Maiores rendimentos de pectina com extração ultrassônica
A extração ultrassônica resulta em altos rendimentos de pectinas de qualidade superior. Usando a sonicação, pectinas valiosas podem ser produzidas com eficiência a partir de resíduos de frutas (por exemplo, subprodutos do processamento de suco) e outras matérias-primas biológicas. A extração ultrassônica de pectina supera outras técnicas de extração, produzindo rendimentos mais altos, proporcionando qualidade superior de pectina e um procedimento de extração rápido.
Extração intensificada de pectina por sonicação
A pectina é utilizada como agente gelificante, emulsificante e espessante em vários produtos alimentícios, bem como ingrediente em cosméticos e produtos farmacêuticos. A extração industrial convencional de pectina é feita por meio de extração com água quente, onde a matéria-prima, como cascas de frutas cítricas, bagaço de maçã e outros resíduos de frutas, é embebida em água quente a 60–100°C em pH baixo (aprox. pH 1,5 – 3,5) por um longo período de tempo. Isso torna a extração convencional de água quente um processo demorado e energético, que muitas vezes nem é eficiente o suficiente para liberar a quantidade total 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 à extração tradicional com água quente.
A vantagem da extração ultrassônica de pectina
A extração ultrassônica é aplicada em muitos campos da produção de extratos, por exemplo, extratos botânicos e de ervas 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 de cannabis.
A extração ultrassônica é uma técnica de extração não térmica, que previne assim os compostos bioativos contra a degradação térmica. Todos os parâmetros do processo ultrassônico, como amplitude, intensidade, tempo, temperatura e pressão, podem ser controlados com precisão. Isso permite um processo preciso e controle de qualidade e facilita a repetição e reprodução uma vez obtidos os resultados da extração. Os produtores de extratos valorizam o ultrassom pela repetibilidade confiável do processo, o que ajuda a padronizar processos e produtos.
- intensidade de sonicação
- temperatura
- Valor de pH
- Hora
- Tamanho de partícula da matéria-prima
O extrator ultrassônico 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 ultrassônica para a mais alta eficiência e qualidade superior do extrato.
Por exemplo, o tamanho da partícula da matéria-prima (por exemplo, cascas de frutas cítricas) é um fator importante: um tamanho de partícula menor significa uma área de superfície maior para as ondas ultrassônicas atuarem. Um pequeno tamanho de partícula resulta em maiores rendimentos de pectina, menor grau de metilação e maior proporção de regiões ramnogalacturonanas.
O valor do pH do solvente de extração (ou seja, água + ácido) é outro parâmetro essencial. Quando a pectina é extraída sob condições ácidas, muitas regiões ramificadas ramnogalacturonanas do polímero são decompostas, de modo que permanecem principalmente regiões "retas" homogalacturonanas com algumas moléculas de açúcar neutro ligadas à cadeia linear principal.
A extração ultrassônica de pectina reduz o tempo de extração e diminui a temperatura necessária do processo, o que reduz a chance de modificação indesejada da pectina por ácidos. Isso permite o uso de ácidos em condições confinadas para modificar as pectinas com precisão de acordo com os requisitos do produto.
O que torna a extração ultrassônica de pectina tão eficiente?
O impacto da extração ultrassônica afeta diretamente o inchaço, a perfuração e a quebra das paredes celulares. A transferência de massa induzida por ultrassom causa a hidratação do material pectinoso na lamela média, levando à quebra dos tecidos vegetais. A cavitação ultrassônica e as forças de cisalhamento impactam diretamente as paredes das células e as abrem. Esses mecanismos resultam em resultados altamente eficientes da extração ultrassônica.
A pectina extraída por ultrassom (também pectina extraída assistida por cavitação acústica, abreviação ACAE), que tinha menor peso molecular e grau de metoxilação, era mais rica na região ramnogalacturonan-I com cadeias laterais longas em comparação com a pectina extraída por calor convencional da análise química e FT-IR. O consumo de energia para extração ulgtrasônica de pectina foi significativamente menor do que o método de aquecimento convencional, o que indica sua aplicação promissora para 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 ecológico, com maior eficiência e menor custo em comparação com a extração convencional por aquecimento.
MEV da polpa residual de beterraba sacarina com aumento de 1000x: (a) antes da extração e após a extração da pectina usando (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Celulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Celulase (1:1) e (e) Xylanasae+Celulase (1:1,5) e (f) Xylanasae+Celulase (1:2).
(estudo e imagens: Abou-Elseoud et al., 2021)
Como funciona a extração ultrassônica de pectina?
A extração ultrassônica é baseada nos efeitos sonomecânicos do ultrassom de alta intensidade. Para promover e intensificar a extração de pectina por ultrassom, ondas de ultrassom de alta potência são acopladas por meio de uma sonda ultrassônica (também chamada de chifre ultrassônico ou sonotrodo) no meio líquido, ou seja, a pasta que consiste na matéria-prima contendo pectina e no solvente. As ondas de ultrassom viajam através do líquido e criam ciclos alternados de baixa / 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 de bolhas, os gases dissolvidos no líquido entram na bolha de vácuo, de modo que a bolha de vácuo se transforma em bolhas de gás em crescimento. Em um determinado 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 atingindo até 4000K e 1000atm, respectivamente; bem como os diferenciais de alta temperatura e pressão correspondentes. Essas turbulências geradas por ultrassom e forças de cisalhamento quebram as células vegetais e liberam as pectinas intracelulares no solvente à base de água. Como a cavitação ultrassônica cria uma transferência de massa altamente intensa, a sonicação resulta em rendimentos excepcionalmente altos em um tempo de processamento muito curto.
Extração ultrassônica de células vegetais: a seção transversal microscópica (TS) mostra o mecanismo de ações durante a extração ultrassônica de células (ampliação de 2000x) [recurso: Vilkhu et al. 2011]
Extrator ultrassônico de batelada UIP2000hdT com buzina em cascata
Pectinas extraídas de resíduos de frutas
Resíduos de frutas, como cascas, resíduos de polpa de frutas (após a prensagem do suco de frutas) e outros subprodutos de frutas, costumam ser fontes ricas em pectina. Embora os resíduos de frutas sejam frequentemente usados como ração animal, a extração de pectina é um uso mais valioso dos resíduos de frutas.
A extração ultrassônica de pectina já é realizada com sucesso com cascas de frutas cítricas (como laranjas, tangerinas, toranjas), 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 ultrassônica de pectina
Devido às desvantagens da extração convencional de pectina por calor, a pesquisa e a indústria já investigaram alternativas inovadoras, como a extração ultrassônica. Assim, muitas informações sobre parâmetros de processo para várias matérias-primas, bem como dados de otimização de processo, estão disponíveis.
Extração ultrassônica de pectina de bagaço de maçã
Dranca e Oroian (2019) investigaram o processo de extração assistida por ultrassom de pectina de bagaço de maçã aplicando várias condições ultrassônicas e usando o design da 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 da extração teve um grande impacto em todas as três respostas, ou seja, rendimento, teor de GalA e grau de esterificação. As condições ótimas para extração foram amplitude de 100%, pH de 1,8, relação sólido-líquido de 1:10 g/mL e sonicação de 30 min. Nessas condições, a produção de pectina foi de 9,183% e apresentou um teor de 98,127 g/100 g de GalA e 83,202% de grau de esterificação. Para definir os resultados da pectina extraída por ultrassom em relação com a pectina comercial, as amostras de pectina obtidas por extração ultrassônica em condições ideais foram comparadas com amostras comerciais de pectina cítrica e de maçã por FT-IR, DSC, análise reológica e MEV. As duas primeiras técnicas destacaram algumas particularidades da amostra de pectina extraída por 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 obtida por ultrassom indica um padrão de determinação entre a distribuição dos tamanhos dos fragmentos dessa amostra e 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 ultrassom foi muito maior do que a das soluções feitas com pectina comercial, o que talvez devido à 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 por ultrassom. Os pesquisadores concluem que a pureza, a estrutura e o comportamento reológico da pectina extraída por extração ultrassônica do bagaço de maçã Malus domestica 'Fălticeni' indicam aplicações promissoras dessa fibra solúvel. (cf. Dranca & Oroian 2019)
- Rendimentos mais altos
- processamento mais rápido
- Condições de processamento mais brandas
- Eficiência geral aprimorada
- Operação simples e segura
- ROI rápido
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 e cascas de frutas cítricas, bagaço de maçã e muitos outros. O portfólio da Hielscher Ultrasonics abrange toda a gama, desde ultrassônicos compactos de laboratório até sistemas de extração industrial. Assim, nós da Hielscher podemos oferecer o ultrassônico mais adequado para sua capacidade de processo prevista. Nossa equipe experiente de longa data irá ajudá-lo desde os testes de viabilidade e otimização do processo até a instalação do seu sistema ultrassônico no 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 em espaços pequenos. Os processadores ultrassônicos são instalados em todo o mundo em instalações de produção de alimentos, produtos farmacêuticos e suplementos nutricionais.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
| Volume do lote | Vazão | 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.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | maior | cluster de UIP16000 |
Entre em contato conosco! / Pergunte-nos!
Hielscher Ultrasonics – Equipamento de extração sofisticado
O portfólio de produtos Hielscher Ultrasonics abrange 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, volume, matéria-prima, processo em lote ou em linha e cronograma previstos.
lote e em linha
Os ultrassônicos Hielscher podem ser usados para processamento em lote e de fluxo contínuo. O processamento ultrassônico em lote é ideal para testes de processo, otimização e nível de produção de pequeno a médio porte. Para a produção de grandes volumes de pectina, o processamento em linha pode ser mais vantajoso. Um processo contínuo de mistura em linha requer uma configuração sofisticada – consistindo em uma bomba, mangueiras ou tubos e tanques -, mas é altamente eficiente, rápido e requer significativamente menos trabalho. A Hielscher Ultrasonics tem a configuração de extração mais adequada para seus objetivos de volume e processo de extração.
Extratores ultrassônicos para cada capacidade de produto
A linha de produtos Hielscher Ultrasonics abrange todo o espectro de processadores ultrassônicos, desde ultrassônicos compactos de laboratório, passando por sistemas piloto e de bancada, até processadores ultrassônicos totalmente industriais com capacidade para processar cargas de caminhão por hora. A gama completa 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 ultrassônicos de bancada são ideais para testes de viabilidade e otimização de processos. O aumento de escala linear com base em parâmetros de processo estabelecidos torna muito fácil aumentar as capacidades de processamento de lotes menores para produção totalmente comercial. O aumento de escala pode ser feito instalando uma unidade extratora ultrassônica mais potente ou agrupando vários ultrassônicos em paralelo. Com o UIP16000, a Hielscher oferece o extrator ultrassônico mais potente do mundo.
Amplitudes controláveis com precisão para resultados ideais
Todos os ultrassônicos 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 eficácia da extração ultrassônica de pectina de frutas e biorresíduos.
Todos os sonicadores Hielscher permitem o ajuste preciso da amplitude. Sonotrodos e buzinas de reforço são acessórios que permitem modificar a amplitude em uma faixa ainda mais ampla. Os processadores ultrassônicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito altas e fornecer a intensidade ultrassônica necessária para aplicações exigentes. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana.
Configurações precisas de amplitude e o monitoramento permanente dos parâmetros do processo ultrassônico por meio de software inteligente oferecem a possibilidade de tratar sua matéria-prima com as condições ultrassônicas mais eficazes. Sonicação ideal para melhores resultados de extração!
A robustez do equipamento ultrassônico da Hielscher permite operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e exigentes. Isso torna o equipamento ultrassônico da Hielscher uma ferramenta de trabalho confiável que atende aos seus requisitos de extração.
Testes fáceis e sem riscos
Os processos ultrassônicos podem ser completamente lineares. Isso significa que todos os resultados obtidos usando um ultrassônico de laboratório ou de bancada podem ser dimensionados exatamente para a mesma saída usando exatamente os mesmos parâmetros de processo. Isso torna a ultrassonografia ideal para testes de viabilidade sem riscos, otimização de processos e implementação subsequente na fabricação comercial. Entre em contato conosco para saber como a sonicação pode aumentar sua produção de extrato de pectina.
A mais alta qualidade – Projetado e fabricado na Alemanha
Como uma empresa familiar e familiar, a Hielscher prioriza os mais altos padrões de qualidade para seus processadores ultrassônicos. Todos os ultrassônicos são projetados, fabricados e exaustivamente testados em nossa sede em Teltow, perto de Berlim, Alemanha. A robustez e a confiabilidade do equipamento ultrassônico da Hielscher o tornam um cavalo de batalha em sua produção. A operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total e em ambientes exigentes é uma característica natural dos misturadores de alto desempenho da Hielscher.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratorial, piloto e industrial.
Sobre pectinas
A pectina é um heteropolissacarídeo ramificado que consiste em segmentos de galacturonano de cadeia longa e outros açúcares neutros, como ramnose, arabinose, galactose e xilose. Para ser mais específico, a pectina é um bloco de copolímero composto por ácido galacturônico ligado a 1,4-α e ramnose ligada a 1,2 com ramos laterais de β-D-galactose, L-arabinose e outras unidades de açúcar. Como na pectina são encontradas várias porções de açúcar e diferentes níveis de esterificação de metila, a pectina não tem um peso molecular definido como outros polissacarídeos. A pectina, especificada para uso em alimentos, é definida como um heteropolissacarídeo contendo pelo menos 65% de unidades de ácido galacturônico. Ao aplicar condições específicas de extração, as pectinas podem ser modificadas e funcionalizadas com sucesso para atender a requisitos específicos. A produção de pectinas funcionalizadas e modificadas é de interesse para aplicações especiais, por exemplo, pectina com baixo teor de metoxila para produtos farmacêuticos.
Como a pectina é separada da solução de extrato?
Precipitação de pectina após extração ultrassônica: Adicionar etanol a uma solução de extrato pode ajudar a separar a pectina por meio de um processo chamado precipitação. A pectina, um polissacarídeo complexo encontrado nas paredes celulares das plantas, é solúvel em água em condições normais. No entanto, alterando o ambiente do solvente com a adição de etanol, a solubilidade da pectina pode ser reduzida, levando à sua precipitação a partir da solução.
Abaixo, explicamos a química por trás da precipitação de pectina usando etanol:
- Interrupção de ligações de hidrogênio: As moléculas de pectina são mantidas juntas por ligações de hidrogênio, que contribuem para sua solubilidade em água. O etanol interrompe essas ligações de hidrogênio competindo 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 ao redor das moléculas de pectina, as ligações de hidrogênio entre as moléculas de pectina enfraquecem, reduzindo sua solubilidade no solvente.
- Polaridade do solvente diminuída: O etanol é menos polar 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 menos favorável para as moléculas de pectina permanecerem na solução. Isso leva à precipitação de pectina para fora da solução, pois ela 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. Isso permite uma separação mais fácil da pectina da fase líquida por meio 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.