Högre pektinutbyten med ultraljudsextraktion

Ultraljudsextraktion ger höga utbyten av pektiner av överlägsen kvalitet. Med ultraljudsbehandling kan värdefulla pektiner effektivt framställas ur fruktavfall (t.ex. biprodukter från juiceproduktion) och andra biologiska råvaror. Ultraljudsextraktion av pektin överträffar andra extraktionstekniker genom att ge högre utbyten, överlägsen pektinkvalitet och ett snabbt extraktionsförfarande.

Intensifierad pektinextraktion genom ultraljudsbehandling

Pektin används som geleringsmedel, emulgeringsmedel och förtjockningsmedel i många livsmedelsprodukter samt som ingrediens i kosmetika och läkemedel. Konventionell industriell pektinextraktion utförs genom hetvattenextraktion, där råvaran, såsom citrusskal, äppelpressrester och annat fruktavfall, blötläggs i 60–100°C varmt vatten vid lågt pH (cirka pH 1,5 – 3,5) under lång tid. Detta gör konventionell hetvattenextraktion till en tids- och energikrävande process som ofta inte ens är tillräckligt effektiv för att frigöra hela den mängd pektiner som finns i råvaran.
För att övervinna ineffektiviteten hos den konventionella produktionsmetoden används ultraljudsextraktion som en processintensifierande teknik som minskar extraktionstiden och maximerar pektinutbytet avsevärt jämfört med traditionell hetvattenextraktion.

Fördelen med ultraljudsextraktion av pektin

Ultraljudsextraktion används inom många områden av extraktframställning, t.ex. för växt- och örtextrakt till livsmedel, kosttillskott, läkemedel och kosmetika. Ett mycket framträdande exempel på ultraljudsextraktion är extraktion av cannabidiol (CBD) och andra föreningar ur cannabisplantan.
Ultraljudsextraktion är en icke-termisk extraktionsteknik som därmed skyddar de bioaktiva föreningarna mot termisk nedbrytning. Alla processparametrar för ultraljudsbehandlingen, såsom amplitud, intensitet, tid, temperatur och tryck, kan styras exakt. Detta möjliggör precis process- och kvalitetskontroll och gör det enkelt att upprepa och reproducera tidigare uppnådda extraktionsresultat. Extraktproducenter uppskattar ultraljudsbehandling för processens tillförlitliga repeterbarhet, som hjälper till att standardisera processer och produkter.

 
Här hittar du protokollet för den ultraljudsextraktion av pektin ur grapefruktskal som visas i videon ovan!
 

Genom att fastställa relevanta processparametrar kan ultraljudsextraktionsprocessen optimeras för högsta effektivitet och överlägsen extraktkvalitet.
Till exempel är råvarans partikelstorlek (t.ex. citrusskal) en viktig faktor: En mindre partikelstorlek innebär en större yta för ultraljudsvågorna att verka på. En liten partikelstorlek ger därmed högre pektinutbyten, en lägre metyleringsgrad och en större andel rhamnogalakturonanregioner.
Extraktionslösningsmedlets pH-värde (dvs. vatten + syra) är en annan väsentlig parameter. När pektin extraheras under sura förhållanden bryts många förgrenade rhamnogalakturonanregioner i polymeren ned, så att huvudsakligen ”raka” homogalakturonanregioner med ett fåtal neutrala sockermolekyler bundna till eller inbyggda i den linjära huvudkedjan återstår.
Ultraljudsextraktion av pektin minskar extraktionstiden och sänker den erforderliga processtemperaturen, vilket minskar risken för oönskad modifiering av pektin genom syror. Detta gör det möjligt att använda syror under begränsade betingelser för att modifiera pektiner så att de exakt motsvarar produktkraven.

Vad gör ultraljudsextraktion av pektin så effektiv?

Ultraljudsextraktion påverkar direkt cellväggarnas svällning, perforering och sönderbrytning. Ultraljudsinducerad massöverföring orsakar hydratisering av pektinhaltigt material i mittlamellen, vilket leder till att växtvävnader bryts sönder. Ultraljudskavitation och skjuvkrafter påverkar cellväggarna direkt och bryter upp dem. Dessa mekanismer ger ultraljudsextraktionens mycket effektiva resultat.

Kemisk analys och FT-IR-analys visade att ultraljudsextraherat pektin (även kallat pektin extraherat med hjälp av akustisk kavitation, förkortat ACAE), som hade lägre molekylvikt och metoxyleringsgrad, var rikare på ramnogalakturonan-I-regioner med långa sidokedjor jämfört med konventionellt värmeextraherat pektin. Energiförbrukningen för ultraljudsextraktion av pektin var betydligt lägre än för den konventionella uppvärmningsmetoden, vilket tyder på lovande möjligheter att tillämpa metoden i industriell produktionsskala.
(jfr Wang et al., 2017)
Wang och hans kollegor (2017) understryker också att ultraljudsassisterad extraktion har visat sig vara en mer ekonomisk och miljövänlig process med högre effektivitet och lägre kostnader jämfört med konventionell extraktion med uppvärmning.
 

SEM av kvarvarande sockerbetsmassa vid 1000x förstoring: (a) före extraktion och efter extraktion av pektin med (b) Xylanasae (250 U/g), (c) cellulas (300 U/g), (d) Xylanasae+cellulas (1:1), (e) Xylanasae+cellulas (1:1,5) och (f) Xylanasae+cellulas (1:2).
(studie och bilder: Abou-Elseoud et al., 2021)

Hur fungerar ultraljudsextraktion av pektin?

Ultraljudsextraktion bygger på de sonomekaniska effekterna av högintensivt ultraljud. För att främja och intensifiera pektinextraktion med ultraljud kopplas ultraljudsvågor med hög effekt in i det flytande mediet via en ultraljudssond (även kallad ultraljudshorn eller sonotrod), det vill säga i den slurry som består av den pektinhaltiga råvaran och lösningsmedlet. Ultraljudsvågorna färdas genom vätskan och skapar omväxlande lågtrycks- och högtryckscykler. Under lågtryckscyklerna bildas mycket små vakuumbubblor (så kallade kavitationsbubblor), som växer under flera tryckcykler. Under dessa cykler av bubbeltillväxt tränger de lösta gaserna i vätskan in i vakuumbubblorna, så att dessa omvandlas till växande gasbubblor. Vid en viss storlek, när bubblorna inte kan absorbera mer energi, imploderar de våldsamt under en högtryckscykel. Bubbelimplosionen kännetecknas av intensiva kavitationskrafter, inklusive mycket hög temperatur och mycket högt tryck som når upp till 4000K respektive 1000atm, samt motsvarande stora temperatur- och tryckskillnader. Denna ultraljudsgenererade turbulens och dessa skjuvkrafter bryter upp växtceller och frigör de intracellulära pektinerna i det vattenbaserade lösningsmedlet. Eftersom ultraljudskavitation skapar mycket intensiv massöverföring ger ultraljudsbehandling exceptionellt höga utbyten inom en mycket kort bearbetningstid.
Ultraljudsbehandling används inte bara för pektinextraktion, utan även för isolering av polyfenoler från fruktpressrester, fruktkött, skal och frön. Läs mer här!

Ultraljudsextraktion från växtceller: det mikroskopiska tvärsnittet (TS) visar verkningsmekanismerna vid ultraljudsextraktion från celler (förstoring 2000x) [källa: Vilkhu et al. 2011]

Pektiner extraherade från fruktavfall

Fruktavfall som skal, rester av fruktkött (efter pressning av fruktjuice) och andra fruktbiprodukter är ofta rika källor till pektin. Fruktavfall används ofta som djurfoder, men pektinextraktion är ett mer värdefullt sätt att använda fruktavfall.
Ultraljudsextraktion av pektin utförs redan framgångsrikt med citrusskal (såsom skal från apelsiner, mandariner och grapefrukt), melonskal, äppelpressrester, sockerbetsmassa, mangoskal, tomatavfall samt bland annat jackfrukt, passionsfrukt och fikonskal.

Fallstudier av ultraljudsextraktion av pektin

På grund av nackdelarna med konventionell pektinextraktion med värme har forskningen och industrin redan undersökt innovativa alternativ som ultraljudsextraktion. Därför finns det gott om information om processparametrar för olika råmaterial samt data för processoptimering.

Ultraljudsextraktion av pektin ur äppelpressrester

Dranca och Oroian (2019) undersökte ultraljudsassisterad extraktion av pektin ur äppelpressrester under olika ultraljudsbetingelser och med en Box-Behnken-försöksplan för responsytemetodik. De fann att ultraljudsamplituden har stor inverkan på utbytet och förestringsgraden hos det extraherade pektinet, medan pH-värdet vid extraktionen hade stor inverkan på samtliga tre responsvariabler, dvs. utbyte, GalA-halt och förestringsgrad. De optimala extraktionsbetingelserna var 100% amplitud, ett pH-värde på 1,8, ett förhållande mellan fast material och vätska på 1:10 g/mL samt 30 min ultraljudsbehandling. Under dessa betingelser var pektinutbytet 9,183%, och pektinet hade en GalA-halt på 98,127 g/100 g och en förestringsgrad på 83,202%. För att sätta resultaten för ultraljudsextraherat pektin i relation till kommersiellt pektin jämfördes pektinprover som erhållits genom ultraljudsextraktion under optimala betingelser med kommersiella citrus- och äppelpektinprover med hjälp av FT-IR, DSC, reologisk analys och SEM. De två första teknikerna belyste vissa särdrag hos det ultraljudsextraherade pektinprovet, såsom den snävare molekylviktsfördelningen, det ordnade molekylarrangemanget och den höga förestringsgraden, som liknade den hos kommersiellt tillgängliga äppelpektiner. Analysen av de morfologiska egenskaperna hos det ultraljudsextraherade provet tyder på ett sambandsmönster mellan provets fragmentstorleksfördelning och dess GalA-halt å ena sidan och vattenupptagningsförmågan å den andra. Viskositeten hos den ultraljudsextraherade pektinlösningen var mycket högre än hos lösningarna som framställts med kommersiellt pektin, vilket kan bero på den höga koncentrationen av galakturonsyra. Om man även beaktar den höga förestringsgraden kan detta förklara varför viskositeten var högre för det ultraljudsextraherade pektinet. Forskarna drar slutsatsen att renheten, strukturen och det reologiska beteendet hos pektin som ultraljudsextraherats ur äppelpressrester från Malus domestica ’Fălticeni’ tyder på lovande tillämpningar för denna lösliga fiber. (jfr Dranca & Oroian 2019)

Högpresterande ultraljudsextraktor för pektinproduktion

Ultraljudsextraktion är en tillförlitlig processteknik som underlättar och påskyndar produktionen av högkvalitativa pektiner ur olika råmaterial, såsom biprodukter och skal från citrusfrukter, äppelpressrester och många andra. Hielscher Ultrasonics sortiment omfattar hela spannet från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier till industriella extraktionssystem. Därmed kan vi på Hielscher erbjuda dig den ultraljudsapparat som är bäst lämpad för din planerade processkapacitet. Vår personal med mångårig erfarenhet hjälper dig hela vägen från genomförbarhetstester och processoptimering till installation av ditt ultraljudssystem i den slutliga produktionsskalan.
Våra ultraljudsextraktorers lilla ytbehov och mångsidiga installationsmöjligheter gör att de passar även i pektinproduktionsanläggningar med begränsat utrymme. Ultraljudsprocessorer är installerade världen över i anläggningar för tillverkning av livsmedel, läkemedel och kosttillskott.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Hielscher Ultrasonics – Avancerad extraktionsutrustning

Hielscher Ultrasonics produktportfölj täcker hela utbudet av högpresterande ultraljudsextraktorer från liten till stor skala. Ytterligare tillbehör gör det enkelt att sätta samman den lämpligaste konfigurationen av ultraljudsutrustning för din pektinextraktionsprocess. Den optimala ultraljudsuppställningen beror på den planerade kapaciteten, volymen, råmaterialet, om processen sker satsvis eller inline samt tidsplanen.

Satsvis och inline

Hielschers ultraljudsapparater kan användas för satsvis behandling och kontinuerlig genomflödesbehandling. Satsvis ultraljudsbehandling är idealisk för processtester, optimering och produktion i liten till medelstor skala. Vid produktion av stora volymer pektin kan inlinebehandling vara mer fördelaktig. En kontinuerlig blandningsprocess inline kräver en avancerad uppställning – bestående av en pump, slangar eller rör och tankar – men är mycket effektiv, snabb och kräver betydligt mindre arbetsinsats. Hielscher Ultrasonics har den lämpligaste extraktionsuppställningen för din extraktionsvolym och dina processmål.

Ultraljudsextraktorer för varje produktionskapacitet

Hielscher Ultrasonics produktsortiment täcker hela spektrumet av ultraljudsprocessorer, från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier via bänksystem och pilotsystem till helt industriella ultraljudsprocessorer med kapacitet att bearbeta lastbilslaster per timme. Det kompletta produktsortimentet gör att vi kan erbjuda dig den lämpligaste ultraljudsextraktorn för ditt pektinhaltiga råmaterial, din processkapacitet och dina produktionsmål.
Ultraljudssystem i bänkformat är idealiska för genomförbarhetstester och processoptimering. Linjär uppskalning baserad på fastställda processparametrar gör det mycket enkelt att öka bearbetningskapaciteten från mindre satser till full kommersiell produktion. Uppskalning kan göras antingen genom att installera en kraftfullare ultraljudsextraktor eller genom att koppla samman flera ultraljudsapparater parallellt. Med UIP16000 erbjuder Hielscher världens kraftfullaste ultraljudsextraktor.

Exakt reglerbara amplituder för optimala resultat

Alla Hielschers ultraljudsapparater kan regleras exakt och är därmed pålitliga arbetshästar i produktionen. Amplituden är en av de avgörande processparametrar som påverkar effektiviteten och verkan vid ultraljudsextraktion av pektin från frukt och biologiskt avfall.
Alla Hielschers sonikatorer möjliggör exakt inställning av amplituden. Sonotroder och förstärkarhorn är tillbehör som gör det möjligt att ändra amplituden inom ett ännu större intervall. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och den ultraljudsintensitet som krävs för krävande tillämpningar. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan.
Exakta amplitudinställningar och ständig övervakning av ultraljudsprocessens parametrar via intelligent programvara ger dig möjlighet att behandla ditt råmaterial under de effektivaste ultraljudsbetingelserna. Optimal sonikering för bästa extraktionsresultat!
Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, alla dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer. Detta gör Hielschers ultraljudsutrustning till ett pålitligt arbetsredskap som uppfyller dina extraktionskrav.

Enkla, riskfria tester

Ultraljudsprocesser kan skalas upp helt linjärt. Det innebär att varje resultat som du har uppnått med en ultraljudsapparat för laboratoriebruk eller i bänkformat kan skalas upp till exakt samma resultat med exakt samma processparametrar. Detta gör ultraljudsbehandling idealisk för riskfria genomförbarhetstester, processoptimering och efterföljande implementering i kommersiell tillverkning. Kontakta oss för att få veta hur sonikering kan öka din produktion av pektinextrakt.

Högsta kvalitet – Konstruerad och tillverkad i Tyskland

Som familjeägt och familjedrivet företag prioriterar Hielscher de högsta kvalitetsstandarderna för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater konstrueras, tillverkas och testas grundligt vid vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin i Tyskland. Robustheten och tillförlitligheten hos Hielschers ultraljudsutrustning gör den till en arbetshäst i din produktion. Drift dygnet runt, alla dagar i veckan, under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande blandare.