מיצוי אולטרסוני של פקטין מפירות ומפסולת ביולוגית

• פקטינים הם תוסף מזון נפוץ מאוד, המוסף בעיקר בזכות השפעתו על יצירת ג'ל.
• מיצוי אולטרסוני מגדיל באופן משמעותי את התפוקה ואת האיכות של תמציות פקטין.
• סוניקציה ידועה בהשפעותיה על הגברת יעילותם של תהליכים, שכבר מנוצלות במגוון תהליכים תעשייתיים.

פקטינים ומיצוי פקטין

פקטין הוא רב־סוכר מורכב טבעי (הטרופוליסכריד), המצוי בעיקר בדופנות התאים של פירות, ובייחוד בפירות הדר ובגפת תפוחים. תכולות גבוהות של פקטין מצויות בקליפות של תפוחים ושל פירות הדר. גפת תפוחים מכילה 10–15% פקטין על בסיס חומר יבש, ואילו קליפות הדרים מכילות 20–30%. פקטינים הם רב־סוכרים בעלי תאימות ביולוגית, מתכלים ומתחדשים, עם יכולת מצוינת ליצור ג'ל ולהסמיך, ההופכת אותם לתוספים מוערכים מאוד. הם נמצאים בשימוש נרחב במוצרי מזון, קוסמטיקה ותרופות כמשני תכונות ראולוגיות, ומשמשים כחומרי הקרשה, זיגוג, ייצוב והסמכה, ובחלק מהפורמולציות גם כחומרים מתחלבים. מיצוי אולטרסוני הוא שיטה יעילה לבידוד פקטינים באיכות גבוהה מקליפות פירות ומגפת, המגדילה את התפוקה תוך קיצור זמן העיבוד והפחתת העלות הכוללת.

מיצוי פקטין קונבנציונלי ליישומים תעשייתיים מתבצע באמצעות תהליכים המזורזים בחומצה (באמצעות חומצה חנקתית, חומצה הידרוכלורית או חומצה גופרתית). מיצוי המזורז בחומצה הוא התהליך הנפוץ ביותר בייצור פקטין תעשייתי, שכן שיטות המיצוי האחרות, כגון הרתחה ישירה (60ºC–100ºC) למשך עד 24hrs וב־pH נמוך (1.0–3.0), הן איטיות ובעלות תפוקה נמוכה, ועלולות לגרום לפירוק תרמי של הסיב הממוצה, ותפוקת הפקטין מוגבלת לעיתים על ידי תנאי התהליך. עם זאת, גם למיצוי המזורז בחומצה יש חסרונות: הטיפול החומצי החריף גורם לדה־פולימריזציה ולדה־אסטריפיקציה של שרשראות הפקטין, הפוגעות באיכות הפקטין. היווצרותם של נפחים גדולים של שפכים חומציים מחייבת עיבוד נוסף וטיפול מִחזור יקר, והופכת את התהליך לנטל סביבתי.

מיצוי אולטרסוני של פקטין

מיצוי אולטרסוני הוא טיפול מתון ולא תרמי, המשמש במגוון תהליכי מזון. במיצוי פקטינים מפירות ומירקות, סוניקציה מפיקה פקטין באיכות גבוהה. פקטינים הממוצים באולטרסאונד מצטיינים בתכולת החומצה האנהידרו־אורונית, המתוקסיל ופקטאט הסידן שלהם, וכן בדרגת האסטריפיקציה שלהם. התנאים המתונים של המיצוי האולטרסוני מונעים פירוק תרמי של הפקטינים הרגישים לחום.
האיכות והטוהר של הפקטין עשויים להשתנות בהתאם לתכולת החומצה האנהידרו־גלקטורונית, לדרגת האסטריפיקציה ולתכולת האפר של הפקטין הממוצה. פקטין בעל משקל מולקולרי גבוה, תכולת אפר נמוכה (מתחת ל־10%) ותכולת חומצה אנהידרו־גלקטורונית גבוהה (מעל 65%) נחשב לפקטין באיכות טובה. מכיוון שניתן לשלוט בעוצמת הטיפול האולטרסוני בדיוק רב מאוד, אפשר להשפיע על תכונות תמצית הפקטין באמצעות התאמת המשרעת, טמפרטורת המיצוי, הלחץ, זמן השהייה והממס.

 

בסרטון זה אנו מציגים מיצוי על־קולי יעיל ביותר של פקטין מקליפת אשכולית באמצעות מכשיר הסוניקציה בעל הגשושית UP200Ht. סוניקציה היא שיטה יעילה ביותר להפקת פקטין באיכות גבוהה ובתפוקות גבוהות מתוצרי לוואי של פירות וירקות. מיצוי על־קולי מניב כמויות גדולות יותר של פקטין באיכות מעולה ובזמן עיבוד קצר יותר.

 
כאן תמצאו את הפרוטוקול למיצוי אולטרסוני של פקטין מקליפות אשכוליות, המודגם בסרטון שלעיל!
 

ניתן לבצע מיצוי אולטרסוני באמצעות מגוון ממסים כגון מים, חומצה ציטרית, תמיסת חומצה חנקתית (HNO₃, pH 2.0), או אמוניום אוקסלט/חומצה אוקסלית, וכך ניתן גם לשלב סוניקציה בקווי מיצוי קיימים (התאמה בדיעבד).

פסולת פירות כמקור: אולטרסאונד עתיר ביצועים כבר יושם בהצלחה לבידוד פקטינים מגפת תפוחים, מקליפות פירות הדר (כגון תפוז, לימון ואשכולית), מגפת ענבים, מרימון, מציפת סלק סוכר, מקליפת פיטאיה, מפרקי גבעול שטוחים של צבר, מקליפת פסיפלורה ומקליפות מנגו.

שיקוע פקטין לאחר מיצוי אולטרסוני

הוספת אתנול לתמיסת מיצוי יכולה לסייע בהפרדת פקטין באמצעות תהליך הנקרא שיקוע. פקטין, רב־סוכר מורכב המצוי בדופנות התאים של צמחים, מסיס במים בתנאים רגילים. עם זאת, באמצעות שינוי סביבת הממס על ידי הוספת אתנול, ניתן להפחית את מסיסות הפקטין ולהביא לשיקועו מתוך התמיסה.

ניתן להסביר את הכימיה שמאחורי שיקוע פקטין באמצעות אתנול בעזרת שלוש תגובות:

• שבירת קשרי מימן: מולקולות הפקטין מוחזקות יחד באמצעות קשרי מימן, התורמים למסיסותן במים. אתנול משבש קשרי מימן אלה באמצעות תחרות עם מולקולות המים על אתרי קישור במולקולות הפקטין. כאשר מולקולות אתנול מחליפות מולקולות מים סביב מולקולות הפקטין, קשרי המימן בין מולקולות הפקטין נחלשים, וכך פוחתת מסיסותן בממס.
• ירידה בקוטביות הממס: אתנול קוטבי פחות ממים, כלומר יכולתו להמיס חומרים קוטביים כמו פקטין נמוכה יותר. ככל שמוסיפים אתנול לתמיסת המיצוי, הקוטביות הכוללת של הממס פוחתת, והתנאים נעשים פחות נוחים להישארות מולקולות הפקטין בתמיסה. הדבר מוביל לשיקוע הפקטין מתוך התמיסה, מכיוון שמסיסותו בתערובת האתנול והמים פוחתת.
• עלייה בריכוז הפקטין: כאשר מולקולות הפקטין שוקעות מתוך התמיסה, ריכוז הפקטין בתמיסה שנותרה עולה. הדבר מאפשר הפרדה קלה יותר של הפקטין מהפאזה הנוזלית באמצעות סינון או צנטריפוגה.

שיקוע פקטין באמצעות אתנול הוא שיטה פשוטה ויעילה לבידוד פקטינים מתמיסת המיצוי, וזהו שלב בתהליך שניתן לבצע בקלות לאחר מיצוי אולטרסוני של פקטין. הוספת אתנול לתמיסת המיצוי משנה את סביבת הממס באופן שמפחית את מסיסות הפקטין, ומוביל לשיקועו ולאחר מכן להפרדתו מהתמיסה. טכניקה זו משמשת בדרך כלל למיצוי ולטיהור פקטין מחומרים צמחיים למגוון יישומים תעשייתיים ויישומי מזון.
 
 
מעוניינים בהפקת ערך מגפת, מקליפות ומציפת פרי? – קראו עוד על מיצוי פוליפנולים מפסולת פירות!

מכשירי סוניקציה תעשייתיים למיצוי פקטין

Hielscher Ultrasonics היא השותפה שלכם לתהליכי מיצוי מחומר צמחי כגון גפת, קליפות וזרעים. בין שברצונכם למצות כמויות קטנות לצורכי מחקר ואנליזה ובין שברצונכם לעבד נפחים גדולים לייצור מסחרי, יש לנו מכשיר מיצוי אולטרסוני מתאים עבורכם. ההומוגנייזרים האולטרסוניים המעבדתיים שלנו, כמו גם מכשירי הסוניקציה השולחניים והתעשייתיים שלנו, עמידים, קלים לשימוש ובנויים לפעולה 24/7 בעומס מלא. מגוון רחב של אביזרים, כגון סונוטרודות (גשושים / קרניים אולטרסוניים) בגדלים ובצורות שונים, תאי זרימה וכורים ומגבירי משרעת, מאפשר הרכבה של התצורה המיטבית לתהליך המיצוי המסוים שלכם.
כל המכשירים האולטרסוניים הדיגיטליים מצוידים בצג מגע צבעוני, בכרטיס SD משולב לתיעוד נתונים אוטומטי ובשליטה מרחוק באמצעות דפדפן לניטור מקיף של התהליך. המערכות האולטרסוניות המתקדמות של Hielscher מאפשרות להשיג בקלות רמה גבוהה של תקנון תהליכים ובקרת איכות.
צרו איתנו קשר עוד היום כדי לדון בדרישות של תהליך מיצוי הפקטין שלכם! נשמח לסייע לכם באמצעות הניסיון רב השנים שלנו במיצוי אולטרסוני ולעזור לכם להשיג את היעילות התהליכית הגבוהה ביותר ואיכות פקטין מיטבית!

הטבלה שלהלן נותנת לכם מושג על קיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי הסוניקציה שלנו:

תוצאות מחקרים על מיצוי אולטרסוני של פקטין

פסולת עגבניות: כדי להימנע מזמני מיצוי ארוכים (12–24 h) בתהליך רפלוקס, נעשה שימוש בסוניקציה להעצמת תהליך המיצוי מבחינת משכו (15, 30, 45, 60 ו-90 min). בהתאם לזמני המיצוי, תפוקות הפקטין שהתקבלו בשלב המיצוי האולטרסוני הראשון בטמפרטורות של 60°C ו-80°C הן 15.2–17.2% ו-16.3–18.5%, בהתאמה. כאשר יושם שלב מיצוי אולטרסוני שני, תפוקת הפקטינים מפסולת עגבניות עלתה ל-34–36%, בהתאם לטמפרטורות ולזמנים). בבירור, מיצוי אולטרסוני מגביר את ביקוע מטריצת דופן תאי העגבנייה, ומוביל לאינטראקציות טובות יותר בין הממס לחומר הממוצה.
ניתן לסווג את הפקטינים שמוצו באולטרסאונד כפקטינים בעלי תכולת מתוקסיל גבוהה (HM-pectin), עם תכונות של יצירת ג'ל מהירה (DE > 70%) ודרגת אסטריפיקציה של 73.3–85.4%. n. תכולת הסידן הפקטאט בפקטין שמוצה באולטרסאונד נמדדה בטווח שבין 41.4% ל-97.5%, בהתאם לפרמטרי המיצוי (טמפרטורה וזמן). בטמפרטורה גבוהה יותר של מיצוי אולטרסוני, תכולת הסידן הפקטאט גבוהה יותר (91–97%), וככזו היא מהווה פרמטר חשוב ליכולת יצירת הג'ל של הפקטין בהשוואה למיצוי קונבנציונלי.
מיצוי קונבנציונלי בממס במשך 24hr נותן תפוקות פקטין דומות לאלו המתקבלות בטיפול מיצוי אולטרסוני של 15 min. בהתייחס לתוצאות שהתקבלו, ניתן להסיק שטיפול אולטרסוני מקצר את זמן המיצוי במידה ניכרת. ספקטרוסקופיות NMR ו-FTIR מאשרות שבכל הדגימות שנבדקו נמצא בעיקר פקטין שעבר אסטריפיקציה. [Grassino et al. 2016]

קליפת פסיפלורה: תפוקת המיצוי, החומצה הגלקטורונית ודרגת האסטריפיקציה נחשבו למדדים ליעילות המיצוי. תפוקת הפקטין הגבוהה ביותר שהתקבלה במיצוי בסיוע אולטרסאונד הייתה 12.67% (תנאי המיצוי: 85ºC, 664 W/cm2, pH 2.0 ו-10 min). באותם תנאים בוצע מיצוי קונבנציונלי בחימום, והתוצאה הייתה 7.95%. תוצאות אלו תואמות מחקרים אחרים, המדווחים על הזמן הקצר הנדרש למיצוי יעיל של רב-סוכרים, לרבות פקטין, המיצלולוזות ורב-סוכרים אחרים המסיסים במים, בסיוע אולטרסאונד. כמו כן, נצפה שתפוקת המיצוי גדלה פי 1.6 כאשר המיצוי בוצע בסיוע אולטרסאונד. התוצאות שהתקבלו הראו שאולטרסאונד הוא טכניקה יעילה וחוסכת זמן למיצוי פקטין מקליפת פסיפלורה. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

קלדודים של צבר: נוסה מיצוי פקטין בסיוע אולטרסאונד (UAE) מקלדודים של Opuntia ficus indica (OFI) לאחר הסרת הריר הצמחי, באמצעות מתודולוגיית משטח התגובה. משתני התהליך עברו אופטימיזציה באמצעות תכנון ניסויים מרכזי מורכב איזווריאנטי כדי לשפר את תפוקת מיצוי הפקטין. התנאי המיטבי שהתקבל היה: זמן סוניקציה של 70 min, טמפרטורה של 70, pH 1.5 ויחס מים לחומר של 30 ml/g. תנאי זה אומת, ותפוקת המיצוי הניסויי הייתה 18.14% ± 1.41%, שהייתה קרובה מאוד לערך החזוי (19.06%). לפיכך, מיצוי אולטרסוני מהווה חלופה מבטיחה לתהליך המיצוי הקונבנציונלי בזכות יעילותו הגבוהה, שהושגה בזמן קצר יותר ובטמפרטורות נמוכות יותר. לפקטין שמוצה במיצוי אולטרסוני מקלדודים של OFI (UAEPC) יש דרגת אסטריפיקציה נמוכה, תכולת חומצה אורונית גבוהה, תכונות תפקודיות חשובות ופעילות טובה לנטרול רדיקלים. תוצאות אלו תומכות בשימוש ב-UAEPC כתוסף פוטנציאלי בתעשיית המזון. [Bayar et al. 2017]

גפת ענבים: במאמר המחקר "מיצוי פקטינים מגפת ענבים בסיוע אולטרסאונד באמצעות חומצה ציטרית: גישת מתודולוגיית משטח התגובה", נעשה שימוש בסוניקציה למיצוי פקטינים מגפת ענבים, כאשר חומצה ציטרית משמשת כחומר המיצוי. לפי מתודולוגיית משטח התגובה, ניתן להשיג את תפוקת הפקטין הגבוהה ביותר (∼32.3%) כאשר תהליך המיצוי האולטרסוני מתבצע בטמפרטורה של 75ºC במשך 60 min באמצעות תמיסת חומצה ציטרית בעלת pH 2.0. לרב־סוכרים פקטיניים אלה, המורכבים בעיקר מיחידות של חומצה גלקטורונית (∼97% מכלל הסוכרים), משקל מולקולרי ממוצע של 163.9kDa ודרגת אסטריפיקציה (DE) של 55.2%.
מורפולוגיית פני השטח של גפת ענבים שעברה סוניקציה מראה כי לסוניקציה תפקיד חשוב בפירוק הרקמה הצמחית ובהגדלת תפוקות המיצוי. התפוקה שהתקבלה לאחר מיצוי אולטרסוני של פקטינים בתנאים המיטביים (75°C, 60 min, pH 2.0) הייתה גבוהה ב־20% מהתפוקה שהתקבלה כאשר המיצוי בוצע באותם תנאי טמפרטורה, זמן ו־pH, אך ללא סיוע אולטרסוני. בנוסף, גם המשקל המולקולרי הממוצע של פקטינים שהופקו במיצוי אולטרסוני היה גבוה יותר. [Minjares-Fuentes et al. 2014]