Randamente mai mari de pectină prin extracție cu ultrasunete

Extracția cu ultrasunete conduce la randamente ridicate de pectine de calitate superioară. Prin sonicare, pectinele valoroase pot fi produse eficient din deșeuri de fructe (de ex., subproduse ale procesării sucurilor) și din alte materii prime biologice. Extracția pectinei cu ultrasunete depășește alte tehnici de extracție prin randamente mai mari, o calitate superioară a pectinei și o procedură de extracție rapidă.

Extracție intensificată a pectinei prin sonicare

Pectina este utilizată ca agent de gelifiere, emulsionare și îngroșare în numeroase produse alimentare, precum și ca ingredient în cosmetice și produse farmaceutice. Extracția industrială convențională a pectinei se realizează prin extracție cu apă fierbinte, în care materia primă, precum cojile de citrice, tescovina de mere și alte deșeuri de fructe, este înmuiată în apă fierbinte la 60–100°C, la pH scăzut (aprox. pH 1,5 – 3,5), pentru o perioadă lungă de timp. Acest lucru face din extracția convențională cu apă fierbinte un proces consumator de timp și de energie, care adesea nici măcar nu este suficient de eficient pentru a elibera întreaga cantitate de pectine disponibilă în materia primă.
Pentru a depăși ineficiența metodei convenționale de producție, extracția cu ultrasunete este aplicată ca tehnică de intensificare a procesului, care reduce timpul de extracție și maximizează semnificativ randamentul de pectină în comparație cu extracția tradițională cu apă fierbinte.

Avantajul extracției pectinei cu ultrasunete

Extracția cu ultrasunete este aplicată în numeroase domenii ale producției de extracte, de ex. extracte botanice și din plante medicinale pentru alimente, suplimente, produse farmaceutice și cosmetice. Un exemplu foarte cunoscut de extracție cu ultrasunete este extracția canabidiolului (CBD) și a altor compuși din planta de cannabis.
Extracția cu ultrasunete este o tehnică de extracție netermică, care protejează astfel compușii bioactivi împotriva degradării termice. Toți parametrii procesului cu ultrasunete, precum amplitudinea, intensitatea, timpul, temperatura și presiunea, pot fi controlați exact. Acest lucru permite un control precis al procesului și al calității și face ușoară repetarea și reproducerea rezultatelor de extracție odată obținute. Producătorii de extracte apreciază ultrasonicarea pentru repetabilitatea fiabilă a procesului, care ajută la standardizarea proceselor și a produselor.

 
Găsiți aici protocolul pentru extracția cu ultrasunete a pectinei din coaja de grepfrut, demonstrată în videoclipul de mai sus!

Determinarea parametrilor relevanți ai procesului permite optimizarea procesului de extracție cu ultrasunete pentru cea mai mare eficiență și o calitate superioară a extractului.
De exemplu, dimensiunea particulelor materiei prime (de ex., cojile de citrice) este un factor important: o dimensiune mai mică a particulelor înseamnă o suprafață mai mare asupra căreia pot acționa undele ultrasonice. O dimensiune mică a particulelor conduce astfel la randamente mai mari de pectină, un grad mai mic de metilare și o proporție mai mare de regiuni de ramnogalacturonan.
Valoarea pH a solventului de extracție (adică apă + acid) este un alt parametru esențial. Atunci când pectina este extrasă în condiții acide, multe regiuni ramificate de ramnogalacturonan ale polimerului sunt descompuse, astfel încât rămân în principal regiunile „drepte” de homogalacturonan, cu câteva molecule de zaharuri neutre atașate pe sau în lanțul liniar principal.
Extracția pectinei cu ultrasunete reduce timpul de extracție și scade temperatura de proces necesară, ceea ce reduce probabilitatea unei modificări nedorite a pectinei de către acizi. Acest lucru permite utilizarea acizilor în condiții restrânse, pentru a modifica pectinele precis conform cerințelor produsului.

Ce face extracția pectinei cu ultrasunete atât de eficientă?

Impactul extracției cu ultrasunete influențează direct umflarea, perforarea și ruperea pereților celulari. Transferul de masă indus de ultrasunete provoacă hidratarea materialului pectic din lamela mijlocie, ducând la dezintegrarea țesuturilor vegetale. Cavitația ultrasonică și forțele de forfecare acționează direct asupra pereților celulari și îi deschid. Aceste mecanisme conduc la rezultatele extrem de eficiente ale extracției cu ultrasunete.

Pectina extrasă cu ultrasunete (denumită și pectină extrasă asistată de cavitație acustică, abrev. ACAE), care avea o masă moleculară și un grad de metoxilare mai mici, a fost mai bogată în regiunea ramnogalacturonan-I cu lanțuri laterale lungi în comparație cu pectina extrasă convențional prin încălzire, conform analizei chimice și FT-IR. Consumul de energie pentru extracția pectinei cu ultrasunete a fost semnificativ mai mic decât în cazul metodei convenționale de încălzire, ceea ce indică aplicarea sa promițătoare la scară de producție industrială.
(cf. Wang et al., 2017)
Wang și colegii săi (2017) susțin, de asemenea, că extracția asistată de ultrasunete s-a dovedit a fi un proces mai economic și mai ecologic, cu eficiență mai mare și costuri mai mici în comparație cu extracția convențională prin încălzire.

SEM al pulpei reziduale de sfeclă de zahăr la mărire de 1000x: (a) înainte de extracție și după extracția pectinei folosind (b) Xylanasae (250 U/g), (c) celulază (300 U/g), (d) Xylanasae+celulază (1:1) și (e) Xylanasae+celulază (1:1,5) și (f) Xylanasae+celulază (1:2).
(studiu și imagini: Abou-Elseoud et al., 2021)

Cum funcționează extracția pectinei cu ultrasunete?

Extracția cu ultrasunete se bazează pe efectele sonomecanice ale ultrasunetelor de mare intensitate. Pentru a favoriza și intensifica extracția pectinei prin ultrasonicare, undele ultrasonice de mare putere sunt cuplate printr-o sondă ultrasonică (numită și sonotrodă ultrasonică – în engleză „ultrasonic horn” – sau, simplu, sonotrodă) în mediul lichid, adică în suspensia formată din materia primă care conține pectină și solvent. Undele ultrasonice se propagă prin lichid și creează cicluri alternante de joasă presiune / înaltă presiune. În timpul ciclurilor de joasă presiune se formează bule de vid minuscule (așa-numitele bule de cavitație), care cresc pe parcursul mai multor cicluri de presiune. În timpul acestor cicluri de creștere a bulelor, gazele dizolvate în lichid pătrund în bula de vid, astfel încât bulele de vid se transformă în bule de gaz în creștere. La o anumită dimensiune, când bulele nu mai pot absorbi energie, ele implodează violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Implozia bulelor se caracterizează prin forțe de cavitație intense, inclusiv temperaturi și presiuni foarte ridicate, care ating până la 4000K și, respectiv, 1000atm, precum și diferențe corespunzătoare mari de temperatură și presiune. Aceste turbulențe și forțe de forfecare generate de ultrasunete rup celulele vegetale și eliberează pectinele intracelulare în solventul pe bază de apă. Deoarece cavitația ultrasonică generează un transfer de masă extrem de intens, sonicarea conduce la randamente excepțional de mari într-un timp de procesare foarte scurt.
Sonicarea nu este utilizată doar pentru extracția pectinei, ci și pentru izolarea polifenolilor din tescovina, pulpa, coaja și semințele fructelor. Citiți mai multe aici!

Extracția cu ultrasunete din celulele vegetale: secțiunea transversală microscopică (TS) arată mecanismul de acțiune în timpul extracției cu ultrasunete din celule (mărire 2000x) [sursă: Vilkhu et al. 2011]

Pectine extrase din deșeuri de fructe

Deșeurile de fructe, precum cojile, reziduurile de pulpă de fructe (după presarea sucului de fructe) și alte subproduse din fructe, sunt adesea surse bogate de pectină. Deși deșeurile de fructe sunt adesea folosite ca hrană pentru animale, extracția pectinei reprezintă o utilizare mai valoroasă a deșeurilor de fructe.
Extracția pectinei cu ultrasunete este deja realizată cu succes din coji de citrice (precum portocale, mandarine, grepfrut), coji de pepene, tescovină de mere, pulpă de sfeclă de zahăr, coji de mango, deșeuri de tomate, precum și din jackfruit, fructul pasiunii, coji de smochine, printre altele.

Studii de caz privind extracția pectinei cu ultrasunete

Din cauza dezavantajelor extracției convenționale a pectinei prin căldură, cercetarea și industria au investigat deja alternative inovatoare, precum extracția cu ultrasunete. Astfel, sunt disponibile numeroase informații privind parametrii de proces pentru diverse materii prime, precum și date de optimizare a procesului.

Extracția cu ultrasunete a pectinei din tescovina de mere

Dranca și Oroian (2019) au investigat procesul de extracție asistată de ultrasunete a pectinei din tescovina de mere, aplicând diverse condiții ultrasonice și utilizând un design de suprafață de răspuns Box-Behnken. Aceștia au constatat că amplitudinea ultrasunetelor influențează puternic randamentul și gradul de esterificare al pectinei extrase, în timp ce pH-ul de extracție a avut un impact mare asupra tuturor celor trei răspunsuri, adică randamentul, conținutul de GalA și gradul de esterificare. Condițiile optime pentru extracție au fost amplitudinea de 100%, pH de 1,8, raportul solid-lichid de 1:10 g/mL și 30 min de sonicare. În aceste condiții, randamentul de pectină a fost de 9,183%, cu un conținut de GalA de 98,127 g/100 g și un grad de esterificare de 83,202%. Pentru a pune în relație rezultatele pectinei extrase cu ultrasunete cu pectina comercială, proba de pectină obținută prin extracție cu ultrasunete în condiții optime a fost comparată cu probe comerciale de pectină din citrice și din mere prin FT-IR, DSC, analiză reologică și SEM. Primele două tehnici au evidențiat unele particularități ale probei de pectină obținute prin extracție cu ultrasunete, precum intervalul mai îngust de distribuție a masei moleculare, aranjamentul molecular ordonat și gradul ridicat de esterificare, similar cu cel al pectinelor din mere disponibile comercial. Analiza caracteristicilor morfologice ale probei obținute cu ultrasunete indică un model de determinare între distribuția dimensiunilor fragmentelor acestei probe și conținutul său de GalA, pe de o parte, și capacitatea de absorbție a apei, pe de altă parte. Vâscozitatea soluției de pectină extrasă cu ultrasunete a fost mult mai mare decât cea a soluțiilor preparate cu pectină comercială, ceea ce s-ar putea datora concentrației ridicate de acid galacturonic. Luând în considerare și gradul ridicat de esterificare, acest lucru ar putea explica de ce vâscozitatea a fost mai mare pentru pectina extrasă cu ultrasunete. Cercetătorii concluzionează că puritatea, structura și comportamentul reologic al pectinei extrase cu ultrasunete din tescovina de mere Malus domestica ‘Fălticeni’ indică aplicații promițătoare ale acestei fibre solubile. (cf. Dranca & Oroian 2019)

Extractor cu ultrasunete de înaltă performanță pentru producția de pectină

Extracția cu ultrasunete este o tehnologie de procesare fiabilă, care facilitează și accelerează producția de pectine de înaltă calitate din diverse materii prime, precum subproduse și coji de citrice, tescovină de mere și multe altele. Portofoliul Hielscher Ultrasonics acoperă întreaga gamă, de la ultrasonicatoare compacte de laborator până la sisteme industriale de extracție. Astfel, noi, cei de la Hielscher, vă putem oferi cel mai potrivit ultrasonicator pentru capacitatea de proces pe care o aveți în vedere. Personalul nostru cu experiență îndelungată vă va asista de la testele de fezabilitate și optimizarea procesului până la instalarea sistemului dumneavoastră cu ultrasunete la nivelul final de producție.
Amprenta redusă a extractoarelor noastre cu ultrasunete, precum și versatilitatea opțiunilor de instalare le permit să se încadreze chiar și în unități de procesare a pectinei cu spațiu redus. Procesoarele cu ultrasunete sunt instalate în întreaga lume în unități de producție de alimente, produse farmaceutice și suplimente nutritive.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Hielscher Ultrasonics – echipamente de extracție sofisticate

Portofoliul de produse Hielscher Ultrasonics acoperă întreaga gamă de extractoare cu ultrasunete de înaltă performanță, de la scară mică la scară mare. Accesoriile suplimentare permit asamblarea ușoară a celei mai potrivite configurații de dispozitiv cu ultrasunete pentru procesul dumneavoastră de extracție a pectinei. Configurația optimă cu ultrasunete depinde de capacitatea avută în vedere, de volum, de materia primă, de tipul procesului (în loturi sau în linie) și de calendar.

În loturi și în linie

Ultrasonicatoarele Hielscher pot fi utilizate pentru procesarea în loturi și pentru procesarea continuă în flux. Procesarea cu ultrasunete în loturi este ideală pentru testarea și optimizarea proceselor și pentru producția la scară mică și medie. Pentru producerea unor volume mari de pectină, procesarea în linie poate fi mai avantajoasă. Un proces continuu de amestecare în linie necesită o configurație sofisticată – constând dintr-o pompă, furtunuri sau conducte și rezervoare –, dar este extrem de eficient, rapid și necesită semnificativ mai puțină muncă. Hielscher Ultrasonics are configurația de extracție cea mai potrivită pentru volumul dumneavoastră de extracție și pentru obiectivele procesului dumneavoastră.

Extractoare cu ultrasunete pentru orice capacitate de producție

Gama de produse Hielscher Ultrasonics acoperă întregul spectru de procesoare cu ultrasunete, de la ultrasonicatoare compacte de laborator, trecând prin sisteme de banc și pilot, până la procesoare cu ultrasunete complet industriale, cu capacitatea de a procesa camioane întregi pe oră. Gama completă de produse ne permite să vă oferim cel mai potrivit extractor cu ultrasunete pentru materia primă care conține pectină, capacitatea de proces și obiectivele dumneavoastră de producție.
Sistemele cu ultrasunete de banc sunt ideale pentru testele de fezabilitate și optimizarea proceselor. Scalarea liniară pe baza parametrilor de proces stabiliți face foarte ușoară creșterea capacităților de procesare de la loturi mai mici la producția complet comercială. Scalarea se poate realiza fie prin instalarea unei unități de extracție cu ultrasunete mai puternice, fie prin gruparea mai multor ultrasonicatoare în paralel. Cu UIP16000, Hielscher oferă cel mai puternic extractor cu ultrasunete din lume.

Amplitudini controlabile cu precizie pentru rezultate optime

Toate ultrasonicatoarele Hielscher pot fi controlate cu precizie și sunt astfel adevărați cai de povară fiabili în producție. Amplitudinea este unul dintre parametrii de proces esențiali care influențează eficiența și eficacitatea extracției cu ultrasunete a pectinei din fructe și biodeșeuri.
Toate sonicatoarele Hielscher permit setarea precisă a amplitudinii. Sonotrodele și boosterele sunt accesorii care permit modificarea amplitudinii într-un interval și mai larg. Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher pot furniza amplitudini foarte mari și intensitatea ultrasonică necesară pentru aplicații solicitante. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă, în regim 24/7.
Setările precise ale amplitudinii și monitorizarea permanentă a parametrilor procesului cu ultrasunete prin software inteligent vă oferă posibilitatea de a trata materia primă în cele mai eficiente condiții de sonicare. Sonicare optimă pentru cele mai bune rezultate de extracție!
Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim greu și în medii solicitante. Acest lucru face din echipamentele cu ultrasunete Hielscher un instrument de lucru fiabil, care vă îndeplinește cerințele de extracție.

Testare ușoară, fără riscuri

Procesele cu ultrasunete pot fi scalate complet liniar. Aceasta înseamnă că orice rezultat pe care l-ați obținut folosind un ultrasonicator de laborator sau de banc poate fi scalat la exact același rezultat de producție folosind exact aceiași parametri de proces. Acest lucru face ca ultrasonicarea să fie ideală pentru teste de fezabilitate fără riscuri, optimizarea proceselor și implementarea ulterioară în producția comercială. Contactați-ne pentru a afla cum poate sonicarea să crească producția dumneavoastră de extract de pectină.

Cea mai înaltă calitate – proiectat și fabricat în Germania

Ca afacere deținută și condusă de o familie, Hielscher acordă prioritate celor mai înalte standarde de calitate pentru procesoarele sale cu ultrasunete. Toate ultrasonicatoarele sunt proiectate, fabricate și testate temeinic la sediul nostru central din Teltow, lângă Berlin, Germania. Robustețea și fiabilitatea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher le transformă într-un adevărat cal de povară în producția dumneavoastră. Funcționarea 24/7 la sarcină maximă și în medii solicitante este o caracteristică naturală a mixerelor de înaltă performanță Hielscher.