnością do tworzenia żeli w środowisku kwaśnym (pH 2,0-3,5) przy założeniu obecności sacharozy w stężeniu co najmniej 55% mas. lub wyższym. Niska pektyna metoksyczna może tworzyć żele o większym zakresie pH (2,0-6,0) w obecności jonów dwuwartościowych, takich jak wapń.
W odniesieniu do żelowania pektyny wysokometoksylowej, sieciowanie cząsteczek pektyny następuje w wyniku wiązań wodorowych i oddziaływań hydrofobowych pomiędzy cząsteczkami. W przypadku pektyny o niskiej zawartości metoksylu, żelowanie uzyskuje się z połączenia jonowego poprzez mostki wapniowe pomiędzy dwoma grupami karboksylowymi należącymi do dwóch różnych łańcuchów w bliskiej odległości od siebie.
Czynniki takie jak pH, obecność innych rozpuszczalników, wielkość cząsteczek, stopień metoksylacji, liczba i położenie łańcuchów bocznych oraz gęstość ładunku na cząsteczce wpływają na właściwości żelowania pektyny. Rozróżnia się dwa rodzaje pektyn pod względem ich rozpuszczalności. Istnieje pektyna rozpuszczalna w wodzie lub wolna i pektyna nierozpuszczalna w wodzie. Rozpuszczalność pektyny związana jest z jej stopniem polimeryzacji oraz ilością i położeniem grup metoksylowych. Ogólnie rzecz biorąc, rozpuszczalność pektyny w wodzie wzrasta wraz ze zmniejszającą się masą cząsteczkową i wzrasta w estryfikowanych grupach karboksylowych. Jednak na rozpuszczalność wpływa również pH, temperatura i rodzaj obecnego rozpuszczalnika.
Jakość pektyny stosowanej w handlu zależy zazwyczaj w większym stopniu od jej dyspergowalności niż od jej absolutnej rozpuszczalności. Kiedy sucha sproszkowana pektyna jest dodawana do wody, wiadomo, że tworzy tzw. “Ryba-Eyes”. Oczy te są kępkami powstałymi w wyniku szybkiego nawodnienia proszku. “Rybie oko” kępy mają suchy, zwilżony rdzeń pektynowy, który jest pokryty wysoce uwodnioną zewnętrzną warstwą mokrego proszku. Takie kępki są trudne do zwilżenia i rozpraszają się bardzo wolno.

Stosowanie pektyn

W przemyśle spożywczym pektyna jest dodawana do marmolad, dżemów, galaretek, napojów, sosów, mrożonek, słodyczy i produktów piekarskich. Pektyna jest stosowana w galaretkach cukierniczych w celu uzyskania dobrej struktury żelowej, czystego ugryzienia i nadania dobrego smaku. Pektyna jest również używana do stabilizacji kwaśnych napojów białkowych, takich jak jogurt do picia, w celu poprawy tekstury, uczucia w ustach i stabilności miąższu w napojach na bazie soku oraz jako substytut tłuszczu w wypiekach. W przypadku niskokalorycznych/niskokalorycznych pektyn dodaje się jako zamiennik tłuszczu i/lub cukru.
W przemyśle farmaceutycznym jest on stosowany do obniżania poziomu cholesterolu we krwi i zaburzeń żołądkowo-jelitowych.
Inne zastosowania przemysłowe pektyny obejmują jej zastosowanie w foliach jadalnych, jako stabilizatora emulsji do emulsji wodno-olejowych, jako modyfikatora reologicznego i plastyfikatora, jako czynnika wymiarowego dla papieru i tekstyliów itp.

Źródła pektyny

Chociaż pektyny można znaleźć w ścianach komórkowych większości roślin, wytłoki z jabłek i skórka pomarańczowa to dwa główne źródła pektyn produkowanych komercyjnie, ponieważ ich pektyny są bardzo dobrej jakości. Inne źródła wykazują często słabe zachowania żelujące. W owocach, oprócz jabłek i owoców cytrusowych, znane są z dużej ilości pektyny brzoskwinie, morele, gruszki, guawy, pigwy, śliwki i agrest. Wśród warzyw, pomidorów, marchwi i ziemniaków znana jest wysoka zawartość pektyn.

pomidor

Miliony ton pomidorów (Lycopersicon esculentum Mill.) przetwarza się rocznie na produkty takie jak sok pomidorowy, pasta, puree, ketchup, sos i salsa, co powoduje powstawanie dużych ilości odpadów. Odpady pomidora, otrzymane po sprasowaniu pomidora, składają się z 33% nasion, 27% skórki i 40% miąższu, natomiast suszone wytłoki pomidorowe zawierają 44% nasion i 56% miąższu i skórki. Odpady pomidorów są doskonałym źródłem do produkcji pektyn.