Maior rendimento de pectina com extração ultra-sônica
A extração por ultra-sons resulta em elevados rendimentos de pectinas de qualidade superior. Usando a sonicação, pectinas valiosas podem ser eficientemente produzidas a partir de resíduos de frutas (por exemplo, subprodutos do processamento de suco) e outras matérias-primas biológicas. A extração ultrassónica de pectina supera outras técnicas de extração, produzindo rendimentos mais elevados, proporcionando uma qualidade superior de pectina e um procedimento de extração rápido.
Extração intensificada de pectina por sonicação
A pectina é utilizada como agente gelificante, emulsionante e espessante em numerosos produtos alimentares, bem como um ingrediente em cosméticos e produtos farmacêuticos. A extração industrial convencional de pectina é feita através de extração com água quente, em que a matéria-prima, como cascas de citrinos, bagaço de maçã e outros resíduos de fruta, é embebida em água quente a 60-100°C a um pH baixo (aproximadamente pH 1,5 - 3,5) durante um longo período de tempo. Isto torna a extração convencional com água quente um processo que consome tempo e energia, que muitas vezes nem sequer é suficientemente eficiente para libertar a quantidade total de pectinas disponíveis na matéria-prima.
A fim de superar a ineficiência do método de produção convencional, a extração por ultra-sons é aplicada como uma técnica de intensificação do processo que reduz o tempo de extração e maximiza o rendimento de pectina significativamente quando comparado com a extração tradicional com água quente.
A vantagem da extração de pectina por ultra-sons
A extração ultra-sónica é aplicada em muitos campos de produção de extractos, por exemplo, extractos botânicos e de ervas para alimentos, suplementos, produtos farmacêuticos e cosméticos. Um exemplo muito proeminente de extração ultra-sónica é a extração de canabidiol (CBD) e outros compostos da planta de cannabis.
A extração por ultra-sons é uma técnica de extração não térmica, que impede assim a degradação térmica dos compostos bioactivos. Todos os parâmetros do processo ultrassónico, como a amplitude, a intensidade, o tempo, a temperatura e a pressão, podem ser controlados com exatidão. Isto permite um controlo preciso do processo e da qualidade e facilita a repetição e a reprodução de resultados de extração obtidos uma vez. Os produtores de extractos valorizam a ultrassonografia pela repetibilidade fiável do processo, que ajuda a normalizar processos e produtos.
- intensidade da sonicação
- temperatura
- Valor do pH
- Tempo
- Tamanho das partículas da matéria-prima
O extrator de ultra-sons UIP4000hdT é um potente extrator de 4kW para a produção industrial de pectina.
A determinação dos parâmetros relevantes do processo permite otimizar o processo de extração por ultra-sons para obter a máxima eficiência e uma qualidade superior do extrato.
Por exemplo, o tamanho das partículas da matéria-prima (por exemplo, cascas de citrinos) é um fator importante: Um tamanho de partícula mais pequeno significa uma maior área de superfície para as ondas ultra-sónicas actuarem. Um tamanho de partícula pequeno resulta assim em rendimentos mais elevados de pectina, um menor grau de metilação e uma maior proporção de regiões de ramnogalacturonano.
O valor do pH do solvente de extração (ou seja, água + ácido) é outro parâmetro essencial. Quando a pectina é extraída em condições ácidas, muitas regiões ramificadas de ramnogalacturonano do polímero são decompostas, de modo a que permaneçam principalmente regiões "rectas" de homogalacturonano com algumas moléculas de açúcar neutras ligadas à cadeia linear principal ou dentro dela.
A extração ultrassónica de pectina reduz o tempo de extração e diminui a temperatura necessária do processo, o que reduz a possibilidade de modificação indesejada da pectina pelos ácidos. Isto permite a utilização de ácidos em condições confinadas, a fim de modificar as pectinas precisamente para os requisitos do produto.
O que torna a extração de pectina por ultra-sons tão eficiente?
O impacto da extração ultra-sónica afecta diretamente o inchaço, a perfuração e a rutura das paredes celulares. A transferência de massa induzida por ultra-sons provoca a hidratação do material pectinoso na lamela média, levando à rutura dos tecidos vegetais. A cavitação ultra-sónica e as forças de cisalhamento afectam diretamente as paredes celulares, rompendo-as. Estes mecanismos resultam em resultados altamente eficientes da extração por ultra-sons.
A pectina extraída por ultra-sons (também pectina extraída assistida por cavitação acústica, abrev. ACAE), que tinha menor peso molecular e grau de metoxilação, era mais rica na região de rhamnogalacturonan-I com cadeias laterais longas em comparação com a pectina extraída por calor convencional a partir de análises químicas e FT-IR. O consumo de energia para a extração de pectina ulgtrasonic foi significativamente menor do que o método de aquecimento convencional, o que indica a sua aplicação promissora para a escala de produção industrial.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang e seus colegas (2017) também sublinham que a extração assistida por ultrassom é provado ser um processo mais econômico e ambientalmente amigável com maior eficiência e menor custo em comparação com a extração de aquecimento convencional.
SEM da polpa residual de beterraba sacarina com ampliação de 1000x: (a) antes da extração e depois da extração de pectina utilizando (b) Xilanasae (250 U/g), (c) Celulase (300 U/g), (d) Xilanasae+Celulase (1:1), e (e) Xilanasae+Celulase (1:1.5), e (f) Xilanasae+Celulase (1:2).
(estudo e imagens: Abou-Elseoud et al., 2021)
Como funciona a extração de pectina por ultra-sons?
A extração ultra-sónica baseia-se nos efeitos sonomecânicos dos ultra-sons de alta intensidade. Para promover e intensificar a extração de pectina por ultra-sons, as ondas de ultra-sons de alta potência são acopladas através de uma sonda ultra-sónica (também chamada de chifre ultrassónico ou sonotrodo) no meio líquido, ou seja, a pasta que consiste na matéria-prima contendo pectina e no solvente. As ondas de ultra-sons viajam através do líquido e criam ciclos alternados de baixa pressão/alta pressão. Durante os ciclos de baixa pressão, são criadas minúsculas bolhas de vácuo (as chamadas bolhas de cavitação), que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Durante esses ciclos de crescimento das bolhas, os gases dissolvidos no líquido entram na bolha de vácuo, de modo a que a bolha de vácuo se transforme em bolhas de gás em crescimento. A partir de uma determinada dimensão, quando as bolhas não conseguem absorver mais energia, implodem violentamente durante um ciclo de alta pressão. A implosão das bolhas é caracterizada por forças cavitacionais intensas, incluindo temperaturas e pressões muito elevadas que atingem até 4000K e 1000atm, respetivamente, bem como os correspondentes diferenciais de temperatura e pressão elevados. Estas turbulências e forças de cisalhamento geradas por ultra-sons quebram as células vegetais e libertam as pectinas intracelulares para o solvente à base de água. Uma vez que a cavitação ultra-sónica cria uma transferência de massa altamente intensa, a sonicação resulta em rendimentos excecionalmente elevados num tempo de processamento muito curto.
Extração ultra-sônica de células vegetais: a seção transversal microscópica (TS) mostra o mecanismo de ações durante a extração ultra-sônica de células (ampliação 2000x) [recurso: Vilkhu et al. 2011]
Extrator de lotes por ultra-sons UIP2000hdT com buzina de cascatrode
Pectinas extraídas de resíduos de frutos
Os resíduos de fruta, como as cascas, os resíduos de polpa de fruta (após a prensagem do sumo de fruta) e outros subprodutos de fruta são frequentemente fontes ricas de pectina. Embora os resíduos de fruta sejam frequentemente utilizados como alimentos para animais, a extração de pectina é uma utilização mais valiosa dos resíduos de fruta.
A extração ultrassónica de pectina já é realizada com sucesso com cascas de citrinos (como laranjas, tangerinas, toranjas), cascas de melão, bagaço de maçã, polpa de beterraba sacarina, cascas de manga, resíduos de tomate, bem como cascas de jaca, maracujá, figo, entre outros.
Estudos de caso de extração de pectina ultra-sônica
Devido aos inconvenientes da extração convencional de pectina por calor, a investigação e a indústria já investigaram alternativas inovadoras, como a extração por ultra-sons. Assim, estão disponíveis muitas informações sobre os parâmetros do processo para várias matérias-primas, bem como dados de otimização do processo.
Extração ultra-sónica de pectina de bagaço de maçã
Dranca e Oroian (2019) investigaram o processo de extração ultrassonicamente assistido de pectina de bagaço de maçã aplicando várias condições ultrassônicas e usando o design de superfície de resposta Box-Behnken. Eles descobriram que a amplitude de ultrassom influencia fortemente o rendimento e o grau de esterificação da pectina extraída, enquanto o pH de extração teve um grande impacto nas três respostas, ou seja, rendimento, conteúdo de GalA e grau de esterificação. As condições ideais para a extração foram 100% de amplitude, pH de 1,8, relação sólido-líquido de 1:10 g/mL e 30 minutos de sonicação. Nestas condições, o rendimento de pectina foi de 9,183% e tinha um teor de GalA de 98,127 g/100 g e 83,202% de grau de esterificação. Para definir os resultados da pectina extraída por ultra-sons em relação à pectina comercial, a amostra de pectina obtida por extração ultra-sónica em condições óptimas foi comparada com amostras comerciais de pectina de citrinos e maçãs por FT-IR, DSC, análise reológica e SEM. As duas primeiras técnicas destacaram algumas particularidades da amostra de pectina extraída por extração ultra-sônica, como a faixa de distribuição mais estreita de peso molecular, o arranjo molecular ordenado e o alto grau de esterificação que era semelhante ao das pectinas de maçã comercialmente disponíveis. A análise das caraterísticas morfológicas da amostra obtida por ultra-sons indica um padrão de determinação entre a distribuição dos tamanhos dos fragmentos desta amostra e o seu teor de GalA de um lado, e a capacidade de absorção de água do outro lado. A viscosidade da solução de pectina extraída por ultra-sons foi muito mais elevada do que a das soluções feitas com pectina comercial, o que talvez se deva à elevada concentração de ácido galacturónico. Ao considerar também o alto grau de esterificação, isso pode explicar por que a viscosidade foi maior para a pectina extraída por ultrassom. Os pesquisadores concluem que a pureza, a estrutura e o comportamento reológico da pectina extraída por extração ultra-sônica do bagaço de maçã Malus domestica 'Fălticeni' indica aplicações promissoras desta fibra solúvel. (cf. Dranca & Oroian 2019)
- rendimentos mais elevados
- processamento mais rápido
- condições de processamento mais suaves
- maior eficiência global
- funcionamento simples e seguro
- ROI rápido
Extrator de ultra-sons de alto desempenho para a produção de pectina
A extração ultra-sônica é uma tecnologia de processamento confiável, que facilita e acelera a produção de pectinas de alta qualidade várias matérias-primas, como subprodutos e cascas de frutas cítricas, bagaço de maçã e muitos outros. Hielscher Ultrasonics portfólio abrange toda a gama de ultrasonicators laboratório compacto para sistemas de extração industriais. Assim, nós em Hielscher pode oferecer-lhe o ultrasonicator mais adequado para a sua capacidade de processo previsto. O nosso pessoal experiente de longa data irá ajudá-lo a partir de testes de viabilidade e otimização de processos para a instalação do seu sistema de ultrassom no nível de produção final.
A pequena pegada dos nossos extractores ultra-sónicos, bem como a sua versatilidade nas opções de instalação, fazem com que se adaptem mesmo a instalações de processamento de pectina de espaço reduzido. Os processadores ultra-sónicos são instalados em todo o mundo em instalações de produção de alimentos, produtos farmacêuticos e suplementos nutricionais.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:
| Volume do lote | caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdt |
| n.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | maior | grupo de UIP16000 |
Contactar-nos! / Pergunte-nos!
Hielscher Ultrasonics – Equipamento de extração sofisticado
A gama de produtos Hielscher Ultrasonics abrange toda a gama de extractores ultra-sónicos de alto desempenho, desde a pequena à grande escala. Acessórios adicionais permitem a fácil montagem da configuração do dispositivo ultra-sônico mais adequado para o seu processo de extração de pectina. A configuração ultra-sônica ideal depende da capacidade prevista, volume, matéria-prima, lote ou processo em linha e cronograma.
Em lote e em linha
Os ultrassons Hielscher podem ser utilizados para o processamento em lote e em fluxo contínuo. Processamento de lote ultra-sônico é ideal para testes de processo, otimização e nível de produção de pequeno a médio porte. Para uma produção de grandes volumes de pectina, o processamento em linha pode ser mais vantajoso. Um processo de mistura contínuo em linha requer uma configuração sofisticada – A extração de água é um processo que consiste numa bomba, mangueiras ou tubos e tanques, mas é altamente eficiente, rápido e requer muito menos mão de obra. A Hielscher Ultrasonics tem a configuração de extração mais adequada para o seu volume de extração e objectivos de processo.
Extractores de ultra-sons para cada capacidade de produto
Hielscher Ultrasonics gama de produtos abrange todo o espetro de processadores de ultrassom de ultrasonicators laboratório compacto sobre sistemas de bancada e piloto para processadores de ultrassom totalmente industriais com a capacidade de processar cargas de caminhão por hora. A gama completa de produtos nos permite oferecer-lhe o extrator ultra-sônico mais adequado para sua matéria-prima contendo pectina, capacidade de processo e metas de produção.
Os sistemas ultra-sónicos de bancada são ideais para testes de viabilidade e otimização de processos. O aumento de escala linear baseado em parâmetros de processo estabelecidos torna muito fácil aumentar as capacidades de processamento de lotes mais pequenos para uma produção totalmente comercial. O aumento de escala pode ser feito através da instalação de uma unidade de extração ultra-sônica mais potente ou agrupando vários ultrasonicators em paralelo. Com o UIP16000, a Hielscher oferece o extrator de ultra-sons mais potente do mundo.
Amplitudes controláveis com precisão para resultados óptimos
Todos os ultrasonicators Hielscher são precisamente controláveis e, portanto, cavalos de trabalho confiáveis na produção. A amplitude é um dos parâmetros cruciais do processo que influenciam a eficiência e a eficácia da extração ultra-sónica de pectina de frutas e bio-resíduos.
Todos os sonicadores Hielscher permitem a regulação precisa da amplitude. Os sonotrodos e as buzinas de reforço são acessórios que permitem modificar a amplitude numa gama ainda mais ampla. Os processadores ultra-sónicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas e fornecer a intensidade ultra-sónica necessária para aplicações exigentes. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em funcionamento 24/7.
Os ajustes precisos da amplitude e a monitorização permanente dos parâmetros do processo ultrassónico através de um software inteligente dão-lhe a possibilidade de tratar a sua matéria-prima com as condições ultra-sónicas mais eficazes. Sonicação óptima para melhores resultados de extração!
A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24 horas por dia, 7 dias por semana, em serviço pesado e em ambientes exigentes. Isto torna o equipamento ultrassónico da Hielscher uma ferramenta de trabalho fiável que satisfaz os seus requisitos de extração.
Testes fáceis e sem riscos
Os processos ultra-sónicos podem ser escalonados de forma completamente linear. Isto significa que todos os resultados alcançados com a utilização de um ultrassonicador de laboratório ou de bancada podem ser escalados para o mesmo resultado, utilizando exatamente os mesmos parâmetros de processo. Isto torna a ultra-sons ideal para testes de viabilidade sem riscos, otimização de processos e subsequente implementação no fabrico comercial. Contacte-nos para saber como sonicação pode aumentar a sua produção de extrato de pectina.
Qualidade mais elevada – Concebido e fabricado na Alemanha
Sendo uma empresa familiar, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade para os seus processadores ultra-sónicos. Todos os ultrassons são concebidos, fabricados e cuidadosamente testados na nossa sede em Teltow, perto de Berlim, na Alemanha. A robustez e a fiabilidade do equipamento ultrassónico da Hielscher fazem dele um cavalo de batalha na sua produção. A operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total e em ambientes exigentes é uma caraterística natural dos misturadores de alto desempenho da Hielscher.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.
Sobre as pectinas
A pectina é um heteropolissacárido ramificado constituído por segmentos de galacturonano de cadeia longa e outros açúcares neutros, como a ramnose, a arabinose, a galactose e a xilose. Mais especificamente, a pectina é um bloco de co-polímero constituído por ácido galacturónico ligado a 1,4-α e ramnose ligada a 1,2, com ramificações laterais de β-D-galactose, L-arabinose e outras unidades de açúcar. Uma vez que na pectina se encontram várias porções de açúcar e diferentes níveis de esterificação metílica, a pectina não tem um peso molecular definido como outros polissacáridos. A pectina, que é especificada para utilização em alimentos, é definida como um heteropolissacarídeo que contém pelo menos 65% de unidades de ácido galacturónico. Através da aplicação de condições de extração específicas, as pectinas podem ser modificadas e funcionalizadas com sucesso, de modo a cumprir requisitos específicos. A produção de pectinas funcionalizadas e modificadas é de interesse para aplicações especiais, por exemplo, pectina com baixo teor de metoxilação para produtos farmacêuticos.
Como é que a pectina é separada da solução de extrato?
Precipitação de pectina após extração ultra-sónica: A adição de etanol a uma solução de extrato pode ajudar a separar a pectina através de um processo chamado precipitação. A pectina, um polissacárido complexo presente nas paredes celulares das plantas, é solúvel em água em condições normais. No entanto, ao alterar o ambiente do solvente com a adição de etanol, a solubilidade da pectina pode ser reduzida, levando à sua precipitação da solução.
A seguir, explicamos-lhe a química subjacente à precipitação da pectina com etanol:
- Rutura de ligações de hidrogénio: As moléculas de pectina são mantidas juntas por ligações de hidrogénio, que contribuem para a sua solubilidade em água. O etanol rompe estas ligações de hidrogénio ao competir com as moléculas de água pelos locais de ligação nas moléculas de pectina. À medida que as moléculas de etanol substituem as moléculas de água em torno das moléculas de pectina, as ligações de hidrogénio entre as moléculas de pectina enfraquecem, reduzindo a sua solubilidade no solvente.
- Diminuição da Polaridade do Solvente: O etanol é menos polar do que a água, o que significa que tem uma menor capacidade de dissolver substâncias polares como a pectina. À medida que o etanol é adicionado à solução de extrato, a polaridade geral do solvente diminui, tornando-o menos favorável para as moléculas de pectina permanecerem em solução. Isto leva à precipitação da pectina para fora da solução, uma vez que esta se torna menos solúvel na mistura etanol-água.
- Aumento da concentração de pectina: À medida que as moléculas de pectina precipitam para fora da solução, a concentração de pectina na solução restante aumenta. Isto permite uma separação mais fácil da pectina da fase líquida através de filtração ou centrifugação.
Literatura / Referências
- 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.