طرح امکان سنجی و فرآیند استخراج پکتین از سیب، منافذ به، و پوست پرتقال با استفاده از تجهیزات استخراج اولتراسونیک

تجهیزات استخراج اولتراسونیک می توانند به طور موثری پکتین را از تفاله سیب، تفاله به و پوست پرتقال استخراج کنند. در مقایسه با روش‌های سنتی استخراج آب گرم و استخراج اسیدی، مزایای قابل توجهی مانند راندمان استخراج بالا، زمان استخراج کوتاه، دمای پایین و عملکرد و خلوص پکتین بالاتر را ارائه می‌دهد. اصل اصلی آن از اثر کاویتاسیون، اثر ارتعاش مکانیکی و اثر حرارتی اولتراسوند برای برهم زدن ساختار سلولزی و همی سلولزی دیواره‌های سلولی گیاهی استفاده می‌کند و انحلال پکتین را از دیواره‌های سلولی تسریع می‌کند و در عین حال آسیب به ساختار مولکولی پکتین ناشی از دماهای بالا را به حداقل می‌رساند.

I. اصل اصلی استخراج پکتین (مکانیسم تقویت اولتراسونیک)

اثر کاویتاسیون: هنگامی که سونوگرافی در مایع استخراج منتشر می شود، حباب های ریز متعددی تولید می کند. این حباب‌ها به سرعت منبسط می‌شوند و می‌ترکند، فشار بالا و نیروی ضربه‌ای را آزاد می‌کنند و مستقیماً دیواره‌های سلولی پوست تفاله/پرتقال را پاره می‌کنند و باعث می‌شوند پکتین درون سلول‌ها به سرعت در مایع استخراج‌کننده حل شود.

اثر ارتعاش مکانیکی: ارتعاش با فرکانس بالا- سونوگرافی یک اثر همزن مکانیکی قوی بر روی ذرات مواد ایجاد می‌کند، اختلاف غلظت بین مایع استخراج و سطح ماده را کاهش می‌دهد و فرآیند انتقال جرم را تسریع می‌کند. اثر حرارتی: انرژی اولتراسوند به گرمای ردیابی موضعی تبدیل می‌شود که می‌تواند سرعت حرکت مولکولی عصاره را افزایش دهد، اما دمای کلی بسیار پایین‌تر از استخراج حرارتی سنتی است، از تخریب پکتین به دلیل دماهای بالا جلوگیری می‌کند و از وزن مولکولی و خواص ژل شدن پکتین اطمینان حاصل می‌کند.

 

II. جریان فرآیند خاص (قابل استفاده برای تفاله سیب، تفاله به و پوست پرتقال)

1. پیش تصفیه مواد خام پیش تصفیه یک مرحله مهم برای تعیین بازده و خلوص پکتین است که نیازمند حذف ناخالصی ها و اجزای مزاحم از مواد خام است:
* شستشو و حذف ناخالصی ها: تفاله سیب، تفاله به و پوست پرتقال را با آب تمیز بشویید تا کثیفی، باقی مانده آفت کش ها روی سطح پوست و تکه های تفاله میوه از تفاله ها پاک شود.

* خشک کردن و آسیاب کردن: مواد اولیه شسته شده را در فر با دمای 60-40 درجه قرار دهید تا با وزن ثابت (رطوبت) خشک شود.<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. چربی‌زدایی و شیرین‌زدایی (اختیاری، برای بهبود خلوص پکتین): اگر ماده خام دارای محتوای روغن بالا یا محتوای قند محلول باشد (مثلاً پوست پرتقال حاوی روغن‌های ضروری است)، می‌توان آن را در اتانول 95 درصد با نسبت مواد به نسبت مایع 1:5 در متر لیتر و سپس 5 گرم خیس کرد. شکر زدایی پس از فیلتراسیون، آن را خشک می کنند تا ناخالصی هایی مانند روغن و الیگوساکاریدها حذف شود و از اتصال آنها با پکتین در طول استخراج بعدی جلوگیری شود.

 

2. التراسونیک-به کمک استخراج پکتین: این مرحله بسیار مهم است و نیاز به کنترل دقیق پارامترهای استخراج دارد که بسته به ماده خام کمی متفاوت است.

**تهیه محلول استخراج:** پکتین یک پلی ساکارید اسیدی است و باید در شرایط اسیدی حل شود. محلول‌های استخراج معمولاً محلول‌های اسید کلریدریک، اسید سیتریک یا اسید اگزالیک هستند که غلظت آنها بین 0.05 - 0.2 مول در لیتر کنترل می‌شود. محلول اگزالیک اسید می‌تواند یون‌های کلسیم و منیزیم را در مواد خام کلات کند، پیوند متقابل پکتین و رسوب را کاهش دهد و در نتیجه عملکرد بالاتری داشته باشد و آن را برای پوست پرتقال و تفاله سیب مناسب‌تر کند.
**تنظیم نسبت مواد-به-مایع:** پودر ماده خام و محلول استخراج را با نسبت 1:15{6}}1:30 (گرم در میلی لیتر) مخلوط کرده و در ظرف استخراج اولتراسونیک قرار دهید. نسبت کم مواد{7}}به مایع منجر به انتقال جرم ناکافی می‌شود، در حالی که نسبت بالا هزینه غلظت بعدی را افزایش می‌دهد.

عملیات استخراج: پس از مخلوط کردن کامل مایع، تجهیزات استخراج اولتراسونیک را روشن کرده و طبق پارامترهای تنظیم شده استخراج کنید. فراصوت متناوب را می توان در طول فرآیند انجام داد (5 دقیقه اولتراسونیک و به دنبال آن یک دقیقه مکث) برای کاهش گرمایش تجهیزات و جلوگیری از گرمای بیش از حد موضعی. پس از استخراج، از یک صفحه مش 400-600 فیلتر کرده و فیلتر (حاوی پکتین) را جمع آوری کنید. باقیمانده را می توان دوباره برای بهبود عملکرد استخراج کرد.

3. جداسازی و خالص سازی پکتین: پکتین موجود در عصاره باید جدا شده و رسوب شود تا ناخالصی ها از بین برود و پکتین خام یا تصفیه شده تولید شود.

تغلیظ: با استفاده از یک غلیظ کننده خلاء در دمای 50-60 درجه، فیلتر را تا 1/4-1/5 از حجم اولیه آن غلیظ کنید و مقدار رسوب دهنده مورد نیاز را کاهش دهید.

رسوب: به آرامی اتانول 95% را به کنسانتره اضافه کنید تا غلظت نهایی اتانول به 60% -70% (کسر حجمی) برسد و پیوسته هم بزنید. بگذارید 4-8 ساعت بماند. پکتین به دلیل کاهش حلالیت به صورت یک رسوب لخته سفید رنگ رسوب می کند.

فیلتراسیون و شستشو: با استفاده از قیف بوخنر فیلتر شده، رسوب را جمع آوری کرده و 2 تا 3 بار متوالی با اتانول 70 درصد و اتانول 95 درصد بشویید تا باقیمانده اسید و قندهای محلول حذف شوند.

خشک کردن و آسیاب کردن: رسوب پکتین شسته شده را در کوره خلاء با دمای 45{2}}50 درجه قرار دهید تا خشک شود، سپس آسیاب کنید تا پکتین خام بدست آید. برای پکتین با خلوص بالا، می توان از روش های دیالیز بیشتر یا رزین تبادل یونی برای حذف ناخالصی ها استفاده کرد.

 

III. الزامات فرآیند کلیدی

کنترل اسیدیته: pH محلول استخراج باید بین 1.5 تا 3.0 حفظ شود. PH بسیار پایین منجر به تخریب مولکول پکتین می شود، در حالی که pH بسیار بالا منجر به انحلال ناکافی پکتین می شود.

 

تطبیق پارامتر اولتراسونیک: قدرت و فرکانس اولتراسونیک باید با توجه به اندازه ذرات مواد خام تنظیم شود. اندازه ذرات بزرگتر به توان بالاتری نیاز دارد. زمان استخراج نباید خیلی طولانی باشد. فراتر از آستانه رشد محصول را کند می کند و مصرف انرژی را افزایش می دهد.

 

پایداری دما: برای جلوگیری از دمای بیش از 60 درجه به دلیل اثرات حرارتی اولتراسونیک، دما باید در زمان واقعی کنترل شود. کنترل دما را می توان از طریق سیستم خنک کننده تجهیزات به دست آورد.

دوز رسوب دهنده: غلظت نهایی اتانول باید بین 60 تا 70 درصد به شدت کنترل شود. زیر 60% پکتین را نمی توان به طور کامل رسوب داد. بالای 70 درصد باعث افزایش بارندگی ناخالصی می شود.

 

IV. موارد احتیاط
تابوهای پیش تصفیه مواد خام:
دمای خشک کردن نباید بیش از 60 درجه باشد، در غیر این صورت باعث دناتوره شدن پکتین می شود. پس از پودر شدن، مواد اولیه باید مهر و موم شده و ذخیره شود تا از جذب رطوبت و کلوخه شدن آن جلوگیری شود.

 

در طول چربی زدایی و شکر زدایی، اتانول باید بازیافت شود تا هزینه ها کاهش یابد و از آلودگی محیط زیست جلوگیری شود.

اقدامات احتیاطی عملیاتی تجهیزات:
مخزن استخراج اولتراسونیک باید به طور مرتب تمیز شود تا از چسبیدن باقیمانده پکتین و ناخالصی ها به سطح پروب اولتراسونیک جلوگیری شود که بر کارایی اولتراسونیک تأثیر می گذارد.

 

در حین استخراج باید به هم زدن ادامه داد تا از ته نشین شدن ذرات مواد خام در کف مخزن جلوگیری شود و در نتیجه شدت اولتراسونیک موضعی کافی نباشد.

هنگامی که تجهیزات در حال کار هستند، مخزن نباید باز شود تا از آسیب امواج اولتراسونیک به بدن انسان (مانند آسیب شنوایی یا تحریک پوست) جلوگیری شود.

 

اقدامات احتیاطی در نگهداری پکتین:
پکتین خشک شده باید در مکانی خشک، خنک و دارای تهویه نگهداری شود و از قرار گرفتن در معرض رطوبت و نور جلوگیری شود تا از تخریب خواص ژل پکتین جلوگیری شود.

برای نگهداری طولانی‌مدت-، می‌توان آن را مهر و موم کرد و در یخچال (4 درجه) با ماندگاری بیش از 12 ماه نگهداری کرد.

الزامات زیست محیطی و ایمنی: مایع زباله استخراج باید قبل از تخلیه خنثی شود تا از آلودگی اسیدی فاضلاب خاک و منابع آب جلوگیری شود.

 

اتانول قابل اشتعال است. در طول فرآیندهای بارش و شستشو از شعله های باز دوری کنید و از یک محیط عملیاتی{0}}با تهویه مناسب اطمینان حاصل کنید.