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

Pectin is a natural complex polysaccharide (heteropolysaccharide) found in particular in the cell walls of fruits, especially in citrus fruits and apple pomace. High pectin contents are found in the fruit peels of both apple and citrus fruits. Apple pomace contains 10-15% of pectin on a dry matter basis while citrus peel contains 20-30%. Pectins are biocompatible, biodegradable, and renewable polysaccharides with excellent gelling and thickening functionality, making them highly valued additives. They are widely used in food, cosmetic, and pharmaceutical products as rheology modifiers, functioning as gelling, glazing, stabilizing, and thickening agents and, in some formulations, as emulsifiers. Ultrasonic extraction is an efficient method to isolate high-quality pectins from fruit peels and pomace, increasing yield while reducing processing time and overall cost.

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.

 
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.
 
 
Interested in the valorization of pomace, peel and pulp? – Read more about polyphenol extraction from fruit waste!

Industrial Sonicators for Pectin Extraction

Hielscher Ultrasonics is your partner for extraction processes from plant material such as pomace, peel and seeds. Whether you want extract small amounts for research and analysis or process large volumes for commercial production, we have the suitable ultrasonic extractor for you. Our ultrasonic lab homogenizers as well as our bench-top and industrial sonicators are robust, easy-to-use and built for 24/7 operation under full load. A broad range of accessories such as sonotrodes (ultrasonic probes / horns) with different sizes and shapes, flow cells and reactors and boosters allow for the optimal setup for you specific extraction process.
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: In the research paper “Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach”, sonication is used to extract pectins from grape pomace with citric acid as the extracting agent. According to the Response Surface Methodology, the highest pectin yield (∼32.3%) can be achieved when the ultrasonic extraction process is carried out at 75ºC for 60 min using a citric acid solution of pH 2.0. These pectic polysaccharides, composed mainly by galacturonic acid units (∼97% of total sugars), have an average molecular weight of 163.9kDa and a degree of esterification (DE) of 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]