Ultraschall-Pektinextraktion aus Früchten und Bioabfällen

• Pektine sind ein sehr häufig verwendeter Lebensmittelzusatzstoff, der hauptsächlich wegen seiner gelierenden Wirkung zugesetzt wird.
• Die Ultraschallextraktion erhöht die Ausbeute und Qualität der Pektinextrakte erheblich.
• Die Beschallung ist bekannt für ihre prozessintensivierende Wirkung, die bereits in vielfältigen industriellen Prozessen eingesetzt wird.

Pektine und Pektinextraktion

Pektin ist ein natürliches komplexes Polysaccharid (Heteropolysaccharid), das vor allem in den Zellwänden von Früchten, insbesondere in Zitrusfrüchten und Apfeltrester, vorkommt. Hohe Pektingehalte finden sich in den Fruchtschalen sowohl von Äpfeln als auch von Zitrusfrüchten. Apfeltrester enthält 10-15 % Pektin, bezogen auf die Trockenmasse, während Zitrusschalen 20-30 % enthalten. Pektine sind biokompatibel, biologisch abbaubar und erneuerbar und weisen hervorragende Gelier- und Verdickungseigenschaften auf, was sie zu einem hochgeschätzten Zusatzstoff macht. Pektine werden in Lebensmitteln, Kosmetika und pharmazeutischen Produkten als rheologische Modifikatoren wie Emulgatoren, Geliermittel, Glasurmittel, Stabilisatoren und Verdickungsmittel eingesetzt.
Die herkömmliche Pektinextraktion für industrielle Anwendungen wird mit einem säurekatalysierten Verfahren (unter Verwendung von Salpeter-, Salz- oder Schwefelsäure) durchgeführt. Die säurekatalysierte Extraktion ist das häufigste Verfahren in der industriellen Pektinproduktion, da andere Extraktionsverfahren wie das direkte Kochen (60ºC-100ºC) für bis zu 24 Stunden und ein niedriger pH-Wert (1,0-3,0) langsam und wenig ergiebig sind und zu einem thermischen Abbau der extrahierten Fasern führen können und die Pektinausbeute manchmal durch die Prozessbedingungen begrenzt ist. Die säurekatalysierte Extraktion hat jedoch auch ihre Nachteile: Die scharfe Säurebehandlung führt zur Depolymerisation und Entesterung der Pektinketten, was sich negativ auf die Pektinqualität auswirkt. Da große Mengen saurer Abwässer anfallen, ist eine Nachbehandlung und ein teures Recycling erforderlich, was das Verfahren zu einer Belastung für die Umwelt macht.

Pektinextraktion mit Ultraschall

Die Ultraschallextraktion ist eine milde, nicht-thermische Behandlung, die bei vielen Lebensmittelprozessen eingesetzt wird. Bei der Extraktion von Pektinen aus Obst und Gemüse wird durch die Beschallung Pektin von hoher Qualität gewonnen. Mit Ultraschall extrahierte Pektine zeichnen sich durch ihren Gehalt an Anhydrouronsäure, Methoxyl- und Calciumpektat sowie durch ihren Veresterungsgrad aus. Die milden Bedingungen der Ultraschallextraktion verhindern einen thermischen Abbau der hitzeempfindlichen Pektine.
Pektinqualität und -reinheit können je nach Anhydrogalakturonsäure, Veresterungsgrad und Aschegehalt des extrahierten Pektins variieren. Pektin mit hohem Molekulargewicht und niedrigem Aschegehalt (unter 10 %) bei hohem Anhydrogalakturonsäuregehalt (über 65 %) wird als Pektin guter Qualität bezeichnet. Da die Intensität der Ultraschallbehandlung sehr genau gesteuert werden kann, lassen sich die Eigenschaften des Pektinextrakts durch Anpassung von Amplitude, Extraktionstemperatur, Druck, Verweilzeit und Lösungsmittel beeinflussen.

 
Hier finden Sie das Protokoll für die Pektinextraktion aus Grapefruitschalen mit Ultraschall, das im Video oben gezeigt wird!
 

Die Ultraschallextraktion kann mit verschiedenen Verfahren durchgeführt werden Lösungsmittel wie Wasser, Zitronensäure, Salpetersäurelösung (HNO₃, pH 2,0), oder Ammoniumoxalat/Oxalsäure, so dass die Beschallung auch in bestehende Extraktionslinien integriert werden kann (Retrofit).

Obstabfälle als Quelle: Hochleistungs-Ultraschall wurde bereits erfolgreich zur Isolierung von Pektinen aus Apfeltrester, Schalen von Zitrusfrüchten (z. B. Orangen, Zitronen, Pampelmusen), Traubentrester, Granatapfel, Zuckerrübenschnitzel, Schalen von Drachenfrüchten, Feigenkakteen, Passionsfruchtschalen und Mangoschalen eingesetzt.

Pektinausfällung nach Ultraschallextraktion

Die Zugabe von Ethanol zu einer Extraktlösung kann dazu beitragen, Pektin durch einen Prozess namens Ausfällung abzutrennen. Pektin, ein komplexes Polysaccharid, das in den Zellwänden von Pflanzen vorkommt, ist unter normalen Bedingungen in Wasser löslich. Durch die Veränderung der Lösungsmittelumgebung mit dem Zusatz von Ethanol kann jedoch die Löslichkeit von Pektin verringert werden, was zu seiner Ausfällung aus der Lösung führt.

Die Chemie der Pektinausfällung mit Ethanol lässt sich durch drei Reaktionen erklären:

• Unterbrechung der Wasserstoffbrückenbindungen: Pektinmoleküle werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten, die zu ihrer Löslichkeit in Wasser beitragen. Ethanol unterbricht diese Wasserstoffbrücken, indem es mit Wassermolekülen um Bindungsstellen an den Pektinmolekülen konkurriert. Wenn Ethanolmoleküle die Wassermoleküle um die Pektinmoleküle herum ersetzen, werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Pektinmolekülen geschwächt, was ihre Löslichkeit in dem Lösungsmittel verringert.
• Verminderte Lösungsmittelpolarität: Ethanol ist weniger polar als Wasser, was bedeutet, dass es polare Substanzen wie Pektin weniger gut auflösen kann. Mit der Zugabe von Ethanol zur Extraktlösung nimmt die Gesamtpolarität des Lösungsmittels ab, wodurch die Pektinmoleküle weniger gut in der Lösung verbleiben können. Dies führt zu einer Ausfällung von Pektin aus der Lösung, da es in der Ethanol-Wasser-Mischung weniger löslich ist.
• Erhöhte Pektinkonzentration: Da die Pektinmoleküle aus der Lösung ausfallen, steigt die Pektinkonzentration in der verbleibenden Lösung. Dadurch lässt sich das Pektin durch Filtration oder Zentrifugation leichter von der flüssigen Phase trennen.

Die Ausfällung von Pektin mit Ethanol ist eine einfache und wirksame Methode, um Pektine aus der Extraktlösung zu isolieren, ein Verfahrensschritt, der leicht nach der Pektinextraktion mit Ultraschall durchgeführt werden kann. Durch die Zugabe von Ethanol zur Extraktlösung wird die Lösungsmittelumgebung so verändert, dass die Löslichkeit des Pektins verringert wird, was zu seiner Ausfällung und anschließenden Abtrennung aus der Lösung führt. Diese Technik wird häufig bei der Extraktion und Reinigung von Pektin aus pflanzlichen Materialien für verschiedene industrielle und Lebensmittelanwendungen eingesetzt.

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Forschungsergebnisse der Pektinextraktion mit Ultraschall

Tomatenabfälle: Um lange Extraktionszeiten (12-24 h) im Rückflussverfahren zu vermeiden, wurde der Extraktionsprozess mit Ultraschall zeitlich intensiviert (15, 30, 45, 60 und 90 min). Abhängig von den Extraktionszeiten beträgt die Pektinausbeute im ersten Ultraschallextraktionsschritt bei Temperaturen von 60°C und 80°C 15,2-17,2% bzw. 16,3-18,5%. Bei Anwendung eines zweiten Ultraschallextraktionsschrittes wurde die Ausbeute an Pektinen aus Tomatenabfällen auf 34-36% erhöht (abhängig von Temperaturen und Zeiten). Offensichtlich erhöht die Ultraschallextraktion das Aufbrechen der Zellwandmatrix der Tomate, was zu besseren Wechselwirkungen zwischen dem Lösungsmittel und dem extrahierten Material führt.
Die mit Ultraschall extrahierten Pektine können als Pektine mit hohem Methoxylgehalt (HM-Pektin) mit schnell abbindenden Geliereigenschaften (DE > 70%) und einem Veresterungsgrad von 73,3-85,4%. n. Der Calciumpektatgehalt in ultraschallextrahiertem Pektin wurde zwischen 41,4% und 97,5% gemessen, abhängig von den Extraktionsparametern (Temperatur und Zeit). Bei höheren Temperaturen der Ultraschallextraktion sind die Calciumpektatgehalte höher (91-97 %) und stellen somit einen wichtigen Parameter für die Gelierfähigkeit des Pektins im Vergleich zur herkömmlichen Extraktion dar.
Eine konventionelle Lösungsmittelextraktion über 24 Stunden ergibt ähnliche Pektinausbeuten wie eine 15-minütige Ultraschallextraktion. Die erzielten Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die Ultraschallbehandlung die Extraktionszeit deutlich verkürzt. Die NMR- und FTIR-Spektroskopie bestätigt die Existenz von überwiegend verestertem Pektin in allen untersuchten Proben. [Grassino et al. 2016]

Schale der Passionsfrucht: Die Extraktionsausbeute, die Galakturonsäure und der Veresterungsgrad wurden als Indikatoren für die Effizienz der Extraktion herangezogen. Die höchste Ausbeute an Pektin, die durch ultraschallunterstützte Extraktion erzielt wurde, betrug 12,67 % (Extraktionsbedingungen 85 ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 und 10 Minuten). Unter den gleichen Bedingungen wurde eine konventionelle Erhitzungsextraktion durchgeführt, deren Ergebnis bei 7,95 % lag. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit anderen Studien, die über die kurze Zeit für eine effektive Extraktion von Polysacchariden, einschließlich Pektin, Hemicellulosen und anderen wasserlöslichen Polysacchariden, mit Hilfe von Ultraschall berichten. Es wurde auch festgestellt, dass die Extraktionsausbeute um das 1,6-fache anstieg, wenn die Extraktion durch Ultraschall unterstützt wurde. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass Ultraschall eine effiziente und zeitsparende Technik zur Extraktion von Pektin aus Passionsfruchtschalen ist. (Freitas de Oliveira et al. 2016)

Feigenkaktus-Kladodien: Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) von Pektin aus Opuntia ficus indica (OFI)-Kladoden nach Entfernung der Schleimstoffe wurde mit Hilfe der Response-Surface-Methodik versucht. Die Prozessvariablen wurden durch den isovarianten zentralen Verbundentwurf optimiert, um die Pektinextraktionsausbeute zu verbessern. Die optimale Bedingung war: Beschallungszeit 70 min, Temperatur 70, pH 1,5 und das Wasser-Material-Verhältnis 30 ml/g. Diese Bedingung wurde validiert, und die Leistung der experimentellen Extraktion betrug 18,14 % ± 1,41 %, was eng mit dem vorhergesagten Wert (19,06 %) verbunden war. Somit stellt die Ultraschallextraktion dank ihrer hohen Effizienz, die in kürzerer Zeit und bei niedrigeren Temperaturen erreicht wurde, eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Extraktionsverfahren dar. Das durch Ultraschallextraktion aus OFI-Kladoden extrahierte Pektin (UAEPC) weist einen niedrigen Veresterungsgrad, einen hohen Uronsäuregehalt, wichtige funktionelle Eigenschaften und eine gute antiradikale Aktivität auf. Diese Ergebnisse sprechen für die Verwendung von UAEPC als potenziellen Zusatzstoff in der Lebensmittelindustrie. [Bayar et al. 2017]

Traubentrester: In der Forschungsarbeit "Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach" wird zur Extraktion von Pektinen aus Traubentrester mit Zitronensäure als Extraktionsmittel Ultraschall eingesetzt. Nach der Response-Surface-Methodik kann die höchste Pektinausbeute (∼32,3 %) erzielt werden, wenn der Ultraschallextraktionsprozess bei 75 ºC für 60 Minuten mit einer Zitronensäurelösung von pH 2,0 durchgeführt wird. Diese Pektinpolysaccharide, die hauptsächlich aus Galakturonsäureeinheiten bestehen (∼97% der Gesamtzucker), haben ein durchschnittliches Molekulargewicht von 163,9 kDa und einen Veresterungsgrad (DE) von 55,2%.
Die Oberflächenmorphologie von beschalltem Traubentrester zeigt, dass die Beschallung eine wichtige Rolle beim Aufbrechen des pflanzlichen Gewebes und bei der Steigerung der Extraktionsausbeute spielt. Die Ausbeute, die nach der Ultraschallextraktion von Pektinen unter optimalen Bedingungen (75 °C, 60 Minuten, pH-Wert 2,0) erzielt wurde, war 20 % höher als die Ausbeute, die bei der Extraktion unter denselben Bedingungen (Temperatur, Zeit und pH-Wert), aber ohne Ultraschallunterstützung, erzielt wurde. Darüber hinaus wiesen die Pektine aus der Ultraschallextraktion auch ein höheres durchschnittliches Molekulargewicht auf. [Minjares-Fuentes et al. 2014]