استخراج فراصوتی پکتین از میوه و پسماندهای زیستی
- پکتینها از افزودنیهای بسیار پرکاربرد غذایی هستند که عمدتاً بهدلیل خاصیت ژلکنندگی افزوده میشوند.
- استخراج فراصوتی، بازده و کیفیت عصارههای پکتین را بهطور چشمگیری افزایش میدهد.
- فراصوتدهی بهدلیل اثرات تشدیدکنندهٔ فرایند شناخته شده است؛ اثراتی که هماکنون در فرایندهای صنعتی گوناگون به کار میروند.
پکتینها و استخراج پکتین
پکتین یک پلیساکارید پیچیدهٔ طبیعی (هتروپلیساکارید) است که بهویژه در دیوارهٔ سلولی میوهها، خصوصاً مرکبات و تفالهٔ سیب، یافت میشود. پوست سیب و مرکبات هر دو حاوی مقادیر زیادی پکتین هستند. تفالهٔ سیب بر مبنای مادهٔ خشک حاوی 10–15% پکتین است، درحالیکه پوست مرکبات 20–30% پکتین دارد. پکتینها پلیساکاریدهایی زیستسازگار، زیستتخریبپذیر و تجدیدپذیر با عملکرد عالی در ژلکنندگی و غلیظکنندگی هستند که آنها را به افزودنیهایی بسیار ارزشمند تبدیل میکند. این مواد بهطور گسترده در محصولات غذایی، آرایشی و دارویی بهعنوان اصلاحکنندههای رئولوژی استفاده میشوند و نقش عوامل ژلکننده، براقکننده، پایدارکننده و غلیظکننده و در برخی فرمولاسیونها، امولسیونکننده را دارند. استخراج فراصوتی روشی کارآمد برای جداسازی پکتینهای باکیفیت از پوست و تفالهٔ میوه است که ضمن افزایش بازده، زمان فراوری و هزینهٔ کلی را کاهش میدهد.
سونیکاتور پروبی UIP1000hdT برای استخراج پکتینها و فنولها از پسماند میوه.
استخراج فراصوتی پکتین
استخراج فراصوتی تیماری ملایم و غیرحرارتی است که در فرایندهای غذایی گوناگون به کار میرود. در استخراج پکتینها از میوهها و سبزیجات، فراصوتدهی پکتین باکیفیتی تولید میکند. پکتینهای استخراجشده با فراصوت از نظر محتوای اسید انهیدرواورونیک، متوکسیل و پکتات کلسیم و همچنین درجهٔ استریشدن، ویژگیهای ممتازی دارند. شرایط ملایم استخراج فراصوتی از تخریب حرارتی پکتینهای حساس به گرما جلوگیری میکند.
کیفیت و خلوص پکتین میتواند بسته به میزان اسید انهیدروگالاکتورونیک، درجهٔ استریشدن و محتوای خاکستر پکتین استخراجشده متفاوت باشد. پکتین با وزن مولکولی بالا، محتوای خاکستر پایین (کمتر از 10%) و میزان بالای اسید انهیدروگالاکتورونیک (بیشتر از 65%)، پکتین باکیفیت شناخته میشود. ازآنجاکه شدت تیمار فراصوتی را میتوان با دقت بسیار زیاد کنترل کرد، میتوان با تنظیم دامنه، دمای استخراج، فشار، زمان ماند و حلال، بر ویژگیهای عصارهٔ پکتین تأثیر گذاشت.
استخراج فراصوتی را میتوان با استفاده از انواع حلالها مانند آب، اسید سیتریک، محلول اسید نیتریک (HNO3، pH 2٫0)، یا اگزالات آمونیوم/اسید اگزالیک انجام داد؛ این امر امکان ادغام فراصوتدهی در خطوط استخراج موجود را نیز فراهم میکند (ارتقای تجهیزات موجود).
- ظرفیت بالای ژلکنندگی
- پخشپذیری خوب
- رنگ پکتین
- محتوای بالای پکتات کلسیم
- تخریب کمتر
- سازگار با محیطزیست
پسماند میوه بهعنوان منبع: فراصوت با عملکرد بالا تاکنون با موفقیت برای جداسازی پکتینها از تفالهٔ سیب، پوست مرکبات (مانند پرتقال، لیمو و گریپفروت)، تفالهٔ انگور، انار، تفالهٔ چغندرقند، پوست میوهٔ اژدها، کلادودهای انجیر هندی، پوست پشنفروت و پوست انبه به کار رفته است.
رسوبدهی پکتین پس از استخراج فراصوتی
افزودن اتانول به محلول عصاره میتواند از طریق فرایندی به نام رسوبدهی به جداسازی پکتین کمک کند. پکتین، پلیساکارید پیچیدهای که در دیوارهٔ سلولی گیاهان یافت میشود، در شرایط عادی در آب محلول است. بااینحال، با تغییر محیط حلال از طریق افزودن اتانول، میتوان حلالیت پکتین را کاهش داد و موجب رسوب آن از محلول شد.
شیمی رسوبدهی پکتین با استفاده از اتانول را میتوان با سه واکنش توضیح داد:
- گسستن پیوندهای هیدروژنی: مولکولهای پکتین با پیوندهای هیدروژنی در کنار هم نگه داشته میشوند و این پیوندها به حلالیت آنها در آب کمک میکنند. اتانول با رقابت با مولکولهای آب برای جایگاههای اتصال روی مولکولهای پکتین، این پیوندهای هیدروژنی را مختل میکند. با جایگزینشدن مولکولهای اتانول بهجای مولکولهای آب در اطراف مولکولهای پکتین، پیوندهای هیدروژنی میان مولکولهای پکتین ضعیف میشوند و حلالیت آنها در حلال کاهش مییابد.
- کاهش قطبیت حلال: اتانول از آب کمقطبتر است؛ یعنی توانایی کمتری برای حلکردن مواد قطبی مانند پکتین دارد. با افزودن اتانول به محلول عصاره، قطبیت کلی حلال کاهش مییابد و شرایط برای باقیماندن مولکولهای پکتین در محلول نامساعدتر میشود. این امر، بهدلیل کاهش حلالیت پکتین در مخلوط اتانول و آب، موجب رسوب آن از محلول میشود.
- افزایش غلظت پکتین: با رسوبکردن مولکولهای پکتین از محلول، غلظت پکتین در محلول باقیمانده افزایش مییابد. این امر جداسازی آسانتر پکتین از فاز مایع را با فیلتراسیون یا سانتریفیوژ امکانپذیر میکند.
رسوبدهی پکتین با اتانول روشی ساده و مؤثر برای جداسازی پکتینها از محلول عصاره است؛ این مرحله از فرایند را میتوان بهآسانی پس از استخراج فراصوتی پکتین انجام داد. افزودن اتانول به محلول عصاره، محیط حلال را بهگونهای تغییر میدهد که حلالیت پکتین کاهش یابد و موجب رسوب و سپس جداسازی آن از محلول شود. این روش معمولاً در استخراج و خالصسازی پکتین از مواد گیاهی برای کاربردهای گوناگون صنعتی و غذایی استفاده میشود.
به ارزشافزایی تفاله، پوست و پالپ علاقهمندید؟ – دربارهٔ استخراج پلیفنول از پسماند میوه بیشتر بخوانید!
- بازده بالاتر
- کیفیت بهتر
- غیرحرارتی
- کاهش زمان استخراج
- تشدید فرایند
- امکان ارتقای تجهیزات موجود
- استخراج سبز
سونیکاتورهای صنعتی برای استخراج پکتین
Hielscher Ultrasonics شریک شما در فرایندهای استخراج از مواد گیاهی مانند تفاله، پوست و دانه است. چه بخواهید مقادیر کمی را برای پژوهش و آنالیز استخراج کنید و چه حجمهای بزرگی را برای تولید تجاری فراوری کنید، ما استخراجکنندهٔ فراصوتی مناسب شما را داریم. هموژنایزرهای فراصوتی آزمایشگاهی و همچنین سونیکاتورهای رومیزی و صنعتی ما مقاوم و آسانکار هستند و برای کارکرد 24/7 تحت بار کامل ساخته شدهاند. طیف گستردهای از لوازم جانبی، مانند سونوتْرودها (پروبها / هورنهای فراصوتی) با اندازهها و شکلهای مختلف، سلولهای جریان، راکتورها و بوسترها، امکان دستیابی به پیکربندی بهینه برای فرایند استخراج خاص شما را فراهم میکند.
همهٔ دستگاههای فراصوتی دیجیتال به نمایشگر لمسی رنگی، کارت SD داخلی برای ثبت خودکار دادهها و کنترل از راه دور از طریق مرورگر برای پایش جامع فرایند مجهز هستند. با سامانههای پیشرفتهٔ فراصوتی Hielscher، دستیابی به سطح بالایی از استانداردسازی فرایند و کنترل کیفیت آسان میشود.
همین امروز با ما تماس بگیرید تا دربارهٔ نیازهای فرایند استخراج پکتین شما گفتوگو کنیم! خوشحال میشویم با تجربهٔ دیرینهٔ خود در استخراج فراصوتی به شما کمک کنیم تا به بالاترین کارایی فرایند و کیفیت بهینهٔ پکتین دست یابید!
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی فراوری دستگاههای فراصوتی ما ارائه میدهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاههای پیشنهادی |
|---|---|---|
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000 |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعهای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
سونیکاتور آزمایشگاهی UP200Ht در حال استخراج پکتینها از پوست گریپفروت با استفاده از آب بهعنوان حلال.
نتایج پژوهشهای استخراج فراصوتی پکتین
پسماند گوجهفرنگی: برای اجتناب از زمانهای طولانی استخراج (12–24 h) در روش رفلاکس، از فراصوتدهی برای تشدید فرایند استخراج از نظر زمان (15، 30، 45، 60 و 90 min) استفاده شد. بسته به زمان استخراج، بازده پکتین بهدستآمده در مرحلهٔ نخست استخراج فراصوتی، در دماهای 60°C و 80°C، بهترتیب 15٫2–17٫2% و 16٫3–18٫5% بود. هنگامی که مرحلهٔ دوم استخراج فراصوتی اعمال شد، بازده پکتینهای حاصل از پسماند گوجهفرنگی، بسته به دما و زمان، به 34–36% افزایش یافت). آشکار است که استخراج فراصوتی گسیختگی ماتریس دیوارهٔ سلولی گوجهفرنگی را افزایش میدهد و به برهمکنش بهتر میان حلال و مادهٔ استخراجشده منجر میشود.
پکتینهای استخراجشده با فراصوت را میتوان در گروه پکتینهای پرمتوکسیل (HM-pectin) با ویژگی ژلشوندگی سریع (DE > 70%) و درجهٔ استریشدن 73٫3–85٫4% دستهبندی کرد. n. محتوای پکتات کلسیم در پکتین استخراجشده با فراصوت، بسته به پارامترهای استخراج (دما و زمان)، بین 41٫4% تا 97٫5% اندازهگیری شد. در دماهای بالاتر استخراج فراصوتی، محتوای پکتات کلسیم بیشتر است (91–97%) و ازاینرو، در مقایسه با استخراج متداول، پارامتر مهمی برای توانایی ژلکنندگی پکتین محسوب میشود.
استخراج متداول با حلال بهمدت 24hr، بازده پکتینی مشابه تیمار استخراج فراصوتی بهمدت 15 min ایجاد میکند. با توجه به نتایج بهدستآمده میتوان نتیجه گرفت که تیمار فراصوتی زمان استخراج را بهطور چشمگیری کاهش میدهد. طیفسنجی NMR و FTIR وجود پکتین عمدتاً استریشده را در همهٔ نمونههای بررسیشده تأیید میکند. [Grassino et al. 2016]
پوست پشنفروت: بازده استخراج، اسید گالاکتورونیک و درجهٔ استریشدن بهعنوان شاخصهای کارایی استخراج در نظر گرفته شدند. بیشترین بازده پکتین حاصل از استخراج به کمک فراصوت 12٫67% بود (شرایط استخراج: 85ºC، 664 W/cm2، pH 2٫0 و 10 min). در همین شرایط، استخراج متداول با گرمایش انجام شد و نتیجه 7٫95% بود. این نتایج با مطالعات دیگری همخوانی دارند که زمان کوتاه لازم برای استخراج مؤثر پلیساکاریدها، از جمله پکتین، همیسلولزها و سایر پلیساکاریدهای محلول در آب، به کمک فراصوت را گزارش کردهاند. همچنین مشاهده شد که با کمک فراصوت، بازده استخراج 1٫6 برابر افزایش یافت. نتایج بهدستآمده نشان دادند که فراصوت روشی کارآمد و صرفهجو در زمان برای استخراج پکتین از پوست پشنفروت است. [Freitas de Oliveira et al. 2016]
کلادودهای انجیر هندی: استخراج پکتین به کمک فراصوت (UAE) از کلادودهای Opuntia ficus indica (OFI)، پس از حذف موسیلاژ، با استفاده از روششناسی سطح پاسخ بررسی شد. متغیرهای فرایند با طرح مرکب مرکزی همواریانس بهینهسازی شدند تا بازده استخراج پکتین بهبود یابد. شرایط بهینهٔ بهدستآمده عبارت بود از: زمان فراصوتدهی 70 min، دمای 70، pH 1٫5 و نسبت آب به مادهٔ 30 ml/g. این شرایط اعتبارسنجی شد و عملکرد استخراج آزمایشی 18٫14% ± 1٫41% بود که به مقدار پیشبینیشده (19٫06%) بسیار نزدیک بود. بنابراین، استخراج فراصوتی بهدلیل کارایی بالای خود که در زمان کمتر و دماهای پایینتر به دست آمد، جایگزینی امیدبخش برای فرایند استخراج متداول است. پکتین استخراجشده به روش فراصوتی از کلادودهای OFI (UAEPC) دارای درجهٔ استریشدن پایین، محتوای بالای اسید اورونیک، ویژگیهای عملکردی مهم و فعالیت ضدرادیکالی خوب است. این نتایج از استفادهٔ بالقوه از UAEPC بهعنوان افزودنی در صنایع غذایی پشتیبانی میکنند. [Bayar et al. 2017]
تفالهٔ انگور: در مقالهٔ پژوهشی «Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach»، از فراصوتدهی برای استخراج پکتینها از تفالهٔ انگور با اسید سیتریک بهعنوان عامل استخراج استفاده شده است. بر اساس روششناسی سطح پاسخ، بیشترین بازده پکتین (∼32٫3%) زمانی حاصل میشود که فرایند استخراج فراصوتی در 75ºC بهمدت 60 min و با استفاده از محلول اسید سیتریک با pH 2٫0 انجام شود. این پلیساکاریدهای پکتینی که عمدتاً از واحدهای اسید گالاکتورونیک (∼97% از کل قندها) تشکیل شدهاند، وزن مولکولی متوسط 163٫9kDa و درجهٔ استریشدن (DE) برابر با 55٫2% دارند.
ریختشناسی سطح تفالهٔ انگور فراصوتدهیشده نشان میدهد که فراصوتدهی نقش مهمی در تجزیهٔ بافت گیاهی و افزایش بازده استخراج دارد. بازده حاصل از استخراج فراصوتی پکتینها در شرایط بهینه (75°C، 60 min، pH 2٫0)، در مقایسه با بازده استخراج در همان شرایط دما، زمان و pH اما بدون کمک فراصوت، 20% بیشتر بود. افزون بر این، پکتینهای حاصل از استخراج فراصوتی وزن مولکولی متوسط بالاتری نیز نشان دادند. [Minjares-Fuentes et al. 2014]
دانستنیهای مفید
پکتین چیست؟
پکتین یک هتروپلیساکارید طبیعی است که عمدتاً در میوهها، مانند تفالهٔ سیب و مرکبات، یافت میشود. پکتینها که با نام پلیساکاریدهای پکتینی نیز شناخته میشوند، سرشار از اسید گالاکتورونیک هستند. در گروه پکتینی، چندین پلیساکارید مختلف شناسایی شده است. هموگالاکتورونانها زنجیرههای خطی اسید D-گالاکتورونیک با پیوند α-(1–4) هستند. گالاکتورونانهای جانشینشده با حضور باقیماندههای جانبی ساکاریدی مشخص میشوند که از زنجیرهٔ اصلیِ متشکل از باقیماندههای اسید D-گالاکتورونیک منشعب شدهاند؛ مانند D-زایلوز یا D-آپیوز، بهترتیب در زایلوگالاکتورونان و آپیوگالاکتورونان. پکتینهای رامنـوگالاکتورونان I (RG-I) دارای زنجیرهٔ اصلی متشکل از دیساکارید تکرارشوندهٔ زیر هستند: 4)-α-D-galacturonic acid-(1,2)-α-L-rhamnose-(1. بسیاری از باقیماندههای رامنوز دارای زنجیرههای جانبی از قندهای خنثی گوناگون هستند. این قندهای خنثی عمدتاً D-گالاکتوز، L-آرابینوز و D-زایلوز هستند. نوع و نسبت قندهای خنثی بسته به منشأ پکتین متفاوت است.
نوع ساختاری دیگر پکتین، رامنـوگالاکتورونان II (RG-II) است که یک پلیساکارید پیچیده و بسیار منشعب بوده و در طبیعت کمتر یافت میشود. زنجیرهٔ اصلی رامنـوگالاکتورونان II منحصراً از واحدهای اسید D-گالاکتورونیک تشکیل شده است. پکتین جداسازیشده معمولاً وزن مولکولی 60٬000–130٬000 g/mol دارد که بسته به منشأ و شرایط استخراج تغییر میکند.
چه عواملی بر ویژگیهای ژلکنندگی پکتین تأثیر میگذارند؟
ژلشدن پکتین تحت تأثیر pH، دما، قدرت یونی (سایر مواد حلشده)، اندازهٔ مولکولی، درجهٔ متیلاسیون (DM)، میزان زنجیرههای جانبی و چگالی کلی بار است. در بافتهای گیاهی، پکتین بهصورت بخشهای محلول در آب («آزاد») و نامحلول در آب وجود دارد. حلالیت عموماً با کاهش وزن مولکولی و اغلب با افزایش محتوای متیلاستر بیشتر میشود، اما pH، دما و دیگر مواد حلشدهٔ موجود نیز بر آن تأثیر دارند.
دو ردهٔ عملکردی بر اساس درجهٔ متیلاسیون تعریف میشوند:
- پکتین پرمتوکسیل (HMP; DM > 50%) در محیطهای اسیدی (pH 2٫0–3٫5)، هنگامی که میزان مواد جامد محلول بالا باشد (≥55 wt% ساکاروز)، عمدتاً از طریق پیوندهای هیدروژنی و برهمکنشهای آبگریز که دافعهٔ الکترواستاتیکی را مهار میکنند، ژل تشکیل میدهد.
- پکتین کممتوکسیل (LMP; DM < 50%) در گسترهٔ وسیعتری از pH (2٫0–6٫0)، از طریق اتصال عرضی یونی با واسطهٔ Ca²⁺ (ناحیههای اتصال «جعبهٔ تخممرغی») میان گروههای کربوکسیل مجاور، ژل تشکیل میدهد.
پکتینها چگونه استفاده میشوند؟
در صنایع غذایی، پکتین به مارمالادها، فراوردههای میوهای مالیدنی، مرباها، ژلهها، نوشیدنیها، سسها، غذاهای منجمد، شیرینیها و محصولات نانوایی افزوده میشود. پکتین در ژلههای قنادی برای ایجاد ساختار ژلی مناسب، برش تمیز هنگام گاززدن و آزادسازی مطلوب طعم استفاده میشود. همچنین، پکتین برای پایدارسازی نوشیدنیهای پروتئینی اسیدی مانند ماست نوشیدنی، بهبود بافت، حس دهانی و پایداری پالپ در نوشیدنیهای بر پایهٔ آبمیوه و بهعنوان جایگزین چربی در محصولات پختنی به کار میرود. در محصولات با کالری کاهشیافته / کمکالری، پکتینها بهعنوان جایگزین چربی و/یا شکر افزوده میشوند.
در صنایع دارویی، از آن برای کاهش سطح کلسترول خون و اختلالات گوارشی استفاده میشود.
سایر کاربردهای صنعتی پکتین شامل استفاده در فیلمهای خوراکی، بهعنوان پایدارکنندهٔ امولسیون برای امولسیونهای آب/روغن، اصلاحکنندهٔ رئولوژی و نرمکننده، عامل آهارزنی کاغذ و منسوجات و غیره است.
منابع مناسب پکتین کداماند؟
اگرچه پکتین در دیوارهٔ سلولی بیشتر گیاهان یافت میشود، تفالهٔ سیب و پوست پرتقال دو منبع اصلی پکتینهای تجاری هستند، زیرا پکتین آنها کیفیت بالایی دارد. سایر منابع اغلب رفتار ژلشوندگی ضعیفی نشان میدهند. در میان میوهها، علاوه بر سیب و مرکبات، هلو، زردآلو، گلابی، گواوا، به، آلو و انگور فرنگی خاردار به محتوای بالای پکتین شناخته میشوند. در میان سبزیجات، گوجهفرنگی، هویج و سیبزمینی به محتوای بالای پکتین معروفاند.
چرا از پالپ گوجهفرنگی برای تولید پکتین استفاده میشود؟
سالانه میلیونها تن گوجهفرنگی (Lycopersicon esculentum Mill.) برای تولید محصولاتی مانند آب گوجهفرنگی، رب، پوره، کچاپ، سس و سالسا فراوری میشود و در نتیجه مقادیر زیادی پسماند تولید میشود. پسماند گوجهفرنگی که پس از فشردن گوجهفرنگی به دست میآید، از 33% دانه، 27% پوست و 40% پالپ تشکیل شده است؛ درحالیکه تفالهٔ خشک گوجهفرنگی حاوی 44% دانه و 56% پالپ و پوست است. پسماند گوجهفرنگی منبعی بسیار مناسب برای تولید پکتینها است.
منابع / مراجع
- Bayar N., Bouallegue T., Achour M., Kriaa M., Bougatef A., Kammoun R. (2017): Ultrasonic extraction of pectin from Opuntia ficus indica cladodes after mucilage removal: Optimization of experimental conditions and evaluation of chemical and functional properties. Ultrasonic pectin extraction from prickly pear cladodes. Food Chemistry 235, 2017.
- Raffaella Boggia, Federica Turrini, Carla Villa, Chiara Lacapra, Paola Zunin, Brunella Parodi (2016): Green Extraction from Pomegranate Marcs for the Production of Functional Foods and Cosmetics. Pharmaceuticals (Basel). 2016 Dec; 9(4): 63.
- Cibele Freitas de Oliveira, Diego Giordani, Rafael Lutckemier, Poliana Deyse Gurak, Florencia Cladera-Olivera, Ligia Damasceno Ferreira Marczak (2016): Extraction of pectin from passion fruit peel assisted by ultrasound. LWT – Food Science and Technology 71, 2016. 110-115.
- Antonela Nincevic Grassino, Mladen Brncic, Drazen Vikic-Topic, Suncica Roca, Maja Dent, Suzana Rimac Brncíc (2016): Ultrasound assisted extraction and characterization of pectin from tomato waste. Food Chemistry 198 (2016) 93–100.
- Krauser, S.; Saeed, A.; Iqbal, M. (2015): Comparative Studies on Conventional (Water-Hot Acid) and Non-Conventional (Ultrasonication) Procedures for Extraction and Chemical Characterization of Pectin from Peel Waste of Mango Cultivar Chausna. Pak. J. Bot., 47(4): 1527-1533, 2015.
- R. Minjares-Fuentes, A. Femenia, M.C. Garaua, J.A. Meza-Velázquez, S. Simal, C. Rosselló (2014): Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach. Carbohydrate Polymers 106 (2014) 179–189.

