Pektiinin ultraääniuutto hedelmistä ja biojätteestä

• Pektiinit ovat hyvin yleisesti käytettyjä elintarvikelisäaineita, joita lisätään pääasiassa niiden hyytelöivän vaikutuksen vuoksi.
• Ultraääniuutto parantaa pektiiniuutteiden saantoa ja laatua merkittävästi.
• Ultraäänikäsittely tunnetaan prosesseja tehostavista vaikutuksistaan, joita hyödynnetään jo monissa teollisissa prosesseissa.

Pektiinit ja pektiinin uutto

Pektiini on luonnollinen, monimutkainen polysakkaridi (heteropolysakkaridi), jota esiintyy erityisesti hedelmien soluseinissä, etenkin sitrushedelmissä ja omenan puristusjäännöksessä. Sekä omenoiden että sitrushedelmien kuorissa on runsaasti pektiiniä. Omenan puristusjäännös sisältää kuiva-aineeseen suhteutettuna 10–15 % pektiiniä, kun taas sitrushedelmien kuori sisältää 20–30 %. Pektiinit ovat bioyhteensopivia, biohajoavia ja uusiutuvia polysakkarideja, joilla on erinomaiset hyytelöimis- ja sakeuttamisominaisuudet, minkä vuoksi ne ovat erittäin arvostettuja lisäaineita. Niitä käytetään laajalti elintarvikkeissa, kosmetiikassa ja lääkevalmisteissa reologian muokkaajina, joissa ne toimivat hyytelöimis-, kiillotus-, stabilointi- ja sakeuttamisaineina sekä joissakin koostumuksissa emulgointiaineina. Ultraääniuutto on tehokas menetelmä korkealaatuisten pektiinien eristämiseen hedelmien kuorista ja puristusjäännöksestä. Se parantaa saantoa ja lyhentää samalla käsittelyaikaa sekä pienentää kokonaiskustannuksia.

Perinteinen pektiinin uutto teollisiin sovelluksiin toteutetaan happokatalysoidulla prosessilla (käyttäen typpi-, suola- tai rikkihappoa). Happokatalysoitu uutto on teollisessa pektiinin tuotannossa yleisimmin käytetty prosessi, sillä muut uuttotekniikat, kuten suora keittäminen (60 ºC–100 ºC) jopa 24 tunnin ajan alhaisessa pH:ssa (1,0–3,0), ovat hitaita, niiden saanto on pieni ja ne voivat aiheuttaa uutettavan kuidun lämpöhajoamista. Lisäksi prosessiolosuhteet rajoittavat toisinaan pektiinin saantoa. Happokatalysoidulla uutolla on kuitenkin myös haittapuolensa: voimakas happokäsittely aiheuttaa pektiiniketjujen depolymeroitumista ja esteriryhmien poistumista, mikä heikentää pektiinin laatua. Suurten happamien jätevesimäärien syntyminen edellyttää jälkikäsittelyä ja kallista kierrätyskäsittelyä, mikä tekee prosessista ympäristöä kuormittavan.

Pektiinin ultraääniuutto

Ultraääniuutto on hellävarainen, ei-terminen käsittely, jota käytetään monissa elintarvikeprosesseissa. Hedelmiä ja vihanneksia uutettaessa ultraäänikäsittely tuottaa korkealaatuista pektiiniä. Ultraäänellä uutetut pektiinit erottuvat edukseen anhydrouronihappo-, metoksyyli- ja kalsiumpektaattipitoisuuksiensa sekä esteröitymisasteensa ansiosta. Ultraääniuuton hellävaraiset olosuhteet estävät lämpöherkkien pektiinien lämpöhajoamisen.
Pektiinin laatu ja puhtaus voivat vaihdella uutetun pektiinin anhydrogalakturonihappopitoisuuden, esteröitymisasteen ja tuhkapitoisuuden mukaan. Pektiiniä, jolla on suuri molekyylipaino, pieni tuhkapitoisuus (alle 10 %) ja suuri anhydrogalakturonihappopitoisuus (yli 65 %), pidetään laadukkaana pektiininä. Koska ultraäänikäsittelyn voimakkuutta voidaan säätää hyvin tarkasti, pektiiniuutteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa säätämällä amplitudia, uuttolämpötilaa, painetta, viipymäaikaa ja liuotinta.

 

Tässä videossa esittelemme erittäin tehokasta pektiinin ultraääniuuttoa greipinkuoresta UP200Ht-anturisonikaattorilla. Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas menetelmä laadukkaan pektiinin saamiseksi suurella saannolla hedelmien ja vihannesten sivutuotteista. Ultraääniuutto tuottaa enemmän ja laadukkaampaa pektiiniä lyhyemmässä käsittelyajassa.

 
Katso tästä yllä olevalla videolla esitetty greipinkuoren pektiinin ultraääniuuton työohje!
 

Ultraääniuutto voidaan toteuttaa käyttämällä erilaisia liuottimia kuten vettä, sitruunahappoa, typpihappoliuosta (HNO₃, pH 2,0) tai ammoniumoksalaattia/oksaalihappoa, mikä mahdollistaa myös ultraäänikäsittelyn integroimisen olemassa oleviin uuttolinjoihin jälkiasennuksena.

Hedelmäjäte raaka-aineena: Suuritehoista ultraääntä on jo menestyksekkäästi käytetty pektiinien eristämiseen omenan puristusjäännöksestä, sitrushedelmien (kuten appelsiinin, sitruunan ja greipin) kuorista, viinirypäleiden puristusjäännöksestä, granaattiomenasta, sokerijuurikasleikkeestä, lohikäärmehedelmän kuoresta, viikunaopuntian laakavarsista, passionhedelmän kuoresta ja mangon kuorista.

Pektiinin saostaminen ultraääniuuton jälkeen

Etanolin lisääminen uuttoliuokseen voi auttaa erottamaan pektiinin saostamiseksi kutsutulla prosessilla. Pektiini, kasvien soluseinissä esiintyvä monimutkainen polysakkaridi, liukenee veteen tavanomaisissa olosuhteissa. Liuotinympäristön muuttaminen etanolia lisäämällä voi kuitenkin vähentää pektiinin liukoisuutta, jolloin se saostuu liuoksesta.

Pektiinin etanolisaostuksen taustalla olevaa kemiaa voidaan selittää kolmella reaktiolla:

• Vetysidosten rikkoutuminen: Pektiinimolekyylejä pitävät yhdessä vetysidokset, jotka edistävät niiden liukoisuutta veteen. Etanoli rikkoo näitä vetysidoksia kilpailemalla vesimolekyylien kanssa pektiinimolekyylien sitoutumiskohdista. Kun etanolimolekyylit korvaavat vesimolekyylejä pektiinimolekyylien ympärillä, pektiinimolekyylien väliset vetysidokset heikkenevät, mikä vähentää niiden liukoisuutta liuottimeen.
• Liuottimen polaarisuuden väheneminen: Etanoli on vähemmän polaarinen kuin vesi, joten sen kyky liuottaa pektiinin kaltaisia polaarisia aineita on heikompi. Kun uuttoliuokseen lisätään etanolia, liuottimen kokonaispolaarisuus vähenee, jolloin pektiinimolekyylien pysyminen liuoksessa muuttuu epäsuotuisammaksi. Tämä johtaa pektiinin saostumiseen liuoksesta, koska sen liukoisuus etanoli-vesiseokseen vähenee.
• Pektiinipitoisuuden kasvu: Kun pektiinimolekyylit saostuvat liuoksesta, jäljelle jäävän liuoksen pektiinipitoisuus kasvaa. Tämä helpottaa pektiinin erottamista nestefaasista suodattamalla tai sentrifugoimalla.

Pektiinin saostaminen etanolilla on yksinkertainen ja tehokas menetelmä pektiinien eristämiseen uuttoliuoksesta. Tämä prosessivaihe voidaan toteuttaa helposti pektiinin ultraääniuuton jälkeen. Etanolin lisääminen uuttoliuokseen muuttaa liuotinympäristöä tavalla, joka vähentää pektiinin liukoisuutta ja johtaa sen saostumiseen sekä myöhempään erottamiseen liuoksesta. Tätä tekniikkaa käytetään yleisesti pektiinin uuttamiseen ja puhdistamiseen kasvimateriaaleista erilaisia teollisia ja elintarvikesovelluksia varten.
 
 
Kiinnostaako puristusjäännöksen, kuorien ja hedelmälihan jalostaminen arvokkaammiksi tuotteiksi? – Lue lisää polyfenolien uuttamisesta hedelmäjätteestä!

Teolliset ultraäänilaitteet pektiinin uuttoon

Hielscher Ultrasonics on kumppanisi kasvimateriaalien, kuten puristusjäännöksen, kuorien ja siementen, uuttoprosesseissa. Halusitpa uuttaa pieniä määriä tutkimusta ja analysointia varten tai käsitellä suuria määriä kaupalliseen tuotantoon, meiltä löydät sopivan ultraääniuuttolaitteen. Laboratoriokäyttöön tarkoitetut ultraäänihomogenisaattorimme sekä pöytämalliset ja teolliset ultraäänilaitteemme ovat kestäviä ja helppokäyttöisiä, ja ne on suunniteltu ympärivuorokautiseen 24/7-käyttöön täydellä kuormituksella. Laaja lisävarustevalikoima, johon kuuluu erikokoisia ja -muotoisia sonotrodeja (ultraääniantureita / -torvia), virtauskennoja, reaktoreita ja amplitudivahvistimia, mahdollistaa juuri sinun uuttoprosessillesi optimaalisen kokoonpanon.
Kaikissa digitaalisissa ultraäänilaitteissa on värillinen kosketusnäyttö, sisäänrakennettu SD-kortti tietojen automaattista tallennusta varten sekä selaimella käytettävä etäohjaus kattavaan prosessin seurantaan. Hielscherin edistykselliset ultraäänijärjestelmät tekevät prosessien pitkälle viedystä standardoinnista ja laadunvalvonnasta helppoa.
Ota meihin yhteyttä jo tänään keskustellaksesi pektiinin uuttoprosessisi vaatimuksista! Autamme sinua mielellämme hyödyntämällä pitkäaikaista kokemustamme ultraääniuutosta, jotta saavutat parhaan mahdollisen prosessitehokkuuden ja optimaalisen pektiinin laadun!

Alla oleva taulukko antaa suuntaa-antavan arvion ultraäänilaitteidemme käsittelykapasiteetista:

Pektiinin ultraääniuuton tutkimustuloksia

Tomaattijäte: Pitkien uuttoaikojen (12–24 h) välttämiseksi palautusjäähdytyksessä ultraäänikäsittelyä käytettiin uuttoprosessin tehostamiseen lyhentämällä uuttoaikaa (15, 30, 45, 60 ja 90 min). Uuttoajoista riippuen ensimmäisessä ultraääniuuttovaiheessa lämpötiloissa 60 °C ja 80 °C saadut pektiinisaannot olivat vastaavasti 15,2–17,2 % ja 16,3–18,5 %. Kun käytettiin toista ultraääniuuttovaihetta, tomaattijätteestä saatujen pektiinien saanto nousi tasolle 34–36 % lämpötiloista ja ajoista riippuen). Ultraääniuutto lisää selvästi tomaatin soluseinämatriisin rikkoutumista, mikä parantaa liuottimen ja uutettavan materiaalin välisiä vuorovaikutuksia.
Ultraäänellä uutetut pektiinit voidaan luokitella korkean metoksyylipitoisuuden pektiineiksi (HM-pectin), jotka hyytelöityvät nopeasti (DE > 70 %) ja joiden esteröitymisaste on 73,3–85,4 %. n. Ultraäänellä uutetun pektiinin mitattu kalsiumpektaattipitoisuus oli 41,4 %:n ja 97,5 %:n välillä uuttoparametreista (lämpötilasta ja ajasta) riippuen. Korkeammassa ultraääniuuton lämpötilassa kalsiumpektaattipitoisuudet ovat suurempia (91–97 %), joten ne ovat tärkeä pektiinin hyytelöimiskykyä kuvaava parametri verrattuna perinteiseen uuttoon.
Perinteinen 24 hr:n kestoinen liuotinuutto tuottaa samankaltaisia pektiinisaantoja kuin 15 min:n ultraääniuuttokäsittely. Saatujen tulosten perusteella voidaan päätellä, että ultraäänikäsittely lyhentää uuttoaikaa huomattavasti. NMR- ja FTIR-spektroskopia vahvistavat pääosin esteröityneen pektiinin esiintymisen kaikissa tutkituissa näytteissä. [Grassino et al. 2016]

Passionhedelmän kuori: Uuttosaantoa, galakturonihappoa ja esteröitymisastetta pidettiin uuttotehokkuuden mittareina. Ultraääniavusteisella uutolla saatu suurin pektiinisaanto oli 12,67 % (uutto-olosuhteet 85 ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 ja 10 min). Samoissa olosuhteissa suoritettiin perinteinen kuumennusuutto, jonka tulos oli 7,95 %. Nämä tulokset ovat yhdenmukaisia muiden tutkimusten kanssa, joissa raportoidaan lyhyestä ajasta, joka tarvitaan polysakkaridien, kuten pektiinin, hemiselluloosien ja muiden vesiliukoisten polysakkaridien, tehokkaaseen ultraääniavusteiseen uuttoon. Lisäksi havaittiin, että uuttosaanto kasvoi 1,6-kertaiseksi, kun uuttoa avustettiin ultraäänellä. Saadut tulokset osoittivat, että ultraääni oli tehokas ja aikaa säästävä tekniikka pektiinin uuttamiseen passionhedelmän kuoresta. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Viikunaopuntian laakavarret: Pektiinin ultraääniavusteista uuttoa (UAE) Opuntia ficus indica -kasvin (OFI) laakavarsista liman poistamisen jälkeen kokeiltiin vastepintamenetelmällä. Prosessimuuttujat optimoitiin isovariantilla keskuskomposiittikoesuunnitelmalla pektiinin uuttosaannon parantamiseksi. Saadut optimaaliset olosuhteet olivat: ultraäänikäsittelyaika 70 min, lämpötila 70, pH 1,5 ja veden ja materiaalin suhde 30 ml/g. Nämä olosuhteet validoitiin, ja kokeellisen uuton saanto oli 18,14 % ± 1,41 %, mikä vastasi läheisesti ennustettua arvoa (19,06 %). Ultraääniuutto tarjoaa siten lupaavan vaihtoehdon perinteiselle uuttoprosessille suuren tehokkuutensa ansiosta, joka saavutettiin lyhyemmässä ajassa ja alhaisemmissa lämpötiloissa. OFI-laakavarsista ultraääniuutolla uutetulla pektiinillä (UAEPC) on alhainen esteröitymisaste, suuri uronihappopitoisuus, merkittäviä toiminnallisia ominaisuuksia ja hyvä radikaaleja torjuva aktiivisuus. Nämä tulokset puoltavat UAEPC:n käyttöä mahdollisena lisäaineena elintarviketeollisuudessa. [Bayar et al. 2017]

Viinirypäleiden puristusjäännös: Tutkimusartikkelissa ”Pektiinien ultraääniavusteinen uutto viinirypäleiden puristusjäännöksestä sitruunahapolla: vastepintamenetelmään perustuva lähestymistapa” ultraäänikäsittelyä käytetään pektiinien uuttamiseen viinirypäleiden puristusjäännöksestä sitruunahapon toimiessa uuttoaineena. Vastepintamenetelmän mukaan suurin pektiinisaanto (∼32,3 %) voidaan saavuttaa, kun ultraääniuutto toteutetaan 75 ºC:n lämpötilassa 60 minuutin ajan käyttäen sitruunahappoliuosta, jonka pH on 2,0. Näiden pääosin galakturonihappoyksiköistä (∼97 % kaikista sokereista) koostuvien pektiinipolysakkaridien keskimääräinen molekyylipaino on 163,9 kDa ja esteröitymisaste (DE) 55,2 %.
Ultraäänikäsitellyn viinirypäleiden puristusjäännöksen pintamorfologia osoittaa, että ultraäänikäsittelyllä on tärkeä rooli kasvikudoksen hajottamisessa ja uuttosaantojen parantamisessa. Optimaalisissa olosuhteissa (75 °C, 60 min, pH 2,0) toteutetulla pektiinien ultraääniuutolla saatu saanto oli 20 % suurempi kuin saanto, joka saatiin samoissa lämpötila-, aika- ja pH-olosuhteissa mutta ilman ultraääniavustusta. Lisäksi ultraääniuutolla saatujen pektiinien keskimääräinen molekyylipaino oli suurempi. [Minjares-Fuentes et al. 2014]