Υπερήχων πηκτίνη εκχύλιση από φρούτα και βιολογικά απόβλητα

• Οι πηκτίνες είναι ένα πολύ συχνά χρησιμοποιούμενο πρόσθετο τροφίμων, που προστίθεται κυρίως για τα πηκτωματογόνα αποτελέσματά του.
• Υπερήχων εκχύλιση αυξάνει σημαντικά την απόδοση και την ποιότητα των εκχυλισμάτων πηκτίνης.
• Κατεργασία με υπερήχους είναι γνωστή για τα αποτελέσματα εντατικοποίησης της διαδικασίας, τα οποία χρησιμοποιούνται ήδη σε πολλαπλές βιομηχανικές διεργασίες.

Εκχύλιση πηκτινών και πηκτίνης

Η πηκτίνη είναι ένας φυσικός σύνθετος πολυσακχαρίτης (ετεροπολυσακχαρίτης) που απαντάται κυρίως στα κυτταρικά τοιχώματα των φρούτων, ιδίως στα εσπεριδοειδή και στα υπολείμματα μήλων. Υψηλές περιεκτικότητες σε πηκτίνη παρατηρούνται στις φλούδες τόσο των μήλων όσο και των εσπεριδοειδών. Τα υπολείμματα μήλων περιέχουν 10-15% πηκτίνη σε ξηρή βάση, ενώ οι φλούδες εσπεριδοειδών περιέχουν 20-30%. Οι πηκτίνες είναι βιοσυμβατοί, βιοαποικοδομήσιμοι και ανανεώσιμοι πολυσακχαρίτες με εξαιρετική ικανότητα πηκτωματοποίησης και πάχυνσης, γεγονός που τις καθιστά πολύτιμα πρόσθετα. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε τρόφιμα, καλλυντικά και φαρμακευτικά προϊόντα ως τροποποιητές ρεολογίας, λειτουργώντας ως παράγοντες πηκτωματοποίησης, γυαλίσματος, σταθεροποίησης και πάχυνσης και, σε ορισμένες συνθέσεις, ως γαλακτωματοποιητές. Η εκχύλιση με υπερήχους αποτελεί μια αποτελεσματική μέθοδο για την απομόνωση πηκτινών υψηλής ποιότητας από φλούδες φρούτων και στέμφυλα, αυξάνοντας την απόδοση και μειώνοντας ταυτόχρονα τον χρόνο επεξεργασίας και το συνολικό κόστος.

Η συμβατική εκχύλιση πηκτίνης για βιομηχανικές εφαρμογές πραγματοποιείται μέσω διαδικασιών που καταλύονται από οξέα (με τη χρήση νιτρικού, υδροχλωρικού ή θειικού οξέος). Η εκχύλιση που καταλύεται από οξέα αποτελεί τη συχνότερα χρησιμοποιούμενη μέθοδο στη βιομηχανική παραγωγή πηκτίνης, καθώς οι άλλες τεχνικές εκχύλισης, όπως η άμεση βρασμό (60ºC-100ºC) για έως και 24 ώρες και το χαμηλό pH (1,0-3,0), είναι αργές και έχουν χαμηλή απόδοση, ενώ μπορούν να προκαλέσουν θερμική αποικοδόμηση της εκχυλισθείσας ίνας, και η απόδοση της πηκτίνης περιορίζεται μερικές φορές από τις συνθήκες της διεργασίας. Ωστόσο, η εκχύλιση με καταλύτη οξέος έχει και τα μειονεκτήματά της: Η έντονη όξινη επεξεργασία προκαλεί αποπολυμερισμό και αποεστεροποίηση των αλυσίδων της πηκτίνης, γεγονός που επηρεάζει αρνητικά την ποιότητα της πηκτίνης. Η παραγωγή μεγάλων όγκων όξινων λυμάτων απαιτεί μετα-επεξεργασία και δαπανηρή επεξεργασία ανακύκλωσης, γεγονός που καθιστά τη διαδικασία περιβαλλοντικό βάρος.

Υπερήχων πηκτίνη εκχύλιση

Υπερήχων εκχύλιση είναι μια ήπια, μη θερμική επεξεργασία, η οποία εφαρμόζεται σε πολλαπλές διαδικασίες τροφίμων. Όσον αφορά την εκχύλιση των πηκτινών από φρούτα και λαχανικά, κατεργασία με υπερήχους παράγει πηκτίνη υψηλής ποιότητας. Υπερήχων εκχυλίζονται πηκτίνες υπερέχουν από το ανυδροουρονικό οξύ, μεθοξύλιο και ασβέστιο πηκτικό περιεχόμενο, καθώς και το βαθμό εστεροποίησης. Οι ήπιες συνθήκες της εκχύλισης με υπερήχους εμποδίζουν τη θερμική υποβάθμιση των ευαίσθητων στη θερμότητα πηκτινών.
Η ποιότητα και η καθαρότητα της πηκτίνης μπορεί να ποικίλει ανάλογα με το ανυδρογαλακτουρονικό οξύ, τον βαθμό εστεροποίησης, την περιεκτικότητα σε τέφρα της εκχυλισμένης πηκτίνης. Η πηκτίνη με υψηλό μοριακό βάρος και χαμηλή περιεκτικότητα σε τέφρα (κάτω από 10%) με υψηλό ανυδρογαλακτουρονικό οξύ (πάνω από 65%) είναι γνωστή ως καλής ποιότητας πηκτίνη. Δεδομένου ότι η ένταση της θεραπείας με υπερήχους μπορεί να ελεγχθεί με μεγάλη ακρίβεια, οι ιδιότητες του εκχυλίσματος πηκτίνης μπορούν να επηρεαστούν από τη ρύθμιση του πλάτους, της θερμοκρασίας εκχύλισης, της πίεσης, του χρόνου κατακράτησης και του διαλύτη.

 

Σε αυτό το βίντεο, σας παρουσιάζουμε την εξαιρετικά αποτελεσματική υπερηχητική εκχύλιση πηκτίνης από φλούδα γκρέιπφρουτ χρησιμοποιώντας τον υπερηχητικό τύπο καθετήρα UP200Ht. Κατεργασία με υπερήχους είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος για την παραγωγή υψηλής ποιότητας αποδόσεις πηκτίνης από υποπροϊόντα φρούτων και λαχανικών. Υπερήχων εκχύλιση αποδίδει υψηλότερες ποσότητες πηκτίνης και ανώτερη ποιότητα μέσα σε μικρότερο χρόνο επεξεργασίας.

 
Βρείτε το πρωτόκολλο για την εκχύλιση πηκτίνης υπερήχων από φλούδα γκρέιπφρουτ που αποδεικνύεται στο παραπάνω βίντεο εδώ!
 

Υπερήχων εκχύλιση μπορεί να τρέξει χρησιμοποιώντας διάφορα Διαλύτες όπως νερό, κιτρικό οξύ, διάλυμα νιτρικού οξέος (HNO₃, pH 2.0) ή οξαλικό αμμώνιο / οξαλικό οξύ, το οποίο καθιστά επίσης δυνατή την ενσωμάτωση υπερήχων σε υπάρχουσες γραμμές εκχύλισης (εκ των υστέρων τοποθέτηση).

Απόβλητα φρούτων ως πηγή: Ο υπέρηχος υψηλής απόδοσης έχει ήδη εφαρμοστεί με επιτυχία για την απομόνωση πηκτινών από πυρηνέλαιο μήλου, φλούδες εσπεριδοειδών (όπως πορτοκάλι, λεμόνι, γκρέιπφρουτ), στέμφυλο, ρόδι, πολτό ζαχαρότευτλων, φλούδα φρούτων δράκων, φραγκόσυκα, φλούδα φρούτων πάθους και φλούδες μάνγκο.

Κατακρήμνιση πηκτίνης μετά από εκχύλιση με υπερήχους

Η προσθήκη αιθανόλης σε ένα διάλυμα εκχυλίσματος μπορεί να βοηθήσει στο διαχωρισμό της πηκτίνης μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται καθίζηση. Η πηκτίνη, ένας πολύπλοκος πολυσακχαρίτης που βρίσκεται στα κυτταρικά τοιχώματα των φυτών, είναι διαλυτή στο νερό υπό κανονικές συνθήκες. Ωστόσο, μεταβάλλοντας το περιβάλλον του διαλύτη με την προσθήκη αιθανόλης, η διαλυτότητα της πηκτίνης μπορεί να μειωθεί, οδηγώντας στην καθίζησή της από το διάλυμα.

Η χημεία πίσω από την καταβύθιση πηκτίνης χρησιμοποιώντας αιθανόλη μπορεί να εξηγηθεί από τρεις αντιδράσεις:

• Διαταραχή των δεσμών υδρογόνουΤα μόρια πηκτίνης συγκρατούνται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου, οι οποίοι συμβάλλουν στη διαλυτότητά τους στο νερό. Η αιθανόλη διαταράσσει αυτούς τους δεσμούς υδρογόνου ανταγωνιζόμενη τα μόρια νερού για θέσεις σύνδεσης στα μόρια πηκτίνης. Καθώς τα μόρια αιθανόλης αντικαθιστούν τα μόρια νερού γύρω από τα μόρια πηκτίνης, οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των μορίων πηκτίνης εξασθενούν, μειώνοντας τη διαλυτότητά τους στο διαλύτη.
• Μειωμένη πολικότητα διαλύτη: Η αιθανόλη είναι λιγότερο πολική από το νερό, που σημαίνει ότι έχει χαμηλότερη ικανότητα να διαλύει πολικές ουσίες όπως η πηκτίνη. Καθώς προστίθεται αιθανόλη στο διάλυμα εκχυλίσματος, η συνολική πολικότητα του διαλύτη μειώνεται, καθιστώντας λιγότερο ευνοϊκό για τα μόρια πηκτίνης να παραμείνουν σε διάλυμα. Αυτό οδηγεί στην καθίζηση πηκτίνης από το διάλυμα, καθώς γίνεται λιγότερο διαλυτή στο μείγμα αιθανόλης-νερού.
• Αυξημένη συγκέντρωση πηκτίνης: Καθώς τα μόρια πηκτίνης καθιζάνουν έξω από το διάλυμα, η συγκέντρωση πηκτίνης στο υπόλοιπο διάλυμα αυξάνεται. Αυτό επιτρέπει τον ευκολότερο διαχωρισμό της πηκτίνης από την υγρή φάση μέσω διήθησης ή φυγοκέντρισης.

Η καθίζηση πηκτίνης χρησιμοποιώντας αιθανόλη είναι μια απλή και αποτελεσματική μέθοδος για την απομόνωση πηκτινών από το διάλυμα εκχυλίσματος, το οποίο είναι ένα βήμα διαδικασίας που μπορεί εύκολα να τρέξει μετά από εκχύλιση πηκτίνης με υπερήχους. Η προσθήκη αιθανόλης στο διάλυμα εκχυλίσματος μεταβάλλει το περιβάλλον του διαλύτη κατά τρόπο που μειώνει τη διαλυτότητα της πηκτίνης, οδηγώντας στην καθίζησή της και τον επακόλουθο διαχωρισμό της από το διάλυμα. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται συνήθως στην εκχύλιση και τον καθαρισμό πηκτίνης από φυτικά υλικά για διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές και εφαρμογές τροφίμων.
 
 
Σας ενδιαφέρει η αξιοποίηση των στέμφυλων, των φλούδων και του πολτού; – Διαβάστε περισσότερα για την εκχύλιση πολυφαινολών από υπολείμματα φρούτων!

Βιομηχανικά συστήματα υπερήχων για την εκχύλιση πηκτίνης

Η Hielscher Ultrasonics είναι ο συνεργάτης σας για διαδικασίες εκχύλισης από φυτικό υλικό, όπως στέμφυλα, φλούδες και σπόρους. Είτε επιθυμείτε να εκχυλίσετε μικρές ποσότητες για ερευνητικούς και αναλυτικούς σκοπούς είτε να επεξεργαστείτε μεγάλους όγκους για εμπορική παραγωγή, διαθέτουμε τον κατάλληλο υπερηχητικό εκχυλιστή για εσάς. Οι εργαστηριακοί ομογενοποιητές υπερήχων μας, καθώς και οι επιτραπέζιοι και βιομηχανικοί υπερηχητικοί μας, είναι ανθεκτικοί, εύχρηστοι και κατασκευασμένοι για λειτουργία 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα, υπό πλήρες φορτίο. Μια ευρεία γκάμα εξαρτημάτων, όπως σονοτρόδια (υπερηχητικοί αισθητήρες / κέρατα) διαφόρων μεγεθών και σχημάτων, κυψέλες ροής, αντιδραστήρες και ενισχυτές, σας επιτρέπουν τη βέλτιστη ρύθμιση για τη συγκεκριμένη διαδικασία εκχύλισης που χρειάζεστε.
Όλες οι ψηφιακές μηχανές υπερήχων είναι εξοπλισμένες με έγχρωμη οθόνη αφής, ενσωματωμένη κάρτα SD για αυτόματο πρωτόκολλο δεδομένων και τηλεχειριστήριο προγράμματος περιήγησης για ολοκληρωμένη παρακολούθηση της διαδικασίας. Με τα εξελιγμένα συστήματα υπερήχων της Hielscher, μια υψηλή τυποποίηση διαδικασίας και ποιοτικός έλεγχος γίνεται απλή.
Επικοινωνήστε μαζί μας σήμερα για να συζητήσουμε τις απαιτήσεις της διαδικασίας εκχύλισης πηκτίνης! Θα χαρούμε να σας βοηθήσουμε με τη μακροχρόνια εμπειρία μας στην εκχύλιση με υπερήχους και να σας βοηθήσουμε να επιτύχετε την υψηλότερη αποτελεσματικότητα της διαδικασίας και τη βέλτιστη ποιότητα πηκτίνης!

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας:

Ερευνητικά αποτελέσματα της εκχύλισης πηκτίνης υπερήχων

Απορρίμματα τομάτας: Για να αποφευχθούν μεγάλοι χρόνοι εκχύλισης (12-24 ώρες) στη διαδικασία παλινδρόμησης, υπερήχους χρησιμοποιήθηκε για την εντατικοποίηση της διαδικασίας εκχύλισης όσον αφορά το χρόνο (15, 30, 45, 60 και 90 λεπτά). Ανάλογα με τους χρόνους εκχύλισης, οι ληφθείσες αποδόσεις πηκτίνης για το πρώτο βήμα εκχύλισης με υπερήχους, σε θερμοκρασίες 60 ° C και 80 ° C είναι 15,2-17,2% και 16,3-18,5%, αντίστοιχα. Όταν εφαρμόστηκε ένα δεύτερο βήμα εκχύλισης με υπερήχους, η απόδοση των πηκτινών από τα απόβλητα τομάτας αυξήθηκε στο 34-36%, ανάλογα με τις θερμοκρασίες και τους χρόνους). Προφανώς, η εκχύλιση με υπερήχους αυξάνει τη ρήξη της μήτρας τοιχώματος κυττάρων τομάτας, οδηγώντας σε καλύτερες αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαλύτη και εκχυλισμένου υλικού.
Οι υπερηχητικά εκχυλισμένες πηκτίνες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως υψηλές μεθοξυλικές πηκτίνες (HM-πηκτίνη) με ταχείες ιδιότητες πηκτωματοποίησης (DE > 70%) και βαθμό εστεροποίησης 73,3-85,4%. n. Η περιεκτικότητα σε πηκτικό ασβέστιο σε υπερηχητικά εκχυλισμένη πηκτίνη μετρήθηκε μεταξύ 41,4% και 97,5%, ανάλογα με τις παραμέτρους εκχύλισης (θερμοκρασία και χρόνος). Σε υψηλότερη θερμοκρασία εκχύλισης με υπερήχους, η περιεκτικότητα σε πηκτικό ασβέστιο είναι υψηλότερη (91-97%) και ως εκ τούτου παρουσιάζουν σημαντική παράμετρο της ικανότητας πηκτίνης πηκτίνης σε σύγκριση με τη συμβατική εκχύλιση.
Η συμβατική εκχύλιση με διαλύτη για διάρκεια 24 ωρών δίνει παρόμοιες αποδόσεις πηκτίνης σε σύγκριση με 15 λεπτά θεραπείας εκχύλισης με υπερήχους. Όσον αφορά τα ληφθέντα αποτελέσματα, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η υπερηχητική θεραπεία μειώνει αξιοσημείωτα τον χρόνο εκχύλισης. Η φασματοσκοπία NMR και FTIR επιβεβαιώνει την ύπαρξη κυρίως εστεροποιημένης πηκτίνης σε όλα τα δείγματα που ερευνήθηκαν. [Grassino et al. 2016]

Φλούδα φρούτων του πάθους: Η απόδοση εκχύλισης, το γαλακτουρονικό οξύ και ο βαθμός εστεροποίησης θεωρήθηκαν ως δείκτες της αποτελεσματικότητας της εκχύλισης. Η υψηλότερη απόδοση πηκτίνης που ελήφθη με εκχύλιση με υπερήχους ήταν 12,67% (συνθήκες εκχύλισης 85ºC, 664 W / cm2, pH 2,0 και 10 λεπτά). Για τις ίδιες συνθήκες, πραγματοποιήθηκε συμβατική εξαγωγή θέρμανσης και το αποτέλεσμα ήταν 7,95%. Αυτά τα αποτελέσματα είναι σύμφωνα με άλλες μελέτες, οι οποίες αναφέρουν το σύντομο χρονικό διάστημα για αποτελεσματική εκχύλιση πολυσακχαριτών, συμπεριλαμβανομένης της πηκτίνης, των ημικυτταρινών και άλλων υδατοδιαλυτών πολυσακχαριτών, με τη βοήθεια υπερήχων. Παρατηρήθηκε επίσης ότι η απόδοση εκχύλισης αυξήθηκε 1,6 φορές όταν η εκχύλιση υποβοηθήθηκε από υπερήχους. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν έδειξαν ότι ο υπέρηχος ήταν μια αποτελεσματική τεχνική εξοικονόμησης χρόνου για την εκχύλιση πηκτίνης από φλούδα φρούτων πάθους. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Φραγκόσυκα: Υπερήχων υποβοηθούμενη εκχύλιση (ΗΑΕ) πηκτίνης από Opuntia ficus indica (OFI) cladodes μετά την απομάκρυνση βλεννώδους επιχειρήθηκε χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία επιφάνειας απόκρισης. Οι μεταβλητές διεργασίας βελτιστοποιήθηκαν από τον ισομεταβλητό κεντρικό σύνθετο σχεδιασμό προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση εκχύλισης πηκτίνης. Η βέλτιστη κατάσταση που επιτεύχθηκε ήταν: χρόνος υπερήχων 70 λεπτά, θερμοκρασία 70, pH 1,5 και αναλογία νερού-υλικού 30 ml / g. Αυτή η κατάσταση επικυρώθηκε και η απόδοση της πειραματικής εκχύλισης ήταν 18,14% ± 1,41%, η οποία συνδέθηκε στενά με την προβλεπόμενη τιμή (19,06%). Έτσι, η εκχύλιση με υπερήχους παρουσιάζει μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στη συμβατική διαδικασία εκχύλισης χάρη στην υψηλή αποτελεσματικότητά της που επιτεύχθηκε σε λιγότερο χρόνο και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η πηκτίνη που εξάγεται με εκχύλιση με υπερήχους από cladodes OFI (UAEPC) έχει χαμηλό βαθμό εστεροποίησης, υψηλή περιεκτικότητα σε ουρονικό οξύ, σημαντικές λειτουργικές ιδιότητες και καλή αντι-ριζική δράση. Αυτά τα αποτελέσματα είναι υπέρ της χρήσης του UAEPC ως δυνητικού προσθέτου στη βιομηχανία τροφίμων. [Bayar et al. 2017]

Στέμφυλα: Στην ερευνητική εργασία “Εξαγωγή πηκτινών από στέμφυλα σταφυλιών με τη βοήθεια υπερήχων και χρήση κιτρικού οξέος: Μια προσέγγιση με βάση τη μεθοδολογία επιφάνειας απόκρισης”, χρησιμοποιείται η υπερηχητική επεξεργασία για την εκχύλιση πηκτινών από στέμφυλα σταφυλιών, με το κιτρικό οξύ ως παράγοντα εκχύλισης. Σύμφωνα με τη Μεθοδολογία Επιφάνειας Απόκρισης, η υψηλότερη απόδοση πηκτίνης (∼32,3%) μπορεί να επιτευχθεί όταν η διαδικασία εκχύλισης με υπερήχους πραγματοποιείται στους 75ºC για 60 λεπτά χρησιμοποιώντας διάλυμα κιτρικού οξέος με pH 2,0. Αυτοί οι πηκτικοί πολυσακχαρίτες, που αποτελούνται κυρίως από μονάδες γαλακτουρονικού οξέος (∼97% των συνολικών σακχάρων), έχουν μέσο μοριακό βάρος 163,9 kDa και βαθμό εστεροποίησης (DE) 55,2%.
Η επιφανειακή μορφολογία των υπερήχων σταφυλιών δείχνει ότι η υπερήχηση παίζει σημαντικό ρόλο στη διάσπαση του φυτικού ιστού και στην ενίσχυση των αποδόσεων εκχύλισης. Η απόδοση που ελήφθη μετά από εκχύλιση με υπερήχους πηκτινών χρησιμοποιώντας τις βέλτιστες συνθήκες (75 ° C, 60 λεπτά, pH 2.0) ήταν 20% υψηλότερη από την απόδοση που ελήφθη κατά την εκχύλιση πραγματοποιήθηκε εφαρμόζοντας τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας, χρόνου και pH, αλλά χωρίς υπερηχητική βοήθεια. Επιπλέον, οι πηκτίνες από την εκχύλιση με υπερήχους παρουσίασαν επίσης υψηλότερο μέσο μοριακό βάρος. [Minjares-Fuentes et al. 2014]