Högre pektinutbyten med ultraljud extraktion
Ultraljud extraktion resulterar i höga utbyten av pektiner av överlägsen kvalitet. Med hjälp av ultraljudsbehandling kan värdefulla pektiner effektivt produceras från fruktavfall (t.ex. biprodukter från juicebearbetning) och andra biologiska råvaror. Ultraljud pektin extraktion överträffar andra extraktionstekniker genom att producera högre utbyten, vilket ger överlägsen pektinkvalitet och en snabb extraktionsprocedur.
Intensifierad pektin extraktion genom ultraljudsbehandling
Pektin används som gelbildande, emulgerings- och förtjockningsmedel i många livsmedelsprodukter samt som ingrediens i kosmetika och läkemedel. Konventionell industriell pektinextraktion sker via varmvattenextraktion, där råvaran som citrusskal, äppelrester och annat fruktavfall blötläggs i 60–100 °C varmt vatten vid lågt pH (ca pH 1,5 – 3,5) under en lång tid. Detta gör konventionell varmvattenutvinning till en tids- och energikrävande process, som ofta inte ens är tillräckligt effektiv för att frigöra hela den mängd pektiner som finns tillgängliga i råvaran.
För att övervinna ineffektiviteten i den konventionella produktionsmetoden används ultraljudsextraktion som en processintensifierande teknik som minskar extraktionstiden och maximerar pektinutbytet avsevärt jämfört med den traditionella varmvattenextraktionen.
Fördelen med ultraljud pektin extraktion
Ultraljud extraktion används inom många områden av extraktproduktion, t.ex. botaniska och växtbaserade extrakt för livsmedel, kosttillskott, läkemedel och kosmetika. Ett mycket framträdande exempel på ultraljudsextraktion är extraktionen av cannabidiol (CBD) och andra föreningar från cannabisväxten.
Ultraljudsextraktion är en icke-termisk extraktionsteknik, som därmed förhindrar de bioaktiva föreningarna mot termisk nedbrytning. Alla ultraljudsprocessparametrar, såsom amplitud, intensitet, tid, temperatur och tryck, kan styras exakt. Detta möjliggör exakt process- och kvalitetskontroll och gör det enkelt att upprepa och reproducera när de väl har erhållits extraktionsresultat. Extrakt producenter värdesätter ultraljud för tillförlitlig process repeterbarhet, vilket hjälper till att standardisera processer och produkter.
- ultraljudsbehandling intensitet
- temperatur
- pH-värde
- Tid
- Partikelstorlek på råvaran
Ultraljudsutsutrustaren UIP4000hdT är en 4kW kraftfull utsug för industriell pektinproduktion.
Hitta protokollet för ultraljud pektin extraktion från grapefruktskal visas i videon ovan här!
Bestämningen av relevanta processparametrar gör det möjligt att optimera ultraljudsextraktionsprocessen till högsta effektivitet och överlägsen extraktkvalitet.
Till exempel är partikelstorleken på råmaterial (t.ex. citrusskal) en viktig faktor: En mindre partikelstorlek innebär en större yta för ultraljudsvågorna att verka på. En liten partikelstorlek resulterar därmed i högre pektinutbyte, en lägre grad av metylering och större andel rhamnogalacturonan-regioner.
pH-värdet för extraktionsmedlet (dvs. vatten + syra) är en annan viktig parameter. När pektin extraheras under sura förhållanden sönderdelas många rhamnogalakturonan grenade områden av polymeren, så att huvudsakligen homogalakturoniska "raka" regioner med några få neutrala sockermolekyler fästa på eller i den huvudsakliga linjära kedjan återstår.
Ultraljud pektin extraktion minskar extraktionstiden och sänker den nödvändiga processtemperaturen, vilket minskar risken för oönskad pektinmodifiering av syror. Detta gör det möjligt att använda syror under begränsade förhållanden för att modifiera pektiner exakt efter produktkraven.
Vad gör ultraljud pektin extraktion så effektiv?
Effekten av ultraljudsextraktion påverkar direkt svullnad, perforering och brott av cellväggar. Ultraljudsinducerad massöverföring orsakar hydratisering av pektinöst material i den mellersta lamellen, vilket leder till att vegetabiliska vävnader bryts upp. Ultraljudskavitation och skjuvkrafter påverkar direkt cellväggarna och bryter upp dem. Dessa mekanismer resulterar i de mycket effektiva resultaten av ultraljud extraktion.
Ultraljudsextraherat pektin (även akustiskt kavitationsassisterat extraherat pektin, förkortat ACAE) som hade lägre molekylvikt och grad av metoxylering var rikare i rhamnogalacturonan-I-regionen med långa sidokedjor jämfört med konventionellt värmeextraherat pektin från kemisk och FT-IR-analys. Energiförbrukningen för ulgtrasonic pektinextraktion var betydligt lägre än den konventionella uppvärmningsmetoden, vilket indikerar dess lovande tillämpning för 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 mindre kostnad jämfört med konventionell värmeextraktion.
SEM av restsockerbetsmassa vid 1000x förstoring: (a) före extraktion och efter extraktion av pektin med hjälp av (b) Xylanasae (250 E/g), (c) cellulas (300 E/g), (d) Xylanasae+cellulas (1:1), och (e) Xylanasae+cellulas (1:1.5), och (f) xylanasae+cellulas (1:2).
(studie och bilder: Abou-Elseoud et al., 2021)
Hur fungerar ultraljud pektin extraktion?
Ultraljudsextraktion är baserad på de sonomekaniska effekterna av högintensivt ultraljud. För att främja och intensifiera pektinextraktion via ultraljud kopplas ultraljudsvågor med hög effekt via en ultraljudssond (även kallad ultraljudshorn eller sonotrode) in i det flytande mediet, dvs uppslamningen som består av den pektinhaltiga råvaran och lösningsmedlet. Ultraljudsvågorna färdas genom vätskan och skapar omväxlande cykler med lågt tryck / högt tryck. Under lågtryckscykler skapas små vakuumbubblor (så kallade kavitationsbubblor) som växer över flera tryckcykler. Under dessa cykler av bubbeltillväxt kommer de upplösta gaserna i vätskan in i vakuumbubblan, så att vakuumbubblan 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 tryck som når upp till 4000K respektive 1000atm; samt motsvarande höga temperatur- och tryckskillnader. Dessa ultraljudsgenererade turbulenser och skjuvkrafter bryter ner växtceller och frigör de intracellulära pektinerna i det vattenbaserade lösningsmedlet. Eftersom ultraljud kavitation skapar mycket intensiv massöverföring, ultraljudsbehandling resulterar i exceptionellt höga utbyten inom en mycket kort bearbetningstid.
Ultraljudsextraktion från växtceller: den mikroskopiska tvärsnittet (TS) visar verkningsmekanismen under ultraljudsextraktion från celler (förstoring 2000x) [resurs: Vilkhu et al. 2011]
Batchutdragare med ultraljud UIP2000hdT med kaskadhorn
Pektiner extraherade från fruktavfall
Fruktavfall som skal, fruktmassarester (efter pressning av fruktjuice) och andra fruktbiprodukter är ofta rika pektinkällor. Medan fruktavfallsprodukter ofta används som djurfoder, är pektinextraktion en mer värdefull användning av fruktavfall.
Ultraljud pektinextraktion utförs redan framgångsrikt med citrusskal (som apelsiner, mandariner, grapefrukt), melonskal, äppelpressrester, sockerbetsmassa, mangoskal, tomatavfall, samt jackfrukt, passionsfrukt, fikonskal bland andra.
Fallstudier av ultraljud pektin extraktion
På grund av nackdelarna med konventionell pektinextraktion genom värme har forskning och industri redan undersökt innovativa alternativ som ultraljudsextraktion. Därmed finns det gott om information om processparametrar för olika råvaror samt processoptimeringsdata.
Ultraljud extraktion av pektin från äppelpressrester
Dranca och Oroian (2019) undersökte den ultraljudsassisterade extraktionsprocessen av pektin från äppelpressrester genom att tillämpa olika ultraljudsförhållanden och använda Box-Behnken-responsytdesign. De fann att ultraljudsamplituden starkt påverkar utbytet och graden av förestring av det extraherade pektinet, medan extraktionens pH hade stor inverkan på alla tre svaren, dvs. utbyte, GalA-halt och grad av förestring. De optimala förhållandena för extraktion var 100% amplitud, pH på 1,8, fast-vätskeförhållande på 1:10 g / ml och 30 min ultraljudsbehandling. Under dessa förhållanden var pektinutbytet 9,183 % och hade en GalA-halt på 98,127 g/100 g och en förestringsgrad på 83,202 %. För att ställa resultaten av ultraljudsextraherat pektin i relation till kommersiellt pektin, jämfördes pektinprov erhållet genom ultraljudsextraktion under optimala förhållanden med kommersiella citrus- och äppelpektinprover genom FT-IR, DSC, reologisk analys och SEM. De två första teknikerna belyste vissa särdrag hos pektinprovet som extraherats genom ultraljudsextraktion, såsom det smalare fördelningsområdet för molekylvikt, det ordnade molekylära arrangemanget och den höga graden av förestring som liknade den för kommersiellt tillgängliga äppelpektiner. Analysen av de morfologiska egenskaperna hos ultraljudserhållet prov indikerar ett bestämningsmönster mellan fördelningen av fragmentstorlekarna i detta prov och dess GalA-innehåll på ena sidan och vattenupptagningskapaciteten på andra sidan. Viskositeten hos ultraljudsextraherad pektinlösning var mycket högre än den för de lösningar som tillverkades med kommersiellt pektin, vilket kanske beror på den höga koncentrationen av galakturonsyra. Med tanke på den höga graden av förestring kan detta förklara varför viskositeten var högre för det ultraljudsextraherade pektinet. Forskarna drar slutsatsen att renheten, strukturen och det reologiska beteendet hos pektin som extraheras genom ultraljudsextraktion från Malus domestica 'Fălticeni' äppelrester indikerar lovande tillämpningar av denna lösliga fiber. (jfr Dranca & Oroian 2019)
- Högre avkastning
- Snabbare bearbetning
- Mildare bearbetningsförhållanden
- Förbättrad total effektivitet
- Enkel och säker drift
- Snabb ROI
Högpresterande ultraljudsutdrag för pektinproduktion
Ultraljudsextraktion är en pålitlig bearbetningsteknik som underlättar och påskyndar produktionen av högkvalitativa pektiner, olika råvaror som biprodukter och skal från citrusfrukter, äppelrester och många andra. Hielscher Ultrasonics portfölj täcker hela sortimentet från kompakta labb ultraljudsapparater till industriella extraktionssystem. Därmed kan vi på Hielscher erbjuda dig den mest lämpliga ultraljudsapparaten för din tänkta processkapacitet. Vår erfarna personal hjälper dig från genomförbarhetstester och processoptimering till installation av ditt ultraljudssystem på slutproduktionsnivå.
Det lilla fotavtrycket hos våra ultraljudsutsug samt deras mångsidighet i installationsalternativ gör att de passar även in i små utrymmen för pektinbearbetningsanläggningar. Ultraljudsprocessorer installeras över hela världen i produktionsanläggningar för livsmedel, läkemedel och kosttillskott.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
| Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
|---|---|---|
| 1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
| N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Hielscher Ultrasonics – Sofistikerad utsugningsutrustning
Hielscher Ultrasonics produktportfölj täcker hela utbudet av högpresterande ultraljudsutsug från liten till stor skala. Ytterligare tillbehör gör det enkelt att montera den mest lämpliga ultraljudsenhetskonfigurationen för din pektinextraktionsprocess. Den optimala ultraljudsinställningen beror på den tänkta kapaciteten, volymen, råmaterialet, batch- eller inline-processen och tidslinjen.
batch och infogade
Hielscher ultraljudsapparater kan användas för batchvis och kontinuerlig genomströmningsbehandling. Ultraljudsbatchbearbetning är idealisk för processtestning, optimering och liten till medelstor produktionsnivå. För en producent av stora volymer pektin kan inline-bearbetning vara mer fördelaktigt. En kontinuerlig inline-blandningsprocess kräver sofistikerad installation – bestående av en pump, slangar eller rör och tankar -, men det är mycket effektivt, snabbt och kräver betydligt mindre arbete. Hielscher Ultrasonics har den mest lämpliga extraktionsinställningen för din extraktionsvolym och processmål.
Ultraljudsutsug för alla produktkapaciteter
Hielscher Ultrasonics produktsortiment täcker hela spektrumet av ultraljudsprocessorer från kompakta labb ultraljudsapparater över bänk-top och pilotsystem till fullt industriella ultraljudsprocessorer med kapacitet att bearbeta lastbilslaster per timme. Det kompletta produktsortimentet gör att vi kan erbjuda dig den mest lämpliga ultraljudsutsuklaren för ditt pektinhaltiga råmaterial, processkapacitet och produktionsmål.
Bänksystem med ultraljud är idealiska för genomförbarhetstester och processoptimering. Linjär uppskalning baserat på etablerade processparametrar gör det mycket enkelt att öka processkapaciteten från mindre partier till fullt kommersiell produktion. Uppskalning kan göras genom att antingen installera en kraftfullare ultraljudsutsugsenhet eller klustra flera ultraljudsapparater parallellt. Med UIP16000 erbjuder Hielscher den mest kraftfulla ultraljudsutsutrustaren i världen.
Exakt kontrollerbara amplituder för optimala resultat
Alla Hielscher ultraljudsapparater är exakt kontrollerbara och därmed pålitliga arbetshästar i produktionen. Amplituden är en av de avgörande processparametrarna som påverkar effektiviteten och effektiviteten av ultraljud extraktion av pektin från frukt och bioavfall.
Alla Hielscher sonikatorer möjliggör exakt inställning av amplituden. Sonotrodes och boosterhorn är tillbehör som gör det möjligt att modifiera amplituden i ett ännu bredare intervall. Hielscher industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och leverera den ultraljudsintensitet som krävs för krävande applikationer. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift.
Exakta amplitudinställningar och permanent övervakning av ultraljudsprocessparametrarna via smart programvara ger dig möjlighet att behandla ditt råmaterial med de mest effektiva ultraljudsförhållandena. Optimal ultraljudsbehandling för bästa extraktionsresultat!
Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer. Detta gör Hielschers ultraljudsutrustning till ett pålitligt arbetsredskap som uppfyller dina extraktionskrav.
Enkel, riskfri testning
Ultraljudsprocesser kan vara helt linjärt skalade. Detta innebär att varje resultat som du har uppnått med hjälp av ett laboratorium eller bänkskiva ultraljud, kan skalas till exakt samma utdata med exakt samma processparametrar. Detta gör ultraljud idealisk för riskfri genomförbarhetstestning, processoptimering och efterföljande implementering i kommersiell tillverkning. Kontakta oss för att lära dig hur ultraljudsbehandling kan öka din produktion av pektinextrakt.
Högsta kvalitet – Designad och tillverkad i Tyskland
Som ett familjeägt och familjeägt företag prioriterar Hielscher högsta kvalitetsstandarder för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater är utformade, tillverkade och grundligt testade i vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin, Tyskland. Robustheten och tillförlitligheten hos Hielschers ultraljudsutrustning gör den till en arbetshäst i din produktion. 24/7 drift under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande blandare.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandningsapplikationer, dispersion, emulgering och extraktion i labb-, pilot- och industriell skala.
Om pektiner
Pektin är en grenad heteropolysackarid som består av långkedjiga galakturonsegment och andra neutrala sockerarter såsom ramnos, arabinos, galaktos och xylos. För att vara mer specifik är pektin ett block av sampolymer som består av 1,4-α-bunden galakturonsyra och 1,2-bunden rhamnos med sidogrenar av β-D-galaktos, L-arabinos och andra sockerenheter. Eftersom pektin innehåller flera sockerdelar och olika nivåer av metylförestring, har pektin inte en definierad molekylvikt som andra polysackarider. Pektin, som är specificerat för användning i livsmedel, definieras som en heteropolysackarid som innehåller minst 65 % galakturonsyraenheter. Genom att tillämpa specifika extraktionsförhållanden kan pektiner framgångsrikt modifieras och funktionaliseras för att uppfylla specifika krav. Produktion av funktionaliserade och modifierade pektiner är av intresse för speciella tillämpningar, t.ex. lågmetoxylerat pektin för läkemedel.
Hur separeras pektin från extraktlösningen?
Pektinutfällning efter ultraljudsextraktion: Att tillsätta etanol till en extraktlösning kan hjälpa till att separera pektin genom en process som kallas utfällning. Pektin, en komplex polysackarid som finns i växternas cellväggar, är löslig i vatten under normala förhållanden. Men genom att förändra lösningsmedelsmiljön med tillsats av etanol kan lösligheten av pektin minskas, vilket leder till att det fälls ut från lösningen.
Nedan förklarar vi kemin bakom pektinutfällning med hjälp av etanol:
- Störning av vätebindningar: Pektinmolekyler hålls samman av vätebindningar, som bidrar till deras löslighet i vatten. Etanol stör dessa vätebindningar genom att konkurrera med vattenmolekyler om bindningsställen på pektinmolekylerna. När etanolmolekyler ersätter vattenmolekyler runt pektinmolekylerna försvagas vätebindningarna mellan pektinmolekylerna, vilket minskar deras löslighet i lösningsmedlet.
- Minskad lösningsmedelspolaritet: Etanol är mindre polärt än vatten, vilket innebär att det har en lägre förmåga att lösa upp polära ämnen som pektin. När etanol tillsätts till extraktionslösningen minskar lösningsmedlets totala polaritet, vilket gör det mindre gynnsamt för pektinmolekyler att förbli i lösning. Detta leder till utfällning av pektin ur lösningen eftersom det blir mindre lösligt i etanol-vattenblandningen.
- Ökad pektinkoncentration: När pektinmolekyler fälls ut ur lösningen ökar koncentrationen av pektin i den återstående lösningen. Detta gör det lättare att separera pektinet från vätskefasen genom filtrering eller centrifugering.
Litteratur / Referenser
- 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.