Ultraschallextraktion von Pektin aus Obst- und Bioabfällen

• Pektine sind sehr häufig verwendete Lebensmittelzusatzstoffe, die hauptsächlich wegen ihrer gelierenden Wirkung zugesetzt werden.
• Die Ultraschallextraktion erhöht die Ausbeute und Qualität von Pektinextrakten erheblich.
• Die Ultraschallbehandlung ist für ihre prozessintensivierende Wirkung bekannt, die bereits in zahlreichen industriellen Verfahren genutzt wird.

Pektine und Pektinextraktion

Pektin ist ein natürliches, komplexes Polysaccharid (Heteropolysaccharid), das insbesondere in den Zellwänden von Früchten vorkommt, vor allem in Zitrusfrüchten und Apfeltrester. Hohe Pektingehalte finden sich sowohl in Apfel- als auch in Zitrusfruchtschalen. Apfeltrester enthält bezogen auf die Trockenmasse 10–15% Pektin, während Zitrusfruchtschalen 20–30% enthalten. Pektine sind biokompatible, biologisch abbaubare und nachwachsende Polysaccharide mit hervorragenden Gelier- und Verdickungseigenschaften, die sie zu besonders geschätzten Zusatzstoffen machen. Sie werden in großem Umfang in Lebensmitteln, Kosmetika und pharmazeutischen Produkten zur Modifizierung der Rheologie eingesetzt und dienen dabei als Gelier-, Überzugs-, Stabilisierungs- und Verdickungsmittel sowie in einigen Formulierungen als Emulgatoren. Die Ultraschallextraktion ist eine effiziente Methode zur Isolierung hochwertiger Pektine aus Fruchtschalen und Trester, die die Ausbeute erhöht und gleichzeitig die Verarbeitungszeit und die Gesamtkosten senkt.

Die konventionelle Pektinextraktion für industrielle Anwendungen erfolgt mit säurekatalysierten Verfahren unter Verwendung von Salpeter-, Salz- oder Schwefelsäure. Die säurekatalysierte Extraktion ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren in der industriellen Pektinproduktion, da andere Extraktionstechniken wie direktes Kochen (60ºC–100ºC) über bis zu 24 Stunden bei niedrigem pH-Wert (1,0–3,0) langsam und ausbeutearm sind und einen thermischen Abbau der extrahierten Ballaststoffe verursachen können. Zudem wird die Pektinausbeute mitunter durch die Prozessbedingungen begrenzt. Allerdings hat auch die säurekatalysierte Extraktion Nachteile: Die aggressive Säurebehandlung führt zur Depolymerisation und Entesterung der Pektinketten, was die Pektinqualität beeinträchtigt. Die Entstehung großer Mengen sauren Abwassers erfordert eine Nachbehandlung und eine kostspielige Aufbereitung zur Wiederverwertung, wodurch das Verfahren die Umwelt belastet.

Ultraschallextraktion von Pektin

Die Ultraschallextraktion ist eine schonende, nichtthermische Behandlung, die in zahlreichen Prozessen der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt wird. Bei der Extraktion von Pektinen aus Obst und Gemüse liefert die Ultraschallbehandlung hochwertiges Pektin. Ultraschallextrahierte Pektine zeichnen sich durch ihren Gehalt an Anhydrouronsäure, Methoxylgruppen und Calciumpektat sowie durch ihren Veresterungsgrad aus. Die schonenden Bedingungen der Ultraschallextraktion verhindern einen thermischen Abbau der hitzeempfindlichen Pektine.
Qualität und Reinheit des extrahierten Pektins können je nach Anhydrogalacturonsäuregehalt, Veresterungsgrad und Aschegehalt variieren. Pektin mit hohem Molekulargewicht, niedrigem Aschegehalt (unter 10%) und hohem Anhydrogalacturonsäuregehalt (über 65%) gilt als hochwertig. Da sich die Intensität der Ultraschallbehandlung sehr präzise steuern lässt, können die Eigenschaften des Pektinextrakts durch die Einstellung von Amplitude, Extraktionstemperatur, Druck, Verweilzeit und Lösungsmittel beeinflusst werden.

 

In diesem Video stellen wir Ihnen die hocheffiziente Ultraschallextraktion von Pektin aus Grapefruitschalen mit dem Ultraschallgerät UP200Ht mit Sonotrode vor. Die Ultraschallbehandlung ist eine hocheffiziente Methode, um hochwertiges Pektin mit hoher Ausbeute aus Nebenprodukten der Obst- und Gemüseverarbeitung zu gewinnen. Die Ultraschallextraktion liefert größere Pektinmengen und eine höhere Qualität bei kürzerer Verarbeitungszeit.

 
Hier finden Sie das im obigen Video gezeigte Protokoll zur Ultraschallextraktion von Pektin aus Grapefruitschalen!
 

Die Ultraschallextraktion lässt sich mit verschiedenen Lösungsmitteln durchführen, beispielsweise mit Wasser, Zitronensäure, Salpetersäurelösung (HNO₃, pH 2,0) oder Ammoniumoxalat/Oxalsäure. Dadurch lässt sich die Ultraschallbehandlung auch in bestehende Extraktionslinien integrieren (Nachrüstung).

Obstabfälle als Rohstoffquelle: Hochleistungsultraschall wurde bereits erfolgreich zur Isolierung von Pektinen aus Apfeltrester, Zitrusfruchtschalen (beispielsweise von Orangen, Zitronen und Grapefruits), Traubentrester, Granatäpfeln, Zuckerrübenschnitzeln, Drachenfruchtschalen, Kladodien des Feigenkaktus, Passionsfruchtschalen und Mangoschalen eingesetzt.

Pektinfällung nach der Ultraschallextraktion

Die Zugabe von Ethanol zu einer Extraktlösung kann helfen, Pektin durch einen als Fällung bezeichneten Prozess abzutrennen. Pektin, ein komplexes Polysaccharid in den Zellwänden von Pflanzen, ist unter normalen Bedingungen wasserlöslich. Durch die Zugabe von Ethanol wird jedoch die Lösungsmittelumgebung verändert, wodurch die Löslichkeit von Pektin sinken und es aus der Lösung ausfallen kann.

Die chemischen Vorgänge bei der Pektinfällung mit Ethanol lassen sich anhand von drei Reaktionen erklären:

• Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen: Pektinmoleküle werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten, die zu ihrer Löslichkeit in Wasser beitragen. Ethanol stört diese Wasserstoffbrückenbindungen, indem es mit Wassermolekülen um Bindungsstellen an den Pektinmolekülen konkurriert. Wenn Ethanolmoleküle die Wassermoleküle in der Umgebung der Pektinmoleküle ersetzen, werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Pektinmolekülen geschwächt, wodurch deren Löslichkeit im Lösungsmittel abnimmt.
• Verringerte Lösungsmittelpolarität: Ethanol ist weniger polar als Wasser und kann daher polare Substanzen wie Pektin schlechter lösen. Wird der Extraktlösung Ethanol zugesetzt, nimmt die Gesamtpolarität des Lösungsmittels ab, sodass es für die Pektinmoleküle weniger günstig ist, in Lösung zu bleiben. Dadurch fällt Pektin aus der Lösung aus, da es im Ethanol-Wasser-Gemisch weniger löslich ist.
• Erhöhte Pektinkonzentration: Wenn Pektinmoleküle aus der Lösung ausfallen, steigt die Pektinkonzentration in der verbleibenden Lösung. Dadurch lässt sich das Pektin leichter durch Filtration oder Zentrifugation von der flüssigen Phase trennen.

Die Fällung von Pektin mit Ethanol ist eine einfache und wirksame Methode zur Isolierung von Pektinen aus der Extraktlösung. Dieser Prozessschritt lässt sich problemlos nach der Ultraschallextraktion von Pektin durchführen. Die Zugabe von Ethanol zur Extraktlösung verändert die Lösungsmittelumgebung so, dass die Löslichkeit von Pektin sinkt, wodurch es ausfällt und anschließend von der Lösung getrennt werden kann. Diese Technik wird häufig bei der Extraktion und Reinigung von Pektin aus Pflanzenmaterial für verschiedene industrielle Anwendungen und Lebensmittelanwendungen eingesetzt.
 
 
Interessieren Sie sich für die Verwertung von Trester, Schalen und Fruchtfleisch? – Lesen Sie mehr über die Extraktion von Polyphenolen aus Obstabfällen!

Industrielle Ultraschallgeräte zur Pektinextraktion

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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Forschungsergebnisse zur Ultraschallextraktion von Pektin

Tomatenabfälle: Um lange Extraktionszeiten (12–24 h) beim Rückflussverfahren zu vermeiden, wurde die Ultraschallbehandlung zur zeitlichen Intensivierung des Extraktionsprozesses eingesetzt (15, 30, 45, 60 und 90 min). Je nach Extraktionszeit betrugen die Pektinausbeuten im ersten Ultraschallextraktionsschritt bei Temperaturen von 60°C und 80°C jeweils 15,2–17,2% bzw. 16,3–18,5%. Bei einem zweiten Ultraschallextraktionsschritt stieg die Ausbeute an Pektinen aus Tomatenabfällen je nach Temperatur und Dauer auf 34–36%. Offensichtlich verstärkt die Ultraschallextraktion den Aufschluss der Zellwandmatrix der Tomate und verbessert dadurch die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und extrahiertem Material.
Die ultraschallextrahierten Pektine lassen sich als hochmethoxylierte Pektine (HM-Pektin) mit schnell gelierenden Eigenschaften (DE größer als 70%) und einem Veresterungsgrad von 73,3–85,4% einordnen. n. Der gemessene Calciumpektatgehalt des ultraschallextrahierten Pektins lag je nach Extraktionsparametern (Temperatur und Dauer) zwischen 41,4% und 97,5%. Bei höherer Ultraschallextraktionstemperatur sind die Calciumpektatgehalte höher (91–97%) und stellen damit im Vergleich zur konventionellen Extraktion einen wichtigen Parameter für die Gelierfähigkeit des Pektins dar.
Eine konventionelle Lösungsmittelextraktion über 24hr liefert ähnliche Pektinausbeuten wie eine Ultraschallextraktion über 15 min. Aus den erzielten Ergebnissen lässt sich schließen, dass die Ultraschallbehandlung die Extraktionszeit erheblich verkürzt. Die NMR- und FTIR-Spektroskopie bestätigen das Vorliegen von überwiegend verestertem Pektin in allen untersuchten Proben. [Grassino et al. 2016]

Passionsfruchtschalen: Die Extraktionsausbeute, der Galacturonsäuregehalt und der Veresterungsgrad wurden als Indikatoren für die Extraktionseffizienz herangezogen. Die höchste durch ultraschallunterstützte Extraktion erzielte Pektinausbeute betrug 12,67% (Extraktionsbedingungen: 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 und 10 min). Unter denselben Bedingungen wurde eine konventionelle Extraktion durch Erhitzen durchgeführt, deren Ergebnis 7,95% betrug. Diese Ergebnisse stimmen mit anderen Studien überein, die über die kurze Zeit für eine wirksame ultraschallunterstützte Extraktion von Polysacchariden berichten, darunter Pektin, Hemicellulosen und andere wasserlösliche Polysaccharide. Zudem wurde beobachtet, dass die Extraktionsausbeute durch Ultraschallunterstützung auf das 1,6-Fache anstieg. Die erzielten Ergebnisse zeigten, dass Ultraschall eine effiziente und zeitsparende Technik zur Extraktion von Pektin aus Passionsfruchtschalen ist. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Kladodien des Feigenkaktus: Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) von Pektin aus Kladodien von Opuntia ficus indica (OFI) nach Entfernung der Schleimstoffe wurde mithilfe der Antwortflächenmethodik untersucht. Die Prozessvariablen wurden mit einem isovarianten zentral zusammengesetzten Versuchsplan optimiert, um die Pektinextraktionsausbeute zu verbessern. Die ermittelten optimalen Bedingungen waren: Beschallungsdauer 70 min, Temperatur 70, pH 1,5 und ein Wasser-Material-Verhältnis von 30 ml/g. Diese Bedingungen wurden validiert, und die experimentelle Extraktionsausbeute betrug 18,14% ± 1,41%, was nahe am vorhergesagten Wert (19,06%) lag. Somit stellt die Ultraschallextraktion dank ihrer hohen Effizienz, die in kürzerer Zeit und bei niedrigeren Temperaturen erreicht wurde, eine vielversprechende Alternative zum konventionellen Extraktionsverfahren dar. Das durch Ultraschallextraktion aus OFI-Kladodien gewonnene Pektin (UAEPC) weist einen niedrigen Veresterungsgrad, einen hohen Uronsäuregehalt, wichtige funktionelle Eigenschaften und eine gute radikalfangende Aktivität auf. Diese Ergebnisse sprechen für den Einsatz von UAEPC als potenziellem 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 Ultraschall eingesetzt, um Pektine aus Traubentrester mit Zitronensäure als Extraktionsmittel zu gewinnen. Nach der Antwortflächenmethodik lässt sich die höchste Pektinausbeute (∼32,3%) erzielen, wenn die Ultraschallextraktion bei 75ºC über 60 min mit einer Zitronensäurelösung bei pH 2,0 durchgeführt wird. Diese pektischen Polysaccharide, die hauptsächlich aus Galacturonsäureeinheiten bestehen (∼97% der Gesamtzucker), weisen ein durchschnittliches Molekulargewicht von 163,9kDa und einen Veresterungsgrad (DE) von 55,2% auf.
Die Oberflächenmorphologie des beschallten Traubentresters zeigt, dass die Ultraschallbehandlung eine wichtige Rolle beim Aufschluss des pflanzlichen Gewebes und bei der Steigerung der Extraktionsausbeuten spielt. Die nach der Ultraschallextraktion von Pektinen unter optimalen Bedingungen (75°C, 60 min, pH 2,0) erzielte Ausbeute war 20% höher als die Ausbeute bei einer Extraktion unter denselben Temperatur-, Zeit- und pH-Bedingungen ohne Ultraschallunterstützung. Darüber hinaus wiesen die durch Ultraschallextraktion gewonnenen Pektine ein höheres durchschnittliches Molekulargewicht auf. [Minjares-Fuentes et al. 2014]