Extracción ultrasónica de pectina de frutas y biorresiduos

• Las pectinas son un aditivo alimentario muy utilizado, que se añade principalmente por sus efectos gelificantes.
• La extracción ultrasónica aumenta significativamente el rendimiento y la calidad de los extractos de pectina.
• La sonicación es conocida por sus efectos intensificadores del proceso, que ya se utilizan en múltiples procesos industriales.

Pectinas y extracción de pectina

La pectina es un polisacárido complejo natural (heteropolisacárido) que se encuentra sobre todo en las paredes celulares de las frutas, especialmente en los cítricos y el orujo de manzana. Las cáscaras de las manzanas y los cítricos presentan un alto contenido en pectina. El orujo de manzana contiene entre un 10 y un 15% de pectina sobre una base de materia seca, mientras que la piel de los cítricos contiene entre un 20 y un 30%. Las pectinas son biocompatibles, biodegradables y renovables y presentan grandes propiedades gelificantes y espesantes, lo que las convierte en un aditivo muy apreciado. Las pectinas se utilizan ampliamente en productos alimentarios, cosméticos y farmacéuticos como modificadores reológicos, como emulsionantes, gelificantes, glaseantes, estabilizantes y espesantes.
La extracción convencional de pectina para aplicaciones industriales se realiza mediante procesos catalizados por ácido (con ácido nítrico, clorhídrico o sulfúrico). La extracción catalizada por ácido es el proceso más frecuente en la producción industrial de pectina, ya que las otras técnicas de extracción, como la ebullición directa (60ºC-100ºC) durante un máximo de 24 horas y pH bajo (1,0-3,0), son lentas y de bajo rendimiento y pueden causar la degradación térmica de la fibra extraída y el rendimiento de pectina a veces está limitado por las condiciones del proceso. Sin embargo, la extracción catalizada por ácido también tiene sus desventajas: El duro tratamiento ácido provoca la despolimerización y desesterificación de las cadenas de pectina, lo que afecta negativamente a la calidad de la pectina. La producción de grandes volúmenes de efluentes ácidos requiere un tratamiento posterior y un costoso tratamiento de reciclado, lo que convierte el proceso en una carga medioambiental.

Extracción ultrasónica de pectina

La extracción por ultrasonidos es un tratamiento suave, no térmico, que se aplica a múltiples procesos alimentarios. En lo que respecta a la extracción de pectinas de frutas y verduras, la sonicación produce pectinas de alta calidad. Las pectinas extraídas por ultrasonidos destacan por su contenido en ácido anhidrourónico, metoxilo y pectato cálcico, así como por su grado de esterificación. Las condiciones suaves de la extracción por ultrasonidos evitan una degradación térmica de las pectinas termosensibles.
La calidad y la pureza de la pectina pueden variar en función del ácido anhidrogalacturónico, el grado de esterificación y el contenido en cenizas de la pectina extraída. La pectina con alto peso molecular y bajo contenido en cenizas (inferior al 10%) con alto contenido en ácido anhidrogalacturónico (superior al 65%) se conoce como pectina de buena calidad. Dado que la intensidad del tratamiento ultrasónico puede controlarse con gran precisión, es posible influir en las propiedades del extracto de pectina ajustando la amplitud, la temperatura de extracción, la presión, el tiempo de retención y el disolvente.

 
Aquí encontrará el protocolo de extracción de pectina por ultrasonidos a partir de la cáscara de pomelo que se muestra en el vídeo anterior.
 

La extracción por ultrasonidos puede realizarse utilizando varios Disolventes como agua, ácido cítrico, solución de ácido nítrico (HNO₃pH 2,0), o de oxalato de amonio/ácido oxálico, lo que permite también integrar la sonicación en las líneas de extracción existentes (retro-fitting).

Residuos de fruta como fuente: El ultrasonido de alto rendimiento ya se ha aplicado con éxito para aislar pectinas de orujo de manzana, cáscaras de cítricos (como naranja, limón, pomelo), orujo de uva, granada, pulpa de remolacha azucarera, cáscara de fruta del dragón, cladodios de higo chumbo, cáscara de fruta de la pasión y cáscaras de mango.

Precipitación de pectina tras la extracción por ultrasonidos

Añadir etanol a una solución de extracto puede ayudar a separar la pectina mediante un proceso denominado precipitación. La pectina, un polisacárido complejo que se encuentra en las paredes celulares de las plantas, es soluble en agua en condiciones normales. Sin embargo, al alterar el entorno del disolvente con la adición de etanol, puede reducirse la solubilidad de la pectina, lo que conduce a su precipitación de la solución.

La química que subyace a la precipitación de la pectina con etanol puede explicarse mediante tres reacciones:

• Interrupción de los enlaces de hidrógeno: Las moléculas de pectina se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno, que contribuyen a su solubilidad en agua. El etanol interrumpe estos enlaces de hidrógeno al competir con las moléculas de agua por los sitios de unión en las moléculas de pectina. A medida que las moléculas de etanol sustituyen a las moléculas de agua alrededor de las moléculas de pectina, los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de pectina se debilitan, reduciendo su solubilidad en el disolvente.
• Disminución de la polaridad del disolvente: El etanol es menos polar que el agua, lo que significa que tiene una menor capacidad para disolver sustancias polares como la pectina. A medida que se añade etanol a la solución de extracto, la polaridad general del disolvente disminuye, lo que hace menos favorable que las moléculas de pectina permanezcan en solución. Esto conduce a la precipitación de la pectina fuera de la solución, ya que se vuelve menos soluble en la mezcla de etanol y agua.
• Aumento de la concentración de pectina: A medida que las moléculas de pectina precipitan fuera de la solución, aumenta la concentración de pectina en la solución restante. Esto permite separar más fácilmente la pectina de la fase líquida mediante filtración o centrifugación.

La precipitación de la pectina mediante etanol es un método sencillo y eficaz para aislar las pectinas de la solución de extracto, que es un paso del proceso que puede ejecutarse fácilmente después de la extracción ultrasónica de la pectina. La adición de etanol a la solución de extracto altera el entorno del disolvente de forma que se reduce la solubilidad de la pectina, lo que conduce a su precipitación y posterior separación de la solución. Esta técnica se utiliza habitualmente en la extracción y purificación de pectina a partir de materiales vegetales para diversas aplicaciones industriales y alimentarias.

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En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Resultados de la investigación sobre la extracción ultrasónica de pectina

Residuos de tomate: Para evitar tiempos de extracción largos (12-24 h) en el procedimiento de reflujo, se utilizó la ultrasonicación para intensificar el proceso de extracción en términos de tiempo (15, 30, 45, 60 y 90 min). En función de los tiempos de extracción, los rendimientos de pectina obtenidos para el primer paso de extracción por ultrasonidos, a temperaturas de 60°C y 80°C son del 15,2-17,2% y del 16,3-18,5%, respectivamente. cuando se aplicó un segundo paso de extracción por ultrasonidos, el rendimiento de pectinas a partir de residuos de tomate se incrementó hasta el 34-36%, en función de las temperaturas y los tiempos). Obviamente, la extracción ultrasónica aumenta la ruptura de la matriz de la pared celular del tomate, lo que conduce a mejores interacciones entre el disolvente y el material extraído.
Las pectinas extraídas por ultrasonidos pueden clasificarse como pectinas de alto metoxilo (HM-pectina) con propiedades gelificantes de fraguado rápido (DE > 70%) y un grado de esterificación de 73,3-85,4%. n. El contenido de pectato cálcico en la pectina extraída por ultrasonidos se midió entre 41,4% y 97,5%, dependiendo de los parámetros de extracción (temperatura y tiempo). A mayor temperatura de extracción ultrasónica, los contenidos de pectato cálcico son mayores (91-97%) y, como tales, presentan un parámetro importante de la capacidad gelificante de la pectina en comparación con la extracción convencional.
La extracción convencional con disolventes durante 24 horas proporciona rendimientos de pectina similares a los obtenidos con 15 minutos de tratamiento de extracción por ultrasonidos. Con respecto a los resultados obtenidos, se puede concluir que el tratamiento ultrasónico disminuye notablemente el tiempo de extracción. La espectroscopia NMR y FTIR confirman la existencia de pectina predominantemente esterificada en todas las muestras investigadas. [Grassino et al. 2016]

Cáscara de fruta de la pasión: El rendimiento de extracción, el ácido galacturónico y el grado de esterificación se consideraron indicadores de la eficacia de la extracción. El mayor rendimiento de pectina obtenido mediante extracción asistida por ultrasonidos fue del 12,67% (condiciones de extracción 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 y 10 min). Para estas mismas condiciones, se realizó una extracción por calentamiento convencional y el resultado fue del 7,95%. Estos resultados están de acuerdo con otros estudios, que informan del corto tiempo para la extracción efectiva de polisacáridos, incluyendo pectina, hemicelulosas y otros polisacáridos solubles en agua, asistida por ultrasonidos. También se observó que el rendimiento de extracción se multiplicaba por 1,6 cuando la extracción era asistida por ultrasonidos. Los resultados obtenidos demostraron que el ultrasonido era una técnica eficiente y que ahorraba tiempo para la extracción de pectina de la cáscara de maracuyá. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Cladodios de higo chumbo: La extracción asistida por ultrasonidos (EAU) de pectina de cladodios de Opuntia ficus indica (OFI) tras la eliminación del mucílago se intentó mediante la metodología de superficie de respuesta. Las variables del proceso se optimizaron mediante el diseño compuesto central isovariante con el fin de mejorar el rendimiento de la extracción de pectina. La condición óptima obtenida fue: tiempo de sonicación 70 min, temperatura 70, pH 1,5 y la relación agua-material 30 ml/g. Esta condición fue validada y el rendimiento de la extracción experimental fue de 18,14% ± 1,41%, que se aproximó al valor predicho (19,06%). Por lo tanto, la extracción ultrasónica presenta una alternativa prometedora al proceso de extracción convencional gracias a su alta eficiencia que se logró en menos tiempo y a temperaturas más bajas. La pectina extraída por extracción ultrasónica de cladodios de OFI (UAEPC) presenta un bajo grado de esterificación, alto contenido en ácido urónico, importantes propiedades funcionales y buena actividad antirradical. Estos resultados están a favor del uso de UAEPC como aditivo potencial en la industria alimentaria. [Bayar et al. 2017]

Orujo de uva: En el trabajo de investigación "Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach", se utiliza la sonicación para extraer pectinas del orujo de uva con ácido cítrico como agente extractor. Según la Metodología de Superficie de Respuesta, el mayor rendimiento de pectina (∼32,3%) se consigue cuando el proceso de extracción por ultrasonidos se lleva a cabo a 75ºC durante 60 min utilizando una solución de ácido cítrico de pH 2,0. Estos polisacáridos pécticos, compuestos principalmente por unidades de ácido galacturónico (∼97% del total de azúcares), tienen un peso molecular medio de 163,9kDa y un grado de esterificación (DE) del 55,2%.
La morfología de la superficie del orujo de uva sonicado muestra que la sonicación desempeña un papel importante en la ruptura del tejido vegetal y en la mejora de los rendimientos de extracción. El rendimiento obtenido tras la extracción ultrasónica de pectinas utilizando las condiciones óptimas (75°C, 60 min, pH 2,0) fue un 20% superior al obtenido cuando la extracción se llevó a cabo aplicando las mismas condiciones de temperatura, tiempo y pH, pero sin asistencia ultrasónica. Además, las pectinas procedentes de la extracción ultrasónica también presentaron un peso molecular medio más elevado. [Minjares-Fuentes et al. 2014]