Večji izkoristki pektina z ultrazvočno ekstrakcijo

Ultrazvočna ekstrakcija zagotavlja visoke izkoristke pektinov vrhunske kakovosti. S sonikacijo je mogoče učinkovito pridobivati dragocene pektine iz sadnih odpadkov (npr. stranskih proizvodov pri predelavi sokov) in drugih bioloških surovin. Ultrazvočna ekstrakcija pektina prekaša druge ekstrakcijske tehnike z večjimi izkoristki, vrhunsko kakovostjo pektina in hitrim postopkom ekstrakcije.

Intenzivnejša ekstrakcija pektina s sonikacijo

Pektin se uporablja kot želirno sredstvo, emulgator in zgoščevalo v številnih živilih ter kot sestavina kozmetičnih in farmacevtskih izdelkov. Konvencionalna industrijska ekstrakcija pektina poteka z ekstrakcijo z vročo vodo, pri kateri se surovine, kot so lupine agrumov, jabolčne tropine in drugi sadni odpadki, dalj časa namakajo v vodi s temperaturo 60–100°C pri nizkem pH (pribl. pH 1,5 – 3,5). Zato je konvencionalna ekstrakcija z vročo vodo časovno in energijsko potraten proces, ki pogosto niti ni dovolj učinkovit, da bi sprostil celotno količino pektinov, prisotnih v surovini.
Za odpravo neučinkovitosti konvencionalne proizvodne metode se ultrazvočna ekstrakcija uporablja kot tehnika intenzifikacije procesa, ki v primerjavi s tradicionalno ekstrakcijo z vročo vodo skrajša čas ekstrakcije in znatno poveča izkoristek pektina do največje možne vrednosti.

Prednost ultrazvočne ekstrakcije pektina

Ultrazvočna ekstrakcija se uporablja na številnih področjih proizvodnje ekstraktov, npr. rastlinskih in zeliščnih ekstraktov za živila, prehranska dopolnila, farmacevtske in kozmetične izdelke. Zelo izrazit primer ultrazvočne ekstrakcije je ekstrakcija kanabidiola (CBD) in drugih spojin iz rastline konoplje.
Ultrazvočna ekstrakcija je netermična ekstrakcijska tehnika, ki zato ščiti bioaktivne spojine pred toplotno razgradnjo. Vse parametre ultrazvočnega procesa, kot so amplituda, intenzivnost, čas, temperatura in tlak, je mogoče natančno nadzorovati. To omogoča natančen nadzor procesa in kakovosti ter olajša ponavljanje in reproduciranje že doseženih rezultatov ekstrakcije. Proizvajalci ekstraktov cenijo ultrazvočno obdelavo zaradi zanesljive ponovljivosti procesa, ki pomaga standardizirati procese in izdelke.

 
Tukaj najdete protokol za ultrazvočno ekstrakcijo pektina iz lupin grenivke, prikazano v zgornjem videoposnetku!
 

Določitev ustreznih procesnih parametrov omogoča optimizacijo ultrazvočnega ekstrakcijskega procesa za doseganje najvišje učinkovitosti in vrhunske kakovosti ekstrakta.
Velikost delcev surovine (npr. lupin agrumov) je na primer pomemben dejavnik: manjša velikost delcev pomeni večjo površino, na katero lahko delujejo ultrazvočni valovi. Majhna velikost delcev zato omogoča večje izkoristke pektina, nižjo stopnjo metilacije in večji delež ramnogalakturonanskih območij.
Vrednost pH ekstrakcijskega topila (tj. voda + kislina) je še en bistven parameter. Pri ekstrakciji pektina v kislih pogojih se številna razvejana ramnogalakturonanska območja polimera razgradijo, tako da ostanejo predvsem »ravna« homogalakturonanska območja z nekaj molekulami nevtralnih sladkorjev, vezanimi na glavno linearno verigo ali v njej.
Ultrazvočna ekstrakcija pektina skrajša čas ekstrakcije in zniža potrebno procesno temperaturo, kar zmanjša možnost neželene modifikacije pektina s kislinami. To omogoča uporabo kislin v omejenih pogojih za natančno prilagajanje pektinov zahtevam izdelka.

Zakaj je ultrazvočna ekstrakcija pektina tako učinkovita?

Delovanje ultrazvočne ekstrakcije neposredno vpliva na nabrekanje, perforacijo in lomljenje celičnih sten. Ultrazvočno induciran prenos snovi povzroči hidratacijo pektinske snovi v srednji lameli, kar vodi do razgradnje rastlinskih tkiv. Ultrazvočna kavitacija in strižne sile neposredno delujejo na celične stene in jih razprejo. Ti mehanizmi zagotavljajo zelo učinkovite rezultate ultrazvočne ekstrakcije.

Kemična analiza in analiza FT-IR sta pokazali, da je bil ultrazvočno ekstrahirani pektin (tudi pektin, ekstrahiran s pomočjo akustične kavitacije, okrajšano ACAE), ki je imel nižjo molekulsko maso in stopnjo metoksilacije, v primerjavi s pektinom, ekstrahiranim s konvencionalnim segrevanjem, bogatejši z območjem ramnogalakturonana-I z dolgimi stranskimi verigami. Poraba energije pri ultrazvočni ekstrakciji pektina je bila bistveno manjša kot pri konvencionalni metodi segrevanja, kar kaže na obetavno uporabo v industrijskem proizvodnem merilu.
(prim. Wang et al., 2017)
Wang in njegovi sodelavci (2017) prav tako poudarjajo, da se je ekstrakcija s pomočjo ultrazvoka izkazala za bolj ekonomičen in okolju prijaznejši proces z večjo učinkovitostjo in nižjimi stroški v primerjavi s konvencionalno ekstrakcijo s segrevanjem.
 

SEM preostale pulpe sladkorne pese pri povečavi 1000x: (a) pred ekstrakcijo in po ekstrakciji pektina z uporabo (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), (e) Xylanasae+Cellulase (1:1,5) in (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(študija in slike: Abou-Elseoud et al., 2021)

Kako deluje ultrazvočna ekstrakcija pektina?

Ultrazvočna ekstrakcija temelji na sonomehanskih učinkih ultrazvoka visoke intenzivnosti. Za spodbujanje in intenzifikacijo ekstrakcije pektina z ultrazvočno obdelavo se ultrazvočni valovi visoke moči prek ultrazvočne sonde (imenovane tudi ultrazvočni rog ali sonotroda) sklopijo v tekoči medij, tj. suspenzijo, sestavljeno iz surovine, ki vsebuje pektin, in topila. Ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino in ustvarjajo izmenjujoče se cikle nizkega / visokega tlaka. Med cikli nizkega tlaka nastanejo drobni vakuumski mehurčki (tako imenovani kavitacijski mehurčki), ki rastejo skozi več tlačnih ciklov. Med temi cikli rasti mehurčkov plini, raztopljeni v tekočini, vstopajo v vakuumski mehurček, tako da se vakuumski mehurčki spremenijo v rastoče plinske mehurčke. Pri določeni velikosti, ko mehurčki ne morejo več absorbirati energije, med ciklom visokega tlaka silovito implodirajo. Za implozijo mehurčkov so značilne intenzivne kavitacijske sile, vključno z zelo visoko temperaturo in tlakom, ki dosežeta do 4000K oziroma 1000atm, ter ustreznimi velikimi temperaturnimi in tlačnimi razlikami. Tako ultrazvočno ustvarjena turbulenca in strižne sile razgradijo rastlinske celice ter sprostijo znotrajcelične pektine v topilo na vodni osnovi. Ker ultrazvočna kavitacija ustvarja zelo intenziven prenos snovi, sonikacija omogoča izjemno visoke izkoristke v zelo kratkem času obdelave.
Sonikacija se ne uporablja le za ekstrakcijo pektina, temveč tudi za izolacijo polifenolov iz sadnih tropin, pulpe, lupin in semen. Več preberite tukaj!

Ultrazvočna ekstrakcija iz rastlinskih celic: mikroskopski prečni prerez (TS) prikazuje mehanizem delovanja med ultrazvočno ekstrakcijo iz celic (povečava 2000x) [vir: Vilkhu et al. 2011]

Pektini, ekstrahirani iz sadnih odpadkov

Sadni odpadki, kot so lupine, ostanki sadne pulpe (po stiskanju sadnega soka) in drugi sadni stranski proizvodi, so pogosto bogati viri pektina. Čeprav se sadni odpadki pogosto uporabljajo kot živalska krma, je ekstrakcija pektina vrednejši način njihove uporabe.
Ultrazvočna ekstrakcija pektina se že uspešno izvaja z lupinami agrumov (kot so pomaranče, mandarine in grenivke), lupinami melon, jabolčnimi tropinami, pulpo sladkorne pese, lupinami manga, paradižnikovimi odpadki ter med drugim tudi z lupinami kruhovca, pasijonke in fig.

Študije primerov ultrazvočne ekstrakcije pektina

Zaradi pomanjkljivosti konvencionalne ekstrakcije pektina s toploto sta raziskovalna skupnost in industrija že preučili inovativne alternative, kot je ultrazvočna ekstrakcija. Zato je na voljo veliko informacij o procesnih parametrih za različne surovine ter podatkov o optimizaciji procesa.

Ultrazvočna ekstrakcija pektina iz jabolčnih tropin

Dranca in Oroian (2019) sta raziskovala postopek ekstrakcije pektina iz jabolčnih tropin s pomočjo ultrazvoka pri različnih ultrazvočnih pogojih in z uporabo Box-Behnkenovega načrta odzivnih površin. Ugotovila sta, da amplituda ultrazvoka močno vpliva na izkoristek in stopnjo esterifikacije ekstrahiranega pektina, medtem ko je imel pH ekstrakcije velik vpliv na vse tri odzive, tj. izkoristek, vsebnost GalA in stopnjo esterifikacije. Optimalni pogoji ekstrakcije so bili amplituda 100%, pH 1,8, razmerje med trdno in tekočo fazo 1:10 g/mL ter 30 min sonikacije. Pri teh pogojih je bil izkoristek pektina 9,183%, vsebnost GalA je znašala 98,127 g/100 g, stopnja esterifikacije pa 83,202%. Za primerjavo rezultatov ultrazvočno ekstrahiranega pektina s komercialnim pektinom so vzorec pektina, pridobljen z ultrazvočno ekstrakcijo pri optimalnih pogojih, primerjali z vzorci komercialnega pektina iz agrumov in jabolk z uporabo FT-IR, DSC, reološke analize in SEM. Prvi dve tehniki sta izpostavili nekatere posebnosti vzorca pektina, pridobljenega z ultrazvočno ekstrakcijo, kot so ožji razpon porazdelitve molekulske mase, urejena razporeditev molekul in visoka stopnja esterifikacije, podobna tisti pri komercialno dostopnih jabolčnih pektinih. Analiza morfoloških značilnosti ultrazvočno pridobljenega vzorca kaže na vzorec določanja med porazdelitvijo velikosti fragmentov tega vzorca in njegovo vsebnostjo GalA na eni strani ter sposobnostjo privzema vode na drugi strani. Viskoznost raztopine ultrazvočno ekstrahiranega pektina je bila veliko višja od viskoznosti raztopin, pripravljenih s komercialnim pektinom, kar je morda posledica visoke koncentracije galakturonske kisline. Ob upoštevanju visoke stopnje esterifikacije bi to lahko pojasnilo višjo viskoznost ultrazvočno ekstrahiranega pektina. Raziskovalca sklepata, da čistost, struktura in reološko obnašanje pektina, pridobljenega z ultrazvočno ekstrakcijo iz jabolčnih tropin Malus domestica ‘Fălticeni’, kažejo na obetavne možnosti uporabe te topne prehranske vlaknine. (prim. Dranca & Oroian 2019)

Visokozmogljiv ultrazvočni ekstraktor za proizvodnjo pektina

Ultrazvočna ekstrakcija je zanesljiva tehnologija obdelave, ki olajša in pospeši proizvodnjo visokokakovostnih pektinov iz različnih surovin, kot so stranski proizvodi in lupine agrumov, jabolčne tropine in številne druge. Ponudba Hielscher Ultrasonics zajema celoten razpon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do industrijskih ekstrakcijskih sistemov. Zato vam lahko pri Hielscher ponudimo najprimernejšo ultrazvočno napravo za vašo predvideno procesno zmogljivost. Naše osebje z dolgoletnimi izkušnjami vam bo pomagalo od preizkusov izvedljivosti in optimizacije procesa do namestitve vašega ultrazvočnega sistema na končni proizvodni ravni.
Majhen tloris naših ultrazvočnih ekstraktorjev in njihove raznolike možnosti namestitve omogočajo, da jih je mogoče umestiti tudi v prostorsko omejene obrate za predelavo pektina. Ultrazvočni procesorji so nameščeni v obratih za proizvodnjo živil, farmacevtskih izdelkov in prehranskih dopolnil po vsem svetu.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Hielscher Ultrasonics – dovršena ekstrakcijska oprema

Ponudba izdelkov Hielscher Ultrasonics zajema celoten razpon visokozmogljivih ultrazvočnih ekstraktorjev od majhnega do velikega merila. Dodatna oprema omogoča preprosto sestavo najprimernejše konfiguracije ultrazvočne naprave za vaš postopek ekstrakcije pektina. Optimalna ultrazvočna postavitev je odvisna od predvidene zmogljivosti, prostornine, surovine, šaržnega procesa ali procesa v liniji in časovnega načrta.

Šaržna obdelava in obdelava v liniji

Ultrazvočne naprave Hielscher se lahko uporabljajo za šaržno in neprekinjeno pretočno obdelavo. Ultrazvočna šaržna obdelava je idealna za preizkušanje procesa, optimizacijo ter proizvodnjo v majhnem do srednjem obsegu. Za proizvodnjo velikih količin pektina je lahko obdelava v liniji ugodnejša. Neprekinjen postopek mešanja v liniji zahteva dovršeno postavitev – sestavljeno iz črpalke, gibkih ali togih cevi in rezervoarjev –, vendar je zelo učinkovit, hiter in zahteva bistveno manj dela. Hielscher Ultrasonics ima najprimernejšo ekstrakcijsko postavitev za vaš obseg ekstrakcije in procesne cilje.

Ultrazvočni ekstraktorji za vsako proizvodno zmogljivost

Ponudba izdelkov Hielscher Ultrasonics zajema celoten spekter ultrazvočnih procesorjev, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav prek namiznih in pilotnih sistemov do povsem industrijskih ultrazvočnih procesorjev z zmogljivostjo obdelave tovornjaških tovorov na uro. Celovita ponudba izdelkov nam omogoča, da vam ponudimo najprimernejši ultrazvočni ekstraktor za vašo surovino, ki vsebuje pektin, procesno zmogljivost in proizvodne cilje.
Ultrazvočni namizni sistemi so idealni za preizkuse izvedljivosti in optimizacijo procesa. Linearno povečevanje merila na podlagi uveljavljenih procesnih parametrov omogoča zelo preprosto povečanje zmogljivosti obdelave od manjših serij do polne komercialne proizvodnje. Povečanje merila je mogoče z namestitvijo zmogljivejše ultrazvočne ekstrakcijske enote ali z vzporednim povezovanjem več ultrazvočnih naprav. Z UIP16000 Hielscher ponuja najzmogljivejši ultrazvočni ekstraktor na svetu.

Natančno nastavljive amplitude za optimalne rezultate

Vse ultrazvočne naprave Hielscher omogočajo natančen nadzor in so zato zanesljivi delovni stroji v proizvodnji. Amplituda je eden ključnih procesnih parametrov, ki vplivajo na učinkovitost in uspešnost ultrazvočne ekstrakcije pektina iz sadja in bioloških odpadkov.
Vsi sonikatorji Hielscher omogočajo natančno nastavitev amplitude. Sonotrode in ojačevalni rogovi so dodatna oprema, ki omogoča spreminjanje amplitude v še širšem razponu. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude in potrebno ultrazvočno intenzivnost za zahtevne aplikacije. Amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno vzdrževati pri delovanju 24/7.
Natančne nastavitve amplitude in stalno spremljanje parametrov ultrazvočnega procesa s pametno programsko opremo vam omogočajo obdelavo surovine pri najučinkovitejših ultrazvočnih pogojih. Optimalna sonikacija za najboljše rezultate ekstrakcije!
Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Zato je ultrazvočna oprema Hielscher zanesljivo delovno orodje, ki izpolnjuje vaše zahteve glede ekstrakcije.

Preprosto preizkušanje brez tveganja

Ultrazvočne procese je mogoče povečevati povsem linearno. To pomeni, da je mogoče vsak rezultat, ki ste ga dosegli z laboratorijsko ali namizno ultrazvočno napravo, s povečanjem merila prenesti na povsem enak rezultat z uporabo povsem enakih procesnih parametrov. Zato je ultrazvočna obdelava idealna za preizkušanje izvedljivosti brez tveganja, optimizacijo procesa in poznejšo uvedbo v komercialno proizvodnjo. Stopite v stik z nami in izvedite, kako lahko sonikacija poveča vašo proizvodnjo pektinskega ekstrakta.

Najvišja kakovost – zasnovano in izdelano v Nemčiji

Kot podjetje v družinski lasti in z družinskim vodenjem Hielscher pri svojih ultrazvočnih procesorjih daje prednost najvišjim standardom kakovosti. Vse ultrazvočne naprave so zasnovane, izdelane in temeljito preizkušene na našem sedežu v Teltowu blizu Berlina v Nemčiji. Zaradi robustnosti in zanesljivosti je ultrazvočna oprema Hielscher vzdržljiv delovni stroj v vaši proizvodnji. Delovanje 24/7 pri polni obremenitvi in v zahtevnih okoljih je naravna lastnost visokozmogljivih mešalnikov Hielscher.