Năng suất Pectin cao hơn với chiết xuất siêu âm

Chiết xuất siêu âm mang lại năng suất cao của pectin chất lượng cao. Sử dụng siêu âm, pectin có giá trị có thể được sản xuất hiệu quả từ chất thải trái cây (ví dụ: các sản phẩm phụ từ chế biến nước trái cây) và các nguyên liệu sinh học khác. Chiết xuất pectin siêu âm vượt trội hơn các kỹ thuật chiết xuất khác bằng cách tạo ra năng suất cao hơn, cho chất lượng pectin vượt trội và quy trình chiết xuất nhanh chóng.

Chiết xuất pectin tăng cường bằng Sonication

Pectin được sử dụng như một chất tạo gel, nhũ hóa và làm đặc trong nhiều sản phẩm thực phẩm cũng như một thành phần trong mỹ phẩm và dược phẩm. Chiết xuất pectin công nghiệp thông thường được thực hiện thông qua chiết xuất bằng nước nóng, trong đó nguyên liệu thô như vỏ cam quýt, bã táo và các chất thải trái cây khác được ngâm trong nước nóng 60–100°C ở độ pH thấp (khoảng pH 1,5 – 3,5) trong thời gian dài. Điều này biến việc chiết xuất nước nóng thông thường trở thành một quá trình tốn thời gian và năng lượng, thậm chí thường không đủ hiệu quả để giải phóng toàn bộ lượng pectin có sẵn trong nguyên liệu thô.
Để khắc phục sự kém hiệu quả của phương pháp sản xuất thông thường, chiết xuất siêu âm được áp dụng như một kỹ thuật tăng cường quy trình giúp giảm thời gian chiết xuất và tối đa hóa năng suất pectin đáng kể khi so sánh với chiết xuất nước nóng truyền thống.

Ưu điểm của chiết xuất Pectin siêu âm

Khai thác siêu âm được áp dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất chiết xuất, ví dụ như chiết xuất thực vật và thảo dược cho thực phẩm, bổ sung, dược phẩm và mỹ phẩm. Một ví dụ rất nổi bật về khai thác siêu âm là khai thác cannabidiol (CBD) và các hợp chất khác từ cây cần sa.
Chiết xuất siêu âm là một kỹ thuật chiết xuất không nhiệt, ngăn chặn các hợp chất hoạt tính sinh học chống lại sự suy thoái nhiệt. Tất cả các thông số quá trình siêu âm, chẳng hạn như biên độ, cường độ, thời gian, nhiệt độ và áp suất, có thể được kiểm soát chính xác. Điều này cho phép kiểm soát quy trình và chất lượng chính xác, đồng thời giúp dễ dàng lặp lại và tái tạo sau khi thu được kết quả chiết xuất. Các nhà sản xuất chiết xuất đánh giá cao siêu âm cho độ lặp lại quy trình đáng tin cậy, giúp tiêu chuẩn hóa các quy trình và sản phẩm.

 
Tìm giao thức chiết xuất pectin siêu âm từ vỏ bưởi được trình bày trong video ở trên tại đây!
 

Việc xác định các thông số quy trình liên quan cho phép tối ưu hóa quy trình chiết xuất siêu âm để đạt hiệu quả cao nhất và chất lượng chiết xuất vượt trội.
Ví dụ, kích thước hạt của nguyên liệu thô (ví dụ: vỏ cam quýt) là một yếu tố quan trọng: Kích thước hạt nhỏ hơn có nghĩa là diện tích bề mặt cao hơn để sóng siêu âm tác động. Kích thước hạt nhỏ dẫn đến năng suất pectin cao hơn, mức độ methyl hóa thấp hơn và tỷ lệ lớn hơn của các vùng rhamnogalacturonan.
Giá trị pH của dung môi chiết (tức là nước + axit) là một thông số thiết yếu khác. Khi pectin được chiết xuất trong điều kiện axit, nhiều vùng phân nhánh rhamnogalacturonan của polyme bị phân hủy, do đó chủ yếu là các vùng "thẳng" homogalacturonan với một vài phân tử đường trung tính gắn trên hoặc trong chuỗi tuyến tính chính vẫn còn.
Chiết xuất pectin siêu âm làm giảm thời gian chiết xuất và giảm nhiệt độ quy trình cần thiết, giúp giảm khả năng axit biến đổi pectin không mong muốn. Điều này cho phép sử dụng axit trong điều kiện hạn chế để sửa đổi pectin chính xác theo yêu cầu của sản phẩm.

Điều gì làm cho chiết xuất Pectin siêu âm hiệu quả như vậy?

Tác động của chiết xuất siêu âm ảnh hưởng trực tiếp đến sự sưng tấy, thủng và vỡ thành tế bào. Truyền khối gây ra bằng sóng siêu âm gây ra sự hydrat hóa của vật liệu pectinous ở lamella giữa dẫn đến sự phá vỡ các mô thực vật. Lực xâm thực và lực cắt siêu âm tác động trực tiếp vào thành tế bào và phá vỡ chúng. Các cơ chế này dẫn đến kết quả hiệu quả cao của chiết xuất siêu âm.

Pectin chiết xuất siêu âm (cũng là pectin chiết xuất hỗ trợ xâm thực âm thanh, viết tắt ACAE) có trọng lượng phân tử thấp hơn và mức độ methoxyl hóa giàu hơn ở vùng rhamnogalacturonan-I với chuỗi bên dài so với pectin chiết xuất nhiệt thông thường từ phân tích hóa học và FT-IR. Mức tiêu thụ năng lượng để chiết xuất pectin ulgtrasonic thấp hơn đáng kể so với phương pháp gia nhiệt thông thường, điều này cho thấy ứng dụng đầy hứa hẹn của nó đối với quy mô sản xuất công nghiệp.
(xem Wang và cộng sự, 2017)
Wang và các đồng nghiệp của ông (2017) cũng củng cố rằng chiết xuất hỗ trợ siêu âm đã được chứng minh là một quy trình tiết kiệm hơn và thân thiện với môi trường với hiệu quả cao hơn và chi phí thấp hơn so với chiết xuất gia nhiệt thông thường.
 

SEM của cùi củ cải đường còn sót lại ở độ phóng đại 1000x: (a) trước khi chiết xuất và sau khi chiết xuất pectin bằng cách sử dụng (b) Xylanasae (250 U / g), (c) Cellulase (300 U / g), (d) Xylanasae + Cellulase (1: 1) và (e) Xylanasae + Cellulase (1: 1.5) và (f) Xylanasae + Cellulase (1: 2).
(nghiên cứu và hình ảnh: Abou-Elseoud và cộng sự, 2021)

Chiết xuất pectin siêu âm hoạt động như thế nào?

Chiết xuất siêu âm dựa trên hiệu ứng siêu âm của siêu âm cường độ cao. Để thúc đẩy và tăng cường chiết xuất pectin thông qua siêu âm, sóng siêu âm công suất cao được ghép nối thông qua một đầu dò siêu âm (còn được gọi là sừng siêu âm hoặc sonotrode) vào môi trường lỏng, tức là bùn bao gồm nguyên liệu thô chứa pectin và dung môi. Sóng siêu âm truyền qua chất lỏng và tạo ra các chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao xen kẽ. Trong các chu kỳ áp suất thấp, các bong bóng chân không nhỏ (được gọi là bong bóng xâm thực) được tạo ra, phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất. Trong các chu kỳ phát triển bong bóng đó, các khí hòa tan trong chất lỏng đi vào bong bóng chân không, do đó bong bóng chân không biến thành bọt khí đang phát triển. Ở một kích thước nhất định, khi các bong bóng không thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn, chúng sẽ nổ mạnh trong chu kỳ áp suất cao. Vụ nổ bong bóng được đặc trưng bởi các lực xâm thực mạnh, bao gồm nhiệt độ và áp suất rất cao lên đến 4000K và 1000atm, tương ứng; cũng như chênh lệch nhiệt độ và áp suất cao tương ứng. Những nhiễu loạn và lực cắt được tạo ra bằng sóng siêu âm này phá vỡ các tế bào thực vật và giải phóng pectin nội bào vào dung môi gốc nước. Vì xâm thực siêu âm tạo ra sự truyền khối lượng cường độ cao, quá trình siêu âm dẫn đến năng suất đặc biệt cao trong thời gian xử lý rất ngắn.

Chiết xuất siêu âm từ tế bào thực vật: mặt cắt ngang bằng kính hiển vi (TS) cho thấy cơ chế hoạt động trong quá trình chiết xuất siêu âm từ tế bào (độ phóng đại 2000x) [nguồn: Vilkhu et al. 2011]

Pectins chiết xuất từ chất thải trái cây

Chất thải trái cây như vỏ, bã cùi trái cây (sau khi ép nước ép trái cây) và các sản phẩm phụ khác của trái cây thường là nguồn pectin phong phú. Trong khi các sản phẩm phế liệu trái cây thường được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, chiết xuất pectin là một cách sử dụng chất thải trái cây có giá trị hơn.
Chiết xuất pectin siêu âm đã được thực hiện thành công với vỏ cam quýt (chẳng hạn như cam, quýt, bưởi), vỏ dưa, bã táo, cùi củ cải đường, vỏ xoài, chất thải cà chua, cũng như mít, chanh dây, vỏ sung trong số những loại khác.

Nghiên cứu điển hình về chiết xuất Pectin siêu âm

Do những hạn chế của chiết xuất pectin thông thường bằng nhiệt, nghiên cứu và công nghiệp đã nghiên cứu các giải pháp thay thế sáng tạo như chiết xuất siêu âm. Qua đó, có nhiều thông tin về các thông số quy trình cho các nguyên liệu thô khác nhau cũng như dữ liệu tối ưu hóa quy trình.

Chiết xuất siêu âm Pectin từ bẩy táo

Dranca và Oroian (2019) đã điều tra quá trình chiết xuất pectin hỗ trợ siêu âm từ bưởi táo áp dụng các điều kiện siêu âm khác nhau và sử dụng thiết kế bề mặt phản ứng Box-Behnken. Họ phát hiện ra rằng biên độ siêu âm ảnh hưởng mạnh mẽ đến năng suất và mức độ este hóa của pectin chiết xuất, trong khi pH chiết xuất có tác động lớn đến cả ba phản ứng, tức là năng suất, hàm lượng GalA và mức độ este hóa. Các điều kiện tối ưu để chiết xuất là biên độ 100%, pH 1,8, tỷ lệ rắn-lỏng 1: 10 g / mL và sonication 30 phút. Trong những điều kiện này, năng suất pectin là 9,183% và có hàm lượng GalA 98,127 g / 100 g và mức độ este hóa 83,202%. Để thiết lập kết quả của pectin chiết xuất siêu âm trong mối quan hệ với pectin thương mại, mẫu pectin thu được bằng cách khai thác siêu âm trong điều kiện tối ưu được so sánh với các mẫu pectin cam quýt và táo thương mại bằng FT-IR, DSC, phân tích lưu biến và SEM. Hai kỹ thuật đầu tiên làm nổi bật một số đặc điểm của mẫu pectin được chiết xuất bằng cách chiết xuất siêu âm như phạm vi phân bố trọng lượng phân tử hẹp hơn, sắp xếp phân tử có trật tự và mức độ este hóa cao tương tự như pectin táo có sẵn trên thị trường. Việc phân tích các đặc điểm hình thái của mẫu thu được bằng siêu âm cho thấy một mô hình xác định giữa sự phân bố kích thước mảnh vỡ của mẫu này và hàm lượng GalA của nó ở một bên và khả năng hấp thụ nước ở phía bên kia. Độ nhớt của dung dịch pectin chiết xuất bằng siêu âm cao hơn nhiều so với các dung dịch được làm bằng pectin thương mại, có thể là do nồng độ axit galacturonic cao. Khi cũng xem xét mức độ este hóa cao, điều này có thể giải thích tại sao độ nhớt cao hơn đối với pectin chiết xuất siêu âm. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng độ tinh khiết, cấu trúc và hành vi lưu biến của pectin được chiết xuất bằng cách chiết xuất siêu âm từ bưởi táo Malus domestica 'Fălticeni' cho thấy các ứng dụng đầy hứa hẹn của chất xơ hòa tan này. (xem Dranca & Oroian 2019)

Máy chiết siêu âm hiệu suất cao để sản xuất pectin

Chiết xuất siêu âm là một công nghệ chế biến đáng tin cậy, tạo điều kiện thuận lợi và đẩy nhanh quá trình sản xuất pectin chất lượng cao, các nguyên liệu thô khác nhau như phụ phẩm và vỏ trái cây họ cam quýt, bã táo và nhiều loại khác. Danh mục siêu âm Hielscher bao gồm đầy đủ các phạm vi từ máy siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến hệ thống chiết xuất công nghiệp. Qua đó, chúng tôi tại Hielscher có thể cung cấp cho bạn máy siêu âm phù hợp nhất cho năng lực quy trình dự kiến của bạn. Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm lâu năm của chúng tôi sẽ hỗ trợ bạn từ các thử nghiệm khả thi và tối ưu hóa quy trình đến việc lắp đặt hệ thống siêu âm của bạn ở cấp độ sản xuất cuối cùng.
Dấu chân nhỏ của máy vắt siêu âm của chúng tôi cũng như tính linh hoạt của chúng trong các tùy chọn lắp đặt làm cho chúng phù hợp ngay cả với các cơ sở chế biến pectin không gian nhỏ. Bộ vi xử lý siêu âm được cài đặt trên toàn thế giới trong các cơ sở sản xuất thực phẩm, dược phẩm và bổ sung dinh dưỡng.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: