Техніко-технічне обґрунтування та технологічна схема для вилучення пектину з яблук, айвових пор і апельсинової шкірки за допомогою ультразвукового екстракційного обладнання

Ультразвукове екстракційне обладнання може ефективно витягувати пектин з яблучних вичавок, айвових вичавок і апельсинової шкірки. У порівнянні з традиційними методами екстракції гарячою водою та кислотною екстракцією, він пропонує значні переваги, такі як висока ефективність екстракції, короткий час екстракції, низька температура, а також вищий вихід і чистоту пектину. Його основний принцип використовує ефект кавітації, ефект механічної вібрації та термічний ефект ультразвуку для руйнування целюлозних і геміцелюлозних структур клітинних стінок рослин, прискорюючи розчинення пектину з клітинних стінок, мінімізуючи при цьому пошкодження молекулярної структури пектину, спричинене високими температурами.

I. Основний принцип екстракції пектину (механізм ультразвукового посилення)

Ефект кавітації: коли ультразвук поширюється в екстракційній рідині, він створює численні крихітні бульбашки. Ці бульбашки швидко розширюються та лопаються, вивільняючи миттєвий високий тиск і силу удару, безпосередньо розриваючи клітинні стінки вичавок/апельсинової шкірки, змушуючи пектин у клітинах швидко розчинятися в екстракційній рідині.

Ефект механічної вібрації: високо{0}}високочастотна вібрація ультразвуку створює сильний механічний ефект перемішування частинок матеріалу, зменшуючи різницю концентрації між рідиною для екстракції та поверхнею матеріалу та прискорюючи процес масообміну. Термічний ефект: енергія ультразвуку перетворюється на локалізоване слідове тепло, що може збільшити швидкість молекулярного руху екстракту, але загальна температура набагато нижча, ніж при традиційній екстракції нагріванням, уникаючи деградації пектину через високі температури та забезпечуючи молекулярну масу та властивості гелеутворення пектину.

 

II. Специфічний технологічний процес (стосується яблучних вичавок, айвових вичавок і апельсинової шкірки)

1. Попередня обробка сировини Попередня обробка є вирішальним етапом, що визначає вихід і чистоту пектину, що вимагає видалення домішок і заважаючих компонентів із сировини:
* Промивання та видалення домішок: промийте яблучні вичавки, айвові вичавки та апельсинову шкірку чистою водою, щоб видалити з вичавок бруд, залишки пестицидів на поверхні шкірки та фрагменти фруктової м’якоті.

* Сушка та подрібнення: помістіть промиту сировину в духовку при температурі 40-60 градусів для сушіння до постійної ваги (вміст вологи<10%), then grind them into 20-40 mesh powder using a grinder. Particle size that is too small will easily lead to turbidity in the extract, while particle size that is too large will hinder ultrasound penetration.

 

1. Знежирення та знецукровування (необов’язково, для покращення чистоти пектину): якщо сировина має високий вміст олії або розчинного цукру (наприклад, апельсинова шкірка містить ефірні олії), її можна замочити в 95% етанолі у співвідношенні -до-рідини 1:5 (г/мл) протягом 2 годин, потім кип’ятити для знежирення та знецукровування. Після фільтрації його висушують, щоб видалити домішки, такі як олія та олігосахариди, запобігаючи їх зв’язуванню з пектином під час подальшої екстракції.

 

2. Ультразвукова-допоміжна екстракція пектину: цей етап є ключовим і вимагає точного контролю параметрів екстракції, які дещо відрізняються залежно від сировини.

**Приготування екстракційного розчину:** Пектин є кислим полісахаридом і його потрібно розчиняти в кислих умовах. Зазвичай використовувані екстракційні розчини – це розчини соляної кислоти, лимонної кислоти або щавлевої кислоти з контрольованою концентрацією в межах 0,05-0,2 моль/л. Розчин щавлевої кислоти може хелатувати іони кальцію та магнію в сировині, зменшуючи зшивання пектину та осадження, що призводить до більш високого врожаю та робить його більш придатним для апельсинової шкірки та яблучних вичавок.
**Регулювання співвідношення-матеріалу до-рідини:** Змішайте порошок сировини та екстракційний розчин у співвідношенні 1:15-1:30 (г/мл) і помістіть в посудину для ультразвукової екстракції. Низьке співвідношення -матеріал/рідина призведе до недостатнього масообміну, тоді як високе співвідношення збільшить вартість подальшої концентрації.

Екстракція: після ретельного перемішування рідини увімкніть ультразвукове обладнання для екстракції та витягніть відповідно до встановлених параметрів. Під час процесу можна виконувати періодичну ультразвукову обробку (5 хвилин ультразвукової обробки з наступною 1-хвилинною паузою), щоб зменшити нагрів обладнання та уникнути локального перегріву. Після екстракції фільтрують через сито 400-600 меш і збирають фільтрат (містить пектин). Залишок можна знову екстрагувати для підвищення врожайності.

3. Відокремлення та очищення пектину: пектин в екстракті необхідно відокремити та осадити для видалення домішок, отримуючи сирий або очищений пектин:

Концентрація: сконцентруйте фільтрат до 1/4-1/5 його початкового об’єму за допомогою вакуумного концентратора при 50-60 градусах, зменшивши необхідну кількість осаджувача.

Осадження: повільно додайте 95% етанол до концентрату, поки кінцева концентрація етанолу не досягне 60%-70% (об'ємна частка), безперервно помішуючи. Дати постояти 4-8 годин. Через зниження розчинності пектин випадає у вигляді білого пластівчастого осаду.

Фільтрування та промивання: відфільтрувати за допомогою воронки Бюхнера, зібрати осад і промити 2-3 рази послідовно 70% етанолом і 95% етанолом для видалення залишків кислоти та розчинних цукрів.

Сушіння та подрібнення: помістіть промитий осад пектину у вакуумну піч при 45-50 градусів для сушіння, потім подрібніть, щоб отримати сирий пектин. Для пектину високої чистоти для видалення домішок можна використовувати додаткові методи діалізу або іонообмінної смоли.

 

III. Ключові вимоги до процесу

Контроль кислотності: pH екстракційного розчину повинен підтримуватися між 1,5 і 3,0. Занадто низький pH призведе до деградації молекули пектину, тоді як занадто високий призведе до недостатнього розчинення пектину.

 

Відповідність ультразвукових параметрів: потужність і частоту ультразвуку необхідно регулювати відповідно до розміру частинок сировини; більші розміри частинок вимагають більшої потужності. Час екстракції не повинен бути занадто довгим; перевищення порогу уповільнює зростання врожайності та збільшує витрати енергії.

 

Температурна стабільність: температуру потрібно контролювати в режимі реального часу під час екстракції, щоб уникнути перевищення температури 60 градусів через ультразвуковий термічний вплив. Контроль температури можна досягти за допомогою системи охолодження обладнання.

Дозування осаджувача: Кінцева концентрація етанолу повинна суворо контролюватися між 60% і 70%. Нижче 60% пектин не може бути повністю осаджений; вище 70%, це збільшить випадання домішок.

 

IV. Запобіжні заходи
Табу щодо попередньої обробки сировини:
Температура сушіння не повинна перевищувати 60 градусів, інакше призведе до денатурації пектину. Після подрібнення сировину необхідно герметично закрити та зберігати, щоб запобігти поглинанню вологи та утворенню грудок.

 

Під час знежирення та знецукровування етанол необхідно переробляти, щоб зменшити витрати та уникнути забруднення навколишнього середовища.

Запобіжні заходи при експлуатації обладнання:
Резервуар ультразвукової екстракції необхідно регулярно очищати, щоб запобігти прилипання залишків пектину та домішок до поверхні ультразвукового зонда, що впливає на ефективність ультразвуку.

 

Під час екстракції необхідно постійно перемішувати, щоб запобігти осіданню частинок сировини на дні резервуару, що призведе до недостатньої локальної інтенсивності ультразвуку.

Коли обладнання працює, резервуар не можна відкривати, щоб ультразвукові хвилі не завдали шкоди тілу людини (наприклад, пошкодження слуху або подразнення шкіри).

 

Запобіжні заходи щодо зберігання пектину:
Висушений пектин слід зберігати в сухому, прохолодному та вентильованому місці, уникаючи впливу вологи та світла, щоб запобігти погіршенню властивостей пектинового гелю.

Для тривалого -зберігання його можна герметично закрити й охолодити (4 градуси), термін придатності понад 12 місяців.

Вимоги щодо навколишнього середовища та безпеки: відходи видобутку повинні бути нейтралізовані до нейтрального стану перед скиданням, щоб уникнути забруднення кислотними стічними водами ґрунту та джерел води.

 

Етанол легкозаймистий; тримайтеся подалі від відкритого вогню під час опадів і процесів миття та забезпечте добре{0}}провітрюване робоче середовище.