Вищий вихід пектину завдяки ультразвуковій екстракції
Ультразвукова екстракція призводить до високих виходів пектинів вищої якості. За допомогою ультразвуку можна ефективно виробляти цінні пектини з фруктових відходів (наприклад, побічних продуктів переробки соку) та іншої біологічної сировини. Ультразвукова екстракція пектину перевершує інші методи екстракції, забезпечуючи вищий вихід, забезпечуючи чудову якість пектину та швидку процедуру екстракції.
Інтенсифікована екстракція пектину методом ультразвукового дослідження
Пектин використовується як гелеутворюючий, емульгуючий і загусник у багатьох харчових продуктах, а також як інгредієнт у косметиці та фармацевтиці. Звичайна промислова екстракція пектину здійснюється шляхом екстракції гарячою водою, коли сировину, таку як шкірка цитрусових, яблучні вичавки та інші фруктові відходи, замочують у гарячій воді при температурі 60–100°C при низькому pH (приблизно pH 1,5–3,5) протягом тривалого періоду часу. Це перетворює звичайний видобуток гарячої води на трудомісткий та енерговитратний процес, який часто навіть недостатньо ефективний, щоб вивільнити повну кількість пектинів, наявних у сировині.
Щоб подолати неефективність традиційного методу виробництва, ультразвукова екстракція застосовується як метод інтенсифікації процесу, який скорочує час екстракції та значно максимізує вихід пектину порівняно з традиційною екстракцією гарячою водою.
Перевага ультразвукової екстракції пектином
Ультразвукова екстракція застосовується в багатьох сферах виробництва екстрактів, наприклад, рослинних і рослинних екстрактів для харчових продуктів, добавок, фармацевтичних препаратів і косметики. Дуже яскравим прикладом ультразвукової екстракції є екстракція канабідіолу (КБД) та інших сполук з рослини канабісу.
Ультразвукова екстракція – це метод нетермічної екстракції, який запобігає тим самим отриманню біологічно активних сполук від термічної деградації. Всі параметри ультразвукового процесу, такі як амплітуда, інтенсивність, час, температура і тиск, можна точно контролювати. Це дозволяє здійснювати точний контроль процесу та якості, а також дозволяє легко повторювати та відтворювати отримані результати екстракції. Виробники екстрактів цінують ультразвук за надійну повторюваність процесу, що допомагає стандартизувати процеси та продукти.
- інтенсивність ультразвукового випромінювання
- температура
- Значення рН
- Час
- Розмір частинок сировини
Екстрактор ультразвуковий UIP4000HDT – це потужний екстрактор потужністю 4 кВт для промислового виробництва пектину.
Визначення відповідних параметрів процесу дозволяє оптимізувати процес ультразвукової екстракції з максимальною ефективністю та чудовою якістю екстракту.
Наприклад, розмір частинок сировини (наприклад, шкірки цитрусових) є важливим фактором: менший розмір частинок означає більшу площу поверхні для впливу ультразвукових хвиль. Тим самим малий розмір частинок призводить до більш високих виходів пектину, більш низького ступеня метилювання і більшого співвідношення рамногалактуронових областей.
Значення рН розчинника для екстракції (тобто вода + кислота) є ще одним важливим параметром. Коли пектин екстрагується в кислих умовах, багато рамногалактуронових розгалужених областей полімеру розкладаються, так що залишаються в основному гомогалактуронові «прямі» області з кількома нейтральними молекулами цукру, приєднаними на головному лінійному ланцюгу або в ньому.
Ультразвукова екстракція пектину скорочує час екстракції та знижує необхідну температуру процесу, що зменшує ймовірність небажаної модифікації пектину кислотами. Це дозволяє використовувати кислоти в обмежених умовах з метою точної модифікації пектинів до вимог продукції.
Що робить ультразвукову екстракцію пектину такою ефективною?
Вплив ультразвукової екстракції безпосередньо впливає на набряк, перфорацію і розрив клітинних стінок. Ультразвуково індуковане масоперенесення викликає гідратацію пектинового матеріалу в середній ламелі, що призводить до розпаду рослинних тканин. Ультразвукова кавітація і зсувні сили безпосередньо впливають на клітинні стінки і розривають їх. Ці механізми призводять до високоефективних результатів ультразвукової екстракції.
Екстрагований ультразвуком пектин (також екстрагований пектин за допомогою акустичної кавітації, abbrev. ACAE), який мав нижчу молекулярну масу та ступінь метоксилювання, був багатшим на рамногалактуронан-I область з довгими бічними ланцюгами порівняно зі звичайним пектином, екстрагованим термічним способом за результатами хімічного та FT-IR аналізу. Енерговитрати на екстракцію пектину ulgtrasonic були значно нижчими, ніж при звичайному методі нагрівання, що вказує на його перспективність застосування в промислових масштабах виробництва.
(пор. Wang et al., 2017)
Ван та його колеги (2017) також підкреслюють, що доведено, що екстракція за допомогою ультразвуку є більш економічним та екологічним процесом з вищою ефективністю та меншими витратами порівняно зі звичайним нагріванням.
СЕМ залишкового жому цукрових буряків при 1000-кратному збільшенні: (а) до екстракції та після екстракції пектину за допомогою (б) ксиланази (250 Од/г), (в) целюлази (300 ОД/г), (г) ксиланази + целюлази (1:1) та (д) ксиланази + целюлази (1:1,5) та (е) ксиланази + целюлази (1:2).
(дослідження та зображення: Abou-Elseoud et al., 2021)
Як відбувається ультразвукова екстракція пектину?
Ультразвукова екстракція заснована на сономеханічному впливі ультразвуку високої інтенсивності. Щоб стимулювати та інтенсифікувати екстракцію пектину за допомогою ультразвуку, ультразвукові хвилі високої потужності з'єднуються за допомогою ультразвукового зонда (також званого ультразвуковим ріжком або сонотродом) у рідке середовище, тобто суспензію, що складається з пектиновмісної сировини та розчинника. Ультразвукові хвилі проходять через рідину і створюють чергування циклів низького / високого тиску. Під час циклів низького тиску утворюються дрібні вакуумні бульбашки (так звані кавітаційні бульбашки), які ростуть протягом декількох циклів тиску. Під час цих циклів росту бульбашок розчинені гази в рідині потрапляють у вакуумну бульбашку, завдяки чому вакуумна бульбашка перетворюється на зростаючі бульбашки газу. При певному розмірі, коли бульбашки не можуть поглинути більше енергії, вони сильно вибухають під час циклу високого тиску. Імплозія бульбашки характеризується інтенсивними кавітаційними силами, включаючи дуже високу температуру і тиск, що досягає відповідно 4000К і 1000 атм; а також відповідні перепади високих температур і тиску. Ці турбулентності, що генеруються ультразвуком, і зсувні сили розривають рослинні клітини і вивільняють внутрішньоклітинні пектини в розчинник на водній основі. Оскільки ультразвукова кавітація створює високоінтенсивний масообмін, ультразвукове дослідження призводить до надзвичайно високих виходів за дуже короткий час обробки.
Ультразвукова екстракція з рослинних клітин: мікроскопічний поперечний розріз (ТС) показує механізм дії під час ультразвукової екстракції з клітин (збільшення 2000x) [джерело: Vilkhu et al. 2011]
Ультразвуковий екстрактор періодичної дії UIP2000HDT з каскатродним ріжком
Пектини, що видобуваються з фруктових відходів
Фруктові відходи, такі як шкірка, залишки фруктової м'якоті (після віджиму фруктового соку) та інші побічні продукти фруктів часто є багатими джерелами пектину. У той час як продукти фруктових відходів часто використовуються як корм для тварин, екстракція пектину є більш цінним використанням фруктових відходів.
Ультразвукова екстракція пектину вже успішно проводиться з шкіркою цитрусових (таких як апельсини, мандарини, грейпфрут), шкіркою дині, яблучними вичавками, м'якоттю цукрових буряків, шкіркою манго, томатними відходами, а також шкіркою джекфрута, маракуї, шкірки інжиру та ін.
Приклади ультразвукової екстракції пектину
У зв'язку з недоліками звичайної екстракції пектину шляхом нагрівання, дослідники та промисловість вже досліджували інноваційні альтернативи, такі як ультразвукова екстракція. Таким чином, існує велика кількість інформації про параметри процесу для різних видів сировини, а також дані про оптимізацію процесів.
Ультразвукова екстракція пектину з яблучних вичавок
Дранка та Ороян (2019) досліджували процес екстракції пектину з яблучних вичавок за допомогою ультразвуку, застосовуючи різні ультразвукові умови та використовуючи дизайн поверхні реагування Box-Behnken. Вони виявили, що амплітуда ультразвуку сильно впливає на вихід і ступінь етерифікації екстрагованого пектину, в той час як рН екстракції має великий вплив на всі три реакції, тобто на вихід, вміст GalA і ступінь етерифікації. Оптимальними умовами для екстракції були 100% амплітуда, рН 1,8, співвідношення тверда речовина до рідини 1:10 г/мл та 30 хв ультразвукового дослідження. За цих умов вихід пектину становив 9,183 % і мав вміст 98,127 г/100 г GalA та ступінь етерифікації 83,202 %. Щоб встановити результати ультразвукової екстракції пектину у співвідношення з комерційним пектином, зразок пектину, отриманий шляхом ультразвукової екстракції в оптимальних умовах, порівнювали з комерційними зразками цитрусових та яблучних пектинів за допомогою FT-IR, DSC, реологічного аналізу та SEM. Перші два методи підкреслили деякі особливості зразка пектину, екстрагованого ультразвуковою екстракцією, такі як вужчий діапазон розподілу молекулярної маси, впорядковане розташування молекул і високий ступінь етерифікації, подібний до ступеня комерційно доступних яблучних пектинів. Аналіз морфологічних характеристик зразка, отриманого ультразвуковим шляхом, вказує на закономірність визначення між розподілом розмірів фрагментів цього зразка і вмістом в ньому GalA з одного боку і водопоглинаючою здатністю з іншого боку. В'язкість ультразвуково екстрагованого розчину пектину була набагато вищою, ніж у розчинів, виготовлених з використанням покупного пектину, що, можливо, пов'язано з високою концентрацією галактуронової кислоти. Якщо також врахувати високий ступінь етерифікації, це може пояснити, чому в'язкість була вищою для пектину, екстрагованого ультразвуковим шляхом. Дослідники дійшли висновку, що чистота, структура та реологічна поведінка пектину, отриманого ультразвуковою екстракцією з яблучних вичавок Malus domestica 'Fălticeni', вказує на перспективне застосування цієї розчинної клітковини. (пор. Дранка & Oroian 2019)
- вищі врожаї,
- Швидша обробка
- м'якші умови обробки,
- Підвищена загальна ефективність
- Проста і безпечна експлуатація
- Швидка рентабельність інвестицій
Високопродуктивний ультразвуковий екстрактор для виробництва пектину
Ультразвукова екстракція – це надійна технологія обробки, яка полегшує та прискорює виробництво високоякісних пектинів різної сировини, такої як субпродукти та шкірка цитрусових фруктів, яблучні вичавки та багато інших. Портфоліо Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр від компактних лабораторних ультразвукових приладів до промислових екстракційних систем. Таким чином, ми в Hielscher можемо запропонувати вам найбільш підходящий ультразвуковий апарат для вашої передбачуваної потужності процесу. Наш досвідчений персонал допоможе вам від техніко-економічних випробувань та оптимізації процесу до встановлення вашої ультразвукової системи на кінцевому рівні виробництва.
Невелика площа наших ультразвукових екстракторів, а також універсальність у варіантах встановлення дозволяють їм входити навіть у невеликі приміщення з переробки пектину. Ультразвукові процесори встановлюються по всьому світу на підприємствах з виробництва харчових продуктів, фармацевтики та харчових добавок.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Hielscher Ultrasonics – Складне екстракційне обладнання
Портфель продукції Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр високопродуктивних ультразвукових екстракторів від малих до великих масштабів. Додаткові аксесуари дозволяють легко зібрати найбільш підходящу конфігурацію ультразвукового пристрою для вашого процесу екстракції пектину. Оптимальна ультразвукова установка залежить від передбачуваної потужності, обсягу, сировини, партії або вбудованого процесу та термінів.
Пакетні та вбудовані
Ультразвукові апарати Hielscher можуть використовуватися для періодичної та безперервної проточної обробки. Ультразвукова пакетна обробка ідеально підходить для тестування процесів, оптимізації та рівня виробництва малого та середнього розміру. Для виробництва великих обсягів пектину більш вигідною може бути вбудована обробка. Безперервний процес змішування в лінію вимагає складного налаштування – що складається з насоса, шлангів або труб і резервуарів -, але він високоефективний, швидкий і вимагає значно менших трудовитрат. Hielscher Ultrasonics має найбільш підходящу установку екстракції для вашого обсягу екстракції та цілей процесу.
Ультразвукові екстрактори для будь-якої ємності продукту
Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр ультразвукових процесорів, від компактних лабораторних ультразвукових пристроїв для настільних і пілотних систем до повністю промислових ультразвукових процесорів з продуктивністю обробки вантажівок на годину. Повний асортимент продукції дозволяє нам запропонувати вам найбільш підходящий ультразвуковий екстрактор для вашої сировини, що містить пектин, технологічних потужностей і цілей виробництва.
Ультразвукові настільні системи ідеально підходять для техніко-економічних випробувань та оптимізації процесів. Лінійне масштабування на основі встановлених параметрів процесу дозволяє дуже легко збільшувати потужності з переробки від невеликих партій до повністю комерційного виробництва. Масштабування може бути виконане шляхом встановлення більш потужного ультразвукового екстракторного блоку або паралельного скупчення кількох ультразвукових апаратів. Завдяки UIP16000 компанія Hielscher пропонує найпотужніший ультразвуковий екстрактор у всьому світі.
Точно контрольовані амплітуди для оптимальних результатів
Всі ультразвукові апарати Hielscher точно управляються і тим самим надійні робочі коні на виробництві. Амплітуда є одним з найважливіших параметрів процесу, що впливають на ефективність і результативність ультразвукової екстракції пектину з фруктів і біовідходів.
Всі звукорежисери Hielscher дозволяють точно встановити амплітуду. Сонотроди і бустерні ріжки - це аксесуари, що дозволяють змінювати амплітуду в ще більш широкому діапазоні. Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати дуже високі амплітуди та забезпечувати необхідну ультразвукову інтенсивність для вимогливих застосувань. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7.
Точні налаштування амплітуди та постійний моніторинг параметрів ультразвукового процесу за допомогою інтелектуального програмного забезпечення дають вам можливість обробляти сировину в найефективніших ультразвукових умовах. Оптимальна ультразвукова діагностика для найкращих результатів екстракції!
Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах і в складних умовах. Це робить ультразвукове обладнання Hielscher надійним робочим інструментом, який відповідає вашим вимогам до екстракції.
Легке тестування без ризиків
Ультразвукові процеси можуть бути повністю лінійно масштабовані. Це означає, що кожен результат, якого ви досягли за допомогою лабораторного або настільного ультразвукового апарату, може бути масштабований до абсолютно однакового результату за допомогою тих самих параметрів процесу. Це робить ультразвук ідеальним для безризикового техніко-економічного обґрунтування, оптимізації процесу та подальшого впровадження в комерційне виробництво. Зв'яжіться з нами, щоб дізнатися, як ультразвукова діагностика може збільшити виробництво пектинового екстракту.
Найвища якість – Розроблено та виготовлено в Німеччині
Як сімейний бізнес, Hielscher надає пріоритет найвищим стандартам якості для своїх ультразвукових процесорів. Всі ультразвукові апарати розроблені, виготовлені та ретельно протестовані в нашій штаб-квартирі в Тельтові поблизу Берліна, Німеччина. Міцність і надійність ультразвукового обладнання Hielscher роблять його робочою конячкою на вашому виробництві. Робота 24/7 при повному навантаженні та в складних умовах є природною характеристикою високопродуктивних міксерів Hielscher.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Про пектини
Пектин — це розгалужений гетерополісахарид, що складається з довголанцюгових сегментів галактуронану та інших нейтральних цукрів, таких як рамноза, арабіноза, галактоза та ксилоза. Якщо бути більш конкретним, то пектин - це блок сополімеру, що складається з 1,4-α-зв'язаної галактуронової кислоти і 1,2-зв'язаної рамнози з бічними гілками β-D-галактози, L-арабінози та інших цукрових одиниць. Оскільки в пектині виявлено кілька цукристих частин і різні ступені етерифікації метилу, пектин не має певної молекулярної маси, як інші полісахариди. Пектин, який призначений для використання в харчових продуктах, визначається як гетерополісахарид, що містить не менше 65% одиниць галактуронової кислоти. Застосовуючи специфічні умови екстракції, пектини можуть бути успішно модифіковані та функціоналізовані для виконання конкретних вимог. Виробництво функціоналізованих і модифікованих пектинів представляє інтерес для спеціальних застосувань, наприклад, низькометоксілірованного пектину для фармацевтики.
Як відокремлюють пектин від розчину екстракту?
Осадження пектину після ультразвукової екстракції: Додавання етанолу до розчину екстракту може допомогти відокремити пектин за допомогою процесу, який називається осадженням. Пектин, складний полісахарид, що міститься в клітинних стінках рослин, розчиняється у воді за нормальних умов. Однак шляхом зміни середовища розчинника з додаванням етанолу розчинність пектину може бути знижена, що призводить до його випадання в осад з розчину.
Нижче ми пояснимо вам хімію осадження пектину за допомогою етанолу:
- Порушення водневих зв'язків: Молекули пектину утримуються разом водневими зв'язками, які сприяють їх розчинності у воді. Етанол порушує ці водневі зв'язки, конкуруючи з молекулами води за місця зв'язування на молекулах пектину. Оскільки молекули етанолу заміщають молекули води навколо молекул пектину, водневі зв'язки між молекулами пектину слабшають, зменшуючи їх розчинність у розчиннику.
- Зниження полярності розчинника: Етанол менш полярний, ніж вода, тобто він має нижчу здатність розчиняти полярні речовини, такі як пектин. У міру додавання етанолу в розчин екстракту загальна полярність розчинника зменшується, що робить менш сприятливим для того, щоб молекули пектину залишалися в розчині. Це призводить до випадання пектину в осад з розчину, так як він стає менш розчинним в суміші етанол-вода.
- Підвищена концентрація пектину: У міру випадання молекул пектину з розчину в осад концентрація пектину в розчині, що залишився, збільшується. Це дозволяє легше відокремити пектин від рідкої фази за допомогою фільтрації або центрифугування.
Література / Список літератури
- 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.