Ultrazvuková extrakce pektinu z ovoce a bioodpadu

• Pektiny jsou velmi často používanou potravinářskou přídatnou látkou, která se přidává především kvůli svým gelotvorným účinkům.
• Ultrazvuková extrakce významně zvyšuje výtěžek a kvalitu pektinových extraktů.
• Sonikace je známá svými účinky na intenzifikaci procesů, které se již využívají v mnoha průmyslových procesech.

Pektiny a extrakce pektinu

Pektin je přírodní komplexní polysacharid (heteropolysacharid), který se vyskytuje zejména v buněčných stěnách plodů, především v citrusových plodech a jablečných výliscích. Vysoký obsah pektinu se nachází ve slupkách jablek i citrusových plodů. Jablečné výlisky obsahují 10-15% pektinu v sušině, zatímco citrusová kůra obsahuje 20-30%. Pektiny jsou biokompatibilní, biologicky rozložitelné a obnovitelné polysacharidy s vynikající gelotvornou a zahušťovací funkcí, což z nich činí vysoce ceněné přídatné látky. Široce se používají v potravinářských, kosmetických a farmaceutických výrobcích jako modifikátory reologie, kde fungují jako gelotvorná, glazovací, stabilizační a zahušťovací činidla a v některých formulacích také jako emulgátory. Ultrazvuková extrakce je účinná metoda izolace vysoce kvalitních pektinů ze slupek plodů a výlisků, která zvyšuje výtěžek a zároveň zkracuje dobu zpracování a snižuje celkové náklady.

Konvenční extrakce pektinu pro průmyslové aplikace se provádí pomocí kysele katalyzovaných procesů (s použitím kyseliny dusičné, chlorovodíkové nebo sírové). Kysele katalyzovaná extrakce je nejčastěji používaným procesem v průmyslové výrobě pektinu, protože ostatní extrakční techniky, jako je přímý var (60ºC-100ºC) po dobu až 24 h a nízké pH (1,0-3,0), jsou pomalé, mají nízký výtěžek a mohou způsobit tepelnou degradaci extrahované vlákniny a výtěžek pektinu je někdy omezen procesními podmínkami. Kysele katalyzovaná extrakce má však také své nevýhody: Drsné kyselé zpracování způsobuje depolymeraci a deesterifikaci pektinových řetězců, což negativně ovlivňuje kvalitu pektinu. Vznik velkých objemů kyselých odpadních vod vyžaduje následné zpracování a nákladnou recyklaci, což z procesu činí zátěž pro životní prostředí.

Ultrazvuková extrakce pektinu

Ultrazvuková extrakce je šetrné, netermické zpracování, které se uplatňuje v mnoha potravinářských procesech. Pokud jde o extrakci pektinů z ovoce a zeleniny, sonikací se získává pektin vysoké kvality. Ultrazvukově extrahované pektiny vynikají obsahem anhydrouronové kyseliny, methoxylových skupin a pektátu vápenatého a také stupněm esterifikace. Šetrné podmínky ultrazvukové extrakce zabraňují tepelné degradaci tepelně citlivých pektinů.
Kvalita a čistota pektinu se mohou lišit v závislosti na obsahu anhydrogalakturonové kyseliny, stupni esterifikace a obsahu popela v extrahovaném pektinu. Pektin s vysokou molekulovou hmotností, nízkým obsahem popela (pod 10%) a vysokým obsahem anhydrogalakturonové kyseliny (nad 65%) je znám jako kvalitní pektin. Protože intenzitu ultrazvukového zpracování lze velmi přesně řídit, lze vlastnosti pektinového extraktu ovlivnit nastavením amplitudy, extrakční teploty, tlaku, doby zdržení a rozpouštědla.

V tomto videu vám představíme vysoce účinnou ultrazvukovou extrakci pektinu z grapefruitové kůry pomocí sondového sonikátoru UP200Ht. Sonikace je vysoce účinná metoda získávání kvalitního pektinu s vysokými výtěžky z vedlejších produktů zpracování ovoce a zeleniny. Ultrazvuková extrakce poskytuje větší množství pektinu a vyšší kvalitu za kratší dobu zpracování.

 
Protokol ultrazvukové extrakce pektinu z grapefruitové kůry předvedené ve videu výše najdete zde!

Ultrazvukovou extrakci lze provádět s použitím různých rozpouštědel, jako je voda, kyselina citronová, roztok kyseliny dusičné (HNO₃, pH 2,0) nebo šťavelan amonný/kyselina šťavelová, což také umožňuje integrovat sonikaci do stávajících extrakčních linek (dodatečná montáž – retrofitting).

Ovocný odpad jako zdroj: Výkonný ultrazvuk již byl úspěšně použit k izolaci pektinů z jablečných výlisků, kůry citrusových plodů (např. pomeranče, citronu, grapefruitu), hroznových výlisků, granátového jablka, řízků cukrové řepy, slupek pitahaji (dračího ovoce), kladodií opuncie, slupek mučenky a slupek manga.

Srážení pektinu po ultrazvukové extrakci

Přidání ethanolu do roztoku extraktu může pomoci oddělit pektin procesem zvaným srážení (precipitace). Pektin, komplexní polysacharid nacházející se v buněčných stěnách rostlin, je za normálních podmínek rozpustný ve vodě. Změnou prostředí rozpouštědla přidáním ethanolu však lze snížit rozpustnost pektinu, což vede k jeho vysrážení z roztoku.

Chemii srážení pektinu pomocí ethanolu lze vysvětlit třemi reakcemi:

• Narušení vodíkových vazeb: Molekuly pektinu jsou drženy pohromadě vodíkovými vazbami, které přispívají k jejich rozpustnosti ve vodě. Ethanol tyto vodíkové vazby narušuje tím, že soutěží s molekulami vody o vazebná místa na molekulách pektinu. Jak molekuly ethanolu nahrazují molekuly vody kolem molekul pektinu, vodíkové vazby mezi molekulami pektinu slábnou, čímž se snižuje jejich rozpustnost v rozpouštědle.
• Snížená polarita rozpouštědla: Ethanol je méně polární než voda, což znamená, že má nižší schopnost rozpouštět polární látky, jako je pektin. S přidáváním ethanolu do roztoku extraktu se celková polarita rozpouštědla snižuje, takže pro molekuly pektinu je méně výhodné zůstat v roztoku. To vede k vysrážení pektinu z roztoku, protože se stává méně rozpustným ve směsi ethanolu a vody.
• Zvýšená koncentrace pektinu: Jak se molekuly pektinu vysrážejí z roztoku, koncentrace pektinu ve zbývajícím roztoku se zvyšuje. To umožňuje snadnější oddělení pektinu od kapalné fáze filtrací nebo centrifugací.

Srážení pektinu pomocí ethanolu je jednoduchá a účinná metoda izolace pektinů z roztoku extraktu, přičemž tento procesní krok lze snadno provést po ultrazvukové extrakci pektinu. Přidání ethanolu do roztoku extraktu mění prostředí rozpouštědla tak, že snižuje rozpustnost pektinu, což vede k jeho vysrážení a následnému oddělení z roztoku. Tato technika se běžně používá při extrakci a purifikaci pektinu z rostlinných materiálů pro různé průmyslové a potravinářské aplikace.

Zajímá vás valorizace výlisků, slupek a dužiny? – Přečtěte si více o extrakci polyfenolů z ovocného odpadu!

Průmyslové sonikátory pro extrakci pektinu

Hielscher Ultrasonics je vaším partnerem pro extrakční procesy z rostlinného materiálu, jako jsou výlisky, slupky a semena. Ať už chcete extrahovat malá množství pro výzkum a analýzu, nebo zpracovávat velké objemy pro komerční výrobu, máme pro vás vhodný ultrazvukový extraktor. Naše laboratorní ultrazvukové homogenizátory i naše stolní a průmyslové sonikátory jsou robustní, snadno ovladatelné a konstruované pro provoz 24/7 při plném zatížení. Široká nabídka příslušenství, jako jsou sonotrody (ultrazvukové sondy / sonotrody) různých velikostí a tvarů, průtokové cely a reaktory a boostery, umožňuje optimální sestavu pro váš konkrétní extrakční proces.
Všechny digitální ultrazvukové přístroje jsou vybaveny barevným dotykovým displejem, integrovanou SD kartou pro automatický záznam dat a vzdáleným ovládáním přes prohlížeč pro komplexní monitorování procesu. Díky sofistikovaným ultrazvukovým systémům Hielscher je dosažení vysoké standardizace procesu a kontroly kvality snadné.
Kontaktujte nás ještě dnes a proberte s námi požadavky na váš proces extrakce pektinu! Rádi vám pomůžeme díky našim dlouholetým zkušenostem s ultrazvukovou extrakcí a pomůžeme vám dosáhnout nejvyšší efektivity procesu a optimální kvality pektinu!

Níže uvedená tabulka uvádí přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich ultrazvukových přístrojů:

Výsledky výzkumu ultrazvukové extrakce pektinu

Rajčatový odpad: Aby se zabránilo dlouhým dobám extrakce (12–24 h) při refluxním postupu, byla k intenzifikaci extrakčního procesu z hlediska času (15, 30, 45, 60 a 90 min) použita ultrazvuková sonikace. V závislosti na době extrakce činí výtěžky pektinu získané v prvním ultrazvukovém extrakčním kroku při teplotách 60°C a 80°C 15,2–17,2% a 16,3–18,5% (v uvedeném pořadí). Při použití druhého ultrazvukového extrakčního kroku se výtěžek pektinů z rajčatového odpadu zvýšil na 34–36%, v závislosti na teplotách a časech). Ultrazvuková extrakce zjevně zvyšuje narušení matrice buněčných stěn rajčat, což vede k lepším interakcím mezi rozpouštědlem a extrahovaným materiálem.
Ultrazvukově extrahované pektiny lze zařadit mezi vysoce methoxylované pektiny (HM-pektin) s rychle tuhnoucími gelotvornými vlastnostmi (DE > 70%) a stupněm esterifikace 73,3–85,4%. n. Obsah pektátu vápenatého v ultrazvukově extrahovaném pektinu byl naměřen v rozmezí 41,4% až 97,5%, v závislosti na extrakčních parametrech (teplotě a době). Při vyšší teplotě ultrazvukové extrakce je obsah pektátu vápenatého vyšší (91–97%) a jako takový představuje důležitý parametr gelotvorné schopnosti pektinu ve srovnání s konvenční extrakcí.
Konvenční extrakce rozpouštědlem po dobu 24 h poskytuje podobné výtěžky pektinu jako 15 min ultrazvukové extrakce. Na základě získaných výsledků lze konstatovat, že ultrazvukové zpracování výrazně zkracuje dobu extrakce. NMR a FTIR spektroskopie potvrzují přítomnost převážně esterifikovaného pektinu ve všech zkoumaných vzorcích. [Grassino et al. 2016]

Slupka mučenky: Jako ukazatele účinnosti extrakce byly zvoleny výtěžek extrakce, galakturonová kyselina a stupeň esterifikace. Nejvyšší výtěžek pektinu získaný ultrazvukem asistovanou extrakcí činil 12,67% (podmínky extrakce 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 a 10 min). Za stejných podmínek byla provedena konvenční extrakce zahříváním a výsledek činil 7,95%. Tyto výsledky jsou v souladu s jinými studiemi, které uvádějí krátkou dobu potřebnou pro účinnou extrakci polysacharidů, včetně pektinu, hemicelulóz a dalších ve vodě rozpustných polysacharidů, za asistence ultrazvuku. Bylo také zjištěno, že výtěžek extrakce se při asistenci ultrazvuku zvýšil 1,6násobně. Získané výsledky prokázaly, že ultrazvuk je účinná a časově úsporná technika pro extrakci pektinu ze slupky mučenky. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Kladodie opuncie: Ultrazvukem asistovaná extrakce (UAE) pektinu z kladodií Opuntia ficus indica (OFI) po odstranění slizu byla zkoumána s využitím metodiky povrchu odezvy. Procesní proměnné byly optimalizovány pomocí izovariantního centrálního kompozitního plánu za účelem zlepšení výtěžku extrakce pektinu. Získané optimální podmínky byly: doba sonikace 70 min, teplota 70, pH 1,5 a poměr voda-materiál 30 ml/g. Tyto podmínky byly validovány a výsledek experimentální extrakce činil 18,14% ± 1,41%, což úzce odpovídalo předpovězené hodnotě (19,06%). Ultrazvuková extrakce tak představuje slibnou alternativu ke konvenčnímu extrakčnímu procesu díky své vysoké účinnosti, které bylo dosaženo za kratší dobu a při nižších teplotách. Pektin extrahovaný ultrazvukovou extrakcí z kladodií OFI (UAEPC) má nízký stupeň esterifikace, vysoký obsah uronových kyselin, významné funkční vlastnosti a dobrou antiradikálovou aktivitu. Tyto výsledky hovoří ve prospěch použití UAEPC jako potenciální přídatné látky v potravinářském průmyslu. [Bayar et al. 2017]

Hroznové výlisky: Ve výzkumné práci „Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach“ se sonikace používá k extrakci pektinů z hroznových výlisků s kyselinou citronovou jako extrakčním činidlem. Podle metodiky povrchu odezvy lze nejvyššího výtěžku pektinu (∼32,3%) dosáhnout, pokud se proces ultrazvukové extrakce provádí při 75ºC po dobu 60 min s použitím roztoku kyseliny citronové o pH 2,0. Tyto pektinové polysacharidy, složené převážně z jednotek galakturonové kyseliny (∼97% celkových cukrů), mají průměrnou molekulovou hmotnost 163,9kDa a stupeň esterifikace (DE) 55,2%.
Povrchová morfologie sonikovaných hroznových výlisků ukazuje, že sonikace hraje důležitou roli při rozrušování rostlinného pletiva a zvyšování výtěžků extrakce. Výtěžek získaný po ultrazvukové extrakci pektinů za optimálních podmínek (75°C, 60 min, pH 2,0) byl o 20% vyšší než výtěžek získaný při extrakci provedené za stejných podmínek teploty, času a pH, avšak bez asistence ultrazvuku. Kromě toho pektiny z ultrazvukové extrakce vykazovaly také vyšší průměrnou molekulovou hmotnost. [Minjares-Fuentes et al. 2014]