A extração ultrassônica resulta em altos rendimentos de pectinas de qualidade superior. Utilizando sônica, as pectinas valiosas podem ser produzidas eficientemente a partir de resíduos de frutas (por exemplo, subprodutos do processamento de sucos) e outras matérias-primas biológicas. A extração de pectina ultrassônica prima por outras técnicas de extração, produzindo rendimentos mais elevados, dando qualidade superior à pectina e um procedimento de extração rápida.

Extração intensificada de pectina por sônica

A pectina é utilizada como agente gelificante, emulsificante e espessante em inúmeros produtos alimentícios, bem como ingrediente em cosméticos e produtos farmacêuticos. A extração industrial convencional de pectina é feita através da extração de água quente, onde a matéria-prima como cascas de cítricos, bagaço de maçã e outros resíduos de frutas é embebida em água quente de 60 a 100 °C a baixo pH (pH aprox. 1,5 – 3,5) por um longo período de tempo. Isso torna a extração convencional de água quente um processo que consome tempo e energia, que muitas vezes nem é eficiente o suficiente para liberar a quantidade completa de pectinas disponíveis na matéria-prima.
Para superar a ineficiência do método de produção convencional, a extração ultrassônica é aplicada como uma técnica de intensificação do processo que reduz o tempo de extração e maximiza significativamente o rendimento da pectina quando comparada com a tradicional extração de água quente.

A vantagem da extração de pectina ultrassônica

A extração ultrassônica é aplicada em muitos campos de produção de extratos, por exemplo, extratos botânicos e fitoterápicos para alimentos, suplementos, produtos farmacêuticos e cosméticos. Um exemplo muito proeminente de extração ultrassônica é a extração de canabidiol (CBD) e outros compostos da planta cannabis.
Extração ultrassônica é uma técnica de extração não térmica, que impede, assim, os compostos bioativos contra a degradação térmica. Todos os parâmetros de processo ultrassônico, como amplitude, intensidade, tempo, temperatura e pressão, podem ser exatamente controlados. Isso permite um processo preciso e controle de qualidade e facilita a repetição e reprodução uma vez obtidas os resultados da extração. Os produtores de extrato valorizam a ultrassônica para a repetibilidade de processo confiável, o que ajuda a padronizar processos e produtos.

A determinação de parâmetros de processo relevantes permite otimizar o processo de extração ultrassônica à maior eficiência e qualidade superior do extrato.
Por exemplo, o tamanho da partícula da matéria-prima (por exemplo, cascas de cítricos) é um fator importante: um tamanho de partícula menor significa uma área de superfície maior para as ondas ultrassônicas agirem. Um tamanho de partícula pequeno resulta, assim, em maiores rendimentos de pectina, menor grau de metilação e maior proporção de regiões ramnogalacturonanas.
O valor de pH do solvente de extração (ou seja, água + ácido) é outro parâmetro essencial. Quando a pectina é extraída em condições ácidas, muitas regiões ramificadas raminadas do polímero ramnogalacturonano são decompostas, de modo que permanecem principalmente regiões "retas" homogalacturonanas com algumas moléculas de açúcar neutro ligadas ou na cadeia linear principal.
A extração de pectina ultrassônica reduz o tempo de extração e reduz a temperatura do processo necessária, o que reduz a chance de modificação indesejada de pectina por ácidos. Isso permite o uso de ácidos em condições confinadas, a fim de modificar pectinas precisamente para as necessidades do produto.

O que torna a extração de pectina ultrassônica tão eficiente?

O impacto da extração ultrassônica afeta diretamente o inchaço, perfuração e quebra das paredes celulares. A transferência de massa ultrasonicamente induzida causa a hidratação do material pectinous na lamella média levando ao rompimento de tecidos vegetais. As forças de cavitação ultrassônica e cisalhamento afetam diretamente as paredes celulares e as abrem. Esses mecanismos resultam nos resultados altamente eficientes da extração ultrassônica.

A pectina extraída ultrassonicamente (também pectina extraída assistida por cavitação acústica, abbrev. ACAE) que apresentou menor peso molecular e grau de metoxilação foi mais rica na região ramnogalacturonana-I com longas cadeias laterais em comparação com a pectina extraída pelo calor convencional da análise química e FT-IR. O consumo de energia para extração de pectina ulgtrasônica foi significativamente menor do que o método convencional de aquecimento, o que indica sua promissora aplicação em escala de produção industrial.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang e seus colegas (2017) também sustentam que a extração assistida por ultrassom provou ser um processo mais econômico e ambientalmente amigável, com maior eficiência e menor custo em comparação com a extração por aquecimento convencional.
 

MEV da polpa residual de beterraba sacarina com aumento de 1000x: (a) antes da extração e após a extração da pectina usando (b) Xilanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xilanasae+Cellulase (1:1) e (e) Xilanasae+Cellulase (1:1.5), e (f) Xilanasae+Cellulase (1:2).
(estudo e imagens: Abou-Elseoud et al., 2021)

Como funciona a extração de pectina ultrassônica?

A extração ultrassônica é baseada nos efeitos sonomecânicos do ultrassom de alta intensidade. Para promover e intensificar a extração de pectina via ultrassônica, as ondas de ultrassom de alta potência são acoplados através de uma sonda ultrassônica (também chamada de chifre ultrassônico ou sonotrode) no meio líquido, ou seja, o chorume que consiste na matéria-prima contendo pectina e no solvente. As ondas de ultrassom viajam através do líquido e criam ciclos alternados de baixa pressão / alta pressão. Durante ciclos de baixa pressão, são criadas bolhas de vácuo minúsculas (as chamadas bolhas de cavitação), que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Durante esses ciclos de crescimento de bolhas, os gases dissolvidos no líquido entram na bolha de vácuo, de modo que a bolha de vácuo se transforme em bolhas de gás em crescimento. Em um certo tamanho, quando as bolhas não conseguem absorver mais energia, elas implodem violentamente durante um ciclo de alta pressão. A implosão da bolha é caracterizada por intensas forças cavitacionais, incluindo temperatura e pressão muito altas que atingem até 4000K e 1000atm, respectivamente; bem como correspondentes diferenciais de alta temperatura e pressão. Essas turbulências ultrasonicamente geradas e forças de cisalhamento quebram as células vegetais e liberam as pectinas intracelulares no solvente à base de água. Uma vez que a cavitação ultrassônica cria uma transferência de massa altamente intensa, a sônica resulta em rendimentos excepcionalmente altos dentro de um 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]

Pectinas Extraídas de Resíduos de Frutas

Resíduos de frutas, como cascas, resíduos de polpa de frutas (após prensagem de suco de fruta) e outros subprodutos de frutas são frequentemente fontes ricas de pectina. Embora os resíduos de frutas sejam frequentemente usados como ração animal, a extração de pectina é um uso mais valioso de resíduos de frutas.
A extração ultra-sônica de pectina já é realizada com sucesso com cascas de cítricos (como laranjas, tangerinas, toranja), cascas de melão, bagaço de maçã, polpa de beterraba sacarina, cascas de manga, resíduos de tomate, bem como jaca, maracujá, cascas de figo entre outros.

Estudos de Caso de Extração de Pectina Ultrassônica

Devido às desvantagens da extração convencional de pectina pelo calor, a pesquisa e a indústria já investigaram alternativas inovadoras, como a extração ultrassônica. Assim, existem muitas informações sobre parâmetros de processo para várias matérias-primas, bem como dados de otimização de processos.

Extração ultrassônica de pectina de Apple Pomace

Dranca e Oroian (2019) investigaram o processo de extração ultrasonicamente assistido da pectina a partir de pomace de maçã aplicando várias condições ultrassônicas e usando o design de superfície de resposta Box-Behnken. Eles descobriram que a amplitude do ultrassom influencia fortemente o rendimento e o grau de esterificação da pectina extraída, enquanto o pH de extração teve grande impacto nas três respostas, ou seja, rendimento, conteúdo gala e grau de esterificação. As condições ideais para extração foram 100% de amplitude, pH de 1,8, relação líquido-sólido de 1:10 g/mL e sônica de 30 min. Nessas condições, o rendimento da pectina foi de 9,183% e apresentou teor de GalA de 98,127 g/100 g e 83,202% de esterificação. Para definir os resultados da pectina extraída ultrasonicamente em relação à pectina comercial, a amostra de pectina obtida por extração ultrassônica em condições ideais foi comparada com amostras comerciais de pectina cítrica e maçã por FT-IR, DSC, análise reológica e SEM. As duas primeiras técnicas destacaram algumas particularidades da amostra de pectina extraída pela extração ultrassônica, como a faixa de distribuição mais estreita do peso molecular, o arranjo molecular ordenado e o alto grau de esterificação semelhante ao das pectinas de maçã disponíveis comercialmente. A análise das características morfológicas da amostra ultrasonicamente obtida indica um padrão de determinação entre a distribuição dos tamanhos dos fragmentos desta amostra e seu teor de GalA de um lado, e a capacidade de captação de água do outro lado. A viscosidade da solução de pectina extraída ultrasonicamente foi muito maior do que a das soluções feitas com pectina comercial, que talvez por causa da alta concentração de ácido galacturônico. Ao considerar também o alto grau de esterificação, isso pode explicar por que a viscosidade foi maior para a pectina extraída ultrasonicamente. Os pesquisadores concluem que a pureza, estrutura e comportamento reológico da pectina extraída pela extração ultrassônica da pomace de maçã malus domestica 'Fălticeni' indica aplicações promissoras dessa fibra solúvel. (cf. Dranca & Oroiano 2019)

Extrator ultrassônico de alto desempenho para produção de pectina

A extração ultrassônica é uma tecnologia de processamento confiável, que facilita e acelera a produção de pectinas de alta qualidade várias matérias-primas, como subprodutos de frutas cítricas e cascas, pomace de maçã e muitos outros. O portfólio hielscher ultrasonics abrange toda a gama, desde ultrassonicadores de laboratório compactos até sistemas de extração industrial. Assim, nós da Hielscher podemos oferecer-lhe o ultrassonicador mais adequado para a sua capacidade de processo prevista. Nossa equipe experiente de longa data irá ajudá-lo desde testes de viabilidade e otimização de processos até a instalação de seu sistema ultrassônico em nível final de produção.
A pequena pegada de nossos extratores ultrassônicos, bem como sua versatilidade nas opções de instalação, fazem com que eles se encaixem até mesmo em instalações de processamento de pectina de pequeno espaço. Os processadores ultrassônicos são instalados em todo o mundo em instalações de produção de alimentos, farmacêuticas e suplementos nutricionais.

Hielscher Ultrasonics – Equipamento sofisticado de extração

O portfólio de produtos Hielscher Ultrasonics cobre toda a gama de extratores ultrassônicos de alto desempenho de pequena a grande escala. Acessórios adicionais permitem a fácil montagem da configuração de dispositivo ultrassônico mais adequada para o seu processo de extração de pectina. A configuração ultrassônica ideal depende da capacidade prevista, volume, matéria-prima, lote ou processo em linha e cronograma.

Lote e Inline

Ultrassonicadores hielscher podem ser usados para processamento em lote e fluxo contínuo. O processamento em lote ultrassônico 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 inline pode ser mais vantajoso. Um processo contínuo de mistura inline requer configuração sofisticada – consistindo em uma bomba, mangueiras ou tubos e tanques - mas é altamente eficiente, rápido e requer significativamente menos trabalho. Hielscher Ultrasonics tem a configuração de extração mais adequada para o seu volume de extração e metas de processo.

Extratores ultrassônicos para cada capacidade do produto

A linha de produtos Hielscher Ultrasonics cobre todo o espectro de processadores ultrassônicos, desde ultrassonicadores compactos de laboratório sobre sistemas de bancada e piloto até processadores ultrassônicos totalmente industriais com a capacidade de processar cargas de caminhões por hora. Toda a gama de produtos nos permite oferecer o extrator ultrassônico mais adequado para sua matéria-prima contendo pectina, capacidade de processo e metas de produção.
Os sistemas de bancada ultrassônicos são ideais para testes de viabilidade e otimização de processos. A escala linear com base nos parâmetros de processo estabelecidos torna muito fácil aumentar as capacidades de processamento de lotes menores para a produção totalmente comercial. O up-scaling pode ser feito instalando uma unidade extrator ultrassônica mais poderosa ou agrupando vários ultrassonicadores em paralelo. Com o UIP16000, a Hielscher oferece o extrator ultrassônico mais poderoso do mundo.

Amplitudes controláveis precisas para resultados ótimos

Todos os ultrassonicadores hielscher são precisamente controláveis e, portanto, cavalos de trabalho confiáveis na produção. A amplitude é um dos parâmetros de processo cruciais que influenciam a eficiência e eficácia da extração ultrassônica da pectina a partir de frutas e bio desperdícios.
Todos os Ultrassônicos Hielscher’ os processadores permitem a configuração precisa da amplitude. Sonotrodes e chifres de reforço são acessórios que permitem modificar a amplitude em uma gama ainda maior. Os processadores ultrassônicos industriais da Hielscher podem fornecer amplitudes muito altas e fornecer a intensidade ultrassônica necessária para aplicações exigentes. Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7.
Configurações de amplitude precisas e o monitoramento permanente dos parâmetros do processo ultrassônico via software inteligente dão-lhe a possibilidade de tratar sua matéria-prima com as condições ultrassônicas mais eficazes. Sonicação ideal para melhores resultados de extração!
A robustez dos equipamentos ultrassônicos da Hielscher permite a operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e em ambientes exigentes. Isso faz do equipamento ultrassônico da Hielscher uma ferramenta de trabalho confiável que preenche seus requisitos de extração.

Testes fáceis e sem riscos

Processos ultrassônicos podem ser completamente lineares dimensionados. Isso significa que cada resultado que você alcançou usando um ultrassônico de laboratório ou bancada, pode ser dimensionado para exatamente a mesma saída usando exatamente os mesmos parâmetros de processo. Isso torna a ultrassônica ideal para testes de viabilidade sem riscos, otimização de processos e posterior implementação na fabricação comercial. Entre em contato conosco para saber como a sônica pode aumentar a produção do extrato de pectina.

Alta Qualidade – Projetado e fabricado na Alemanha

Como um negócio familiar e familiar, a Hielscher prioriza os mais altos padrões de qualidade para seus processadores ultrassônicos. Todos os ultrassonicadores são projetados, fabricados e completamente testados em nossa sede em Teltow, perto de Berlim, Alemanha. Robustez e confiabilidade do equipamento ultrassônico de Hielscher fazem dele um cavalo de trabalho em sua produção. Operação 24 horas por dia, 7 dias por semana e em ambientes exigentes é uma característica natural dos misturadores de alta performance da Hielscher.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators: