फल और जैव-अपशिष्ट से अल्ट्रासोनिक पेक्टिन निष्कर्षण

• पेक्टिन एक बहुत ही अक्सर उपयोग किया जाने वाला खाद्य योज्य है, मुख्य रूप से इसके गेलिंग प्रभावों के लिए जोड़ा जाता है।
• अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण पेक्टिन अर्क की उपज और गुणवत्ता में काफी वृद्धि करता है।
• सोनिकेशन अपनी प्रक्रिया को तेज करने वाले प्रभावों के लिए जाना जाता है, जो पहले से ही कई गुना औद्योगिक प्रक्रियाओं में उपयोग किए जाते हैं।

पेक्टिन और पेक्टिन निष्कर्षण

पेक्टिन एक प्राकृतिक जटिल पॉलीसेकेराइड (हेटेरोपॉलीसेकेराइड) है जो विशेष रूप से फलों की कोशिका भित्ति में पाया जाता है, विशेष रूप से खट्टे फलों और सेब के पोमेस में। सेब और खट्टे दोनों फलों के छिलकों में उच्च पेक्टिन सामग्री पाई जाती है। सेब के पोमेस में शुष्क पदार्थ के आधार पर 10-15% पेक्टिन होता है जबकि खट्टे छिलके में 20-30% होता है। पेक्टिन उत्कृष्ट गेलिंग और मोटा होना कार्यक्षमता के साथ जैव-संगत, बायोडिग्रेडेबल और नवीकरणीय पॉलीसेकेराइड हैं, जो उन्हें अत्यधिक मूल्यवान योजक बनाते हैं। वे व्यापक रूप से भोजन, कॉस्मेटिक और फार्मास्युटिकल उत्पादों में रियोलॉजी संशोधक के रूप में उपयोग किए जाते हैं, गेलिंग, ग्लेज़िंग, स्थिर और गाढ़ा करने वाले एजेंटों के रूप में कार्य करते हैं और कुछ योगों में, पायसीकारी के रूप में कार्य करते हैं। अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण फलों के छिलके और पोमेस से उच्च गुणवत्ता वाले पेक्टिन को अलग करने का एक कुशल तरीका है, प्रसंस्करण समय और समग्र लागत को कम करते हुए उपज में वृद्धि करता है।

औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए पारंपरिक पेक्टिन निष्कर्षण एक एसिड-उत्प्रेरित प्रक्रियाओं (नाइट्रिक, हाइड्रोक्लोरिक या सल्फ्यूरिक एसिड का उपयोग करके) का उपयोग करके किया जाता है। औद्योगिक पेक्टिन उत्पादन में एसिड-उत्प्रेरित निष्कर्षण सबसे अधिक बार होने वाली प्रक्रिया है, क्योंकि अन्य निष्कर्षण तकनीकें जैसे कि 24 घंटे तक प्रत्यक्ष उबलना (60ºC-100ºC) और कम पीएच (1.0-3.0) धीमी और उपज में कम होती हैं और निकाले गए फाइबर के थर्मल क्षरण का कारण बन सकती हैं और पेक्टिन उपज कभी-कभी प्रक्रिया की स्थिति से सीमित होती है। हालांकि, एसिड-उत्प्रेरित निष्कर्षण इसके नुकसान के साथ भी आता है: कठोर अम्लीय उपचार पेक्टिन श्रृंखलाओं के डिपोलीमराइजेशन और डीस्टरिफिकेशन का कारण बनता है, जो पेक्टिन गुणवत्ता को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है। अम्लीय प्रवाह की बड़ी मात्रा के उत्पादन के लिए पोस्ट-प्रोसेसिंग और महंगे रीसाइक्लिंग उपचार की आवश्यकता होती है, जो प्रक्रिया को पर्यावरणीय बोझ बनाता है।

अल्ट्रासोनिक पेक्टिन निष्कर्षण

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण एक हल्का, गैर-थर्मल उपचार है, जिसे कई गुना खाद्य प्रक्रियाओं पर लागू किया जाता है। फलों और सब्जियों से पेक्टिन के निष्कर्षण के संबंध में, सोनिकेशन उच्च गुणवत्ता के पेक्टिन का उत्पादन करता है। अल्ट्रासोनिक रूप से निकाले गए पेक्टिन अपने एनहाइड्रोरोनिक एसिड, मेथॉक्सिल और कैल्शियम पेक्टेट सामग्री के साथ-साथ एस्टरीफिकेशन की डिग्री से उत्कृष्टता प्राप्त करते हैं। अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण की हल्की स्थितियां गर्मी-संवेदनशील पेक्टिन के थर्मल क्षरण को रोकती हैं।
पेक्टिन की गुणवत्ता और शुद्धता एनहाइड्रोगैलेक्टुरोनिक एसिड, एस्टरीफिकेशन की डिग्री, निकाले गए पेक्टिन की राख सामग्री के आधार पर भिन्न हो सकती है। उच्च आणविक भार और उच्च एनहाइड्रोगैलेक्टुरोनिक एसिड (65% से ऊपर) के साथ कम राख (10% से नीचे) सामग्री वाले पेक्टिन को अच्छी गुणवत्ता वाले पेक्टिन के रूप में जाना जाता है। चूंकि अल्ट्रासोनिक उपचार की तीव्रता को बहुत सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, इसलिए पेक्टिन निकालने के गुणों को आयाम, निष्कर्षण तापमान, दबाव, प्रतिधारण समय और विलायक को समायोजित करके प्रभावित किया जा सकता है।

 

 
ऊपर दिए गए वीडियो में प्रदर्शित अंगूर के छिलके से अल्ट्रासोनिक पेक्टिन निष्कर्षण के लिए प्रोटोकॉल खोजें!
 

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण विभिन्न का उपयोग कर चलाया जा सकता है सॉल्वैंट्स जैसे पानी, साइट्रिक एसिड, नाइट्रिक एसिड समाधान (एचएनओ₃, पीएच 2.0), या अमोनियम ऑक्सालेट / ऑक्सालिक एसिड, जो मौजूदा निष्कर्षण लाइनों (रेट्रो-फिटिंग) में सोनिकेशन को एकीकृत करना भी संभव बनाता है।

स्रोत के रूप में फलों की बर्बादी: सेब पोमेस, खट्टे फलों के छिलके (जैसे नारंगी, नींबू, अंगूर), अंगूर पोमेस, अनार, चुकंदर का गूदा, ड्रैगन फ्रूट के छिलके, कांटेदार नाशपाती क्लैडोड, जुनून फल छील, और आम के छिलके से पेक्टिन को अलग करने के लिए उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासाउंड पहले से ही सफलतापूर्वक लागू किया गया है।

अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण के बाद पेक्टिन वर्षा

एक निकालने के समाधान में इथेनॉल जोड़ने से वर्षा नामक प्रक्रिया के माध्यम से पेक्टिन को अलग करने में मदद मिल सकती है। पेक्टिन, पौधों की कोशिका भित्ति में पाया जाने वाला एक जटिल पॉलीसेकेराइड, सामान्य परिस्थितियों में पानी में घुलनशील है। हालांकि, इथेनॉल के अतिरिक्त के साथ विलायक वातावरण को बदलकर, पेक्टिन की घुलनशीलता को कम किया जा सकता है, जिससे समाधान से इसकी वर्षा हो सकती है।

इथेनॉल का उपयोग करके पेक्टिन वर्षा के पीछे रसायन विज्ञान को तीन प्रतिक्रियाओं द्वारा समझाया जा सकता है:

• हाइड्रोजन बांड का विघटन: पेक्टिन अणुओं को हाइड्रोजन बांड द्वारा एक साथ रखा जाता है, जो पानी में उनकी घुलनशीलता में योगदान करते हैं। इथेनॉल पेक्टिन अणुओं पर बाध्यकारी साइटों के लिए पानी के अणुओं के साथ प्रतिस्पर्धा करके इन हाइड्रोजन बांडों को बाधित करता है। चूंकि इथेनॉल अणु पेक्टिन अणुओं के चारों ओर पानी के अणुओं को प्रतिस्थापित करते हैं, पेक्टिन अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड कमजोर हो जाते हैं, जिससे विलायक में उनकी घुलनशीलता कम हो जाती है।
• विलायक ध्रुवीयता में कमी: इथेनॉल पानी की तुलना में कम ध्रुवीय है, जिसका अर्थ है कि इसमें पेक्टिन जैसे ध्रुवीय पदार्थों को भंग करने की क्षमता कम है। चूंकि इथेनॉल को निकालने के समाधान में जोड़ा जाता है, विलायक की समग्र ध्रुवीयता कम हो जाती है, जिससे पेक्टिन अणुओं के समाधान में रहने के लिए यह कम अनुकूल हो जाता है। इससे समाधान से पेक्टिन की वर्षा होती है क्योंकि यह इथेनॉल-पानी के मिश्रण में कम घुलनशील हो जाता है।
• पेक्टिन एकाग्रता में वृद्धि: चूंकि पेक्टिन अणु समाधान से बाहर निकलते हैं, शेष समाधान में पेक्टिन की एकाग्रता बढ़ जाती है। यह निस्पंदन या सेंट्रीफ्यूजेशन के माध्यम से तरल चरण से पेक्टिन के आसान पृथक्करण की अनुमति देता है।

इथेनॉल का उपयोग करके पेक्टिन को अवक्षेपित करना अर्क समाधान से पेक्टिन को अलग करने का एक सरल और प्रभावी तरीका है, जो एक प्रक्रिया कदम है जिसे अल्ट्रासोनिक पेक्टिन निष्कर्षण के बाद आसानी से चलाया जा सकता है। निकालने के समाधान में इथेनॉल के अलावा विलायक पर्यावरण को इस तरह से बदल देता है जो पेक्टिन की घुलनशीलता को कम करता है, जिससे इसकी वर्षा और समाधान से बाद में अलग हो जाता है। इस तकनीक का उपयोग आमतौर पर विभिन्न औद्योगिक और खाद्य अनुप्रयोगों के लिए पौधों की सामग्री से पेक्टिन के निष्कर्षण और शुद्धिकरण में किया जाता है।
 
 
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अल्ट्रासोनिक पेक्टिन निष्कर्षण के शोध परिणाम

टमाटर का अपशिष्ट: भाटा प्रक्रिया में लंबे निष्कर्षण समय (12-24 एच) से बचने के लिए, अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग समय (15, 30, 45, 60 और 90 मिनट) के संदर्भ में निष्कर्षण प्रक्रिया को तेज करने के लिए किया गया था। निष्कर्षण समय के आधार पर, 60 डिग्री सेल्सियस और 80 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर पहले अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण चरण के लिए प्राप्त पेक्टिन पैदावार क्रमशः 15.2-17.2% और 16.3-18.5% है। जब एक दूसरा अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण कदम लागू किया गया था, तो तापमान और समय के आधार पर टमाटर के कचरे से पेक्टिन की उपज 34-36% तक बढ़ गई थी)। जाहिर है, अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण टमाटर सेल दीवार मैट्रिक्स के टूटने को बढ़ाता है, जिससे विलायक और निकाले गए सामग्री के बीच बेहतर बातचीत होती है।
अल्ट्रासोनिक रूप से निकाले गए पेक्टिन को तेजी से सेट गेलिंग गुणों (डीई > 70%) और 73.3-85.4% की एस्टरीफिकेशन डिग्री। n. अल्ट्रासोनिक रूप से निकाले गए पेक्टिन में कैल्शियम पेक्टेट सामग्री को निष्कर्षण मापदंडों (तापमान और समय) के आधार पर 41.4% से 97.5% के बीच मापा गया था। अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण के उच्च तापमान पर, कैल्शियम पेक्टेट सामग्री अधिक (91-97%) होती है और इस तरह पारंपरिक निष्कर्षण की तुलना में पेक्टिन गेलिंग क्षमता का महत्वपूर्ण पैरामीटर मौजूद होता है।
24hr की अवधि के लिए पारंपरिक विलायक निष्कर्षण अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण उपचार के 15 मिनट की तुलना में समान पेक्टिन पैदावार देता है। प्राप्त परिणामों के संबंध में यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि अल्ट्रासोनिक उपचार निष्कर्षण समय को उल्लेखनीय रूप से कम कर देता है। एनएमआर और एफटीआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी सभी जांच किए गए नमूनों में मुख्य रूप से एस्टरिफाइड पेक्टिन के अस्तित्व की पुष्टि करते हैं। [ग्रासिनो एट अल. 2016]

जुनून फल छील: निष्कर्षण उपज, गैलेक्टुरोनिक एसिड और एस्टरीफिकेशन डिग्री को निष्कर्षण दक्षता के संकेतक के रूप में माना जाता था। अल्ट्रासाउंड की सहायता से निष्कर्षण द्वारा प्राप्त पेक्टिन की उच्चतम उपज 12.67% (निष्कर्षण की स्थिति 85ºC, 664 W/cm2, पीएच 2.0 और 10 मिनट) थी। इन समान स्थितियों के लिए, एक पारंपरिक हीटिंग निष्कर्षण किया गया था और परिणाम 7.95% था। ये परिणाम अन्य अध्ययनों के अनुसार हैं, जो अल्ट्रासाउंड द्वारा सहायता प्राप्त पेक्टिन, हेमिकेलुलोज और अन्य पानी में घुलनशील पॉलीसेकेराइड सहित पॉलीसेकेराइड के प्रभावी निष्कर्षण के लिए कम समय की रिपोर्ट करते हैं। यह भी देखा गया कि निष्कर्षण उपज 1.6 गुना बढ़ गई जब निष्कर्षण अल्ट्रासाउंड द्वारा सहायता प्रदान की गई थी। प्राप्त परिणामों से पता चला है कि अल्ट्रासाउंड जुनून फल छील से पेक्टिन के निष्कर्षण के लिए एक कुशल और समय बचाने वाली तकनीक थी। [फ्रीटास डी ओलिवेरा एट अल।

कांटेदार नाशपाती क्लैडोड्स: प्रतिक्रिया सतह पद्धति का उपयोग करके श्लेष्म हटाने के बाद ओपंटिया फिकस इंडिका (ओएफआई) क्लैडोड्स से पेक्टिन के अल्ट्रासोनिक असिस्टेड निष्कर्षण (यूएई) का प्रयास किया गया था। पेक्टिन निष्कर्षण उपज में सुधार के लिए प्रक्रिया चर को आइसोवेरिएंट केंद्रीय समग्र डिजाइन द्वारा अनुकूलित किया गया था। प्राप्त इष्टतम स्थिति थी: सोनिकेशन समय 70 मिनट, तापमान 70, पीएच 1.5 और पानी-सामग्री अनुपात 30 मिलीलीटर / इस स्थिति को मान्य किया गया था और प्रयोगात्मक निष्कर्षण का प्रदर्शन 1.41% ± 18.14% था, जो अनुमानित मूल्य (19.06%) से निकटता से जुड़ा हुआ था। इस प्रकार, अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण पारंपरिक निष्कर्षण प्रक्रिया के लिए एक आशाजनक विकल्प प्रस्तुत करता है, इसकी उच्च दक्षता के लिए धन्यवाद जो कम समय में और कम तापमान पर हासिल किया गया था। ओएफआई क्लैडोड्स (यूएईपीसी) से अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण द्वारा निकाले गए पेक्टिन में एस्टरीफिकेशन, उच्च यूरोनिक एसिड सामग्री, महत्वपूर्ण कार्यात्मक गुण और अच्छी एंटी-रेडिकल गतिविधि कम है। ये परिणाम खाद्य उद्योग में संभावित योजक के रूप में यूएईपीसी के उपयोग के पक्ष में हैं। [बयार एट अल. 2017]

अंगूर पोमेस: शोध पत्र में “साइट्रिक एसिड का उपयोग करके अंगूर पोमेस से पेक्टिन का अल्ट्रासाउंड-सहायता प्राप्त निष्कर्षण: एक प्रतिक्रिया सतह पद्धति दृष्टिकोण”, सोनिकेशन का उपयोग अंगूर पोमेस से साइट्रिक एसिड के साथ निकालने वाले एजेंट के रूप में पेक्टिन निकालने के लिए किया जाता है। प्रतिक्रिया सतह पद्धति के अनुसार, उच्चतम पेक्टिन उपज (∼32.3%) प्राप्त की जा सकती है जब अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण प्रक्रिया पीएच 2.0 के साइट्रिक एसिड समाधान का उपयोग करके 60 मिनट के लिए 75ºC पर की जाती है। मुख्य रूप से गैलेक्टुरोनिक एसिड इकाइयों (कुल शर्करा का ∼97%) द्वारा निर्मित इन पेक्टिक पॉलीसेकेराइड का औसत आणविक भार 163.9kDa और 55.2% के एस्टरीफिकेशन (DE) की डिग्री है।
सोनिकेटेड अंगूर पोमेस की सतह आकृति विज्ञान से पता चलता है कि सोनिकेशन वनस्पति ऊतक को तोड़ने और निष्कर्षण पैदावार को बढ़ाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इष्टतम स्थितियों (75 °C, 60 मिनट, पीएच 2.0) का उपयोग करके पेक्टिन के अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण के बाद प्राप्त उपज प्राप्त उपज से 20% अधिक थी जब निष्कर्षण तापमान, समय और पीएच की समान स्थितियों को लागू करने के लिए किया गया था, लेकिन अल्ट्रासोनिक सहायता के बिना। इसके अलावा, अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण से पेक्टिन ने उच्च औसत आणविक भार भी प्रदर्शित किया। [मिंजारेस-फ्यूएंट्स एट अल. 2014]