Ultralydsekstraktion af pektin fra frugt og bioaffald

• Pektiner er et meget hyppigt anvendt fødevaretilsætningsstof, der hovedsageligt tilsættes på grund af deres geldannende virkning.
• Ultralydsekstraktion øger udbyttet og kvaliteten af pektinekstrakter betydeligt.
• Sonikering er kendt for sine procesintensiverende virkninger, som allerede anvendes i mange forskellige industrielle processer.

Pektiner og pektinekstraktion

Pektin er et naturligt, komplekst polysakkarid (heteropolysakkarid), som især findes i frugters cellevægge, navnlig i citrusfrugter og æblepresserester. Både æble- og citrusfrugtskaller har et højt pektinindhold. Æblepresserester indeholder 10–15% pektin på tørstofbasis, mens citrusskaller indeholder 20–30%. Pektiner er biokompatible, biologisk nedbrydelige og fornybare polysakkarider med fremragende geldannende og fortykkende egenskaber, hvilket gør dem til højt værdsatte tilsætningsstoffer. De anvendes i vid udstrækning i fødevarer, kosmetik og farmaceutiske produkter som reologimodificerende stoffer og fungerer som geleringsmidler, overfladebehandlingsmidler, stabilisatorer og fortykningsmidler samt i nogle formuleringer som emulgatorer. Ultralydsekstraktion er en effektiv metode til at isolere pektiner af høj kvalitet fra frugtskaller og presserester, som øger udbyttet og samtidig reducerer behandlingstiden og de samlede omkostninger.

Konventionel pektinekstraktion til industrielle anvendelser udføres ved hjælp af syrekatalyserede processer (med salpetersyre, saltsyre eller svovlsyre). Syrekatalyseret ekstraktion er den mest anvendte proces i industriel pektinproduktion, da de øvrige ekstraktionsteknikker, såsom direkte kogning (60ºC–100ºC) i op til 24hrs og lav pH (1,0–3,0), er langsomme, giver et lavt udbytte og kan forårsage termisk nedbrydning af de ekstraherede fibre, og pektinudbyttet undertiden begrænses af procesbetingelserne. Syrekatalyseret ekstraktion har dog også sine ulemper: Den kraftige syrebehandling medfører depolymerisering og deesterificering af pektinkæderne, hvilket påvirker pektinkvaliteten negativt. Produktionen af store mængder surt spildevand kræver efterbehandling og dyr genanvendelsesbehandling, hvilket gør processen til en miljøbelastning.

Ultralydsekstraktion af pektin

Ultralydsekstraktion er en skånsom, ikke-termisk behandling, som anvendes i mange forskellige fødevareprocesser. Ved ekstraktion af pektiner fra frugt og grøntsager giver sonikering pektin af høj kvalitet. Ultralydsekstraherede pektiner udmærker sig ved deres indhold af anhydrouronsyre, methoxylgrupper og calciumpektat samt deres esterificeringsgrad. De skånsomme betingelser ved ultralydsekstraktion forhindrer termisk nedbrydning af de varmefølsomme pektiner.
Pektinets kvalitet og renhed kan variere afhængigt af indholdet af anhydrogalakturonsyre, esterificeringsgraden og askeindholdet i det ekstraherede pektin. Pektin med høj molekylvægt, lavt askeindhold (under 10%) og højt indhold af anhydrogalakturonsyre (over 65%) betragtes som pektin af god kvalitet. Da ultralydsbehandlingens intensitet kan styres meget præcist, kan pektinekstraktets egenskaber påvirkes ved at justere amplitude, ekstraktionstemperatur, tryk, opholdstid og opløsningsmiddel.

 

I denne video introducerer vi Dem til den særdeles effektive ultralydsekstraktion af pektin fra grapefrugtskal med sondesonikatoren UP200Ht. Ultralydsbehandling er en særdeles effektiv metode til at opnå et højt udbytte af pektin af høj kvalitet fra biprodukter fra frugt og grøntsager. Ultralydsekstraktion giver større mængder pektin og bedre kvalitet på kortere behandlingstid.

 
Find protokollen for den ultralydsekstraktion af pektin fra grapefrugtskaller, der demonstreres i videoen ovenfor, her!
 

Ultralydsekstraktion kan udføres med forskellige opløsningsmidler såsom vand, citronsyre, salpetersyreopløsning (HNO₃, pH 2,0) eller ammoniumoxalat/oxalsyre, hvilket også gør det muligt at integrere sonikering i eksisterende ekstraktionslinjer (eftermontering).

Frugtaffald som kilde: Ultralyd med høj effekt er allerede med succes blevet anvendt til at isolere pektiner fra æblepresserester, citrusfrugtskaller (såsom appelsin, citron og grapefrugt), druepresserester, granatæble, sukkerroepulp, dragefrugtskaller, figenkaktuskladodier, passionsfrugtskaller og mangoskaller.

Udfældning af pektin efter ultralydsekstraktion

Tilsætning af ethanol til en ekstraktopløsning kan hjælpe med at udskille pektin gennem en proces, der kaldes udfældning. Pektin, et komplekst polysakkarid, som findes i planters cellevægge, er opløseligt i vand under normale betingelser. Ved at ændre opløsningsmiddelmiljøet gennem tilsætning af ethanol kan pektinets opløselighed imidlertid reduceres, hvilket medfører, at det udfældes fra opløsningen.

Kemien bag udfældning af pektin med ethanol kan forklares ved tre reaktioner:

• Brydning af hydrogenbindinger: Pektinmolekyler holdes sammen af hydrogenbindinger, som bidrager til deres opløselighed i vand. Ethanol bryder disse hydrogenbindinger ved at konkurrere med vandmolekyler om bindingssteder på pektinmolekylerne. Når ethanolmolekyler erstatter vandmolekyler omkring pektinmolekylerne, svækkes hydrogenbindingerne mellem pektinmolekylerne, hvilket reducerer deres opløselighed i opløsningsmidlet.
• Reduceret polaritet af opløsningsmidlet: Ethanol er mindre polært end vand, hvilket betyder, at det har en lavere evne til at opløse polære stoffer som pektin. Når ethanol tilsættes ekstraktopløsningen, falder opløsningsmidlets samlede polaritet, hvilket gør det mindre gunstigt for pektinmolekyler at forblive i opløsning. Dette medfører, at pektin udfældes fra opløsningen, efterhånden som det bliver mindre opløseligt i ethanol-vand-blandingen.
• Øget pektinkoncentration: Når pektinmolekyler udfældes fra opløsningen, stiger koncentrationen af pektin i den resterende opløsning. Dette gør det lettere at adskille pektinet fra væskefasen ved filtrering eller centrifugering.

Udfældning af pektin med ethanol er en enkel og effektiv metode til at isolere pektiner fra ekstraktopløsningen og er et procestrin, der let kan udføres efter ultralydsekstraktion af pektin. Tilsætning af ethanol til ekstraktopløsningen ændrer opløsningsmiddelmiljøet på en måde, der reducerer pektinets opløselighed og medfører dets udfældning og efterfølgende adskillelse fra opløsningen. Denne teknik anvendes almindeligvis til ekstraktion og oprensning af pektin fra plantematerialer til forskellige industrielle anvendelser og fødevareanvendelser.
 
 
Interesseret i værdiskabende udnyttelse af presserester, skaller og frugtkød? – Læs mere om ekstraktion af polyfenoler fra frugtaffald!

Industrielle sonikatorer til pektinekstraktion

Hielscher Ultrasonics er din partner inden for ekstraktionsprocesser fra plantemateriale såsom presserester, skaller og frø. Uanset om du vil ekstrahere små mængder til forskning og analyse eller behandle store mængder til kommerciel produktion, har vi den rette ultralydsekstraktor til dig. Vores ultralydshomogenisatorer til laboratorier samt vores bordmodeller og industrielle sonikatorer er robuste, brugervenlige og bygget til drift 24/7 under fuld belastning. Et bredt udvalg af tilbehør såsom sonotroder (ultralydssonder / horn) i forskellige størrelser og former, flowceller, reaktorer og boostere muliggør den optimale opsætning til din specifikke ekstraktionsproces.
Alle digitale ultralydsapparater er udstyret med en farveberøringsskærm, et integreret SD-kort til automatisk datalogning og fjernstyring via browser til omfattende procesovervågning. Med Hielschers avancerede ultralydssystemer er det enkelt at opnå en høj grad af processtandardisering og kvalitetskontrol.
Kontakt os i dag for at drøfte kravene til din pektinekstraktionsproces! Vi hjælper dig gerne med vores mangeårige erfaring inden for ultralydsekstraktion og med at opnå den højeste proceseffektivitet og optimal pektinkvalitet!

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores sonikatorers omtrentlige behandlingskapacitet:

Forskningsresultater om ultralydsekstraktion af pektin

Tomataffald: For at undgå lange ekstraktionstider (12–24 h) ved refluks blev sonikering anvendt til at intensivere ekstraktionsprocessen med hensyn til tid (15, 30, 45, 60 og 90 min). Afhængigt af ekstraktionstiderne er de opnåede pektinudbytter ved det første ultralydsekstraktionstrin ved temperaturer på 60°C og 80°C henholdsvis 15,2–17,2% og 16,3–18,5%. Når et andet ultralydsekstraktionstrin blev anvendt, blev udbyttet af pektiner fra tomataffald øget til 34–36%, afhængigt af temperaturer og tider). Ultralydsekstraktion øger tydeligvis nedbrydningen af tomatens cellevægsmatrix, hvilket fører til bedre vekselvirkninger mellem opløsningsmidlet og det ekstraherede materiale.
De ultralydsekstraherede pektiner kan kategoriseres som pektiner med højt methoxylindhold (HM-pektin) med hurtigt geldannende egenskaber (DE > 70%) og en esterificeringsgrad på 73,3–85,4%. n. Indholdet af calciumpektat i ultralydsekstraheret pektin blev målt til mellem 41,4% og 97,5%, afhængigt af ekstraktionsparametrene (temperatur og tid). Ved højere temperatur under ultralydsekstraktion er indholdet af calciumpektat højere (91–97%) og udgør dermed en vigtig parameter for pektinets geldannelsesevne sammenlignet med konventionel ekstraktion.
Konventionel ekstraktion med opløsningsmiddel i 24hr giver tilsvarende pektinudbytter som 15 min ultralydsekstraktionsbehandling. På baggrund af de opnåede resultater kan det konkluderes, at ultralydsbehandling reducerer ekstraktionstiden markant. NMR- og FTIR-spektroskopi bekræfter tilstedeværelsen af overvejende esterificeret pektin i alle undersøgte prøver. [Grassino et al. 2016]

Passionsfrugtskaller: Ekstraktionsudbyttet, indholdet af galakturonsyre og esterificeringsgraden blev anvendt som indikatorer for ekstraktionseffektiviteten. Det højeste pektinudbytte opnået ved ultralydsassisteret ekstraktion var 12,67% (ekstraktionsbetingelser: 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 og 10 min). Under de samme betingelser blev der udført konventionel ekstraktion ved opvarmning, og resultatet var 7,95%. Disse resultater er i overensstemmelse med andre undersøgelser, som rapporterer kort tid til effektiv ekstraktion af polysakkarider, herunder pektin, hemicelluloser og andre vandopløselige polysakkarider, ved hjælp af ultralyd. Det blev også observeret, at ekstraktionsudbyttet steg med en faktor på 1,6, når ekstraktionen blev assisteret af ultralyd. De opnåede resultater viste, at ultralyd var en effektiv og tidsbesparende teknik til ekstraktion af pektin fra passionsfrugtskaller. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Figenkaktuskladodier: Ultralydsassisteret ekstraktion (UAE) af pektin fra kladodier af Opuntia ficus indica (OFI) efter fjernelse af planteslim blev forsøgt ved hjælp af responsoverflademetoden. Procesvariablerne blev optimeret ved hjælp af et isovariant centralt sammensat forsøgsdesign for at forbedre pektinekstraktionsudbyttet. De opnåede optimale betingelser var: sonikeringstid 70 min, temperatur 70, pH 1,5 og et vand-materiale-forhold på 30 ml/g. Disse betingelser blev valideret, og udbyttet af den eksperimentelle ekstraktion var 18,14% ± 1,41%, hvilket lå tæt på den forudsagte værdi (19,06%). Ultralydsekstraktion er således et lovende alternativ til konventionel ekstraktion takket være dens høje effektivitet, som blev opnået på kortere tid og ved lavere temperaturer. Det pektin, der blev ekstraheret ved ultralydsekstraktion fra OFI-kladodier (UAEPC), har en lav esterificeringsgrad, et højt indhold af uronsyre, vigtige funktionelle egenskaber og god antiradikalaktivitet. Disse resultater taler for anvendelsen af UAEPC som et potentielt tilsætningsstof i fødevareindustrien. [Bayar et al. 2017]

Druepresserester: I forskningsartiklen “Ultralydsassisteret ekstraktion af pektiner fra druepresserester med citronsyre: En tilgang med responsoverflademetoden” anvendes sonikering til at ekstrahere pektiner fra druepresserester med citronsyre som ekstraktionsmiddel. Ifølge responsoverflademetoden kan det højeste pektinudbytte (∼32,3%) opnås, når ultralydsekstraktionsprocessen udføres ved 75ºC i 60 min med en citronsyreopløsning med pH 2,0. Disse pektiske polysakkarider, som hovedsageligt består af galakturonsyreenheder (∼97% af de samlede sukkerarter), har en gennemsnitlig molekylvægt på 163,9kDa og en esterificeringsgrad (DE) på 55,2%.
Overflademorfologien af sonikerede druepresserester viser, at sonikering spiller en vigtig rolle i nedbrydningen af plantevævet og forbedringen af ekstraktionsudbyttet. Udbyttet opnået efter ultralydsekstraktion af pektiner under de optimale betingelser (75°C, 60 min, pH 2,0) var 20% højere end udbyttet opnået ved ekstraktion under de samme temperatur-, tids- og pH-betingelser, men uden assistance fra ultralyd. Desuden havde pektiner fra ultralydsekstraktion også en højere gennemsnitlig molekylvægt. [Minjares-Fuentes et al. 2014]