Более высокий выход пектина при ультразвуковой экстракции

Ультразвуковая экстракция приводит к получению высоких выходов пектинов высшего качества. С помощью ультразвуковой обработки ценные пектины могут быть эффективно получены из фруктовых отходов (например, побочных продуктов переработки сока) и другого биологического сырья. Ультразвуковая экстракция пектином превосходит другие методы экстракции, обеспечивая более высокий выход, превосходное качество пектина и быструю процедуру экстракции.

Интенсификация экстракции пектина с помощью ультразвука

Пектин используется в качестве желирующего, эмульгирующего и загустителя во многих пищевых продуктах, а также в качестве ингредиента в косметике и фармацевтике. Традиционная промышленная экстракция пектином осуществляется с помощью экстракции горячей водой, при которой сырье, такое как кожура цитрусовых, яблочный жмых и другие фруктовые отходы, замачивается в горячей воде с температурой 60–100 °C при низком pH (около 1,5–3,5) в течение длительного периода времени. Это превращает традиционную экстракцию горячей воды в трудоемкий и энергозатратный процесс, который часто даже не настолько эффективен, чтобы высвободить полное количество пектинов, имеющихся в сырье.
Чтобы преодолеть неэффективность традиционного метода производства, ультразвуковая экстракция применяется в качестве метода интенсификации процесса, который сокращает время экстракции и значительно увеличивает выход пектина по сравнению с традиционной экстракцией горячей водой.

Преимущество ультразвуковой экстракции пектином

Ультразвуковая экстракция применяется во многих областях производства экстрактов, например, растительных и травяных экстрактов для продуктов питания, пищевых добавок, фармацевтических препаратов и косметики. Очень ярким примером ультразвуковой экстракции является экстракция каннабидиола (КБД) и других соединений из растения каннабиса.
Ультразвуковая экстракция является методом нетермической экстракции, который предотвращает термическое разложение биологически активных соединений. Все параметры ультразвукового процесса, такие как амплитуда, интенсивность, время, температура и давление, можно точно контролировать. Это обеспечивает точный контроль процесса и качества, а также облегчает повторение и воспроизведение полученных результатов экстракции. Производители экстрактов ценят ультразвук за надежную повторяемость процессов, что помогает стандартизировать процессы и продукты.

 
Протокол ультразвукового извлечения пектина из кожуры грейпфрута показан на видео выше!
 

Определение соответствующих параметров процесса позволяет оптимизировать процесс ультразвуковой экстракции для достижения максимальной эффективности и превосходного качества экстракта.
Например, важным фактором является размер частиц сырья (например, кожуры цитрусовых): меньший размер частиц означает большую площадь поверхности для воздействия ультразвуковых волн. Малый размер частиц приводит к более высокому выходу пектина, меньшей степени метилирования и большему соотношению рамногалаккуронановых областей.
Еще одним важным параметром является значение pH растворителя для экстракции (т.е. вода + кислота). При экстракции пектина в кислых условиях многие разветвленные участки рамногалактуронана в полимере разлагаются, так что в основном остается гомогалактуронан “прямой” Остаются участки с несколькими нейтральными молекулами сахара, прикрепленными к основной линейной цепи или в ней.
Ультразвуковая экстракция пектином сокращает время экстракции и снижает необходимую температуру процесса, что снижает вероятность нежелательной модификации пектина кислотами. Это позволяет использовать кислоты в ограниченных условиях для точной модификации пектинов в соответствии с требованиями продукта.

Что делает ультразвуковую экстракцию пектином такой эффективной?

Воздействие ультразвуковой экстракции напрямую влияет на набухание, перфорацию и поломку клеточных стенок. Ультразвуковой массоперенос вызывает гидратацию пектинового материала в средней пластинке, что приводит к разрушению растительных тканей. Ультразвуковые кавитационные и сдвиговые силы непосредственно воздействуют на стенки клеток и разрушают их. Эти механизмы приводят к высокоэффективным результатам ультразвуковой экстракции.

Экстрагированный ультразвуком пектин (также экстрагированный с помощью акустической кавитации, сокращенно ACAE), который имел более низкую молекулярную массу и степень метоксилирования, был богаче в области рамногалактуронана-I с длинными боковыми цепями по сравнению с обычным пектином, экстрагированным при нагревании методом химического анализа и ИК-Фурье. Энергозатраты на экстракцию ульгтразвукового пектина были значительно ниже, чем при традиционном способе нагрева, что указывает на его перспективное применение в промышленных масштабах.
(ср. Wang et al., 2017)
Ван и его коллеги (2017) также подтверждают, что ультразвуковая экстракция является более экономичным и экологически чистым процессом с более высокой эффективностью и меньшими затратами по сравнению с традиционной экстракцией с помощью нагрева.
 

СЭМ остаточного свекловичного жома при 1000-кратном увеличении: (а) до экстракции и после экстракции пектина с использованием (б) ксиланасы (250 ед/г), (в) целлюлазы (300 ед/г), г) ксиланазы + целлюлазы (1:1) и (д) ксиланазы + целлюлазы (1:1,5), и (е) ксиланазы + целлюлазы (1:2).
(исследование и изображения: Абу-Эльсеуд и др., 2021)

Как работает ультразвуковая экстракция пектином?

Ультразвуковая экстракция основана на сономеханических эффектах ультразвука высокой интенсивности. Чтобы стимулировать и интенсифицировать экстракцию пектина с помощью ультразвука, мощные ультразвуковые волны связываются с помощью ультразвукового зонда (также называемого ультразвуковым рогом или сонотродом) в жидкую среду, т.е. в суспензию, состоящую из пектинсодержащего сырья и растворителя. Ультразвуковые волны распространяются через жидкость и создают чередование циклов низкого и 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 попадают в вакуумный пузырь, так что вакуумный пузырь превращается в растущие газовые пузырьки. При определенном размере, когда пузырьки не могут поглощать больше энергии, они сильно схлопываются во время цикла высокого давления. Имплозия пузырьков характеризуется интенсивными кавитационными силами, включая очень высокую температуру и давление, достигающие до 4000 К и 1000 атм соответственно; а также соответствующие высокие перепады температур и давления. Эти создаваемые ультразвуком турбулентности и поперечные силы разрушают растительные клетки и высвобождают внутриклеточные пектины в растворитель на водной основе. Поскольку ультразвуковая кавитация создает высокоинтенсивный массоперенос, ультразвуковая обработка приводит к исключительно высокому выходу при очень коротком времени обработки.
Звуковая обработка используется не только для экстракции пектина, но и для выделения полифенолов из выжимки, мякоти, кожуры и семян фруктов. Подробнее читайте здесь!

Ультразвуковая экстракция из растительных клеток: микроскопический поперечный срез (ТС) показывает механизм действий 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 фруктов, часто являются богатыми источниками пектина. В то время как фруктовые отходы часто используются в качестве корма для животных, извлечение пектина является более ценным использованием фруктовых отходов.
Ультразвуковая экстракция пектином уже успешно проводится с кожурой цитрусовых (например, апельсина, мандарина, грейпфрута), кожурой дыни, яблочным жмыхом, жомом сахарной свеклы, кожурой манго, томатными отходами, а также кожурой джекфрута, маракуйи, инжира и другими.

Тематические исследования ультразвуковой экстракции пектином

Из-за недостатков традиционной экстракции пектина с помощью тепла, исследователи и промышленность уже изучили инновационные альтернативы, такие как ультразвуковая экстракция. Таким образом, доступно множество информации о параметрах процесса для различных видов сырья, а также данные об оптимизации процесса.

Ультразвуковая экстракция пектина из яблочного жмыха

Дранка и Ороян (2019) исследовали процесс экстракции пектина из яблочных выжимок с помощью ультразвука, применяя различные условия ультразвукового воздействия и используя дизайн поверхности отклика Бокса-Бенкена. Они обнаружили, что амплитуда ультразвука сильно влияет на выход и степень этерификации экстрагированного пектина, в то время как рН экстракции оказывает большое влияние на все три реакции, т. е. выход, содержание GalA и степень этерификации. Оптимальными условиями для экстракции были амплитуда 100 %, рН 1,8, соотношение твердого вещества и жидкости 1:10 г/мл и 30 минут соникации. При этих условиях выход пектина составил 9,183 %, содержание GalA - 98,127 г/100 г, степень этерификации - 83,202 %. Чтобы сопоставить результаты ультразвуковой экстракции пектина с коммерческим пектином, образцы пектина, полученные ультразвуковой экстракцией в оптимальных условиях, сравнивали с коммерческими образцами цитрусового и яблочного пектина с помощью ИК-Фурье, ДСК, реологического анализа и СЭМ. Первые два метода выявили некоторые особенности образца пектина, полученного ультразвуковой экстракцией, такие как более узкий диапазон распределения молекулярных масс, упорядоченное расположение молекул и высокая степень этерификации, которая была схожа с коммерческими яблочными пектинами. Анализ морфологических характеристик образца, полученного ультразвуковым методом, указывает на наличие закономерности между распределением размеров фрагментов этого образца и содержанием GalA, с одной стороны, и водопоглотительной способностью - с другой. Вязкость раствора пектина, полученного ультразвуковым способом, была значительно выше, чем у растворов, приготовленных с использованием коммерческого пектина, что, возможно, объясняется высокой концентрацией галактуроновой кислоты. Если также учесть высокую степень этерификации, то это может объяснить, почему вязкость ультразвуковой экстракции пектина была выше. Исследователи пришли к выводу, что чистота, структура и реологическое поведение пектина, полученного методом ультразвуковой экстракции из Malus domestica 'Fălticeni’ Яблочные выжимки указывают на перспективность применения этого растворимого волокна. (ср. Дранка & Oroian 2019)

Высокопроизводительный ультразвуковой экстрактор для производства пектина

Ультразвуковая экстракция является надежной технологией обработки, которая облегчает и ускоряет производство высококачественных пектинов различного сырья, такого как субпродукты и кожура цитрусовых, яблочные выжимки и многие другие. Портфолио Hielscher Ultrasonics охватывает весь спектр от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов до промышленных вытяжных систем. Таким образом, мы в Hielscher можем предложить вам наиболее подходящий ультразвуковой аппарат для вашей предполагаемой производственной мощности. Наши многолетние опытные сотрудники помогут вам от технико-экономических испытаний и оптимизации процесса до установки вашей ультразвуковой системы на конечном производственном уровне.
Небольшая занимаемая площадь наших ультразвуковых экстракторов, а также универсальность вариантов установки позволяют им вписываться даже в небольшие помещения по переработке пектина. Ультразвуковые процессоры установлены по всему миру на предприятиях по производству продуктов питания, фармацевтики и пищевых добавок.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Hielscher Ultrasonics – Сложное оборудование для экстракции

Портфель продуктов Hielscher Ultrasonics охватывает весь спектр высокопроизводительных ультразвуковых экстракторов от малых до крупных масштабов. Дополнительные аксессуары позволяют легко собрать наиболее подходящую конфигурацию ультразвукового устройства для процесса экстракции пектина. Оптимальная ультразвуковая установка зависит от предполагаемой производительности, объема, сырья, периодического или поточного процесса и сроков.

Пакетный и поточный

Ультразвуковые аппараты Hielscher могут использоваться для периодической и непрерывной проточной обработки. Ультразвуковая периодическая обработка идеально подходит для тестирования процессов, оптимизации и производства в малых и средних масштабах. Для производства больших объемов пектина поточная обработка может быть более выгодной. Непрерывный процесс поточного смешивания требует сложной настройки – состоящий в виде насоса, шлангов или труб и баков -, но он отличается высокой эффективностью, скоростью и требует значительно меньших трудозатрат. Hielscher Ultrasonics предлагает наиболее подходящую конфигурацию экстракции для вашего объема экстракции и технологических целей.

Ультразвуковые экстракторы для каждой производительности продукта

Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics охватывает весь спектр ультразвуковых процессоров от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов до настольных и пилотных систем до полностью промышленных ультразвуковых процессоров с производительностью обработки грузовых автомобилей в час. Полный ассортимент продукции позволяет нам предложить Вам наиболее подходящий ультразвуковой экстрактор для Вашего пектинсодержащего сырья, технологических мощностей и производственных целей.
Ультразвуковые настольные системы идеально подходят для технико-экономических испытаний и оптимизации процессов. Линейное масштабирование на основе установленных технологических параметров позволяет очень легко увеличить перерабатывающие мощности от небольших партий до полностью коммерческого производства. Масштабирование может быть выполнено либо путем установки более мощного ультразвукового экстрактора, либо параллельного кластеризации нескольких ультразвуковых аппаратов. С UIP16000 компания Hielscher предлагает самый мощный ультразвуковой экстрактор в мире.

Точно контролируемые амплитуды для достижения оптимальных результатов

Все ультразвуковые аппараты Hielscher являются точно управляемыми и, следовательно, надежными рабочими лошадками в производстве. Амплитуда является одним из важнейших технологических параметров, влияющих на эффективность и результативность ультразвуковой экстракции пектина из фруктов и биоотходов.
Все ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют точно установить амплитуду. Сонотроды и бустерные рупоры – это аксессуары, которые позволяют изменять амплитуду в еще более широком диапазоне. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher могут обеспечивать очень высокую амплитуду и необходимую интенсивность ультразвука для требовательных приложений. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7.
Точная настройка амплитуды и постоянный мониторинг параметров ультразвукового процесса с помощью интеллектуального программного обеспечения дают вам возможность обрабатывать сырье в наиболее эффективных ультразвуковых условиях. Оптимальная ультразвук для наилучших результатов экстракции!
Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях. Это делает ультразвуковое оборудование Hielscher надежным рабочим инструментом, отвечающим вашим требованиям к экстракции.

Простое тестирование без риска

Ультразвуковые процессы могут быть полностью линейно масштабированы. Это означает, что каждый результат, достигнутый с помощью лабораторного или настольного ультразвукового аппарата, может быть масштабирован до точно такой же производительности с использованием точно таких же параметров процесса. Это делает ультразвук идеальным для безрисковых технико-экономических испытаний, оптимизации процессов и последующего внедрения в коммерческое производство. Свяжитесь с нами, чтобы узнать, как ультразвуковая обработка может увеличить производство пектинового экстракта.

Высочайшее качество – Разработано и произведено в Германии

Будучи семейным предприятием, Hielscher отдает приоритет высочайшим стандартам качества своих ультразвуковых процессоров. Все ультразвуковые аппараты спроектированы, изготовлены и тщательно протестированы в нашем головном офисе в Тельтове недалеко от Берлина, Германия. Прочность и надежность ультразвукового оборудования Hielscher делают его рабочей лошадкой на вашем производстве. Работа в режиме 24/7 при полной нагрузке и в сложных условиях является естественной характеристикой высокопроизводительных миксеров Hielscher.