Rendimentos de pectina mais elevados com extração ultrassónica

A extração ultrassónica proporciona elevados rendimentos de pectinas de qualidade superior. Através da sonicação, é possível produzir eficientemente pectinas valiosas a partir de resíduos de fruta (por exemplo, subprodutos do processamento de sumos) e de outras matérias-primas biológicas. A extração ultrassónica de pectina supera outras técnicas de extração, proporcionando rendimentos mais elevados, pectina de qualidade superior e um procedimento de extração rápido.

Extração de pectina intensificada por sonicação

A pectina é utilizada como agente gelificante, emulsionante e espessante em numerosos produtos alimentares, bem como ingrediente em cosméticos e produtos farmacêuticos. A extração industrial convencional de pectina é efetuada com água quente, na qual a matéria-prima, como cascas de citrinos, bagaço de maçã e outros resíduos de fruta, é imersa em água quente a 60–100°C, com pH baixo (aprox. pH 1,5 – 3,5), durante um longo período. Isto torna a extração convencional com água quente um processo que consome muito tempo e energia e que, frequentemente, nem sequer é suficientemente eficiente para libertar a totalidade das pectinas disponíveis na matéria-prima.
Para superar a ineficiência do método de produção convencional, a extração ultrassónica é aplicada como técnica de intensificação do processo, reduzindo o tempo de extração e maximizando significativamente o rendimento de pectina em comparação com a extração tradicional com água quente.

A vantagem da extração ultrassónica de pectina

A extração ultrassónica é aplicada em muitas áreas da produção de extratos, por exemplo, extratos botânicos e de plantas medicinais para alimentos, suplementos, produtos farmacêuticos e cosméticos. Um exemplo muito proeminente de extração ultrassónica é a extração de canabidiol (CBD) e de outros compostos da planta de canábis.
A extração ultrassónica é uma técnica de extração não térmica, protegendo assim os compostos bioativos contra a degradação térmica. Todos os parâmetros do processo ultrassónico, como amplitude, intensidade, tempo, temperatura e pressão, podem ser controlados com exatidão. Isto permite um controlo preciso do processo e da qualidade e facilita a repetição e reprodução dos resultados de extração obtidos. Os produtores de extratos valorizam a sonicação pela repetibilidade fiável do processo, que ajuda a normalizar processos e produtos.

 
Encontre aqui o protocolo de extração ultrassónica de pectina de cascas de toranja demonstrado no vídeo acima!
 

A determinação dos parâmetros relevantes do processo permite otimizar o processo de extração ultrassónica para obter a máxima eficiência e uma qualidade superior do extrato.
Por exemplo, a dimensão das partículas da matéria-prima (por exemplo, cascas de citrinos) é um fator importante: uma menor dimensão das partículas significa uma maior área de superfície sobre a qual as ondas ultrassónicas podem atuar. Uma pequena dimensão das partículas resulta, assim, em rendimentos de pectina mais elevados, num menor grau de metilação e numa maior proporção de regiões de ramnogalacturonano.
O valor de pH do solvente de extração (isto é, água + ácido) é outro parâmetro essencial. Quando a pectina é extraída em condições ácidas, muitas regiões ramificadas de ramnogalacturonano do polímero são decompostas, pelo que permanecem principalmente regiões «retas» de homogalacturonano, com algumas moléculas de açúcares neutros ligadas à cadeia linear principal ou integradas nela.
A extração ultrassónica de pectina reduz o tempo de extração e diminui a temperatura necessária do processo, reduzindo a possibilidade de modificações indesejadas da pectina pelos ácidos. Isto permite utilizar ácidos em condições limitadas para modificar as pectinas de acordo com os requisitos exatos do produto.

O que torna a extração ultrassónica de pectina tão eficiente?

O impacto da extração ultrassónica afeta diretamente o inchamento, a perfuração e a rutura das paredes celulares. A transferência de massa induzida por ultrassons provoca a hidratação do material péctico na lamela média, conduzindo à desagregação dos tecidos vegetais. A cavitação ultrassónica e as forças de cisalhamento atuam diretamente sobre as paredes celulares e rompem-nas. Estes mecanismos conduzem aos resultados altamente eficientes da extração ultrassónica.

A pectina extraída por ultrassons (também designada pectina extraída com assistência de cavitação acústica, abreviatura ACAE), que apresentava menor massa molecular e menor grau de metoxilação, era mais rica em regiões de ramnogalacturonano-I com longas cadeias laterais do que a pectina extraída por aquecimento convencional, segundo as análises químicas e por FT-IR. O consumo de energia da extração ultrassónica de pectina foi significativamente inferior ao do método de aquecimento convencional, o que indica uma aplicação promissora à escala de produção industrial.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang e os seus colegas (2017) também salientam que se demonstrou que a extração assistida por ultrassons é um processo mais económico e mais respeitador do ambiente, com maior eficiência e menor custo em comparação com a extração por aquecimento convencional.
 

SEM de polpa residual de beterraba-sacarina com ampliação de 1000x: (a) antes da extração e após a extração de pectina utilizando (b) Xylanasae (250 U/g), (c) celulase (300 U/g), (d) Xylanasae+celulase (1:1), (e) Xylanasae+celulase (1:1,5) e (f) Xylanasae+celulase (1:2).
(estudo e imagens: Abou-Elseoud et al., 2021)

Como funciona a extração ultrassónica de pectina?

A extração ultrassónica baseia-se nos efeitos sonomecânicos dos ultrassons de alta intensidade. Para promover e intensificar a extração de pectina por sonicação, as ondas ultrassónicas de alta potência são acopladas ao meio líquido através de uma sonda ultrassónica (também denominada corneta ultrassónica ou sonotrodo), isto é, à suspensão constituída pela matéria-prima que contém pectina e pelo solvente. As ondas ultrassónicas propagam-se através do líquido e criam ciclos alternados de baixa pressão / alta pressão. Durante os ciclos de baixa pressão, formam-se minúsculas bolhas de vácuo (denominadas 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 nas bolhas de vácuo, transformando-as em bolhas de gás em crescimento. A partir de uma determinada dimensão, quando as bolhas já não conseguem absorver mais energia, implodem violentamente durante um ciclo de alta pressão. A implosão das bolhas caracteriza-se por intensas forças de cavitação, incluindo temperaturas e pressões muito elevadas, que atingem até 4000K e 1000atm, respetivamente, bem como os correspondentes diferenciais elevados de temperatura e pressão. Estas turbulências e forças de cisalhamento geradas por ultrassons rompem as células vegetais e libertam as pectinas intracelulares para o solvente à base de água. Uma vez que a cavitação ultrassónica cria uma transferência de massa altamente intensa, a sonicação proporciona rendimentos excecionalmente elevados num tempo de processamento muito curto.
A sonicação é utilizada não só para a extração de pectina, mas também para o isolamento de polifenóis do bagaço, da polpa, das cascas e das sementes de fruta. Leia mais aqui!

Extração ultrassónica de células vegetais: o corte transversal (TS) microscópico mostra o mecanismo de ação durante a extração ultrassónica de células (ampliação de 2000x) [fonte: Vilkhu et al. 2011]

Pectinas extraídas de resíduos de fruta

Os resíduos de fruta, como cascas, resíduos de polpa de fruta (após a prensagem para obtenção de sumo) e outros subprodutos da fruta, são frequentemente fontes ricas em pectina. Embora os resíduos de fruta sejam frequentemente utilizados como alimento para animais, a extração de pectina constitui uma utilização de maior valor desses resíduos.
A extração ultrassónica de pectina já é realizada com sucesso com cascas de citrinos (como laranjas, tangerinas e toranjas), cascas de melão, bagaço de maçã, polpa de beterraba-sacarina, cascas de manga, resíduos de tomate, bem como jaca, maracujá e cascas de figo, entre outros.

Estudos de caso sobre extração ultrassónica de pectina

Devido às desvantagens da extração convencional de pectina por aquecimento, a investigação e a indústria já estudaram alternativas inovadoras, como a extração ultrassónica. Assim, estão disponíveis numerosas informações sobre os parâmetros do processo para várias matérias-primas, bem como dados de otimização do processo.

Extração ultrassónica de pectina do bagaço de maçã

Dranca e Oroian (2019) investigaram o processo de extração de pectina do bagaço de maçã assistido por ultrassons, aplicando várias condições ultrassónicas e utilizando o desenho de superfície de resposta de Box-Behnken. Verificaram que a amplitude dos ultrassons influencia fortemente o rendimento e o grau de esterificação da pectina extraída, enquanto o pH de extração teve um grande impacto nas três respostas, isto é, rendimento, teor de GalA e grau de esterificação. As condições ótimas de extração foram amplitude de 100%, pH de 1,8, relação sólido-líquido de 1:10 g/mL e 30 min de sonicação. Nestas condições, o rendimento de pectina foi de 9,183%, com um teor de GalA de 98,127 g/100 g e um grau de esterificação de 83,202%. Para relacionar os resultados da pectina extraída por ultrassons com os da pectina comercial, a amostra de pectina obtida por extração ultrassónica em condições ótimas foi comparada com amostras comerciais de pectina de citrinos e de maçã por FT-IR, DSC, análise reológica e SEM. As duas primeiras técnicas evidenciaram algumas particularidades da amostra de pectina extraída por ultrassons, como o intervalo mais estreito de distribuição da massa molecular, a organização molecular ordenada e o elevado grau de esterificação, semelhante ao das pectinas de maçã disponíveis comercialmente. A análise das características morfológicas da amostra obtida por ultrassons indica um padrão de determinação entre a distribuição das dimensões dos fragmentos desta amostra e o seu teor de GalA, por um lado, e a capacidade de absorção de água, por outro. A viscosidade da solução de pectina extraída por ultrassons foi muito superior à das soluções preparadas com pectina comercial, o que poderá dever-se à elevada concentração de ácido galacturónico. Considerando também o elevado grau de esterificação, isto poderá explicar a maior viscosidade da pectina extraída por ultrassons. Os investigadores concluem que a pureza, a estrutura e o comportamento reológico da pectina extraída por ultrassons do bagaço de maçã Malus domestica ‘Fălticeni’ indicam aplicações promissoras desta fibra solúvel. (cf. Dranca & Oroian 2019)

Extrator ultrassónico de alto desempenho para a produção de pectina

A extração ultrassónica é uma tecnologia de processamento fiável que facilita e acelera a produção de pectinas de alta qualidade a partir de várias matérias-primas, como subprodutos e cascas de citrinos, bagaço de maçã e muitas outras. O portefólio da Hielscher Ultrasonics abrange toda a gama, desde sonicadores laboratoriais compactos até sistemas de extração industriais. Assim, na Hielscher podemos oferecer-lhe o sonicador mais adequado à capacidade de processamento prevista. A nossa equipa, com muitos anos de experiência, presta-lhe assistência desde os ensaios de viabilidade e a otimização do processo até à instalação do seu sistema ultrassónico ao nível da produção final.
A reduzida área ocupada pelos nossos extratores ultrassónicos, bem como a versatilidade das suas opções de instalação, permitem instalá-los mesmo em unidades de processamento de pectina com pouco espaço. Os processadores ultrassónicos estão instalados em todo o mundo em unidades de produção de alimentos, produtos farmacêuticos e suplementos nutricionais.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

Hielscher Ultrasonics – Equipamento de extração sofisticado

O portefólio de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange toda a gama de extratores ultrassónicos de alto desempenho, da pequena à grande escala. Os acessórios adicionais permitem montar facilmente a configuração de dispositivo ultrassónico mais adequada ao seu processo de extração de pectina. A configuração ultrassónica ideal depende da capacidade prevista, do volume, da matéria-prima, do processo por lotes ou em linha e do prazo.

Por lotes e em linha

Os sonicadores Hielscher podem ser utilizados para processamento por lotes e em fluxo contínuo. O processamento ultrassónico por lotes é ideal para ensaios do processo, otimização e produção de pequena a média escala. Para produzir grandes volumes de pectina, o processamento em linha poderá ser mais vantajoso. Um processo de mistura contínua em linha requer uma configuração sofisticada – constituída por uma bomba, mangueiras ou tubagens e tanques –, mas é altamente eficiente, rápido e requer significativamente menos mão de obra. A Hielscher Ultrasonics dispõe da configuração de extração mais adequada ao seu volume de extração e aos objetivos do seu processo.

Extratores ultrassónicos para todas as capacidades de produção

A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange todo o espectro de processadores ultrassónicos, desde sonicadores laboratoriais compactos, passando por sistemas de bancada e sistemas piloto, até processadores ultrassónicos totalmente industriais com capacidade para processar cargas de camiões por hora. A gama completa de produtos permite-nos oferecer-lhe o extrator ultrassónico mais adequado à sua matéria-prima que contém pectina, à capacidade do processo e aos objetivos de produção.
Os sistemas ultrassónicos de bancada são ideais para ensaios de viabilidade e otimização do processo. O aumento linear de escala baseado em parâmetros de processo estabelecidos facilita muito o aumento das capacidades de processamento, desde lotes mais pequenos até à produção totalmente comercial. O aumento de escala pode ser realizado instalando uma unidade de extração ultrassónica mais potente ou agrupando vários sonicadores em paralelo. Com o UIP16000, a Hielscher oferece o extrator ultrassónico mais potente do mundo.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados ótimos

Todos os sonicadores Hielscher podem ser controlados com precisão, sendo, por isso, equipamentos de trabalho fiáveis na produção. A amplitude é um dos parâmetros cruciais do processo que influenciam a eficiência e a eficácia da extração ultrassónica de pectina de fruta e resíduos biológicos.
Todos os sonicadores Hielscher permitem ajustar a amplitude com precisão. Os sonotrodos e as cornetas amplificadoras são acessórios que permitem modificar a amplitude num intervalo ainda mais amplo. Os processadores ultrassónicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas e a intensidade ultrassónica necessária para aplicações exigentes. É possível manter facilmente amplitudes de até 200µm de forma contínua em funcionamento 24/7.
Os ajustes precisos da amplitude e a monitorização permanente dos parâmetros do processo ultrassónico através de software inteligente permitem-lhe tratar a sua matéria-prima nas condições ultrassónicas mais eficazes. Sonicação ótima para os melhores resultados de extração!
A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo e em ambientes exigentes. Isto torna o equipamento ultrassónico da Hielscher uma ferramenta de trabalho fiável que satisfaz os seus requisitos de extração.

Ensaios fáceis e sem risco

A escala dos processos ultrassónicos pode ser aumentada de forma inteiramente linear. Isto significa que todos os resultados que tenha obtido com um sonicador laboratorial ou de bancada podem ser reproduzidos a uma escala maior com exatamente o mesmo resultado, utilizando exatamente os mesmos parâmetros do processo. Isto torna a sonicação ideal para ensaios de viabilidade sem risco, otimização do processo e posterior implementação na produção comercial. Contacte-nos para saber como a sonicação pode aumentar a sua produção de extrato de pectina.

Máxima qualidade – Concebidos e fabricados na Alemanha

Enquanto empresa de propriedade e gestão familiar, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade para os seus processadores ultrassónicos. Todos os sonicadores são concebidos, fabricados e rigorosamente testados na nossa sede em Teltow, perto de Berlim, na Alemanha. A robustez e a fiabilidade do equipamento ultrassónico da Hielscher tornam-no um equipamento de trabalho resistente na sua produção. O funcionamento 24/7 em plena carga e em ambientes exigentes é uma característica natural dos misturadores de alto desempenho Hielscher.