Pektiini ultraheliekstraktsioon puuviljadest ja biojäätmetest

• Pektiinid on väga sageli kasutatav toidu lisaaine, mida lisatakse peamiselt nende geelistava toime tõttu.
• Ultraheliekstraktsioon suurendab pektiiniekstraktide saagist ja kvaliteeti oluliselt.
• Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on tuntud oma protsessi intensiivistava toime poolest, mida kasutatakse juba paljudes tööstusprotsessides.

Pektiinid ja pektiini ekstraktsioon

Pektiin on looduslik keeruline polüsahhariid (heteropolüsahhariid), mida leidub eeskätt puuviljade rakuseintes, eriti tsitrusviljades ja õunapressijääkides. Suurt pektiinisisaldust leidub nii õunte kui ka tsitrusviljade koortes. Õunapressijääk sisaldab kuivaine baasil 10-15% pektiini, tsitruseviljade koored aga 20-30%. Pektiinid on biosobivad, biolagunevad ja taastuvad polüsahhariidid, millel on suurepärased geelistavad ja paksendavad omadused, mistõttu on need kõrgelt hinnatud lisaained. Neid kasutatakse laialdaselt toidu-, kosmeetika- ja farmaatsiatoodetes reoloogia modifikaatoritena, mis toimivad geelistavate, glaseerivate, stabiliseerivate ja paksendavate ainetena ning mõnes koostises ka emulgaatoritena. Ultraheliekstraktsioon on tõhus meetod kvaliteetsete pektiinide eraldamiseks puuviljakoortest ja pressijääkidest, mis suurendab saagist ning vähendab samal ajal töötlusaega ja kogukulu.

Tavapärane pektiini ekstraktsioon tööstuslikeks rakendusteks toimub happekatalüütiliste protsesside abil (kasutades lämmastik-, soolhapet või väävelhapet). Happekatalüütiline ekstraktsioon on tööstuslikus pektiinitootmises kõige sagedamini kasutatav protsess, kuna muud ekstraktsioonitehnikad, näiteks otsene keetmine (60ºC-100ºC) kuni 24 tundi ja madal pH (1,0-3,0), on aeglased ja väikese saagisega ning võivad põhjustada ekstraheeritud kiudaine termilist lagunemist ning pektiini saagist piiravad mõnikord protsessitingimused. Happekatalüütilisel ekstraktsioonil on siiski ka puudusi: karm happeline töötlus põhjustab pektiiniahelate depolümerisatsiooni ja deesterdumist, mis mõjutab pektiini kvaliteeti negatiivselt. Suurte happeliste heitvee koguste tekkimine nõuab järeltöötlust ja kallist ringlussevõtu töötlust, mistõttu on protsess keskkonnakoormus.

Pektiini ultraheliekstraktsioon

Ultraheliekstraktsioon on õrn, mittetermiline töötlus, mida rakendatakse paljudes toiduprotsessides. Pektiinide ekstraheerimisel puu- ja köögiviljadest annab ultraheli töötlus (sonikeerimine) kvaliteetset pektiini. Ultraheli abil ekstraheeritud pektiinid paistavad silma oma anhüdrouroonhappe-, metoksüül- ja kaltsiumpektaadisisalduse ning esterdumisastmega. Ultraheliekstraktsiooni õrnad tingimused hoiavad ära kuumustundlike pektiinide termilise lagunemise.
Pektiini kvaliteet ja puhtus võivad varieeruda sõltuvalt anhüdrogalakturoonhappest, esterdumisastmest ja ekstraheeritud pektiini tuhasisaldusest. Suure molekulmassi ja madala tuhasisaldusega (alla 10%) ning kõrge anhüdrogalakturoonhappe sisaldusega (üle 65%) pektiini peetakse heaks pektiiniks. Kuna ultraheli töötluse intensiivsust saab väga täpselt reguleerida, saab pektiiniekstrakti omadusi mõjutada amplituudi, ekstraktsioonitemperatuuri, rõhu, viiteaja ja lahusti reguleerimisega.

Selles videos tutvustame pektiini ülitõhusat ultraheliekstraktsiooni greibikoorest sondsonikaatoriga UP200Ht. Ultrahelitöötlus on väga tõhus meetod kvaliteetse pektiini saamiseks suure saagisega puu- ja köögiviljade kõrvalsaadustest. Ultraheliekstraktsioon võimaldab saada rohkem pektiini ja parema kvaliteedi lühema töötlemisajaga.

 
Greibikoorest pektiini ultraheliekstraktsiooni protokolli, mida ülaltoodud videos demonstreeritakse, leiate siit!

Ultraheliekstraktsiooni saab teostada, kasutades erinevaid lahusteid nagu vesi, sidrunhape, lämmastikhappe lahus (HNO₃, pH 2,0) või ammooniumoksalaat/oksaalhape, mis võimaldab ultraheli töötluse integreerida ka olemasolevatesse ekstraktsiooniliinidesse (järelpaigaldus).

Puuviljajäätmed lähteainena: Suure võimsusega ultraheli on edukalt kasutatud pektiinide eraldamiseks õunapressijääkidest, tsitrusviljade koortest (nt apelsini-, sidruni- ja greibikoortest), viinamarjapressijääkidest, granaatõunast, suhkrupeedi viljalihast, draakonivilja koorest, viigikaktuse kladoodidest, passioniviljakoorest ja mangokoortest.

Pektiini sadestamine pärast ultraheliekstraktsiooni

Etanooli lisamine ekstraktilahusele võib aidata pektiini eraldada protsessi kaudu, mida nimetatakse sadestamiseks. Pektiin, taimerakkude seintes leiduv keeruline polüsahhariid, lahustub tavatingimustes vees. Kui aga muuta lahusti keskkonda etanooli lisamisega, võib pektiini lahustuvus väheneda, mis viib selle sadenemiseni lahusest.

Pektiini sadestamise keemiat etanooli abil saab selgitada kolme reaktsiooniga:

• Vesiniksidemete katkemine: Pektiinimolekule hoiavad koos vesiniksidemed, mis soodustavad nende lahustuvust vees. Etanool katkestab need vesiniksidemed, konkureerides veemolekulidega pektiinimolekulide sidumiskohtade pärast. Kui etanoolimolekulid asendavad pektiinimolekulide ümber veemolekule, nõrgenevad pektiinimolekulide vahelised vesiniksidemed, vähendades nende lahustuvust lahustis.
• Lahusti polaarsuse langus: Etanool on vähem polaarne kui vesi, mis tähendab, et selle võime lahustada polaarseid aineid, nagu pektiin, on väiksem. Kui ekstraktilahusele lisatakse etanooli, lahusti üldine polaarsus väheneb, mistõttu on pektiinimolekulidel lahuses püsimine vähem soodne. See põhjustab pektiini sadenemise lahusest, kuna see muutub etanooli-vee segus vähem lahustuvaks.
• Pektiini kontsentratsiooni suurenemine: Kui pektiinimolekulid lahusest sadenevad, suureneb pektiini kontsentratsioon allesjäänud lahuses. See võimaldab pektiini vedelfaasist lihtsamini eraldada filtreerimise või tsentrifuugimise teel.

Pektiini sadestamine etanooli abil on lihtne ja tõhus meetod pektiinide eraldamiseks ekstraktilahusest ning see on protsessietapp, mida saab hõlpsasti teha pärast ultraheliga pektiini ekstraheerimist. Etanooli lisamine ekstraktilahusele muudab lahusti keskkonda nii, et pektiini lahustuvus väheneb, mis viib selle sadenemise ja sellele järgneva lahusest eraldamiseni. Seda tehnikat kasutatakse tavaliselt pektiini ekstraheerimisel ja puhastamisel taimsest materjalist erinevateks tööstus- ja toidurakendusteks.

Kas olete huvitatud pressijääkide, koorte ja viljaliha väärtustamisest? – Lugege lähemalt polüfenoolide ekstraheerimisest puuviljajääkidest!

Tööstuslikud sonikaatorid pektiini ekstraheerimiseks

Hielscher Ultrasonics on teie partner taimsest materjalist, näiteks pressijääkidest, koortest ja seemnetest, tehtavates ekstraktsiooniprotsessides. Olenemata sellest, kas soovite ekstraheerida väikeseid koguseid uuringute ja analüüside jaoks või töödelda suuri mahtusid tööstuslikuks tootmiseks, on meil teile sobiv ultraheliekstraktor. Meie ultraheli laborihomogenisaatorid ning lauaseadmed ja tööstuslikud sonikaatorid on töökindlad, hõlpsasti kasutatavad ning loodud 24/7 tööks täiskoormusel. Lai valik lisatarvikuid, nagu erineva suuruse ja kujuga sonotroodid (ultraheli sondid / hornid), läbivoolukambrid ja reaktorid ning boosterid, võimaldab teie konkreetse ekstraktsiooniprotsessi jaoks optimaalset seadistust.
Kõik digitaalsed ultraheliseadmed on varustatud värvilise puuteekraaniga, integreeritud SD-kaardiga automaatseks andmete protokollimiseks ja brauseripõhise kaugjuhtimisega põhjalikuks protsessi jälgimiseks. Hielscheri välja töötatud ultraheli süsteemidega muutub protsessi kõrge standardiseerimine ja kvaliteedikontroll lihtsaks.
Võtke meiega juba täna ühendust, et arutada teie pektiini ekstraheerimisprotsessi nõudeid! Aitame teid hea meelega oma pikaajalise ultraheliekstraktsiooni kogemusega ning aitame teil saavutada kõrgeima protsessi efektiivsuse ja optimaalse pektiinikvaliteedi!

Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Ultraheli pektiiniekstraktsiooni uurimistulemused

Tomatijäätmed: Pikkade ekstraheerimisaegade (12–24 h) vältimiseks tagasijooksuga protseduuris kasutati ekstraheerimisprotsessi intensiivistamiseks ultraheli töötlust ajalises mõttes (15, 30, 45, 60 ja 90 min). Sõltuvalt ekstraheerimisajast on esimeses ultraheliekstraheerimise etapis saadud pektiinisaagised temperatuuridel 60°C ja 80°C vastavalt 15,2–17,2% ja 16,3–18,5%. Kui rakendati teist ultraheliekstraheerimise etappi, suurenes pektiinide saagis tomatijäätmetest 34–36%-ni, sõltuvalt temperatuuridest ja kestustest). Ilmselt suurendab ultraheliekstraheerimine tomati rakuseinamaatriksi lõhkumist, mis viib lahusti ja ekstraheeritava materjali parema vastasmõjuni.
Ultraheliga ekstraheeritud pektiine võib liigitada kõrge metoksüülsisaldusega pektiinideks (HM-pektiin), millel on kiiresti tardumise geelistumisomadused (DE > 70%) ja esterdumisaste 73,3–85,4%. n. Kaltsiumpektaadi sisaldus ultraheliga ekstraheeritud pektiinis mõõdeti vahemikus 41,4% kuni 97,5%, sõltuvalt ekstraheerimisparameetritest (temperatuur ja aeg). Ultraheliekstraheerimise kõrgemal temperatuuril on kaltsiumpektaadi sisaldus suurem (91–97%) ning see on seega tavapärase ekstraheerimisega võrreldes pektiini geelistumisvõime oluline parameeter.
Tavapärane lahustiekstraheerimine kestusega 24hr annab sarnased pektiinisaagised kui 15 min ultraheliekstraheerimine. Saadud tulemuste põhjal võib järeldada, et ultraheli töötlus lühendab ekstraheerimisaega märkimisväärselt. NMR- ja FTIR-spektroskoopia kinnitavad valdavalt esterdunud pektiini olemasolu kõigis uuritud proovides. [Grassino et al. 2016]

Passioniviljakoor: Ekstraheerimise efektiivsuse näitajatena käsitleti ekstraktsioonisaagist, galakturoonhapet ja esterdumisastet. Ultraheli abil ekstraheerimisel saadud pektiini suurim saagis oli 12,67% (ekstraheerimistingimused 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 ja 10 min). Samadel tingimustel tehti tavapärane kuumutusega ekstraheerimine ja tulemuseks oli 7,95%. Need tulemused on kooskõlas teiste uuringutega, mis kirjeldavad ultraheli abil toimuva polüsahhariidide, sealhulgas pektiini, hemitselluloosi ja teiste vees lahustuvate polüsahhariidide efektiivse ekstraheerimise lühikest kestust. Samuti täheldati, et ekstraktsioonisaagis suurenes 1,6 korda, kui ekstraheerimist abistati ultraheliga. Saadud tulemused näitasid, et ultraheli oli efektiivne ja aega säästev meetod pektiini ekstraheerimiseks passioniviljakoorest. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Kaktusfiigi kladoodid: Pektiini ultraheli abil ekstraheerimist (UAE) Opuntia ficus indica (OFI) kladoodidest pärast limaaine eemaldamist uuriti vastuspinna meetodi abil. Protsessimuutujaid optimeeriti isovariantse tsentraalse kompleksplaani abil, et parandada pektiini ekstraktsioonisaagist. Saadud optimaalsed tingimused olid: ultraheli töötluse kestus 70 min, temperatuur 70, pH 1,5 ja vee ja materjali suhe 30 ml/g. See tingimus valideeriti ning katselise ekstraheerimise tulemus oli 18,14% ± 1,41%, mis oli tihedalt seotud prognoositud väärtusega (19,06%). Seega on ultraheliekstraheerimine paljutõotav alternatiiv tavapärasele ekstraheerimisprotsessile tänu oma kõrgele efektiivsusele, mis saavutati lühema ajaga ja madalamatel temperatuuridel. OFI kladoodidest ultraheliekstraheerimisega saadud pektiinil (UAEPC) on madal esterdumisaste, kõrge uroonhapete sisaldus, olulised funktsionaalsed omadused ja hea radikaalidevastane aktiivsus. Need tulemused toetavad UAEPC kasutamist toiduainetööstuses potentsiaalse lisandina. [Bayar et al. 2017]

Viinamarjapressijäägid: Uurimistöös „Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach“ kasutatakse ultraheli töötlust (sonikeerimist) pektiinide ekstraheerimiseks viinamarjapressijääkidest, kasutades ekstraheeriva ainena sidrunhapet. Vastavalt vastuspinna meetodile (Response Surface Methodology) on kõrgeim pektiinisaagis (∼32,3%) saavutatav siis, kui ultraheli ekstraheerimisprotsess viiakse läbi temperatuuril 75ºC 60 min jooksul, kasutades sidrunhappe lahust pH-ga 2,0. Need pektiinsed polüsahhariidid, mis koosnevad peamiselt galakturoonhappe ühikutest (∼97% kogu suhkrutest), on keskmise molekulmassiga 163,9kDa ja esterdumisastmega (DE) 55,2%.
Sonikeeritud viinamarjapressijääkide pinnamorfoloogia näitab, et ultraheli töötlus mängib olulist rolli taimekoe lõhkumisel ja ekstraktsioonisaagise suurendamisel. Pektiinide ultraheli ekstraheerimisel optimaalsetes tingimustes (75°C, 60 min, pH 2,0) saadud saagis oli 20% kõrgem kui saagis, mis saadi ekstraheerimisel samadel temperatuuri-, aja- ja pH-tingimustel, kuid ilma ultraheli abita. Lisaks oli ultraheli ekstraheerimisel saadud pektiinide keskmine molekulmass samuti kõrgem. [Minjares-Fuentes et al. 2014]