Већи приноси пектина ултразвучном екстракцијом

Ултразвучна екстракција даје високе приносе пектина врхунског квалитета. Соникацијом се вредни пектини могу ефикасно добити из воћног отпада (нпр. споредних производа прераде сокова) и других биолошких сировина. Ултразвучна екстракција пектина надмашује друге технике екстракције већим приносима, врхунским квалитетом пектина и брзим поступком екстракције.

Интензивирана екстракција пектина соникацијом

Пектин се користи као средство за желирање, емулговање и згушњавање у бројним прехрамбеним производима, као и као састојак козметичких и фармацеутских производа. Конвенционална индустријска екстракција пектина обавља се екстракцијом врелом водом, при чему се сировине као што су коре цитруса, комина јабуке и други воћни отпад дуго потапају у врелу воду температуре 60–100°C при ниској pH вредности (приближно pH 1,5 – 3,5). Због тога је конвенционална екстракција врелом водом процес који захтева много времена и енергије, а често није ни довољно ефикасан да ослободи целокупну количину пектина присутну у сировини.
Да би се превазишла неефикасност конвенционалне методе производње, ултразвучна екстракција се примењује као техника интензивирања процеса која скраћује време екстракције и у значајној мери максимизује принос пектина у поређењу са традиционалном екстракцијом врелом водом.

Предност ултразвучне екстракције пектина

Ултразвучна екстракција се примењује у многим областима производње екстраката, нпр. ботаничких екстраката и екстраката лековитог биља за храну, додатке исхрани, фармацеутске и козметичке производе. Веома истакнут пример ултразвучне екстракције јесте екстракција канабидиола (CBD) и других једињења из биљке канабиса.
Ултразвучна екстракција је нетермичка техника екстракције, чиме се биоактивна једињења штите од термичке разградње. Сви параметри ултразвучног процеса, као што су амплитуда, интензитет, време, температура и притисак, могу се прецизно контролисати. То омогућава прецизну контролу процеса и квалитета и олакшава понављање и репродуковање једном добијених резултата екстракције. Произвођачи екстраката цене ултразвучну обраду због поуздане поновљивости процеса, која помаже у стандардизацији процеса и производа.

 
Овде пронађите протокол за ултразвучну екстракцију пектина из коре грејпфрута приказану у видеу изнад!
 

Одређивање релевантних процесних параметара омогућава оптимизацију процеса ултразвучне екстракције ради постизања највише ефикасности и врхунског квалитета екстракта.
На пример, величина честица сировине (нпр. коре цитруса) важан је фактор: мање честице значе већу површину на коју ултразвучни таласи могу да делују. Мања величина честица стога доводи до већих приноса пектина, нижег степена метилације и већег удела рамногалактуронанских региона.
pH вредност растварача за екстракцију (тј. вода + киселина) још је један суштински параметар. Када се пектин екстрахује у киселим условима, многи разгранати рамногалактуронански региони полимера се разграђују, тако да углавном остају „праволинијски“ хомогалактуронански региони са малобројним молекулима неутралних шећера везаним за главни линеарни ланац или унутар њега.
Ултразвучна екстракција пектина скраћује време екстракције и снижава потребну температуру процеса, чиме се смањује могућност нежељене модификације пектина киселинама. То омогућава употребу киселина под ограниченим условима како би се пектини прецизно модификовали у складу са захтевима производа.

Шта ултразвучну екстракцију пектина чини тако ефикасном?

Ултразвучна екстракција директно утиче на бубрење, перфорацију и разарање ћелијских зидова. Ултразвучно изазван пренос масе доводи до хидратације пектинског материјала у средишњој ламели, што доводи до разарања биљних ткива. Ултразвучна кавитација и силе смицања директно делују на ћелијске зидове и разарају их. Ови механизми обезбеђују високу ефикасност ултразвучне екстракције.

Пектин екстрахован ултразвуком (такође пектин екстрахован уз помоћ акустичне кавитације, скраћено ACAE), који је имао мању молекулску масу и нижи степен метоксилације, био је богатији регионом рамногалактуронана-I са дугим бочним ланцима у поређењу са пектином екстрахованим конвенционалним загревањем, према резултатима хемијске и FT-IR анализе. Потрошња енергије за ултразвучну екстракцију пектина била је знатно мања него код конвенционалне методе загревања, што указује на њену перспективну примену у производњи индустријских размера.
(уп. Wang et al., 2017)
Wang и његове колеге (2017) такође потврђују да је доказано да је екстракција потпомогнута ултразвуком економичнији и еколошки прихватљивији процес, са већом ефикасношћу и нижим трошковима у поређењу са конвенционалном екстракцијом загревањем.
 

SEM преостале пулпе шећерне репе при увећању од 1000x: (a) пре екстракције и након екстракције пектина применом (b) ксиланазе (250 U/g), (c) целулазе (300 U/g), (d) ксиланазе+целулазе (1:1), и (e) ксиланазе+целулазе (1:1,5), и (f) ксиланазе+целулазе (1:2).
(истраживање и слике: Abou-Elseoud et al., 2021)

Како функционише ултразвучна екстракција пектина?

Ултразвучна екстракција заснива се на сономеханичким ефектима ултразвука високог интензитета. Да би се поспешила и интензивирала екстракција пектина ултразвуком, ултразвучни таласи велике снаге уводе се преко ултразвучне сонде (која се назива и ултразвучни рог или сонотрода) у течни медијум, односно суспензију која се састоји од сировине која садржи пектин и растварача. Ултразвучни таласи простиру се кроз течност и стварају наизменичне циклусе ниског / високог притиска. Током циклуса ниског притиска настају сићушни вакуумски мехурићи (такозвани кавитациони мехурићи), који расту током неколико циклуса притиска. Током тих циклуса раста мехурића, гасови растворени у течности улазе у вакуумски мехурић, тако да се вакуумски мехурићи претварају у растуће гасне мехуриће. Када достигну одређену величину и више не могу да апсорбују енергију, мехурићи снажно имплодирају током циклуса високог притиска. Имплозију мехурића карактеришу интензивне кавитационе силе, укључујући веома високу температуру и притисак који достижу до 4000K и 1000atm, редом; као и одговарајуће велике разлике у температури и притиску. Ове ултразвучно генерисане турбуленције и силе смицања разарају биљне ћелије и ослобађају унутарћелијске пектине у растварач на бази воде. Пошто ултразвучна кавитација ствара веома интензиван пренос масе, соникација даје изузетно високе приносе за веома кратко време обраде.
Соникација се користи не само за екстракцију пектина већ и за изоловање полифенола из воћне комине, пулпе, коре и семенки. Прочитајте више овде!

Ултразвучна екстракција из биљних ћелија: микроскопски попречни пресек (TS) приказује механизам деловања током ултразвучне екстракције из ћелија (увећање 2000x) [извор: Vilkhu et al. 2011]

Пектини екстраховани из воћног отпада

Воћни отпад, као што су коре, остаци воћне пулпе (након цеђења воћног сока) и други нуспроизводи прераде воћа, често представља богат извор пектина. Иако се воћни отпад често користи као храна за животиње, екстракција пектина представља вреднији начин његовог искоришћавања.
Ултразвучна екстракција пектина већ се успешно спроводи из кора цитрусног воћа (као што су поморанџе, мандарине и грејпфрут), кора диње, комине јабуке, пулпе шећерне репе, кора манга, отпада од парадајза, као и џекфрута, маракује и кора смокве, између осталог.

Студије случаја ултразвучне екстракције пектина

Због недостатака конвенционалне екстракције пектина загревањем, истраживачи и индустрија већ су испитали иновативне алтернативе као што је ултразвучна екстракција. Стога је доступно обиље информација о процесним параметрима за различите сировине, као и података о оптимизацији процеса.

Ултразвучна екстракција пектина из јабучне комине

Dranca и Oroian (2019) испитали су процес ултразвучно потпомогнуте екстракције пектина из јабучне комине, примењујући различите услове ултразвучне обраде и користећи Box-Behnken план експеримента за анализу површине одзива. Утврдили су да амплитуда ултразвука снажно утиче на принос и степен естерификације екстрахованог пектина, док је pH при екстракцији имао велики утицај на сва три одзива, односно на принос, садржај GalA и степен естерификације. Оптимални услови за екстракцију били су амплитуда од 100%, pH од 1,8, однос чврсте и течне фазе од 1:10 g/mL и соникација у трајању од 30 min. У тим условима принос пектина износио је 9,183%, а добијени пектин имао је садржај GalA од 98,127 g/100 g и степен естерификације од 83,202%. Да би се резултати за ултразвучно екстраховани пектин упоредили са комерцијалним пектином, узорак пектина добијен ултразвучном екстракцијом у оптималним условима упоређен је са узорцима комерцијалног пектина из цитруса и јабука применом FT-IR, DSC, реолошке анализе и SEM. Прве две технике истакле су неке специфичности узорка пектина добијеног ултразвучном екстракцијом, као што су ужи распон расподеле молекулске масе, уређен молекулски распоред и висок степен естерификације сличан оном код комерцијално доступних јабучних пектина. Анализа морфолошких карактеристика ултразвучно добијеног узорка указује на образац зависности између расподеле величина фрагмената овог узорка и његовог садржаја GalA с једне стране, и способности упијања воде с друге стране. Вискозност раствора ултразвучно екстрахованог пектина била је много већа од вискозности раствора припремљених од комерцијалног пектина, што је можда последица високе концентрације галактуронске киселине. Када се узме у обзир и висок степен естерификације, то би могло да објасни зашто је вискозност била већа код ултразвучно екстрахованог пектина. Истраживачи закључују да чистоћа, структура и реолошко понашање пектина екстрахованог ултразвуком из комине јабуке Malus domestica ‘Fălticeni’ указују на перспективне примене овог растворљивог влакна. (уп. Dranca & Oroian 2019)

Ултразвучни екстрактор високих перформанси за производњу пектина

Ултразвучна екстракција је поуздана технологија обраде која олакшава и убрзава производњу висококвалитетних пектина из различитих сировина, као што су нуспроизводи и коре цитрусног воћа, јабучна комина и многе друге. Асортиман компаније Hielscher Ultrasonics обухвата читав распон од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја до индустријских система за екстракцију. Стога вам ми у компанији Hielscher можемо понудити најпогоднији ултразвучни уређај за ваш предвиђени капацитет обраде. Наше особље са дугогодишњим искуством пружиће вам подршку од испитивања изводљивости и оптимизације процеса до уградње вашег ултразвучног система на коначном производном нивоу.
Мали просторни захтеви наших ултразвучних екстрактора, као и разноврсне могућности њихове уградње, омогућавају да се сместе чак и у погоне за прераду пектина са ограниченим простором. Ултразвучни процесори уграђени су широм света у погонима за производњу хране, фармацеутских производа и додатака исхрани.

Табела испод даје оквирни преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:

Hielscher Ultrasonics – Софистицирана опрема за екстракцију

Портфолио производа компаније Hielscher Ultrasonics обухвата цео распон ултразвучних екстрактора високих перформанси, од малог до великог обима производње. Додатна опрема омогућава једноставно састављање најпогодније конфигурације ултразвучног уређаја за ваш процес екстракције пектина. Оптимална ултразвучна поставка зависи од предвиђеног капацитета, запремине, сировине, шаржног или линијског процеса и временског плана.

Шаржна и линијска обрада

Ултразвучни уређаји Hielscher могу се користити за шаржну и континуалну проточну обраду. Ултразвучна шаржна обрада идеална је за испитивање и оптимизацију процеса, као и за производњу малог до средњег обима. За производњу великих количина пектина, линијска обрада могла би бити повољнија. Континуални процес линијског мешања захтева софистицирану поставку – која се састоји од пумпе, црева или цеви и резервоара – али је веома ефикасан, брз и захтева знатно мање рада. Hielscher Ultrasonics има најпогоднију поставку за екстракцију за вашу запремину екстракције и циљеве процеса.

Ултразвучни екстрактори за сваки производни капацитет

Асортиман производа компаније Hielscher Ultrasonics обухвата цео спектар ултразвучних процесора, од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја, преко стоних и пилот-система, до потпуно индустријских ултразвучних процесора са капацитетом обраде камионских товара на сат. Целокупан асортиман производа омогућава нам да вам понудимо најпогоднији ултразвучни екстрактор за вашу сировину која садржи пектин, капацитет процеса и производне циљеве.
Стони ултразвучни системи идеални су за испитивања изводљивости и оптимизацију процеса. Линеарно повећање размера на основу утврђених параметара процеса омогућава веома лако повећање капацитета обраде од мањих шаржи до потпуно комерцијалне производње. Повећање размера може се остварити уградњом снажнијег ултразвучног екстрактора или паралелним повезивањем више ултразвучних уређаја у групу. Са уређајем UIP16000, Hielscher нуди најснажнији ултразвучни екстрактор на свету.

Прецизно подесиве амплитуде за оптималне резултате

Сви ултразвучни уређаји Hielscher омогућавају прецизно управљање и стога су поуздани ослонци у производњи. Амплитуда је један од кључних параметара процеса који утичу на ефикасност и делотворност ултразвучне екстракције пектина из воћа и биоотпада.
Сви соникатори Hielscher омогућавају прецизно подешавање амплитуде. Сонотроде и појачивачи амплитуде представљају додатну опрему која омогућава промену амплитуде у још ширем опсегу. Индустријски ултразвучни процесори Hielscher могу да остваре веома високе амплитуде и обезбеде потребан интензитет ултразвука за захтевне примене. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7.
Прецизно подешавање амплитуде и стално праћење параметара ултразвучног процеса путем паметног софтвера омогућавају вам да обрађујете своју сировину у најделотворнијим ултразвучним условима. Оптимална соникација за најбоље резултате екстракције!
Робусност ултразвучне опреме компаније Hielscher омогућава рад 24/7 при великим оптерећењима и у захтевним окружењима. То чини ултразвучну опрему компаније Hielscher поузданим радним алатом који испуњава ваше захтеве за екстракцију.

Једноставно испитивање без ризика

Ултразвучни процеси могу се у потпуности линеарно преносити на веће размере. То значи да се сваки резултат који сте постигли помоћу лабораторијског или стоног ултразвучног уређаја може пренети на веће размере уз потпуно исти излазни резултат, користећи потпуно исте параметре процеса. То чини ултразвучну обраду идеалном за испитивање изводљивости без ризика, оптимизацију процеса и накнадно увођење у комерцијалну производњу. Контактирајте нас да бисте сазнали како соникација може повећати вашу производњу екстракта пектина.

Највиши квалитет – Пројектовано и произведено у Немачкој

Као предузеће у породичном власништву којим управља породица, Hielscher даје предност највишим стандардима квалитета својих ултразвучних процесора. Сви ултразвучни уређаји пројектују се, производе и темељно испитују у нашем седишту у Телтову, близу Берлина, у Немачкој. Робусност и поузданост ултразвучне опреме компаније Hielscher чине је поузданим ослонцем у вашој производњи. Рад 24/7 под пуним оптерећењем и у захтевним окружењима природна је одлика мешалица високих перформанси компаније Hielscher.