Ultraäänipektiinin uuttaminen hedelmistä ja biojätteestä

• Pektiinit ovat hyvin usein käytetty elintarvikelisäaine, jota lisätään pääasiassa sen hyytelöimisvaikutusten vuoksi.
• Ultraääniuutto lisää pektiiniuutteiden saantoa ja laatua merkittävästi.
• Sonikaatio tunnetaan prosessia tehostavista vaikutuksistaan, joita käytetään jo moninaisissa teollisissa prosesseissa.

Pektiinit ja pektiiniuutto

Pektiini on luonnollinen monimutkainen polysakkaridi (heteropolysakkaridi), jota esiintyy erityisesti hedelmien soluseinissä, etenkin sitrushedelmissä ja omenajätteessä. Korkeita pektiinipitoisuuksia löytyy sekä omenien että sitrushedelmien kuorista. Omenajätteessä on 10–15 % pektiiniä kuiva-ainepitoisuutena, kun taas sitrushedelmien kuoressa sitä on 20–30 %. Pektiinit ovat bioyhteensopivia, biohajoavia ja uusiutuvia polysakkarideja, joilla on erinomaiset hyytelöimis- ja sakeutusominaisuudet, minkä vuoksi niitä pidetään erittäin arvokkaina lisäaineina. Niitä käytetään laajalti elintarvike-, kosmetiikka- ja lääketuotteissa reologian muokkaajina, ja ne toimivat hyytelöimis-, kiillotus-, stabilointi- ja sakeutusaineina sekä joissakin valmisteissa emulgointiaineina. Ultraääniuutto on tehokas menetelmä korkealaatuisten pektiinien eristämiseksi hedelmäkuorista ja hedelmäjätteestä, mikä lisää saantoa ja lyhentää samalla käsittelyaikaa sekä alentaa kokonaiskustannuksia.

Teollisissa sovelluksissa perinteinen pektiinin uuttaminen tapahtuu happokatalysoiduilla menetelmillä (typpi-, suola- tai rikkihappoa käyttäen). Happokatalysoitu uuttaminen on teollisessa pektiinituotannossa yleisimmin käytetty menetelmä, sillä muut uuttotekniikat, kuten suora keittäminen (60–100 °C) jopa 24 tunnin ajan ja alhainen pH (1,0–3,0), ovat hitaita ja tuottavat vain vähän saantoa sekä voivat aiheuttaa uutetun kuidun lämpöhajoamista, ja pektiinisaantoa rajoittavat toisinaan prosessiolosuhteet. Happokatalysoidulla uuttamisella on kuitenkin myös haittapuolia: voimakas happokäsittely aiheuttaa pektiiniketjujen depolymeroitumista ja deesteröitymistä, mikä vaikuttaa negatiivisesti pektiinin laatuun. Suurten happamien jätevesimäärien syntyminen vaatii jälkikäsittelyä ja kallista kierrätyskäsittelyä, mikä tekee prosessista ympäristökuormitusta aiheuttavan.

Ultraäänipektiinin uuttaminen

Ultraääniuutto on lievä, ei-lämpökäsittely, jota käytetään moninaisiin elintarvikeprosesseihin. Mitä tulee pektiinien uuttamiseen hedelmistä ja vihanneksista, sonikaatio tuottaa korkealaatuista pektiiniä. Ultraäänellä uutetut pektiinit ovat erinomaisia niiden anhydrouronihapon, metoksyyli- ja kalsiumpektaattipitoisuuden sekä esteröintiasteen ansiosta. Ultraääniuuton lievät olosuhteet estävät lämpöherkkien pektiinien lämpöhajoamisen.
Pektiinin laatu ja puhtaus voivat vaihdella riippuen anhydrogalakturonihaposta, esteröintiasteesta, uutetun pektiinin tuhkapitoisuudesta. Pektiini, jolla on suuri molekyylipaino ja alhainen tuhkapitoisuus (alle 10%), jossa on korkea anhydrogalakturonihappo (yli 65%), tunnetaan hyvälaatuisena pektiininä. Koska ultraäänikäsittelyn intensiteettiä voidaan hallita hyvin tarkasti, pektiiniuutteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa säätämällä amplitudia, uuttolämpötilaa, painetta, retentioaikaa ja liuotinta.

 

Tässä videossa esittelemme sinulle pektiinin erittäin tehokkaan ultraääniuuton greipin kuoresta käyttämällä koetintyyppistä sonikaattoria UP200Ht. Sonikaatio on erittäin tehokas menetelmä korkealaatuisten pektiinituottojen tuottamiseksi hedelmien ja vihannesten sivutuotteista. Ultraääniuutto tuottaa suurempia pektiinimääriä ja erinomaista laatua lyhyemmässä käsittelyajassa.

 
Löydä yllä olevassa videossa esitetty protokolla ultraäänipektiinin uuttamiseksi greipin kuoresta täältä!
 

Ultraääniuutto voidaan suorittaa käyttämällä erilaisia Liuottimia kuten vesi, sitruunahappo, typpihappoliuos (HNO₃, pH 2,0) tai ammoniumoksalaatti / oksaalihappo, joka mahdollistaa myös sonikoinnin integroinnin olemassa oleviin uuttolinjoihin (jälkiasennus).

Hedelmäjäte lähteenä: Korkean suorituskyvyn ultraääntä on jo menestyksekkäästi sovellettu pektiinien eristämiseen omenamassasta, sitrushedelmien kuorista (kuten appelsiini, sitruuna, greippi), rypäleen puristemassasta, granaattiomenasta, sokerijuurikasmassasta, lohikäärmeen hedelmäkuoresta, piikikäs päärynäkladodeista, intohimoisen hedelmän kuoresta ja mangonkuorista.

Pektiinin saostuminen ultraääniuuton jälkeen

Etanolin lisääminen uuteliuokseen voi auttaa erottamaan pektiinin saostumisprosessiksi. Pektiini, monimutkainen polysakkaridi, joka löytyy kasvien soluseinistä, liukenee veteen normaaleissa olosuhteissa. Kuitenkin muuttamalla liuotinympäristöä lisäämällä etanolia, pektiinin liukoisuutta voidaan vähentää, mikä johtaa sen saostumiseen liuoksesta.

Pektiinin saostumisen kemia etanolilla voidaan selittää kolmella reaktiolla:

• Vetysidosten häiriöt: Pektiinimolekyylejä pitävät yhdessä vetysidokset, jotka edistävät niiden liukoisuutta veteen. Etanoli häiritsee näitä vetysidoksia kilpailemalla vesimolekyylien kanssa pektiinimolekyylien sitoutumiskohdista. Kun etanolimolekyylit korvaavat vesimolekyylit pektiinimolekyylien ympärillä, pektiinimolekyylien väliset vetysidokset heikkenevät, mikä vähentää niiden liukoisuutta liuottimeen.
• Vähentynyt liuottimen napaisuus: Etanoli on vähemmän polaarinen kuin vesi, mikä tarkoittaa, että sillä on alhaisempi kyky liuottaa polaarisia aineita, kuten pektiiniä. Kun etanolia lisätään uuttoliuokseen, liuottimen kokonaisnapaisuus pienenee, mikä tekee pektiinimolekyylien pysymisestä liuoksessa vähemmän suotuisaa. Tämä johtaa pektiinin saostumiseen liuoksesta, koska se liukenee vähemmän etanoli-vesiseokseen.
• Lisääntynyt pektiinipitoisuus: Kun pektiinimolekyylit saostuvat liuoksesta, pektiinin pitoisuus jäljellä olevassa liuoksessa kasvaa. Tämä mahdollistaa pektiinin helpomman erottamisen nestefaasista suodattamalla tai sentrifugoimalla.

Pektiinin saostaminen etanolilla on yksinkertainen ja tehokas menetelmä pektiinien eristämiseksi uuttoliuoksesta, joka on prosessivaihe, joka voidaan helposti suorittaa ultraäänipektiinin uuttamisen jälkeen. Etanolin lisääminen uuttoliuokseen muuttaa liuotinympäristöä tavalla, joka vähentää pektiinin liukoisuutta, mikä johtaa sen saostumiseen ja sitä seuraavaan erottumiseen liuoksesta. Tätä tekniikkaa käytetään yleisesti pektiinin uuttamisessa ja puhdistamisessa kasvimateriaaleista erilaisiin teollisuus- ja elintarvikesovelluksiin.
 
 
Kiinnostaako sinua hedelmäjätteiden, kuorien ja hedelmälihan hyödyntäminen? – Lue lisää polyfenolien uuttamisesta hedelmäjätteestä!

Teolliset ultraäänilaitteet pektiinin uuttamiseen

Hielscher Ultrasonics on kumppanisi kasviaineksesta, kuten hedelmäjätteistä, kuorista ja siemenistä, tapahtuvissa uuttoprosesseissa. Halusitpa sitten uuttaa pieniä määriä tutkimus- ja analyysitarkoituksiin tai käsitellä suuria määriä kaupalliseen tuotantoon, meillä on sinulle sopiva ultraääniuutin. Sekä laboratoriossa käytettävät ultraäänihomogenisaattorimme että pöytämalliset ja teolliset ultraäänilaitteemme ovat kestäviä, helppokäyttöisiä ja suunniteltu toimimaan täydellä kuormituksella ympäri vuorokauden. Laaja valikoima lisävarusteita, kuten erikokoisia ja -muotoisia sonotrodeja (ultraäänisondit / -sarvet), virtauskammioita, reaktoreita ja tehostimia, mahdollistaa optimaalisen kokoonpanon juuri sinun uuttoprosessillesi.
Kaikki digitaaliset ultraäänikoneet on varustettu värillisellä kosketusnäytöllä, integroidulla SD-kortilla automaattista dataprotokollaa varten ja selaimen kaukosäätimellä kattavaan prosessin seurantaan. Hielscherin hienostuneilla ultraäänijärjestelmillä korkea prosessin standardointi ja laadunvalvonta on yksinkertaista.
Ota yhteyttä tänään keskustellaksesi pektiinin uuttoprosessin vaatimuksista! Olemme iloisia voidessamme auttaa sinua pitkäaikaisella kokemuksellamme ultraääniuutosta ja autamme sinua saavuttamaan korkeimman prosessitehokkuuden ja optimaalisen pektiinin laadun!

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Ultraäänipektiinin uuttamisen tutkimustulokset

Tomaatin jätteet: Pitkien uuttoaikojen (12–24 h) välttämiseksi palautusjäähdytysmenettelyssä ultrasonicationia käytettiin uuttoprosessin tehostamiseen ajan suhteen (15, 30, 45, 60 ja 90 min). Uuttoajoista riippuen ensimmäisen ultraääniuuttovaiheen saadut pektiinisaannot 60 ° C: n ja 80 ° C: n lämpötiloissa ovat vastaavasti 15,2–17,2% ja 16,3–18,5%. Kun käytettiin toista ultraääniuuttovaihetta, pektiinien saanto tomaattijätteestä nostettiin 34–36%: iin lämpötiloista ja ajoista riippuen). On selvää, että ultraääniuutto lisää tomaattisoluseinämatriisin repeämää, mikä johtaa parempaan vuorovaikutukseen liuottimen ja uutetun materiaalin välillä.
Ultraäänellä uutetut pektiinit voidaan luokitella korkeiksi metoksyylipektiineiksi (HM-pektiini), joilla on nopeat hyytelöimisominaisuudet (DE > 70%) ja esteröintiaste 73,3–85,4%. n. Ultraäänellä uutetun pektiinin kalsiumpektaattipitoisuus mitattiin välillä 41,4% - 97,5% uuttoparametreista (lämpötila ja aika) riippuen. Korkeammassa ultraääniuuton lämpötilassa kalsiumpektaattipitoisuudet ovat korkeammat (91–97%) ja sellaisenaan niillä on tärkeä pektiinin hyytelöitymiskyvyn parametri verrattuna tavanomaiseen uuttamiseen.
Tavanomainen liuotinuutto 24 tunnin ajaksi antaa samanlaiset pektiinisaannot verrattuna 15 minuutin ultraääniuuttokäsittelyyn. Saatujen tulosten osalta voidaan päätellä, että ultraäänikäsittely vähentää uuttoaikaa huomattavasti. NMR- ja FTIR-spektroskopia vahvistavat pääasiassa esteröidyn pektiinin olemassaolon kaikissa tutkituissa näytteissä. [Grassino ym. 2016]

Passionhedelmän kuori: Uuttotehon indikaattoreina pidettiin uuttotuottoa, galakturonihappoa ja esteröintiastetta. ultraääniavusteisella uutolla saadun pektiinin korkein saanto oli 12,67% (uutto-olosuhteet 85 ºC, 664 W / cm2, pH 2,0 ja 10 min). Näissä samoissa olosuhteissa suoritettiin tavanomainen lämmönpoisto ja tulos oli 7,95%. Nämä tulokset ovat muiden tutkimusten mukaisia, joissa raportoidaan lyhyt aika polysakkaridien, mukaan lukien pektiini, hemiselluloosa ja muut vesiliukoiset polysakkaridit, tehokkaaseen uuttamiseen ultraäänellä. Havaittiin myös, että uuttotuotto kasvoi 1,6-kertaiseksi, kun uuttoa avustettiin ultraäänellä. Saadut tulokset osoittivat, että ultraääni oli tehokas ja aikaa säästävä tekniikka pektiinin uuttamiseksi passionhedelmäkuoresta. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Kaktusviikunakladodit: Pektiinin ultraääniavusteista uuttamista (UAE) Opuntia ficus indica (OFI) kladodeista liman poiston jälkeen yritettiin käyttää vastepintamenetelmää. Prosessimuuttujat optimoitiin isovariantin keskuskomposiittirakenteella pektiinin uuttosaannon parantamiseksi. Optimaalinen tila oli: sonikaatioaika 70 min, lämpötila 70, pH 1,5 ja veden ja materiaalin suhde 30 ml / g. Tämä ehto validoitiin ja kokeellisen uuton suorituskyky oli 18,14% ± 1,41%, mikä liittyi läheisesti ennustettuun arvoon (19,06%). Siten ultraääniuutto tarjoaa lupaavan vaihtoehdon tavanomaiselle uuttoprosessille korkean hyötysuhteensa ansiosta, joka saavutettiin lyhyemmässä ajassa ja alhaisemmissa lämpötiloissa. OFI-kladodeista (UAEPC) ultraääniuutolla uutetulla pektiinillä on alhainen esteröintiaste, korkea uronihappopitoisuus, tärkeät toiminnalliset ominaisuudet ja hyvä anti-radikaaliaktiivisuus. Nämä tulokset puoltavat UAEPC: n käyttöä mahdollisena lisäaineena elintarviketeollisuudessa. [Bayar ym. 2017]

Rypäleen puristemassa: Tutkimusartikkelissa “Ultraäänellä avustettu pektiinien uuttaminen rypäleen puristejätteestä sitruunahapon avulla: vastepintamenetelmän soveltaminen”, ultraäänikäsittelyä käytetään pektiinien uuttamiseen rypäleen puristejätteestä, jossa uuttamisaineena käytetään sitruunahappoa. Vastepintamenetelmän mukaan suurin pektiinisaanto (∼32,3 %) saavutetaan, kun ultraääniuuttoprosessi suoritetaan 75 ºC:ssa 60 minuutin ajan käyttäen pH 2,0:n sitruunahappoliuosta. Näiden pektinipolysakkaridien, jotka koostuvat pääasiassa galakturonihappoyksiköistä (∼97 % kokonaissokereista), keskimääräinen molekyylipaino on 163,9 kDa ja esteröintiaste (DE) 55,2 %.
Sonikoidun rypäleen puristemassan pintamorfologia osoittaa, että sonikaatiolla on tärkeä rooli kasvikudoksen hajottamisessa ja uuttotuottojen parantamisessa. Pektiinien ultraääniuuton jälkeen saatu saanto optimaalisissa olosuhteissa (75 ° C, 60 min, pH 2,0) oli 20% korkeampi kuin saanto, joka saadaan, kun uuttaminen suoritettiin soveltamalla samoja lämpötilan, ajan ja pH: n olosuhteita, mutta ilman ultraääniapua. Lisäksi ultraääniuutosta peräisin olevilla pektiineillä oli myös suurempi keskimääräinen molekyylipaino. [Minjares-Fuentes ym. 2014]