Вищі виходи пектину за допомогою ультразвукової екстракції

Ультразвукова екстракція забезпечує високі виходи пектинів вищої якості. Застосування ультразвукової обробки дозволяє ефективно виробляти цінні пектини з фруктових відходів (наприклад, побічних продуктів переробки соків) та іншої біологічної сировини. Ультразвукова екстракція пектину перевершує інші техніки екстракції, забезпечуючи вищі виходи, вищу якість пектину та швидку процедуру екстракції.

Інтенсифікована екстракція пектину за допомогою ультразвукової обробки

Пектин використовується як гелеутворювальний, емульгатор і загусник у численних харчових продуктах, а також як інгредієнт у косметиці та фармацевтиці. Традиційна промислова екстракція пектину здійснюється за допомогою екстракції гарячою водою, де сировина, така як цитрусові шкірки, яблучний жмих та інші фруктові відходи, замочується у гарячій воді при 60–100°C за низького pH (приблизно pH 1,5 – 3,5) протягом тривалого часу. Це перетворює традиційну екстракцію гарячою водою на процес, що вимагає багато часу та енергії, який часто навіть не є достатньо ефективним для вивільнення повної кількості 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 пектину

Ультразвукова екстракція застосовується у багатьох сферах виробництва екстрактів, наприклад, для рослинних та трав’яних екстрактів для харчових продуктів, добавок, фармацевтичних засобів та косметики. Дуже яскравим прикладом ультразвукової екстракції є екстракція канабідіолу (CBD) та інших сполук із рослини канабіс.
Ультразвукова екстракція є нетермічною технікою екстракції, що запобігає термічній деградації біоактивних сполук. Усі параметри ультразвукового процесу, такі як амплітуда, інтенсивність, час, температура та тиск, можуть бути точно контрольовані. Це дозволяє здійснювати точний контроль процесу та якості, а також полегшує повторення та відтворення отриманих результатів екстракції. Виробники екстрактів цінують ультразвукову обробку за надійну повторюваність процесу, що допомагає стандартизувати процеси та продукти.

 
Знайдіть протокол ультразвукової екстракції пектину з шкірки грейпфрута, продемонстрований на відео вище, тут!

Визначення релевантних параметрів процесу дозволяє оптимізувати процес ультразвукової екстракції до найвищої ефективності та вищої якості екстракту.
Наприклад, розмір частинок сировини (наприклад, цитрусових шкірок) є важливим фактором: менший розмір частинок означає більшу площу поверхні для дії ультразвукових хвиль. Малий розмір частинок забезпечує вищі виходи пектину, нижчий ступінь метилювання та більше співвідношення ділянок рамногалактуронану.
Значення pH розчинника екстракції (тобто вода + кислота) є ще одним суттєвим параметром. Коли пектин екстрагується в кислих умовах, багато розгалужених ділянок рамногалактуронану полімеру розкладаються, так що залишаються переважно «прямі» ділянки гомогалактуронану з кількома нейтральними молекулами цукру, приєднаними до або всередині основної лінійної ланцюга.
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 для точної модифікації пектинів відповідно до вимог продукту.

Що робить ультразвукову екстракцію пектину такою ефективною?

Вплив ультразвукової екстракції безпосередньо впливає на набухання, перфорацію та руйнування клітинних стінок. Масоперенесення, індуковане ультразвуком, спричиняє гідратацію пектинових матеріалів у середній пластинці, що призводить до руйнування рослинних тканин. Ультразвукова кавітація та зсувні сили безпосередньо впливають на клітинні стінки та руйнують їх. Ці механізми забезпечують високоефективні результати ультразвукової екстракції.

Пектин, екстрагований ультразвуком (також відомий як пектин, екстрагований за допомогою акустичної кавітації, скор. ACAE), який мав нижчу молекулярну масу та ступінь метоксилювання, був багатшим на ділянку рамногалактуронану-I з довгими бічними ланцюгами порівняно з пектином, отриманим за допомогою традиційної теплової екстракції, згідно з хімічним аналізом та аналізом FT-IR. Енергоспоживання для ультразвукової екстракції пектину було значно нижчим, ніж у традиційному методі нагрівання, що свідчить про його перспективне застосування в промислових масштабах.
(пор. Wang et al., 2017)
Wang та його колеги (2017) також підтверджують, що ультразвукова екстракція доведена як більш економічний та екологічно безпечний процес з вищою ефективністю та меншими витратами порівняно з традиційною екстракцією за допомогою нагрівання.

СЕМ залишкового цукрового бурякового жмиху при 1000x збільшенні: (a) до екстракції, та після екстракції пектину з використанням (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), та (e) Xylanasae+Cellulase (1:1,5), та (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(дослідження та зображення: Abou-Elseoud et al., 2021)

Як працює ультразвукова екстракція пектину?

Ультразвукова екстракція базується на сономеханічних ефектах ультразвуку високої інтенсивності. Для сприяння та інтенсифікації екстракції пектину за допомогою ультразвукової обробки, високі потужності ультразвукових хвиль передаються через ультразвуковий зонд (також званий ультразвуковим рогом або сонотродом) у рідке середовище, тобто у суспензію, що складається з пектиновмісної сировини та розчинника. Ультразвукові хвилі поширюються через рідину та створюють чергування циклів низького тиску / високого тиску. Під час циклів низького тиску створюються крихітні вакуумні бульбашки (так звані кавітаційні бульбашки), які зростають протягом кількох циклів тиску. Під час цих циклів зростання бульбашок розчинені гази в рідині потрапляють у вакуумну бульбашку, так що вакуумна бульбашка перетворюється на зростаючу газову бульбашку. При досягненні певного розміру, коли бульбашки не можуть поглинати більше енергії, вони імплідують під час циклу високого тиску. Імплосія бульбашки характеризується інтенсивними кавітаційними силами, включаючи дуже високі температуру та тиск, що досягають 4000K та 1000atm відповідно; а також відповідними високими диференціалами температури та тиску. Ці ультразвуково генеровані турбулентності та зсувні сили руйнують клітини рослин і вивільняють внутрішньоклітинні пектини у водний розчинник. Оскільки ультразвукова кавітація створює дуже інтенсивне масоперенесення, ультразвукова обробка призводить до винятково високих виходів за дуже короткий час обробки.
Ультразвукова обробка використовується не лише для екстракції пектину, але й для ізоляції поліфенолів із фруктових вичавків, м’якоті, шкірки та насіння. Читайте більше тут!

Ультразвукова екстракція з рослинних клітин: мікроскопічний поперечний зріз (TS) показує механізм дії під час ультразвукової екстракції з клітин (збільшення 2000x) [джерело: Vilkhu et al. 2011]

Пектини, екстраговані з фруктових відходів

Фруктові відходи, такі як шкірка, залишки м’якоті (після пресування фруктового соку) та інші побічні продукти переробки фруктів, часто є багатими джерелами пектину. Хоча фруктові відходи часто використовуються як корм для тварин, екстракція пектину є більш цінним використанням фруктових відходів.
Ультразвукова екстракція пектину вже успішно проводиться з цитрусової шкірки (такої як апельсини, мандарини, грейпфрути), шкірки дині, яблучного жмиху, цукрового бурякового жмиху, мангової шкірки, томатних відходів, а також джекфрута, маракуї, інжирної шкірки та інших.

Приклади ультразвукової екстракції пектину

Через недоліки традиційного видобутку пектину за допомогою нагрівання наукові дослідники та промисловість вже вивчали інноваційні альтернативи, такі як ультразвуковий видобуток. При цьому доступно багато інформації про параметри процесу для різних видів сировини, а також дані щодо оптимізації процесу.

Ультразвуковий видобуток пектину з яблучного шроту

Dranca та Oroian (2019) досліджували процес видобутку пектину з яблучного шроту за допомогою ультразвукової обробки, застосовуючи різні умови ультразвукової обробки та використовуючи планувальний експеримент Box-Behnken для поверхні відгуку. Вони виявили, що амплітуда ультразвуку сильно впливає на вихід та ступінь естерифікації видобутого пектину, тоді як pH екстракції мав великий вплив на всі три показники відгуку, а саме: вихід, вміст GalA та ступінь естерифікації. Оптимальними умовами для видобутку були: амплітуда 100%, pH 1,8, тверде-рідке співвідношення 1:10 г/мл та 30 хв ультразвукової обробки. За цих умов вихід пектину становив 9,183%, мав вміст GalA 98,127 г/100 г та ступінь естерифікації 83,202%. Щоб зіставити результати пектину, отриманого за допомогою ультразвукового видобутку, з комерційним пектином, зразки пектину, отримані за допомогою ультразвукового видобутку за оптимальних умов, порівнювали зі зразками комерційного цитрусового та яблучного пектину за допомогою ФТ-ІЧ, ДСК, реологічного аналізу та СЕМ. Перші два методи підкреслили деякі особливості зразка пектину, отриманого за допомогою ультразвукового видобутку, такі як вужчий діапазон розподілу молекулярної маси, впорядковане молекулярне розташування та високий ступінь естерифікації, який був подібним до ступеня естерифікації комерційно доступних яблучних пектинів. Аналіз морфологічних характеристик зразка, отриманого за допомогою ультразвукової обробки, вказує на визначальний закономірність між розподілом розмірів фрагментів цього зразка та його вмістом GalA з одного боку, і поглинанням води з іншого боку. В’язкість розчину пектину, отриманого за допомогою ультразвукового видобутку, була значно вищою, ніж у розчинах, виготовлених з використанням комерційного пектину, що, можливо, пояснюється високою концентрацією галактуронінової кислоти. Якщо також враховувати високий ступінь естерифікації, це може пояснити, чому в’язкість була вищою для пектину, отриманого за допомогою ультразвукового видобутку. Дослідники доходять висновку, що чистота, структура та реологічна поведінка пектину, отриманого за допомогою ультразвукового видобутку з яблучного шроту сорту Malus domestica ‘Fălticeni’, вказують на перспективні застосування цього розчинного волокна. (пор. Dranca & Oroian 2019)

Високоефективний ультразвуковий екстрактор для виробництва пектину

Ультразвуковий видобуток є надійною технологією обробки, яка сприяє та прискорює виробництво високоякісних пектинів з різноманітної сировини, такої як побічні продукти та шкірка цитрусових, яблучний шрот та багато інших. Портфоліо Hielscher Ultrasonics охоплює повний асортимент від компактних лабораторних ультразвукових гомогенізаторів до промислових систем видобутку. Таким чином, ми в Hielscher можемо запропонувати вам найбільш підходящий ультразвуковий гомогенізатор для вашого запланованого обсягу процесу. Наш досвідчений персонал допоможе вам від тестів на доцільність та оптимізації процесу до встановлення вашої ультразвукової системи на рівні фінального виробництва.
Малі габарити наших ультразвукових екстракторів, а також їхня універсальність у варіантах встановлення роблять їх придатними навіть для невеликих приміщень для переробки пектину. Ультразвукові процесори встановлені по всьому світу на підприємствах з виробництва харчових продуктів, фармацевтичних препаратів та харчових добавок.

У таблиці нижче наведено орієнтовну інформацію про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів:

Hielscher Ultrasonics – Складне обладнання для екстракції

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, об’єму, сировини, пакетного або потокового процесу та часових рамок.

Пакетний і потоковий режими

Ультразвукові соникатори Hielscher можна використовувати для пакетної обробки та обробки в потоці. Пакетна ультразвукова обробка ідеально підходить для тестування процесу, оптимізації та виробництва малого та середнього масштабу. Для виробництва великих об’ємів пектину потокова обробка може бути більш вигідною. Неперервний процес потокового змішування вимагає складної установки – що складається з насоса, шлангів або труб і резервуарів, – але він є надзвичайно ефективним, швидким і вимагає значно меншої праці. Hielscher Ultrasonics має найбільш підходящу установку для екстракції для вашого об’єму екстракції та цілей процесу.

Ультразвукові екстрактори для будь-якої потужності продукту

Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр ультразвукових процесорів від компактних лабораторних соникаторів через настільні та пілотні системи до повністю промислових ультразвукових процесорів із потужністю обробки вантажівок на годину. Повний асортимент продукції дозволяє нам запропонувати вам найбільш підходящий ультразвуковий екстрактор для вашої сировини, що містить пектин, потужності процесу та цілей виробництва.
Настільні ультразвукові системи ідеально підходять для перевірки можливостей та оптимізації процесу. Лінійне масштабування на основі встановлених параметрів процесу робить дуже простим збільшення потужностей обробки від менших партій до повністю комерційного виробництва. Масштабування вгору можна здійснити, встановивши більш потужний блок ультразвукового екстрактора або об’єднавши кілька соникаторів паралельно. З моделлю UIP16000 Hielscher пропонує найпотужніший ультразвуковий екстрактор у світі.

Точно керовані амплітуди для оптимальних результатів

Усі ультразвукові соникатори Hielscher точно керовані та, отже, є надійними робочими конячками у виробництві. Амплітуда є одним із ключових параметрів процесу, які впливають на ефективність та результативність ультразвукової екстракції пектину з фруктів та біовідходів.
Усі соникатори Hielscher дозволяють точно встановлювати амплітуду. Сонотроди та підсилювачі (бустерні роги) є аксесуарами, які дозволяють змінювати амплітуду в ще ширшому діапазоні. Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати дуже високі амплітуди та доставляти необхідну ультразвукову інтенсивність для складних застосувань. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати в режимі 24/7.
Точні налаштування амплітуди та постійний моніторинг параметрів ультразвукового процесу через розумне програмне забезпечення дають вам можливість обробляти сировину за найбільш ефективних ультразвукових умов. Оптимальна ультразвукова обробка для найкращих результатів екстракції!
Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 при важких навантаженнях та у складних середовищах. Це робить ультразвукове обладнання Hielscher надійним робочим інструментом, який задовольняє ваші вимоги до екстракції.

Легке, безризикове тестування

Ультразвукові процеси можна повністю лінійно масштабувати. Це означає, що будь-який результат, якого ви досягли, використовуючи лабораторний або настільний ультразвуковий соникатор, можна масштабувати до точно такого ж виходу, використовуючи точно такі ж параметри процесу. Це робить ультразвукову обробку ідеальною для безризикової перевірки можливостей, оптимізації процесу та подальшої імплементації у комерційне виробництво. Зв’яжіться з нами, щоб дізнатися, як ультразвукова обробка може збільшити виробництво вашого екстракту пектину.

Найвища якість – розроблено та виготовлено в Німеччині

Як сімейне підприємство, Hielscher надає пріоритет найвищим стандартам якості для своїх ультразвукових процесорів. Усі ультразвукові апарати розробляються, виготовляються та ретельно тестуються в нашій головній квартирі в Тельтові поблизу Берліна, Німеччина. Надійність та стабільність роботи ультразвукового обладнання Hielscher роблять його «робочою конячкою» у вашому виробництві. Цілодобова робота (24/7) під повним навантаженням та в складних умовах є природною характеристикою високоефективних змішувачів Hielscher.