Повышенный выход пектина благодаря ультразвуковой экстракции

Ультразвуковая экстракция обеспечивает высокий выход пектинов превосходного качества. С помощью обработки ультразвуком ценные пектины можно эффективно получать из фруктовых отходов (например, побочных продуктов переработки соков) и другого биологического сырья. Ультразвуковая экстракция пектина превосходит другие методы экстракции благодаря более высокому выходу, превосходному качеству пектина и быстрому проведению экстракции.

Интенсификация экстракции пектина с помощью обработки ультразвуком

Пектин используется как гелеобразователь, эмульгатор и загуститель во многих пищевых продуктах, а также как ингредиент косметических и фармацевтических средств. Традиционная промышленная экстракция пектина выполняется горячей водой: сырье, например кожуру цитрусовых, яблочные выжимки и другие фруктовые отходы, длительное время выдерживают в горячей воде при температуре 60–100°C и низком pH (примерно pH 1,5 – 3,5). Поэтому традиционная экстракция горячей водой требует больших затрат времени и энергии, причем ее эффективность часто недостаточна даже для извлечения всего количества пектинов, содержащихся в сырье.
Для преодоления неэффективности традиционного метода производства применяется ультразвуковая экстракция как способ интенсификации процесса, который сокращает время экстракции и значительно увеличивает выход пектина по сравнению с традиционной экстракцией горячей водой.

Преимущество ультразвуковой экстракции пектина

Ультразвуковая экстракция применяется во многих областях производства экстрактов, например растительных и травяных экстрактов для пищевых продуктов, добавок, фармацевтических и косметических средств. Один из наиболее известных примеров ультразвуковой экстракции – извлечение каннабидиола (CBD) и других соединений из растения каннабиса.
Ультразвуковая экстракция является нетермическим методом экстракции и тем самым защищает биоактивные соединения от термического разложения. Все параметры ультразвукового процесса, такие как амплитуда, интенсивность, время, температура и давление, можно точно контролировать. Это обеспечивает точный контроль процесса и качества и позволяет легко повторять и воспроизводить уже полученные результаты экстракции. Производители экстрактов ценят обработку ультразвуком за надежную повторяемость процесса, которая помогает стандартизировать процессы и продукты.

 
Здесь вы найдете протокол ультразвуковой экстракции пектина из кожуры грейпфрута, показанной в видео выше!
 

Определение соответствующих параметров процесса позволяет оптимизировать ультразвуковую экстракцию для достижения наивысшей эффективности и превосходного качества экстракта.
Например, размер частиц сырья (такого как кожура цитрусовых) является важным фактором: меньший размер частиц означает большую площадь поверхности, на которую могут воздействовать ультразвуковые волны. Таким образом, малый размер частиц обеспечивает более высокий выход пектина, более низкую степень метилирования и большую долю рамногалактуронановых участков.
Значение pH экстрагирующего растворителя (то есть воды + кислоты) – еще один важный параметр. При экстракции пектина в кислых условиях многие разветвленные рамногалактуронановые участки полимера разрушаются, так что остаются преимущественно «прямые» гомогалактуронановые участки с небольшим количеством молекул нейтральных сахаров, присоединенных к основной линейной цепи или включенных в нее.
Ультразвуковая экстракция пектина сокращает время экстракции и снижает необходимую температуру процесса, что уменьшает вероятность нежелательной модификации пектина кислотами. Это позволяет использовать кислоты в ограниченных условиях для модификации пектинов в точном соответствии с требованиями к продукту.

Почему ультразвуковая экстракция пектина настолько эффективна?

Воздействие ультразвуковой экстракции непосредственно влияет на набухание, перфорацию и разрушение клеточных стенок. Массоперенос, вызванный ультразвуком, приводит к гидратации пектинового материала в срединной пластинке, что вызывает разрушение растительных тканей. Ультразвуковая кавитация и силы сдвига непосредственно воздействуют на клеточные стенки и разрушают их. Эти механизмы обеспечивают высокую эффективность ультразвуковой экстракции.

Согласно химическому анализу и анализу методом FT-IR, пектин, извлеченный с помощью ультразвука (также пектин, извлеченный с помощью акустической кавитации, сокращенно ACAE), имевший более низкую молекулярную массу и степень метоксилирования, был богаче участками рамногалактуронана-I с длинными боковыми цепями по сравнению с пектином, извлеченным традиционным термическим способом. Энергопотребление при ультразвуковой экстракции пектина было значительно ниже, чем при традиционном методе нагревания, что указывает на перспективность ее применения в промышленном производстве.
(см. Wang et al., 2017)
Wang и его коллеги (2017) также подчеркивают, что экстракция с помощью ультразвука доказала свою большую экономичность и экологичность, обеспечивая более высокую эффективность и меньшие затраты по сравнению с традиционной экстракцией с нагреванием.
 

СЭМ-изображения остаточного свекловичного жома при увеличении 1000x: (a) до экстракции и после экстракции пектина с использованием (b) Xylanasae (250 U/g), (c) целлюлазы (300 U/g), (d) Xylanasae+целлюлазы (1:1), (e) Xylanasae+целлюлазы (1:1,5) и (f) Xylanasae+целлюлазы (1:2).
(исследование и изображения: Abou-Elseoud et al., 2021)

Как работает ультразвуковая экстракция пектина?

Ультразвуковая экстракция основана на механических эффектах высокоинтенсивного ультразвука. Для содействия экстракции пектина и ее интенсификации посредством обработки ультразвуком мощные ультразвуковые волны передаются через ультразвуковой зонд (также называемый ультразвуковым рупором или сонотродом) в жидкую среду, то есть в суспензию, состоящую из пектинсодержащего сырья и растворителя. Ультразвуковые волны распространяются в жидкости и создают чередующиеся циклы низкого / высокого давления. Во время циклов низкого давления образуются мельчайшие вакуумные пузырьки (так называемые кавитационные пузырьки), которые растут в течение нескольких циклов давления. Во время этих циклов роста пузырьков растворенные в жидкости газы поступают в вакуумный пузырек, так что вакуумные пузырьки превращаются в растущие газовые пузырьки. При достижении определенного размера, когда пузырьки уже не могут поглощать больше энергии, они резко схлопываются во время цикла высокого давления. Схлопывание пузырьков характеризуется интенсивными кавитационными силами, включая очень высокие температуру и давление, достигающие соответственно 4000K и 1000atm, а также соответствующие большие перепады температуры и давления. Эти создаваемые ультразвуком турбулентные потоки и силы сдвига разрушают растительные клетки и высвобождают внутриклеточные пектины в растворитель на водной основе. Поскольку ультразвуковая кавитация создает высокоинтенсивный массоперенос, обработка ультразвуком обеспечивает исключительно высокий выход за очень короткое время обработки.
Обработка ультразвуком используется не только для экстракции пектина, но и для выделения полифенолов из фруктовых выжимок, мякоти, кожуры и семян. Подробнее здесь!

Ультразвуковая экстракция из растительных клеток: микроскопический поперечный срез (TS) показывает механизм действия при ультразвуковой экстракции из клеток (увеличение 2000x) [источник: Vilkhu et al. 2011]

Пектины, извлеченные из фруктовых отходов

Фруктовые отходы, такие как кожура, остатки фруктовой мякоти (после отжима фруктового сока) и другие побочные продукты переработки фруктов, часто являются богатыми источниками пектина. Хотя фруктовые отходы часто используются в качестве корма для животных, экстракция пектина представляет собой более ценное применение фруктовых отходов.
Ультразвуковая экстракция пектина уже успешно проводится из кожуры цитрусовых (например, апельсинов, мандаринов, грейпфрутов), кожуры дыни, яблочных выжимок, свекловичного жома, кожуры манго, отходов переработки томатов, а также из джекфрута, маракуйи, кожуры инжира и других видов сырья.

Практические исследования ультразвуковой экстракции пектина

Из-за недостатков традиционной экстракции пектина с нагреванием ученые и промышленность уже исследовали инновационные альтернативы, такие как ультразвуковая экстракция. Поэтому доступно большое количество информации о параметрах процесса для различных видов сырья, а также данных по оптимизации процесса.

Ультразвуковая экстракция пектина из яблочных выжимок

Dranca и Oroian (2019) исследовали процесс экстракции пектина из яблочных выжимок с помощью ультразвука, применяя различные условия ультразвуковой обработки и планирование поверхности отклика Бокса–Бенкена. Они обнаружили, что амплитуда ультразвука существенно влияет на выход и степень этерификации извлеченного пектина, тогда как pH экстракции сильно влияет на все три отклика, то есть на выход, содержание GalA и степень этерификации. Оптимальными условиями экстракции были амплитуда 100%, pH 1,8, соотношение твердой и жидкой фаз 1:10 g/mL и обработка ультразвуком в течение 30 min. В этих условиях выход пектина составил 9,183%, содержание GalA – 98,127 g/100 g, а степень этерификации – 83,202%. Чтобы сопоставить результаты для пектина, извлеченного с помощью ультразвука, с коммерческим пектином, образец пектина, полученный ультразвуковой экстракцией в оптимальных условиях, сравнили с образцами коммерческого цитрусового и яблочного пектина методами FT-IR, DSC, реологического анализа и СЭМ. Первые два метода выявили некоторые особенности образца пектина, извлеченного ультразвуковой экстракцией, такие как более узкий диапазон распределения молекулярной массы, упорядоченное расположение молекул и высокая степень этерификации, сходная со степенью этерификации коммерчески доступных яблочных пектинов. Анализ морфологических характеристик образца, полученного с помощью ультразвука, указывает на определяющую закономерность между распределением размеров фрагментов этого образца и содержанием в нем GalA, с одной стороны, и способностью поглощать воду – с другой. Вязкость раствора пектина, извлеченного с помощью ультразвука, была намного выше вязкости растворов, приготовленных с использованием коммерческого пектина, что, возможно, связано с высокой концентрацией галактуроновой кислоты. Если также учитывать высокую степень этерификации, это может объяснить более высокую вязкость пектина, извлеченного с помощью ультразвука. Исследователи заключают, что чистота, структура и реологическое поведение пектина, извлеченного ультразвуковой экстракцией из яблочных выжимок Malus domestica ‘Fălticeni’, указывают на перспективность применения этого растворимого пищевого волокна. (см. Dranca & Oroian 2019)

Высокопроизводительный ультразвуковой экстрактор для производства пектина

Ультразвуковая экстракция – надежная технология обработки, которая облегчает и ускоряет производство высококачественных пектинов из различных видов сырья, таких как побочные продукты переработки цитрусовых и их кожура, яблочные выжимки и многие другие. Ассортимент Hielscher Ultrasonics охватывает весь диапазон от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов до промышленных экстракционных систем. Поэтому мы в Hielscher можем предложить вам наиболее подходящий ультразвуковой аппарат для запланированной производительности вашего процесса. Наши сотрудники с многолетним опытом помогут вам на всех этапах – от испытаний технологической осуществимости и оптимизации процесса до установки вашей ультразвуковой системы на конечном производственном уровне.
Небольшая занимаемая площадь наших ультразвуковых экстракторов и разнообразие вариантов их установки позволяют размещать их даже на предприятиях по переработке пектина с ограниченным пространством. Ультразвуковые процессоры установлены по всему миру на предприятиях по производству пищевых продуктов, фармацевтических средств и пищевых добавок.

В приведенной ниже таблице указана приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов:

Hielscher Ultrasonics – передовое экстракционное оборудование

Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics охватывает весь диапазон высокопроизводительных ультразвуковых экстракторов для малых и больших масштабов производства. Дополнительные принадлежности позволяют легко собрать наиболее подходящую конфигурацию ультразвукового устройства для вашего процесса экстракции пектина. Оптимальная ультразвуковая установка зависит от запланированной производительности, объема, сырья, периодического или поточного процесса и сроков.

Периодическая и поточная обработка

Ультразвуковые аппараты Hielscher можно использовать для периодической и непрерывной проточной обработки. Периодическая ультразвуковая обработка идеально подходит для испытания процесса, оптимизации и производства малого и среднего масштаба. При производстве больших объемов пектина поточная обработка может быть более выгодной. Непрерывный процесс поточного смешивания требует сложной установки – состоящей из насоса, шлангов или труб и резервуаров, – но отличается высокой эффективностью, быстротой и значительно меньшими трудозатратами. У Hielscher Ultrasonics есть наиболее подходящая экстракционная установка для вашего объема экстракции и целей процесса.

Ультразвуковые экстракторы для любой производительности

Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics охватывает весь спектр ультразвуковых процессоров: от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов, настольных и пилотных систем до полностью промышленных ультразвуковых процессоров, способных обрабатывать за час объемы, измеряемые грузовиками. Полный ассортимент продукции позволяет нам предложить вам наиболее подходящий ультразвуковой экстрактор для вашего пектинсодержащего сырья, производительности процесса и производственных целей.
Настольные ультразвуковые системы идеально подходят для испытаний технологической осуществимости и оптимизации процесса. Линейное масштабирование на основе установленных параметров процесса позволяет очень легко увеличивать производительность обработки от небольших партий до полноценного коммерческого производства. Масштабирование можно выполнить либо установкой более мощного ультразвукового экстрактора, либо объединением нескольких ультразвуковых аппаратов в параллельный кластер. Модель UIP16000 от Hielscher – самый мощный ультразвуковой экстрактор в мире.

Точно регулируемые амплитуды для оптимальных результатов

Все ультразвуковые аппараты Hielscher допускают точное управление и поэтому служат надежными рабочими инструментами на производстве. Амплитуда – один из ключевых параметров процесса, влияющих на эффективность и результативность ультразвуковой экстракции пектина из фруктовых и биологических отходов.
Все ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют точно устанавливать амплитуду. Сонотроды и усиливающие рупоры – принадлежности, позволяющие изменять амплитуду в еще более широком диапазоне. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher могут обеспечивать очень высокие амплитуды и необходимую интенсивность ультразвука для сложных применений. Непрерывная работа с амплитудами до 200µm легко обеспечивается в режиме 24/7.
Точная настройка амплитуды и постоянный мониторинг параметров ультразвукового процесса с помощью интеллектуального программного обеспечения позволяют обрабатывать ваше сырье в наиболее эффективных ультразвуковых условиях. Оптимальная обработка ультразвуком для наилучших результатов экстракции!
Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях. Это делает ультразвуковое оборудование Hielscher надежным рабочим инструментом, соответствующим вашим требованиям к экстракции.

Простые испытания без риска

Ультразвуковые процессы допускают полностью линейное масштабирование. Это означает, что любой результат, полученный с помощью лабораторного или настольного ультразвукового аппарата, можно масштабировать с получением в точности того же результата при использовании в точности тех же параметров процесса. Поэтому обработка ультразвуком идеально подходит для испытаний технологической осуществимости без риска, оптимизации процесса и последующего внедрения в коммерческое производство. Свяжитесь с нами, чтобы узнать, как обработка ультразвуком может увеличить производство вашего пектинового экстракта.

Наивысшее качество – разработано и изготовлено в Германии

Будучи семейным предприятием, принадлежащим семье и управляемым ею, Hielscher уделяет первостепенное внимание самым высоким стандартам качества своих ультразвуковых процессоров. Все ультразвуковые аппараты разрабатываются, производятся и тщательно испытываются в нашей штаб-квартире в Тельтове, недалеко от Берлина, Германия. Прочность и надежность ультразвукового оборудования Hielscher делают его надежным рабочим инструментом на вашем производстве. Работа в режиме 24/7 при полной нагрузке и в сложных условиях – естественная характеристика высокопроизводительных смесителей Hielscher.