Randamente mai mari de pectină cu extracție cu ultrasunete

Extracția cu ultrasunete are ca rezultat randamente ridicate de pectine de calitate superioară. Folosind sonicare, pectinele valoroase pot fi produse eficient din deșeuri de fructe (de exemplu, subproduse din prelucrarea sucului) și alte materii prime biologice. Extracția cu ultrasunete pectină excelează alte tehnici de extracție prin producerea de randamente mai mari, oferind o calitate superioară a pectinei, și o procedură de extracție rapidă.

Extracția intensificată a pectinei prin sonicare

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

Avantajul extracției cu ultrasunete pectină

Extracția cu ultrasunete se aplică în multe domenii de producție de extracte, de exemplu, extracte botanice și din plante pentru alimente, suplimente, produse farmaceutice, și produse cosmetice. Un exemplu foarte proeminent de extracție cu ultrasunete este extracția canabidiolului (CBD) și a altor compuși din planta de canabis.
Extracția cu ultrasunete este o tehnică de extracție non-termică, care împiedică astfel compușii bioactivi împotriva degradării termice. Toți parametrii procesului cu ultrasunete, ar fi amplitudinea, intensitatea, timpul, temperatura și presiunea, pot fi controlați exact. Acest lucru permite un proces precis și un control al calității și facilitează repetarea și reproducerea rezultatelor extracției odată obținute. Producătorii de extrase apreciază ultrasonication pentru repetabilitatea fiabilă a procesului, care ajută la standardizarea proceselor și produselor.

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

Determinarea parametrilor relevanți ai procesului permit optimizarea procesului de extracție cu ultrasunete la cea mai mare eficiență și calitate superioară a extractului.
De exemplu, dimensiunea particulelor materiei prime (de exemplu, coji de citrice) este un factor important: O dimensiune mai mică a particulelor înseamnă o suprafață mai mare pentru ca undele ultrasonice să acționeze. O dimensiune mică a particulelor are ca rezultat astfel randamente mai mari de pectină, un grad mai scăzut de metilare și un raport mai mare al regiunilor rhamnogalacturonan.
Valoarea pH-ului solventului de extracție (adică apă + acid) este un alt parametru esențial. Când pectina este extrasă în condiții acide, multe regiuni ramificate ale polimerului rhamnogalacturonan sunt descompuse, astfel încât rămân în principal regiuni "drepte" homogalacturonan cu câteva molecule neutre de zahăr atașate pe sau în lanțul liniar principal.
Extracția cu pectină cu ultrasunete reduce timpul de extracție și scade temperatura necesară a procesului, ceea ce reduce șansa modificării nedorite a pectinei de către acizi. Acest lucru permite utilizarea acizilor în condiții închise pentru a modifica pectinele exact la cerințele produsului.

Ce face extracția cu ultrasunete pectină atât de eficientă?

Impactul extracției cu ultrasunete afectează în mod direct umflarea, perforarea și ruperea pereților celulari. Transferul de masă indus ultrasonically determină hidratarea materialului pectinos în lamela medie, ceea ce duce la ruperea țesuturilor vegetale. Cavitația cu ultrasunete și forțele de forfecare au un impact direct asupra pereților celulari și le sparg. Aceste mecanisme au ca rezultat rezultatele extrem de eficiente ale extracției cu ultrasunete.

Pectina extrasă ultrasonically (de asemenea, pectină extrasă asistată de cavitație acustică, abrev. ACAE), care a avut o greutate moleculară mai mică și un grad de metoxilare a fost mai bogată în regiunea rhamnogalacturonan-I cu lanțuri laterale lungi, comparativ cu pectina convențională extrasă termic din analiza chimică și FT-IR. Consumul de energie pentru extracția pectinei ulgtrasonice a fost semnificativ mai mic decât metoda convențională de încălzire, ceea ce indică aplicarea sa promițătoare pentru scara producției industriale.
(cf. Wang și colab., 2017)
Wang și colegii săi (2017) susțin, de asemenea, că extracția asistată ultrasonically s-a dovedit a fi un proces mai economic și mai ecologic, cu o eficiență mai mare și costuri mai mici în comparație cu extracția convențională de încălzire.
 

SEM din pulpa reziduală 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) xilanase + celulază (1:1) și (e) xilanase + celulază (1:1,5) și (f) xilanasae + celulază (1:2).
(studiu și imagini: Abou-Elseoud și colab., 2021)

Cum funcționează extracția cu ultrasunete pectină?

Extracția cu ultrasunete se bazează pe efectele sonomechanical ale ultrasunetelor de înaltă intensitate. Pentru a promova și intensifica extracția pectinei prin ultrasonication, undele cu ultrasunete de mare putere sunt cuplate printr-o sondă cu ultrasunete (numită și corn cu ultrasunete sau sonotrode) în mediul lichid, adică suspensia constând din materia primă care conține pectină și solventul. Undele cu ultrasunete călătoresc prin lichid și creează cicluri alternative de joasă presiune / înaltă presiune. În timpul ciclurilor de joasă presiune, se creează 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 intră în bula de vid, astfel încât bula de vid se transformă în bule de gaz în creștere. La o anumită dimensiune, când bulele nu pot absorbi mai multă energie, ele fac implozie violentă în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Implozia bulei se caracterizează prin forțe cavitaționale intense, inclusiv temperatură și presiune foarte ridicate, ajungând până la 4000K și, respectiv, 1000atm; precum și diferențele corespunzătoare de temperatură și presiune ridicată. Aceste turbulențe generate ultrasonically și forțele de forfecare sparg celulele plantelor și eliberează pectinele intracelulare în solventul pe bază de apă. Deoarece cavitația cu ultrasunete creează un transfer de masă extrem de intens, sonicare are ca rezultat randamente excepțional de mari într-un timp de procesare foarte scurt.

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

Pectine extrase din deșeuri de fructe

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

Studii de caz de extracție cu ultrasunete pectina

Datorită dezavantajelor extracției convenționale de pectină prin căldură, cercetarea și industria au investigat deja alternative inovatoare, ar fi extracția cu ultrasunete. Astfel, sunt disponibile o mulțime de informații despre parametrii procesului pentru diferite materii prime, precum și date de optimizare a procesului.

Extracția cu ultrasunete de pectina din Apple Pomace

Dranca și Oroian (2019) au investigat procesul de extracție ultrasonically asistată de pectină din tescovină de mere, aplicând diferite condiții cu ultrasunete și folosind designul suprafeței de răspuns Box-Behnken. Ei au descoperit că amplitudinea ultrasunetelor influențează puternic randamentul și gradul de esterificare a 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 100% amplitudine, pH de 1,8, raport solid-lichid de 1:10 g / ml, și 30 min sonicare. În aceste condiții, producția de pectină a fost de 9,183% și a avut un conținut de GalA de 98,127 g/100 g și un grad de esterificare de 83,202%. Pentru a stabili rezultatele pectinei extrase ultrasonically în relație cu pectina comercială, proba de pectină obținută prin extracție cu ultrasunete în condiții optime au fost comparate cu probele comerciale de citrice și pectină de mere prin FT-IR, DSC, analiză reologică și SEM. Primele două tehnici au evidențiat unele particularități ale probei de pectină extrasă prin extracție cu ultrasunete, ar fi intervalul de distribuție mai restrâns al greutății moleculare, aranjamentul molecular ordonat și gradul ridicat de esterificare, care a fost similar cu cel al pectinelor de mere disponibile în comerț. Analiza caracteristicilor morfologice ale probei obținute ultrasonically indică un model de determinare între distribuția dimensiunilor fragmentelor acestui eșantion și conținutul său de GalA pe de o parte și capacitatea de absorbție a apei pe cealaltă parte. Vâscozitatea soluției de pectină extrasă ultrasonically a fost mult mai mare decât cea a soluțiilor realizate folosind pectină comercială, care poate din cauza concentrației ridicate de acid galacturonic. Atunci când, de asemenea, luând în considerare gradul ridicat de esterificare, acest lucru ar putea explica de ce vâscozitatea au fost mai mari pentru pectina extrasă ultrasonically. Cercetătorii concluzionează că puritatea, structura și comportamentul reologic al pectinei extrase prin extracție 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 prelucrare fiabilă, care facilitează și accelerează producția de pectine de înaltă calitate, diverse materii prime, ar fi subproduse de citrice și coji, tescovină de mere și multe altele. Hielscher Ultrasonics portofoliu acoperă întreaga gamă de la ultrasonicators de laborator compact la sisteme industriale de extracție. Astfel, noi la Hielscher vă putem oferi cel mai potrivit ultrasonicator pentru capacitatea de proces preconizată. Personalul nostru cu experiență îndelungată vă va ajuta de la testele de fezabilitate și optimizarea procesului la instalarea sistemului cu ultrasunete la nivelul final de producție.
Amprenta mică a extractoarelor noastre cu ultrasunete, precum și versatilitatea lor în opțiunile de instalare le fac să se potrivească chiar și în instalațiile de prelucrare a pectinei cu spațiu mic. Procesoarele cu ultrasunete sunt instalate în întreaga lume în instalațiile de producție alimentară, farmaceutică și suplimente nutritive.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: