Технико-экономическое обоснование и технологическая схема извлечения пектина из яблок, пор айвы и апельсиновой корки с использованием оборудования для ультразвуковой экстракции

Ультразвуковое экстракционное оборудование может эффективно извлекать пектин из яблочных выжимок, айвовых выжимок и апельсиновой цедры. По сравнению с традиционными методами экстракции горячей водой и кислотной экстракцией он предлагает значительные преимущества, такие как высокая эффективность экстракции, короткое время экстракции, низкая температура и более высокий выход и чистота пектина. Его основной принцип использует эффект кавитации, эффект механической вибрации и термический эффект ультразвука для разрушения целлюлозных и гемицеллюлозных структур стенок растительных клеток, ускоряя растворение пектина из клеточных стенок и сводя к минимуму повреждение молекулярной структуры пектина, вызванное высокими температурами.

I. Основной принцип экстракции пектина (механизм ультразвукового усиления)

Эффект кавитации: когда ультразвук распространяется в экстракционной жидкости, он генерирует множество крошечных пузырьков. Эти пузырьки быстро расширяются и лопаются, мгновенно высвобождая высокое давление и ударную силу, непосредственно разрывая клеточные стенки выжимок/апельсиновой корки, вызывая быстрое растворение пектина внутри клеток в экстракционной жидкости.

Эффект механической вибрации. Высокочастотная-вибрация ультразвука создает сильное механическое перемешивающее воздействие на частицы материала, уменьшая разницу концентраций между экстракционной жидкостью и поверхностью материала и ускоряя процесс массообмена. Термический эффект: энергия ультразвука преобразуется в локализованное следовое тепло, что может увеличить скорость молекулярного движения экстракта, но общая температура намного ниже, чем у традиционной тепловой экстракции, что позволяет избежать деградации пектина из-за высоких температур и обеспечить молекулярную массу и гелеобразующие свойства пектина.

 

II. Конкретная последовательность технологических процессов (применимо к яблочным выжимкам, айвовым выжимкам и апельсиновой корке)

1. Предварительная обработка сырья. Предварительная обработка — это решающий этап, определяющий выход и чистоту пектина, требующий удаления примесей и мешающих компонентов из сырья:
* Мытье и удаление примесей: Промойте яблочные выжимки, айвовые выжимки и апельсиновую кожуру чистой водой, чтобы удалить грязь, остатки пестицидов на поверхности кожуры и фрагменты фруктовой мякоти из выжимок.

* Сушка и измельчение: Промытое сырье поместите в духовку при температуре 40-60 градусов для сушки до постоянного веса (содержания влаги).<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. Обезжиривание и обессахаривание (дополнительно, для повышения чистоты пектина). Если сырье имеет высокое содержание масла или растворимого сахара (например, апельсиновая корка содержит эфирные масла), его можно замочить в 95 % этаноле при соотношении материала-к-жидкости 1:5 (г/мл) на 2 часа, а затем подвергнуть кипячению для обезжиривания и обессахаривания. После фильтрации его сушат для удаления примесей, таких как масло и олигосахариды, предотвращая их связывание с пектином во время последующей экстракции.

 

2. Ультразвуковая-экстракция пектина. Этот этап имеет решающее значение и требует точного контроля параметров экстракции, которые незначительно различаются в зависимости от сырья.

**Приготовление экстракционного раствора.** Пектин представляет собой кислый полисахарид, и его необходимо растворять в кислой среде. Обычно используемые экстракционные растворы представляют собой растворы соляной кислоты, лимонной кислоты или щавелевой кислоты с концентрацией, контролируемой в пределах 0,05-0,2 моль/л. Раствор щавелевой кислоты может хелатировать ионы кальция и магния в сырье, уменьшая сшивку пектина и осаждение, что приводит к более высокому выходу и делает его более подходящим для апельсиновой кожуры и яблочных выжимок.
**Регулировка соотношения материала-к-жидкости:** Смешайте порошок исходного материала и экстракционный раствор в соотношении 1:15-1:30 (г/мл) и поместите в сосуд для ультразвуковой экстракции. Низкое соотношение материала-к жидкости приведет к недостаточному массопереносу, а высокое соотношение увеличит стоимость последующей концентрации.

Операция экстракции: после тщательного перемешивания жидкости включите ультразвуковое экстракционное оборудование и экстрагируйте в соответствии с заданными параметрами. Во время процесса можно выполнять периодическую обработку ультразвуком (5 минут обработки ультразвуком с последующей 1-минутной паузой), чтобы уменьшить нагрев оборудования и избежать локального перегрева. После экстракции фильтруют через сито 400-600 меш и собирают фильтрат (содержащий пектин). Остаток можно экстрагировать снова для повышения выхода.

3. Отделение и очистка пектина. Пектин в экстракте необходимо отделить и осаждать для удаления примесей, в результате чего получается сырой или очищенный пектин:

Концентрирование: Сконцентрируйте фильтрат до 1/4-1/5 его первоначального объема, используя вакуумный концентратор при температуре 50-60 градусов, уменьшая количество необходимого осадителя.

Осаждение: Медленно добавляйте 95%-ный этанол к концентрату до тех пор, пока конечная концентрация этанола не достигнет 60-70% (объемная доля), непрерывно помешивая. Дать постоять 4-8 часов. Пектин выпадает в виде белого хлопьевидного осадка из-за пониженной растворимости.

Фильтрация и промывка: фильтруют с помощью воронки Бюхнера, собирают осадок и промывают 2-3 раза последовательно 70%-ным и 95%-ным этанолом для удаления остаточной кислоты и растворимых сахаров.

Сушка и измельчение: поместите промытый осадок пектина в вакуумную печь при температуре 45-50 градусов для просушки, затем измельчите до получения сырого пектина. Для пектина высокой чистоты можно использовать дополнительные методы диализа или ионообменной смолы для удаления примесей.

 

III. Ключевые требования к процессу

Контроль кислотности: pH экстракционного раствора должен поддерживаться в пределах от 1,5 до 3,0. Слишком низкий pH приведет к деградации молекулы пектина, а слишком высокий pH приведет к недостаточному растворению пектина.

 

Соответствие ультразвуковых параметров: мощность и частоту ультразвука необходимо регулировать в соответствии с размером частиц сырья; частицы большего размера требуют более высокой мощности. Время экстракции не должно быть слишком длительным; превышение порога замедляет рост урожайности и увеличивает энергопотребление.

 

Стабильность температуры: во время экстракции необходимо контролировать температуру в режиме реального времени, чтобы избежать превышения температуры 60 градусов из-за ультразвукового термического воздействия. Контроль температуры может быть достигнут с помощью системы охлаждения оборудования.

Дозировка осадителя: Конечная концентрация этанола должна строго контролироваться в диапазоне от 60% до 70%. При содержании ниже 60% пектин не может полностью осаждаться; выше 70%, это увеличит осаждение примесей.

 

IV. Меры предосторожности
Табу на предварительную обработку сырья:
Температура сушки не должна превышать 60 градусов, иначе это приведет к денатурации пектина. После измельчения сырье необходимо запечатать и хранить во избежание впитывания влаги и комкования.

 

Во время обезжиривания и обессахаривания этанол необходимо перерабатывать, чтобы снизить затраты и избежать загрязнения окружающей среды.

Меры предосторожности при эксплуатации оборудования:
Резервуар для ультразвуковой экстракции необходимо регулярно очищать, чтобы предотвратить прилипание остаточного пектина и примесей к поверхности ультразвукового зонда, что влияет на эффективность ультразвука.

 

Во время экстракции необходимо поддерживать перемешивание, чтобы предотвратить оседание частиц сырья на дне резервуара, что приводит к недостаточной локальной интенсивности ультразвука.

Во время работы оборудования резервуар нельзя открывать, чтобы ультразвуковые волны не причинили вред человеческому организму (например, повреждение слуха или раздражение кожи).

 

Меры предосторожности при хранении пектина:
Высушенный пектин следует хранить в сухом, прохладном и вентилируемом месте, избегая влаги и света, чтобы предотвратить ухудшение свойств пектинового геля.

Для длительного-хранения его можно запечатать и поставить в холодильник (4 градуса) со сроком годности более 12 месяцев.

Требования по охране окружающей среды и безопасности: Жидкие отходы добычи должны быть нейтрализованы до нейтрального состояния перед сбросом, чтобы избежать загрязнения кислыми сточными водами почвы и источников воды.

 

Этанол легковоспламеняющийся; держитесь подальше от открытого огня во время осадков и процессов мытья и обеспечьте хорошую-проветриваемую рабочую среду.