Ultrazvučna ekstrakcija pektina iz voća i biootpada

• Pektini su vrlo često korišten prehrambeni aditiv koji se dodaje uglavnom zbog svog djelovanja na geliranje.
• Ultrazvučna ekstrakcija značajno povećava prinos i kvalitet ekstrakata pektina.
• Ultrazvučna obrada (sonikacija) poznata je po svom učinku intenziviranja procesa, koji se već koristi u brojnim industrijskim procesima.

Pektini i ekstrakcija pektina

Pektin je prirodni složeni polisaharid (heteropolisaharid) koji se nalazi naročito u ćelijskim zidovima voća, posebno u citrusnom voću i tropu jabuke. Visok sadržaj pektina nalazi se u koricama i jabuka i citrusnog voća. Trop jabuke sadrži 10-15% pektina računato na suhu tvar, dok kora citrusa sadrži 20-30%. Pektini su biokompatibilni, biorazgradivi i obnovljivi polisaharidi s odličnom funkcionalnošću geliranja i zgušnjavanja, zbog čega su visoko cijenjeni aditivi. Široko se koriste u prehrambenim, kozmetičkim i farmaceutskim proizvodima kao modifikatori reologije, djelujući kao sredstva za geliranje, glaziranje, stabilizaciju i zgušnjavanje, a u nekim formulacijama i kao emulgatori. Ultrazvučna ekstrakcija je efikasna metoda za izolaciju visokokvalitetnih pektina iz kore voća i tropa, pri čemu se povećava prinos, a smanjuju vrijeme obrade i ukupni troškovi.

Konvencionalna ekstrakcija pektina za industrijske primjene provodi se pomoću procesa katalizovanih kiselinom (upotrebom dušične, hlorovodične ili sumporne kiseline). Ekstrakcija katalizovana kiselinom najčešće je korišten proces u industrijskoj proizvodnji pektina, jer su ostale tehnike ekstrakcije, kao što je direktno kuhanje (60ºC-100ºC) do 24 sata i niski pH (1,0-3,0), spore i imaju nizak prinos, mogu uzrokovati termičku degradaciju ekstrahovanih vlakana, a prinos pektina je ponekad ograničen uvjetima procesa. Međutim, ekstrakcija katalizovana kiselinom ima i svoje nedostatke: oštra kisela obrada uzrokuje depolimerizaciju i deesterifikaciju lanaca pektina, što negativno utječe na kvalitet pektina. Proizvodnja velikih količina kisele otpadne vode zahtijeva naknadnu obradu i skupu preradu, zbog čega proces predstavlja opterećenje za okoliš.

Ultrazvučna ekstrakcija pektina

Ultrazvučna ekstrakcija je blaga, netermička obrada koja se primjenjuje u brojnim prehrambenim procesima. Kada je riječ o ekstrakciji pektina iz voća i povrća, ultrazvučna obrada daje pektin visokog kvaliteta. Ultrazvučno ekstrahovani pektini ističu se sadržajem anhidrouronske kiseline, metoksila i kalcijum-pektata, kao i stepenom esterifikacije. Blagi uvjeti ultrazvučne ekstrakcije sprječavaju termičku degradaciju pektina osjetljivih na toplinu.
Kvalitet i čistoća pektina mogu varirati ovisno o anhidrogalakturonskoj kiselini, stepenu esterifikacije i sadržaju pepela u ekstrahovanom pektinu. Pektin s visokom molekulskom masom i niskim sadržajem pepela (ispod 10%) uz visok sadržaj anhidrogalakturonske kiseline (iznad 65%) poznat je kao pektin dobrog kvaliteta. Budući da se intenzitet ultrazvučne obrade može vrlo precizno kontrolisati, svojstva ekstrakta pektina mogu se podešavati prilagođavanjem amplitude, temperature ekstrakcije, pritiska, vremena zadržavanja i otapala.

U ovom videu predstavljamo visokoefikasnu ultrazvučnu ekstrakciju pektina iz kore grejpa pomoću sonikatora sa sondom UP200Ht. Sonikacija je visokoefikasna metoda za postizanje visokih prinosa kvalitetnog pektina iz nusproizvoda prerade voća i povrća. Ultrazvučna ekstrakcija daje veće količine pektina vrhunskog kvaliteta uz kraće vrijeme obrade.

 
Ovdje pronađite protokol za ultrazvučnu ekstrakciju pektina iz kore grejpfruta prikazan u gornjem videu!

Ultrazvučna ekstrakcija može se provoditi korištenjem raznih otapala kao što su voda, limunska kiselina, otopina dušične kiseline (HNO₃, pH 2,0) ili amonijev oksalat/oksalna kiselina, što omogućava i integraciju ultrazvučne obrade u postojeće linije za ekstrakciju (naknadna ugradnja).

Otpad od voća kao izvor: Visokoučinski ultrazvuk već je uspješno primijenjen za izolaciju pektina iz tropa jabuke, kore citrusnog voća (kao što su narandža, limun, grejpfrut), tropa grožđa, nara, rezanaca šećerne repe, kore zmajevog voća, kladodija kaktusove smokve, kore marakuje i kore manga.

Taloženje pektina nakon ultrazvučne ekstrakcije

Dodavanje etanola u otopinu ekstrakta može pomoći u izdvajanju pektina procesom koji se naziva taloženje. Pektin, složeni polisaharid koji se nalazi u ćelijskim zidovima biljaka, topiv je u vodi u normalnim uvjetima. Međutim, promjenom okruženja otapala dodavanjem etanola topivost pektina može se smanjiti, što dovodi do njegovog taloženja iz otopine.

Hemija taloženja pektina pomoću etanola može se objasniti pomoću tri reakcije:

• Prekid vodikovih veza: Molekule pektina drže se zajedno vodikovim vezama, koje doprinose njihovoj topivosti u vodi. Etanol prekida te vodikove veze tako što se s molekulama vode nadmeće za vezna mjesta na molekulama pektina. Kako molekule etanola zamjenjuju molekule vode oko molekula pektina, vodikove veze između molekula pektina slabe, čime se smanjuje njihova topivost u otapalu.
• Smanjena polarnost otapala: Etanol je manje polaran od vode, što znači da ima manju sposobnost otapanja polarnih tvari poput pektina. Kako se etanol dodaje u otopinu ekstrakta, ukupna polarnost otapala se smanjuje, pa je molekulama pektina manje povoljno da ostanu u otopini. To dovodi do taloženja pektina iz otopine jer postaje manje topiv u smjesi etanola i vode.
• Povećana koncentracija pektina: Kako se molekule pektina talože iz otopine, koncentracija pektina u preostaloj otopini raste. To omogućava lakše odvajanje pektina od tekuće faze filtracijom ili centrifugiranjem.

Taloženje pektina pomoću etanola jednostavna je i efikasna metoda za izolaciju pektina iz otopine ekstrakta, a riječ je o koraku procesa koji se može lako provesti nakon ultrazvučne ekstrakcije pektina. Dodavanje etanola u otopinu ekstrakta mijenja okruženje otapala na način koji smanjuje topivost pektina, što dovodi do njegovog taloženja i naknadnog odvajanja iz otopine. Ova se tehnika uobičajeno koristi pri ekstrakciji i prečišćavanju pektina iz biljnih materijala za razne industrijske i prehrambene primjene.

Zanima vas valorizacija tropa, kore i pulpe? – Pročitajte više o ekstrakciji polifenola iz otpada od voća!

Industrijski sonikatori za ekstrakciju pektina

Hielscher Ultrasonics je vaš partner za procese ekstrakcije iz biljnog materijala kao što su trop, kora i sjemenke. Bilo da želite ekstrahovati male količine za istraživanje i analizu ili obrađivati velike volumene za komercijalnu proizvodnju, imamo odgovarajući ultrazvučni ekstraktor za vas. Naši ultrazvučni laboratorijski homogenizatori, kao i stolni i industrijski sonikatori, robusni su, jednostavni za upotrebu i izrađeni za rad 24/7 pod punim opterećenjem. Širok izbor pribora, kao što su sonotrode (ultrazvučne sonde / rogovi) različitih veličina i oblika, protočne ćelije i reaktori te booster-i, omogućava optimalnu postavku za vaš specifični proces ekstrakcije.
Svi digitalni ultrazvučni uređaji opremljeni su ekranom osjetljivim na dodir u boji, integriranom SD karticom za automatsko protokoliranje podataka i daljinskim upravljanjem putem preglednika za sveobuhvatan nadzor procesa. Uz sofisticirane ultrazvučne sisteme kompanije Hielscher, visoka standardizacija procesa i kontrola kvaliteta postaju jednostavne.
Kontaktirajte nas još danas kako bismo razgovarali o zahtjevima vašeg procesa ekstrakcije pektina! Rado ćemo vam pomoći svojim dugogodišnjim iskustvom u ultrazvučnoj ekstrakciji i pomoći vam da postignete najveću efikasnost procesa i optimalan kvalitet pektina!

Tabela u nastavku daje okvirnu naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Rezultati istraživanja ultrazvučne ekstrakcije pektina

Otpad od paradajza: Kako bi se izbjegla duga vremena ekstrakcije (12–24 h) u postupku refluksa, ultrazvučna obrada korištena je za intenziviranje procesa ekstrakcije u pogledu vremena (15, 30, 45, 60 i 90 min). Ovisno o vremenu ekstrakcije, dobiveni prinosi pektina u prvom koraku ultrazvučne ekstrakcije, pri temperaturama od 60°C i 80°C, iznose 15,2–17,2% odnosno 16,3–18,5%. kada je primijenjen drugi korak ultrazvučne ekstrakcije, prinos pektina iz otpada od paradajza povećan je na 34–36%, ovisno o temperaturama i vremenima). Očito je da ultrazvučna ekstrakcija povećava pucanje matriksa ćelijskog zida paradajza, što dovodi do boljih interakcija između otapala i ekstrahovanog materijala.
Ultrazvučno ekstrahovani pektini mogu se svrstati u visokometoksilne pektine (HM-pektin) sa svojstvima brzog geliranja (DE > 70%) i stepenom esterifikacije od 73,3–85,4%. n. Sadržaj kalcijum-pektata u ultrazvučno ekstrahovanom pektinu izmjeren je između 41,4% i 97,5%, ovisno o parametrima ekstrakcije (temperatura i vrijeme). Pri višoj temperaturi ultrazvučne ekstrakcije sadržaj kalcijum-pektata je viši (91–97%) te kao takav predstavlja važan parametar sposobnosti geliranja pektina u poređenju s konvencionalnom ekstrakcijom.
Konvencionalna ekstrakcija otapalom u trajanju od 24 sata daje slične prinose pektina kao 15 min ultrazvučne ekstrakcije. S obzirom na dobivene rezultate, može se zaključiti da ultrazvučna obrada znatno skraćuje vrijeme ekstrakcije. NMR i FTIR spektroskopija potvrđuju postojanje pretežno esterifikovanog pektina u svim ispitivanim uzorcima. [Grassino et al. 2016]

Kora marakuje: Prinos ekstrakcije, galakturonska kiselina i stepen esterifikacije smatrani su pokazateljima efikasnosti ekstrakcije. najveći prinos pektina dobiven ekstrakcijom potpomognutom ultrazvukom iznosio je 12,67% (uvjeti ekstrakcije 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 i 10 min). Pod istim uvjetima provedena je konvencionalna ekstrakcija zagrijavanjem, a rezultat je bio 7,95%. Ovi rezultati u skladu su s drugim studijama, koje izvještavaju o kratkom vremenu efikasne ekstrakcije polisaharida, uključujući pektin, hemiceluloze i druge u vodi topive polisaharide, potpomognute ultrazvukom. Također je uočeno da se prinos ekstrakcije povećao 1,6 puta kada je ekstrakcija bila potpomognuta ultrazvukom. Dobiveni rezultati pokazali su da je ultrazvuk efikasna tehnika za ekstrakciju pektina iz kore marakuje, koja štedi vrijeme. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Kladodiji kaktusove smokve: Ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija (UAE) pektina iz kladodija Opuntia ficus indica (OFI) nakon uklanjanja sluzi pokušana je primjenom metodologije odzivne površine. Procesne varijable optimizirane su izovarijantnim centralnim kompozitnim dizajnom kako bi se poboljšao prinos ekstrakcije pektina. Dobiveni optimalni uvjeti bili su: vrijeme ultrazvučne obrade 70 min, temperatura 70, pH 1,5 i omjer vode i materijala 30 ml/g. Ovaj uvjet je validiran, a učinak eksperimentalne ekstrakcije iznosio je 18,14% ± 1,41%, što je bilo blisko predviđenoj vrijednosti (19,06%). Stoga ultrazvučna ekstrakcija predstavlja obećavajuću alternativu konvencionalnom procesu ekstrakcije zahvaljujući visokoj efikasnosti postignutoj u kraćem vremenu i pri nižim temperaturama. Pektin ekstrahovan ultrazvučnom ekstrakcijom iz kladodija OFI (UAEPC) ima nizak stepen esterifikacije, visok sadržaj uronske kiseline, važna funkcionalna svojstva i dobru antiradikalnu aktivnost. Ovi rezultati govore u prilog upotrebi UAEPC-a kao potencijalnog aditiva u prehrambenoj industriji. [Bayar et al. 2017]

Trop grožđa: U istraživačkom radu „Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach” ultrazvučna obrada koristi se za ekstrakciju pektina iz tropa grožđa uz limunsku kiselinu kao sredstvo za ekstrakciju. Prema metodologiji odzivne površine, najveći prinos pektina (∼32,3%) može se postići kada se proces ultrazvučne ekstrakcije provodi na 75ºC tokom 60 min uz upotrebu otopine limunske kiseline pH 2,0. Ovi pektinski polisaharidi, sastavljeni uglavnom od jedinica galakturonske kiseline (∼97% ukupnih šećera), imaju prosječnu molekulsku masu od 163,9kDa i stepen esterifikacije (DE) od 55,2%.
Morfologija površine sonikovanog tropa grožđa pokazuje da ultrazvučna obrada ima važnu ulogu u razgradnji biljnog tkiva i povećanju prinosa ekstrakcije. Prinos dobiven nakon ultrazvučne ekstrakcije pektina pod optimalnim uvjetima (75°C, 60 min, pH 2,0) bio je 20% veći od prinosa dobivenog kada je ekstrakcija provedena pri istim uvjetima temperature, vremena i pH, ali bez ultrazvučne podrške. Osim toga, pektini dobiveni ultrazvučnom ekstrakcijom pokazali su i veću prosječnu molekulsku masu. [Minjares-Fuentes et al. 2014]