Višji donos pektina z ultrazvočno ekstrakcijo
Ultrazvočna ekstrakcija ima za posledico visoke donose pektinov vrhunske kakovosti. Z uporabo ultrazvočne razbijanje se lahko dragoceni pektini učinkovito proizvajajo iz sadnih odpadkov (npr. stranskih proizvodov predelave soka) in drugih bioloških surovin. Ultrazvočna ekstrakcija pektina izstopa z drugimi tehnikami ekstrakcije z višjimi donosi, kar daje vrhunsko kakovost pektina in hiter postopek ekstrakcije.
Intenzivirana ekstrakcija pektina z ultrazvočno razbijanje
Pektin se uporablja kot želirno, emulgatorsko in zgoščevalno sredstvo v številnih živilskih izdelkih ter kot sestavina v kozmetiki in farmacevtskih izdelkih. Konvencionalna industrijska ekstrakcija pektina poteka z ekstrakcijo z vročo vodo, kjer se surovine, kot so lupine citrusov, jabolčne tropine in drugi sadni odpadki, dolgo časa namakajo v vroči vodi pri temperaturi 60–100 °C pri nizkem pH (približno pH 1,5 – 3,5). To spremeni konvencionalno ekstrakcijo tople vode v dolgotrajen in energetsko zahteven proces, ki pogosto ni dovolj učinkovit, da bi sprostil celotno količino pektinov, ki so na voljo v surovini.
Da bi premagali neučinkovitost konvencionalne proizvodne metode, se ultrazvočna ekstrakcija uporablja kot tehnika intenziviranja procesa, ki skrajša čas ekstrakcije in znatno poveča donos pektina v primerjavi s tradicionalno ekstrakcijo tople vode.
Prednost ultrazvočne ekstrakcije pektina
Ultrazvočna ekstrakcija se uporablja na številnih področjih proizvodnje ekstraktov, npr. botaničnih in zeliščnih izvlečkov za živila, dodatke, farmacevtske izdelke in kozmetiko. Zelo pomemben primer ultrazvočne ekstrakcije je ekstrakcija kanabidiola (CBD) in drugih spojin iz rastline konoplje.
Ultrazvočna ekstrakcija je tehnika netermične ekstrakcije, ki s tem preprečuje toplotno razgradnjo bioaktivnih spojin. Vse ultrazvočne procesne parametre, kot so amplituda, intenzivnost, čas, temperatura in tlak, je mogoče natančno nadzorovati. To omogoča natančen nadzor procesa in kakovosti ter omogoča enostavno ponavljanje in reprodukcijo pridobljenih rezultatov ekstrakcije. Proizvajalci ekstraktov cenijo ultrazvok zaradi zanesljive ponovljivosti procesa, ki pomaga standardizirati procese in izdelke.
- Intenzivnost ultrazvočnega razbijanja
- temperatura
- pH vrednost
- Čas
- Velikost delcev surovine
Ultrazvočni ekstraktor UIP4000hdT je 4kW močan ekstraktor za industrijsko proizvodnjo pektina.
Določitev ustreznih procesnih parametrov omogoča optimizacijo postopka ultrazvočne ekstrakcije do najvišje učinkovitosti in vrhunske kakovosti ekstrakta.
Na primer, velikost delcev surovine (npr. lupine citrusov) je pomemben dejavnik: manjša velikost delcev pomeni večjo površino za delovanje ultrazvočnih valov. Majhna velikost delcev ima za posledico višji donos pektina, nižjo stopnjo metilacije in večje razmerje regij ramnogalakturonana.
Še en bistven parameter je pH vrednost ekstrakcijskega topila (tj. voda + kislina). Ko se pektin ekstrahira v kislih pogojih, se razgradijo številna razvejana območja polimera ramnogalakturona, tako da ostanejo predvsem homogalakturonske "ravne" regije z nekaj nevtralnimi molekulami sladkorja, pritrjenimi na ali v glavni linearni verigi.
Ultrazvočna ekstrakcija pektina skrajša čas ekstrakcije in zniža zahtevano temperaturo procesa, kar zmanjša možnost neželene spremembe pektina s kislinami. To omogoča uporabo kislin v zaprtih pogojih, da se pektini natančno prilagodijo zahtevam proizvoda.
Zakaj je ultrazvočna ekstrakcija pektina tako učinkovita?
Vpliv ultrazvočne ekstrakcije neposredno vpliva na otekanje, perforacijo in lomljenje celičnih sten. Ultrazvočno povzročen prenos mase povzroči hidracijo pektinskega materiala v srednji lameli, kar vodi do razpada rastlinskih tkiv. Ultrazvočna kavitacija in strižne sile neposredno vplivajo na celične stene in jih odprejo. Ti mehanizmi imajo za posledico zelo učinkovite rezultate ultrazvočne ekstrakcije.
Ultrazvočno ekstrahirani pektin (tudi ekstrahirani pektin s pomočjo akustične kavitacije, abbrev. ACAE), ki je imel nižjo molekulsko maso in stopnjo metoksilacije, je bil bogatejši v regiji ramnogalakturonana-I z dolgimi stranskimi verigami v primerjavi s konvencionalnim toplotno ekstrahiranim pektinom iz kemijske in FT-IR analize. Poraba energije za ekstrakcijo ulgtrasonskega pektina je bila bistveno nižja od običajne metode ogrevanja, kar kaže na njeno obetavno uporabo v industrijski proizvodnji.
(prim. Wang et al., 2017)
Wang in njegovi sodelavci (2017) prav tako poudarjajo, da se je ultrazvočno podprta ekstrakcija izkazala za bolj ekonomičen in okolju prijazen proces z večjo učinkovitostjo in nižjimi stroški v primerjavi s konvencionalno ekstrakcijo s segrevanjem.
SEM ostanka pulpe sladkorne pese pri povečavi 1000x: (a) pred ekstrakcijo in po ekstrakciji pektina z uporabo (b) Xylanasae (250 E/g), (c) celulaze (300 U/g), (d) Xylanasae+celulaze (1:1) in (e) Xylanasae+celulaze (1:1,5) in (f) Xylanasae+celulaze (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 intenziviranje ekstrakcije pektina z ultrazvokom se ultrazvočni valovi visoke moči povežejo z ultrazvočno sondo (imenovano tudi ultrazvočni rog ali sonotrode) v tekoči medij, tj. gnojevka, ki jo sestavlja surovina, ki vsebuje pektin, in topilo. Ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino in ustvarjajo izmenične nizkotlačne / visokotlačne cikle. Med nizkotlačnimi cikli nastajajo drobni vakuumski mehurčki (tako imenovani kavitacijski mehurčki), ki rastejo v več tlačnih ciklih. Med temi cikli rasti mehurčkov raztopljeni plini v tekočini vstopijo v vakuumski mehurček, tako da se vakuumski mehurček spremeni v rastoče plinske mehurčke. Pri določeni velikosti, ko mehurčki ne morejo absorbirati več energije, med visokotlačnim ciklom silovito implodirajo. Za implozijo mehurčkov so značilne intenzivne kavitacijske sile, vključno z zelo visoko temperaturo in tlakom, ki doseže do 4000 K oziroma 1000 atm; kot tudi ustrezne visoke temperaturne in tlačne razlike. Te ultrazvočno ustvarjene turbulence in strižne sile razbijejo rastlinske celice in sproščajo znotrajcelične pektine v topilo na vodni osnovi. Ker ultrazvočna kavitacija ustvarja zelo intenziven prenos mase, ultrazvočna obdelava povzroči izjemno visoke donose v zelo kratkem času obdelave.
Ultrazvočna ekstrakcija iz rastlinskih celic: mikroskopski prečni prerez (TS) prikazuje mehanizem delovanja med ultrazvočno ekstrakcijo iz celic (povečava 2000x) [vir: Vilkhu et al. 2011]
Ultrazvočni ekstraktor šarže UIP2000hdT s kaskatrodnim rogom
Pektini, pridobljeni iz sadnih odpadkov
Sadni odpadki, kot so lupine, ostanki sadne kaše (po stiskanju sadnega soka) in drugi sadni stranski proizvodi, so pogosto bogati viri pektina. Medtem ko se odpadki iz sadja pogosto uporabljajo kot živalska krma, je ekstrakcija pektina bolj dragocena uporaba sadnih odpadkov.
Ultrazvočna ekstrakcija pektina se že uspešno izvaja z lupinami citrusov (kot so pomaranče, mandarine, grenivke), lupinami melone, jabolčnimi tropinami, pulpo sladkorne pese, lupinami manga, odpadki paradižnika, pa tudi jackfruit, pasijonko, lupine fig med drugim.
Študije primerov ultrazvočne ekstrakcije pektina
Zaradi pomanjkljivosti konvencionalne ekstrakcije pektina s toploto so raziskave in industrija že raziskali inovativne alternative, kot je ultrazvočna ekstrakcija. Tako je na voljo veliko informacij o procesnih parametrih za različne surovine in podatki o optimizaciji procesov.
Ultrazvočna ekstrakcija pektina iz jabolčnih tropin
Dranca in Oroian (2019) sta raziskala ultrazvočno podprt postopek ekstrakcije pektina iz jabolčnih tropin z uporabo različnih ultrazvočnih pogojev in z uporabo Box-Behnkenove odzivne površine. Ugotovili so, da ultrazvočna amplituda močno vpliva na donos in stopnjo esterifikacije ekstrahiranega pektina, medtem ko je pH ekstrakcije močno vplival na vse tri odzive, tj. donos, vsebnost GalA in stopnjo esterifikacije. Optimalni pogoji za ekstrakcijo so bili 100% amplituda, pH 1,8, razmerje trdne snovi in tekočine 1:10 g/ml in 30-minutna ultrazvočna obdelava. V teh pogojih je bil donos pektina 9,183% in je imel vsebnost GalA 98,127 g / 100 g in 83,202% stopnjo esterifikacije. Da bi rezultate ultrazvočno ekstrahiranega pektina postavili v povezavo s komercialnim pektinom, so vzorec pektina, pridobljeni z ultrazvočno ekstrakcijo v optimalnih pogojih, primerjali s komercialnimi vzorci pektina citrusov in jabolk s pomočjo FT-IR, DSC, reološke analize in SEM. Prvi dve tehniki sta poudarili nekatere posebnosti vzorca pektina, ekstrahiranega z ultrazvočno ekstrakcijo, kot so ožji razpon porazdelitve molekulske mase, urejena molekulska razporeditev in visoka stopnja esterifikacije, ki je bila podobna tisti pri komercialno dostopnih jabolčnih pektinih. Analiza morfoloških značilnosti ultrazvočno pridobljenega vzorca kaže vzorec določanja med porazdelitvijo velikosti fragmentov tega vzorca in njegovo vsebnostjo GalA na eni strani ter zmogljivostjo absorpcije vode na drugi strani. Viskoznost ultrazvočno ekstrahirane raztopine pektina je bila veliko višja kot pri raztopinah, narejenih z uporabo komercialnega pektina, kar je morda posledica visoke koncentracije galakturonske kisline. Če upoštevamo tudi visoko stopnjo esterifikacije, bi to lahko pojasnilo, zakaj je bila viskoznost višja za ultrazvočno ekstrahirani pektin. Raziskovalci ugotavljajo, da čistost, struktura in reološko obnašanje pektina, ekstrahiranega z ultrazvočno ekstrakcijo iz jabolčnih tropin Malus domestica "Fălticeni", kažejo na obetavno uporabo tega topnega vlakna. (prim. Dranca & Oroian 2019)
- Višji donos
- hitrejša obdelava
- blažji pogoji predelave
- izboljšana splošna učinkovitost
- enostavno in varno upravljanje
- Hitra donosnost naložbe
Visoko zmogljiv ultrazvočni ekstraktor za proizvodnjo pektina
Ultrazvočna ekstrakcija je zanesljiva tehnologija predelave, ki olajša in pospeši proizvodnjo visokokakovostnih pektinov, različnih surovin, kot so stranski proizvodi in lupine agrumov, jabolčne tropine in mnogi drugi. Portfelj Hielscher Ultrasonics zajema celoten razpon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih aparatov do industrijskih sistemov za ekstrakcijo. Tako vam lahko pri Hielscherju ponudimo najprimernejši ultrazvočni aparat za vašo predvideno procesno zmogljivost. Naše dolgoletno izkušeno osebje vam bo pomagalo od preskusov izvedljivosti in optimizacije procesa do namestitve vašega ultrazvočnega sistema na končni proizvodni ravni.
Majhen odtis naših ultrazvočnih ekstraktorjev in njihova vsestranskost pri možnostih namestitve jih prilegajo tudi v objekte za predelavo pektina v majhnem prostoru. Ultrazvočni procesorji so nameščeni po vsem svetu v proizvodnih obratih za hrano, farmacijo in prehranska dopolnila.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Hielscher Ultrasonics – Prefinjena oprema za ekstrakcijo
Portfelj izdelkov Hielscher Ultrasonics zajema celoten nabor visoko zmogljivih ultrazvočnih ekstraktorjev od majhnih do velikih. Dodatni dodatki omogočajo enostavno sestavljanje najprimernejše konfiguracije ultrazvočne naprave za vaš postopek ekstrakcije pektina. Optimalna ultrazvočna nastavitev je odvisna od predvidene zmogljivosti, prostornine, surovine, šaržnega ali inline procesa in časovnice.
Paketno in v vrstici
Hielscher ultrazvočni aparati se lahko uporabljajo za serijsko in neprekinjeno pretočno obdelavo. Ultrazvočna serijska obdelava je idealna za testiranje procesov, optimizacijo in majhno do srednje veliko raven proizvodnje. Za proizvodnjo velikih količin pektina je lahko bolj ugodna inline obdelava. Neprekinjen postopek mešanja v liniji zahteva prefinjeno nastavitev – sestavljen iz črpalke, cevi ali cevi in rezervoarjev -, vendar je zelo učinkovit, hiter in zahteva bistveno manj dela. Hielscher Ultrasonics ima najprimernejšo nastavitev ekstrakcije za vaš volumen ekstrakcije in cilje procesa.
Ultrazvočni ekstraktorji za vsako zmogljivost izdelka
Paleta izdelkov Hielscher Ultrasonics zajema celoten spekter ultrazvočnih procesorjev od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav preko namiznih in pilotnih sistemov do popolnoma industrijskih ultrazvočnih procesorjev z zmogljivostjo obdelave tovornjakov na uro. Celotna paleta 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 preskuse izvedljivosti in optimizacijo procesov. Linearno povečanje na podlagi uveljavljenih procesnih parametrov omogoča zelo enostavno povečanje predelovalnih zmogljivosti od manjših serij do popolnoma komercialne proizvodnje. Povečanje obsega se lahko izvede z namestitvijo močnejše ultrazvočne ekstraktorske enote ali vzporedno združevanjem več ultrazvočnih aparatov. S UIP16000 Hielscher ponuja najmočnejši ultrazvočni ekstraktor po vsem svetu.
Natančno nadzorovane amplitude za optimalne rezultate
Vsi Hielscher ultrazvočni aparati so natančno nadzorovani in s tem zanesljivi delovni konji v proizvodnji. Amplituda je eden ključnih procesnih parametrov, ki vplivajo na učinkovitost in uspešnost ultrazvočne ekstrakcije pektina iz sadja in bioloških odpadkov.
Vsi Hielscher sonicatorji omogočajo natančno nastavitev amplitude. Sonotrode in pospeševalni rogovi so dodatki, ki omogočajo spreminjanje amplitude v še širšem obsegu. Hielscher industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude in zagotovijo zahtevano ultrazvočno intenzivnost za zahtevne aplikacije. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju.
Natančne nastavitve amplitude in stalno spremljanje ultrazvočnih procesnih parametrov s pametno programsko opremo vam omogočajo, da surovino obdelate z najučinkovitejšimi ultrazvočnimi pogoji. Optimalna ultrazvočna razbijanje za najboljše rezultate ekstrakcije!
Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Zaradi tega je Hielscherjeva ultrazvočna oprema zanesljivo delovno orodje, ki izpolnjuje vaše zahteve za ekstrakcijo.
Enostavno testiranje brez tveganja
Ultrazvočni procesi so lahko popolnoma linearno skalirani. To pomeni, da lahko vsak rezultat, ki ste ga dosegli z laboratorijskim ali namiznim ultrazvočnim aparatom, prilagodite na popolnoma enak izhod z uporabo popolnoma enakih procesnih parametrov. Zaradi tega je ultrazvok idealen za testiranje izvedljivosti brez tveganja, optimizacijo procesov in kasnejšo uvedbo v komercialno proizvodnjo. Kontaktirajte nas, če želite izvedeti, kako lahko ultrazvočno razbijanje poveča proizvodnjo ekstrakta pektina.
Najvišja kakovost – Zasnovano in izdelano v Nemčiji
Kot družinsko in družinsko podjetje Hielscher daje prednost najvišjim standardom kakovosti za svoje ultrazvočne procesorje. Vsi ultrazvočni aparati so zasnovani, izdelani in temeljito preizkušeni na našem sedežu v Teltowu blizu Berlina v Nemčiji. Robustnost in zanesljivost Hielscherjeve ultrazvočne opreme je delovni konj v vaši proizvodnji. Delovanje 24/7 pri polni obremenitvi in v zahtevnih okoljih je naravna značilnost visokozmogljivih mešalnikov Hielscher.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
O pektinih
Pektin je razvejan heteropolisaharid, ki ga sestavljajo dolgoverižni galakturonski segmenti in drugi nevtralni sladkorji, kot so ramnoza, arabinoza, galaktoza in ksiloza. Natančneje, pektin je blok kopolimera, ki ga sestavljata 1,4-α-vezana galakturonska kislina in 1,2-vezana ramnoza s stranskimi vejami β-D-galaktoze, L-arabinoze in drugih sladkornih enot. Ker je v pektinu najdenih več sladkornih delov in različnih stopenj metilne esterifikacije, pektin nima določene molekulske mase kot drugi polisaharidi. Pektin, ki je določen za uporabo v živilih, je opredeljen kot heteropolisaharid, ki vsebuje vsaj 65 % enot galakturonske kisline. Z uporabo posebnih pogojev ekstrakcije se pektini lahko uspešno modificirajo in funkcionalizirajo, da izpolnjujejo specifične zahteve. Proizvodnja funkcionaliziranih in modificiranih pektinov je zanimiva za posebne namene, npr. pektin z nizko vsebnostjo metoksilacije za farmacevtske izdelke.
Kako se pektin loči od raztopine ekstrakta?
Obarjanje pektina po ultrazvočni ekstrakciji: Dodajanje etanola raztopini ekstrakta lahko pomaga ločiti pektin s postopkom, imenovanim obarjanje. Pektin, kompleksen polisaharid, ki ga najdemo v celičnih stenah rastlin, je topen v vodi v normalnih pogojih. Vendar pa se lahko s spreminjanjem okolja topila z dodatkom etanola zmanjša topnost pektina, kar vodi do njegovega obarjanja iz raztopine.
Spodaj vam razložimo kemijo za obarjanje pektina z uporabo etanola:
- Prekinitev vodikovih vezi: Molekule pektina držijo skupaj vodikove vezi, ki prispevajo k njihovi topnosti v vodi. Etanol moti te vodikove vezi tako, da tekmuje z molekulami vode za vezavna mesta na molekulah pektina. Ker molekule etanola nadomeščajo molekule vode okoli molekul pektina, vodikove vezi med molekulami pektina oslabijo, kar zmanjša njihovo topnost v topilu.
- Zmanjšana polarnost topila: Etanol je manj polaren kot voda, kar pomeni, da ima manjšo sposobnost raztapljanja polarnih snovi, kot je pektin. Ko se raztopini ekstrakta doda etanol, se celotna polarnost topila zmanjša, zaradi česar je manj ugodno, da molekule pektina ostanejo v raztopini. To vodi do obarjanja pektina iz raztopine, saj postane manj topen v mešanici etanola in vode.
- Povečana koncentracija pektina: Ko se molekule pektina oborijo iz raztopine, se koncentracija pektina v preostali raztopini poveča. To omogoča lažje ločevanje pektina od tekoče faze s filtracijo ali centrifugiranjem.
Literatura / Reference
- Wafaa S. Abou-Elseoud, Enas A. Hassan, Mohammad L. Hassan (2021): Extraction of pectin from sugar beet pulp by enzymatic and ultrasound-assisted treatments. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, Volume 2, 2021.
- Marina Fernández-Delgado, Esther del Amo-Mateos, Mónica Coca, Juan Carlos López-Linares, M. Teresa García-Cubero, Susana Lucas (2023): Enhancement of industrial pectin production from sugar beet pulp by the integration of surfactants in ultrasound-assisted extraction followed by diafiltration/ultrafiltration. Industrial Crops and Products, Volume 194, 2023.
- Wang, Wenjun; Wu, Xingzhu; Chantapakul, Thunthacha; Wang, Danli; Zhang, Song; Ma Xiaobin; Ding, Tian; Ye, Xingqian; Liu, Donghong(2017): Acoustic cavitation assisted extraction of pectin from waste grapefruit peels: A green two-stage approach and its general mechanism. Food Research Journal Vol.102, December 2017. 101-110.
- Drance, Florina; Oroian, Mircea (2019): Ultrasound-Assisted Extraction of Pectin from Malus domestica ‘Fălticeni’ Apple Pomace. Processes 7(8): 488; 2019.
- Owais Yousuf; Anupama Singh; N. C. Shahi; Anil Kumar; A. K. Verma (2018): Ultrasound Assisted Extraction of Pectin from Orange Peel. Bulletin of Environment, Pharmacology and Life Sciences Vol 7 [12], November 2018. 48-54.
- Lena Rebecca Larsen; Julia Buerschaper; Andreas Schieber; Fabian Weber (2019): Interactions of Anthocyanins with Pectin and Pectin Fragments in Model Solutions. J Agric Food Chem 2019 Aug 21; 67(33). pp. 9344-9353.