ทําไมต้องใช้เครื่อง ultrasonic สําหรับการสกัดเพคติน?

ทำไมจึงต้องใช้เครื่องอัลตราโซนิกในการสกัดเพคติน?

เทคโนโลยีช่วยด้วยคลื่นอัลตราโซนิกถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการสกัดผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ มีสามขั้นตอนหลักในการสกัดเพคติน: ขั้นตอนการแทรกซึมและการเจาะที่เร่งขึ้น ขั้นตอนการละลายและการละลายที่ส่งเสริม และขั้นตอนการแพร่กระจายและการแทนที่ที่เพิ่มขึ้น เพคตินเป็นสารประกอบโมเลกุลสูงประเภทโพลีแซ็กคาไรด์ที่มีอยู่ในรูปของโปรโตเพคติน เพคติน และกรดเพคติกในผลไม้ ราก ลำต้น และใบของพืชและผลไม้ เพคตินเป็นส่วนประกอบสำคัญของผนังเซลล์และมีอยู่ร่วมกับเซลลูโลสเพื่อสร้างสารยึดเกาะของชั้นกลางของเซลล์ กล่าวได้ว่าเป็นสารยึดเกาะที่ยึดเนื้อเยื่อพืชเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา ส่วนประกอบหลักของเพคตินคือกรดกาแลกทูโรนิกที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไกลโคซิดิก α-1, 4 และโพลิเมอร์ที่เกิดจากน้ำตาลที่เป็นกลาง เช่น กาแลกโตส อาราบิโนส และส่วนประกอบที่ไม่ใช่น้ำตาลอื่นๆ เช่น เมทานอล กรดอะซิติก กรดเฟรูลิก และสารอื่นๆ โครงสร้างของเพคตินส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองส่วน: โซ่หลักและโซ่ข้าง

โซ่หลักของกรดโพลีกาแลกทูโรนิกสูงเกิดจากโซ่ตรงของหน่วยกรด D-กาแลกทูโรนิกที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไกลโคซิดิก α-1, 4 และโซ่ข้างส่วนใหญ่ประกอบด้วยโพลีแซ็กคาไรด์กรดกาแลกทูโรนิก [1] เพคติน ซึ่งเป็นสารประกอบโมเลกุลสูงจากธรรมชาติ มีคุณสมบัติในการยึดติดและอิมัลซิไฟเออร์ได้ดีเยี่ยม และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอาหาร เภสัชกรรม เคมีภัณฑ์ในชีวิตประจำวัน และสิ่งทอ ปัจจุบันมีวิธีการสกัดเพคตินมากมาย รวมถึงการสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกจากพืชและผลไม้ต่างๆ

การสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเป็นเทคโนโลยีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่ใช้ผลกระทบทางกายภาพของคลื่นอัลตราโซนิก เช่น การสั่นสะเทือนทางกล การเกิดโพรงอากาศ และผลกระทบจากความร้อน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการสกัด เทคโนโลยีนี้โดยการปรับกระบวนการสกัดให้เหมาะสม ช่วยเอาชนะความท้าทายด้านเวลา พลังงาน และผลผลิตต่ำของวิธีการสกัดแบบดั้งเดิม (เช่น การสกัดด้วยกรดและเอนไซม์) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เป็นประเด็นร้อนแรงในการวิจัยในสาขาสกัดเพคติน ต่อไปนี้เป็นการอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับหลักการ ลักษณะการใช้งาน ข้อดี ปัจจัยที่มีอิทธิพล และกรณีศึกษา:
1. หลักการหลักของการสกัดเพคตินด้วยคลื่นอัลตราโซนิก
คลื่นอัลตราโซนิกเป็นคลื่นเสียงที่มีความถี่สูงกว่า 20kHz เมื่อแพร่กระจายในตัวกลางที่เป็นของเหลว จะเกิดผลกระทบหลักสามประการที่ส่งเสริมการละลายของเพคติน:

ผลกระทบจากการเกิดโพรงอากาศ: คลื่นอัลตราโซนิกสร้างฟองอากาศขนาดเล็กจำนวนมาก (ฟองอากาศโพรงอากาศ) ในของเหลว ฟองอากาศเหล่านี้จะสั่นอย่างรวดเร็ว เติบโต แล้วแตกออก ปล่อยพลังงานมหาศาล (อุณหภูมิสูงเฉพาะที่และความดันสูง) ฟองอากาศเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อผนังเซลล์พืชและเมทริกซ์ระหว่างเซลล์ ทำลายความสมบูรณ์ของโครงสร้างต่างๆ เช่น เซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลส ทำให้เพคตินที่ห่อหุ้มเข้าถึงตัวทำละลายและละลายได้ง่ายขึ้น

การสั่นสะเทือนทางกล: การสั่นสะเทือนความถี่สูงของคลื่นอัลตราโซนิกสร้างความปั่นป่วนอย่างรุนแรงในระบบสกัด (อนุภาควัตถุดิบและตัวทำละลาย) เพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนมวล ลดความต้านทานการแพร่กระจายของเพคตินบนพื้นผิววัตถุดิบ และเร่งการถ่ายโอนเพคตินจากเฟสของแข็ง (วัตถุดิบ) ไปยังเฟสของเหลว (ตัวทำละลาย)

ผลกระทบจากความร้อน: พลังงานอัลตราโซนิกถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนบางส่วน ทำให้ระบบสกัดมีอุณหภูมิสูงขึ้นในระดับปานกลาง (โดยปกติจะต่ำกว่าการให้ความร้อนแบบดั้งเดิม) ส่งเสริมความสามารถของตัวทำละลายในการละลายเพคติน อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิสามารถควบคุมได้มากกว่าการให้ความร้อนโดยตรง ซึ่งสามารถลดการเสื่อมสภาพของเพคตินที่เกิดจากอุณหภูมิสูง

III. ข้อดีของการสกัดเพคตินด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

ประสิทธิภาพสูงและประหยัดพลังงาน: ระยะเวลาการสกัดสั้นลง 50%-70% และการใช้พลังงานลดลงกว่า 30% ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดของอุตสาหกรรมที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

คุณภาพเพคตินดีขึ้น: การสกัดที่อุณหภูมิต่ำช่วยลดการเสื่อมสภาพของเพคติน ส่งผลให้มีองศาของการทำให้เป็นเอสเทอร์สูงขึ้น (ตัวอย่างเช่น เพคตินจากเปลือกส้มสามารถทำได้ถึงองศาของการทำให้เป็นเอสเทอร์มากกว่า 75% เมื่อเทียบกับ 68% ที่ทำได้ด้วยการสกัดด้วยกรดแบบดั้งเดิม) ซึ่งส่งผลให้ความแข็งแรงของเจลและความเสถียรของอิมัลชันดีขึ้น ทำให้เหมาะสำหรับการใช้เป็นสารเติมแต่งอาหาร (เช่น แยมและเยลลี่) และสารช่วยทางเภสัชกรรม (เช่น สารนำส่งแบบควบคุมการปลดปล่อย)

การประยุกต์ใช้ที่หลากหลาย: มีประสิทธิภาพสำหรับวัตถุดิบหลากหลายชนิด (เปลือกส้ม กากแอปเปิล เปลือกเกรปฟรุต แกนมะม่วง ฯลฯ) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้ประโยชน์จากของเสียจากการแปรรูปผักและผลไม้ที่มีมูลค่าสูง ลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม

การใช้งานง่าย: ไม่จำเป็นต้องใช้สารเคมีที่ซับซ้อน กระบวนการสามารถปรับให้เหมาะสมได้ง่ายๆ โดยการปรับพารามิเตอร์อัลตราโซนิก ทำให้ง่ายต่อการขยายขนาดในเชิงอุตสาหกรรม IV. ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

ประสิทธิภาพการสกัด (อัตราการสกัด) และคุณภาพของเพคติน (องศาของการทำให้เป็นเอสเทอร์ น้ำหนักโมเลกุล) ได้รับผลกระทบจากพารามิเตอร์ต่อไปนี้ และต้องมีการปรับให้เหมาะสม:

กำลังอัลตราโซนิก: ต่ำเกินไปส่งผลให้เกิดโพรงอากาศอ่อนแอและอัตราการสกัดต่ำ สูงเกินไป (เช่น เกิน 500W) ส่งผลให้โซ่โมเลกุลแตก (น้ำหนักโมเลกุลลดลง) และคุณภาพลดลง ช่วงทั่วไปคือ 200-400W
เวลาอัลตราโซนิก: อัตราการสกัดจะเพิ่มขึ้นในตอนแรกเมื่อเวลาเพิ่มขึ้น (การละลายเพคตินเสร็จสมบูรณ์) แต่จะคงที่หรือลดลงหลังจาก 60 นาที (การเกิดโพรงอากาศมากเกินไปนำไปสู่การเสื่อมสภาพของเพคติน)

อัตราส่วนของแข็งต่อของเหลว: หากอัตราส่วนของวัตถุดิบต่อตัวทำละลาย (เช่น สารละลายกรด) สูงเกินไป (เช่น ต่ำกว่า 1:10) จะมีตัวทำละลายไม่เพียงพอและจำกัดการละลายของเพคติน หากต่ำเกินไป (เช่น สูงกว่า 1:50) ต้นทุนการทำให้เข้มข้นในภายหลังจะเพิ่มขึ้น ช่วงทั่วไปคือ 1:20-1:30
pH: สภาวะที่เป็นกรด (pH 2.0-3.0) เอื้อต่อการละลายของเพคติน (การทำลายพันธะไฮโดรเจน) การสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกสามารถขยายช่วง pH ได้ (เช่น pH 3.0-4.0 ยังคงรักษาประสิทธิภาพสูง) ลดการกัดกร่อนของกรดบนอุปกรณ์
อุณหภูมิ: ผลกระทบจากความร้อนของคลื่นอัลตราโซนิกสามารถทำให้อุณหภูมิของระบบสูงขึ้นถึง 40-60°C อุณหภูมิที่สูงเกินไป (เช่น สูงกว่า 70°C) เร่งการเสื่อมสภาพของเพคติน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการระบายความร้อนเพื่อควบคุมอุณหภูมิ

V. กรณีศึกษา
เพคตินจากเปลือกส้ม: การใช้กระบวนการสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิก-กรดซิตริก (กำลัง 300W, เวลา 45 นาที, pH 2.5, อัตราส่วนของแข็งต่อของเหลว 1:25) ผลผลิตการสกัดเพคตินจากเปลือกส้มสูงถึง 21.3% องศาของการทำให้เป็นเอสเทอร์ของเพคตินสูงถึง 76% และความแข็งแรงของเจล (ที่ความเข้มข้น 1%) สูงถึง 120g/cm² ซึ่งสูงกว่าการสกัดด้วยกรดแบบดั้งเดิม (ผลผลิตการสกัด 16.8% ความแข็งแรงของเจล 95g/cm²) เพคตินจากกากแอปเปิล: การสกัดแบบผสมผสานด้วยคลื่นอัลตราโซนิก-เซลลูเลส (กำลัง 250W, ปริมาณเอนไซม์ 0.5%, เวลา 50 นาที) ให้ผลผลิตการสกัด 24.5% เพิ่มขึ้น 34.6% เมื่อเทียบกับการสกัดด้วยเอนไซม์เพียงอย่างเดียว (18.2%) เพคตินยังได้รับรูปแบบการกระจายน้ำหนักโมเลกุลที่เข้มข้นขึ้น (ปรับปรุงความเสถียรในการทำงาน)
VI. ข้อจำกัดและแนวโน้ม
ข้อจำกัด: กำลังไฟที่มากเกินไปอาจนำไปสู่การเสื่อมสภาพของเพคติน การควบคุมความสม่ำเสมอเป็นเรื่องยากด้วยอุปกรณ์อุตสาหกรรม (เช่น เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกขนาดใหญ่) คลื่นอัลตราโซนิกเพียงอย่างเดียวมีประสิทธิภาพจำกัดสำหรับวัตถุดิบที่มีเส้นใยสูงบางชนิด (เช่น เปลือกผลไม้ที่มีลิกนินสูง) ซึ่งจำเป็นต้องใช้ร่วมกับเทคโนโลยีอื่นๆ
แนวโน้ม: การพัฒนาอุปกรณ์อัลตราโซนิกใหม่ในอนาคต (เช่น คลื่นอัลตราโซนิกแบบโฟกัสและเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกแบบไหลต่อเนื่อง) และการปรับกระบวนการทำงานร่วมกันหลายเทคนิคให้เหมาะสม (การรวมกันของคลื่นอัลตราโซนิก-เอนไซม์-ไมโครเวฟ) จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการสกัดและคุณภาพของเพคตินต่อไป ส่งเสริมการประยุกต์ใช้ในวงกว้างในด้านอาหาร ยา และการปกป้องสิ่งแวดล้อม

โดยสรุป เทคโนโลยีช่วยด้วยคลื่นอัลตราโซนิกช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและคุณภาพของการสกัดเพคตินอย่างมีนัยสำคัญโดยการเพิ่มการถ่ายโอนมวล ทำลายโครงสร้าง และลดการใช้พลังงาน เป็นวิธีการทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับการใช้ประโยชน์จากของเสียจากผักและผลไม้ที่มีมูลค่าสูง และมีแนวโน้มในอุตสาหกรรมในวงกว้าง