Ultrazvučna ekstrakcija pektina iz voća i biootpada

• Pektini su vrlo često korišteni prehrambeni aditivi koji se uglavnom dodaju zbog svojeg učinka želiranja.
• Ultrazvučna ekstrakcija značajno povećava prinos i kvalitetu pektinskih ekstrakata.
• Sonikacija je poznata po svojim učincima intenzifikacije procesa, koji se već iskorištavaju u brojnim industrijskim procesima.

Pektini i ekstrakcija pektina

Pektin je prirodni složeni polisaharid (heteropolisaharid) koji se nalazi osobito u staničnim stijenkama voća, posebno agruma, te u komini jabuke. Visok sadržaj pektina nalazi se u kori jabuka i agruma. Komina jabuke sadrži 10–15% pektina na osnovi suhe tvari, dok kora agruma sadrži 20–30%. Pektini su biokompatibilni, biorazgradivi i obnovljivi polisaharidi s izvrsnim svojstvima želiranja i zgušnjavanja, zbog čega su vrlo cijenjeni aditivi. Široko se primjenjuju u prehrambenim, kozmetičkim i farmaceutskim proizvodima kao modifikatori reoloških svojstava, pri čemu djeluju kao sredstva za želiranje, glaziranje, stabiliziranje i zgušnjavanje, a u nekim formulacijama i kao emulgatori. Ultrazvučna ekstrakcija učinkovita je metoda izolacije visokokvalitetnih pektina iz kore voća i komine, kojom se povećava prinos uz istodobno skraćivanje vremena obrade i smanjenje ukupnih troškova.

Konvencionalna ekstrakcija pektina za industrijske primjene provodi se procesima kataliziranima kiselinom (uz primjenu dušične, klorovodične ili sumporne kiseline). Ekstrakcija katalizirana kiselinom najčešće je korišten proces u industrijskoj proizvodnji pektina jer su druge tehnike ekstrakcije, poput izravnog vrenja (60ºC–100ºC) do 24hrs i pri niskom pH (1,0–3,0), spore, daju nizak prinos i mogu uzrokovati toplinsku razgradnju ekstrahiranih vlakana, a prinos pektina ponekad je ograničen procesnim uvjetima. Međutim, ekstrakcija katalizirana kiselinom ima i svoje nedostatke: agresivna obrada kiselinom uzrokuje depolimerizaciju i deesterifikaciju pektinskih lanaca, što negativno utječe na kvalitetu pektina. Nastanak velikih količina kiselih otpadnih voda zahtijeva naknadnu obradu i skup postupak recikliranja, zbog čega taj proces opterećuje okoliš.

Ultrazvučna ekstrakcija pektina

Ultrazvučna ekstrakcija blaga je, netoplinska obrada koja se primjenjuje u brojnim procesima u prehrambenoj industriji. Pri ekstrakciji pektina iz voća i povrća sonikacijom se dobiva pektin visoke kvalitete. Ultrazvučno ekstrahirani pektini ističu se sadržajem anhidrouronske kiseline, metoksilnih skupina i kalcijeva pektata te stupnjem esterifikacije. Blagi uvjeti ultrazvučne ekstrakcije sprječavaju toplinsku razgradnju pektina osjetljivih na toplinu.
Kvaliteta i čistoća pektina mogu varirati ovisno o sadržaju anhidrogalakturonske kiseline, stupnju esterifikacije i sadržaju pepela u ekstrahiranom pektinu. Pektin visoke molekulske mase i niskog sadržaja pepela (ispod 10%) s visokim sadržajem anhidrogalakturonske kiseline (iznad 65%) smatra se pektinom dobre kvalitete. Budući da se intenzitet ultrazvučne obrade može vrlo precizno kontrolirati, na svojstva pektinskog ekstrakta može se utjecati podešavanjem amplitude, temperature ekstrakcije, tlaka, vremena zadržavanja i otapala.

 

U ovom videozapisu predstavljamo vrlo učinkovitu ultrazvučnu ekstrakciju pektina iz kore grejpa uz ultrazvučni uređaj sa sondom UP200Ht. Sonikacija je vrlo učinkovita metoda za dobivanje visokih prinosa kvalitetnog pektina iz nusproizvoda voća i povrća. Ultrazvučna ekstrakcija daje veće količine pektina vrhunske kvalitete uz kraće vrijeme obrade.

 
Ovdje pronađite protokol za ultrazvučnu ekstrakciju pektina iz kore grejpa prikazanu u gornjem videozapisu!
 

Ultrazvučna ekstrakcija može se provoditi različitim otapalima poput vode, limunske kiseline, otopine dušične kiseline (HNO₃, pH 2,0) ili amonijeva oksalata/oksalne kiseline, što također omogućuje integraciju sonikacije u postojeće ekstrakcijske linije (naknadna ugradnja).

Voćni otpad kao izvor: Ultrazvuk visokih performansi već se uspješno primjenjuje za izdvajanje pektina iz jabučne komine, kore agruma (poput naranče, limuna i grejpa), komine grožđa, nara, pulpe šećerne repe, kore pitaje, kladodija opuncije, kore marakuje i kore manga.

Taloženje pektina nakon ultrazvučne ekstrakcije

Dodavanje etanola otopini ekstrakta može pomoći u odvajanju pektina postupkom koji se naziva taloženje. Pektin, složeni polisaharid koji se nalazi u staničnim stijenkama biljaka, topljiv je u vodi u normalnim uvjetima. Međutim, promjenom okruženja otapala dodavanjem etanola može se smanjiti topljivost pektina, što dovodi do njegova taloženja iz otopine.

Kemijska osnova taloženja pektina etanolom može se objasniti trima reakcijama:

• Raskidanje vodikovih veza: Molekule pektina međusobno su povezane vodikovim vezama koje pridonose njihovoj topljivosti u vodi. Etanol raskida te vodikove veze natječući se s molekulama vode za vezna mjesta na molekulama pektina. Kako molekule etanola zamjenjuju molekule vode oko molekula pektina, vodikove veze između molekula pektina slabe, čime se smanjuje njihova topljivost u otapalu.
• Smanjena polarnost otapala: Etanol je manje polaran od vode, što znači da ima manju sposobnost otapanja polarnih tvari poput pektina. Dodavanjem etanola otopini ekstrakta smanjuje se ukupna polarnost otapala, zbog čega uvjeti postaju manje povoljni za zadržavanje molekula pektina u otopini. To dovodi do taloženja pektina iz otopine jer on postaje manje topljiv u smjesi etanola i vode.
• Povećana koncentracija pektina: Kako se molekule pektina talože iz otopine, koncentracija pektina u preostaloj otopini raste. To omogućuje lakše odvajanje pektina od tekuće faze filtracijom ili centrifugiranjem.

Taloženje pektina etanolom jednostavna je i učinkovita metoda izdvajanja pektina iz otopine ekstrakta, a taj se korak postupka može lako provesti nakon ultrazvučne ekstrakcije pektina. Dodavanje etanola otopini ekstrakta mijenja okruženje otapala tako da se smanjuje topljivost pektina, što dovodi do njegova taloženja i naknadnog odvajanja iz otopine. Ta se tehnika često primjenjuje pri ekstrakciji i pročišćavanju pektina iz biljnih materijala za različite industrijske i prehrambene primjene.
 
 
Zanima vas valorizacija komine, kore i pulpe? – Pročitajte više o ekstrakciji polifenola iz voćnog otpada!

Industrijski sonikatori za ekstrakciju pektina

Hielscher Ultrasonics vaš je partner za procese ekstrakcije iz biljnog materijala poput komine, kore i sjemenki. Bilo da želite ekstrahirati male količine za istraživanje i analizu ili obrađivati velike volumene za komercijalnu proizvodnju, imamo odgovarajući ultrazvučni ekstraktor za vas. Naši ultrazvučni laboratorijski homogenizatori, kao i naši stolni i industrijski sonikatori, robusni su, jednostavni za uporabu i izrađeni za rad 24/7 pod punim opterećenjem. Širok raspon dodatne opreme, poput sonotroda (ultrazvučnih sondi / rogova) različitih veličina i oblika, protočnih ćelija i reaktora te pojačivača amplitude, omogućuje optimalnu konfiguraciju za vaš specifični proces ekstrakcije.
Svi digitalni ultrazvučni uređaji opremljeni su zaslonom u boji osjetljivim na dodir, ugrađenom SD karticom za automatsko bilježenje podataka i daljinskim upravljanjem putem preglednika za sveobuhvatan nadzor procesa. Uz napredne ultrazvučne sustave tvrtke Hielscher jednostavno je postići visoku razinu standardizacije procesa i kontrole kvalitete.
Obratite nam se već danas kako bismo razgovarali o zahtjevima vašeg procesa ekstrakcije pektina! Rado ćemo vam pomoći svojim dugogodišnjim iskustvom u ultrazvučnoj ekstrakciji te vam pomoći postići najveću učinkovitost procesa i optimalnu kvalitetu pektina!

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Rezultati istraživanja ultrazvučne ekstrakcije pektina

Otpad od rajčice: Kako bi se izbjegla duga vremena ekstrakcije (12–24 h) u postupku uz refluks, ultrazvučna obrada primijenjena je za intenziviranje procesa ekstrakcije u pogledu trajanja (15, 30, 45, 60 i 90 min). Ovisno o vremenu ekstrakcije, ostvareni prinosi pektina u prvom koraku ultrazvučne ekstrakcije pri temperaturama od 60°C i 80°C iznose 15,2–17,2% odnosno 16,3–18,5%. Kada je primijenjen drugi korak ultrazvučne ekstrakcije, prinos pektina iz otpada od rajčice povećao se na 34–36%, ovisno o temperaturama i vremenima). Očito ultrazvučna ekstrakcija povećava razaranje matriksa stanične stijenke rajčice, što dovodi do boljih interakcija između otapala i materijala koji se ekstrahira.
Ultrazvučno ekstrahirani pektini mogu se svrstati u visokometoksilne pektine (HM-pektin) sa svojstvima brzog želiranja (DE > 70%) i stupnjem esterifikacije od 73,3–85,4%. n. Izmjereni sadržaj kalcijeva pektata u ultrazvučno ekstrahiranom pektinu iznosio je od 41,4% do 97,5%, ovisno o parametrima ekstrakcije (temperaturi i vremenu). Pri višoj temperaturi ultrazvučne ekstrakcije sadržaj kalcijeva pektata viši je (91–97%) te kao takav predstavlja važan parametar sposobnosti želiranja pektina u usporedbi s konvencionalnom ekstrakcijom.
Konvencionalna ekstrakcija otapalom u trajanju od 24hr daje slične prinose pektina kao 15 min ultrazvučne ekstrakcije. Na temelju dobivenih rezultata može se zaključiti da ultrazvučna obrada znatno skraćuje vrijeme ekstrakcije. NMR i FTIR spektroskopija potvrđuju prisutnost pretežno esterificiranog pektina u svim ispitivanim uzorcima. [Grassino et al. 2016]

Kora marakuje: Prinos ekstrakcije, galakturonska kiselina i stupanj esterifikacije razmatrani su kao pokazatelji učinkovitosti ekstrakcije. Najviši prinos pektina dobiven ekstrakcijom potpomognutom ultrazvukom iznosio je 12,67% (uvjeti ekstrakcije: 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 i 10 min). Pri istim uvjetima provedena je konvencionalna ekstrakcija zagrijavanjem, a rezultat je bio 7,95%. Ti su rezultati u skladu s drugim istraživanjima koja izvješćuju o kratkom vremenu potrebnom za učinkovitu ekstrakciju polisaharida potpomognutu ultrazvukom, uključujući pektin, hemiceluloze i druge polisaharide topljive u vodi. Također je uočeno da se prinos ekstrakcije povećao 1,6 puta kada je ekstrakcija bila potpomognuta ultrazvukom. Dobiveni rezultati pokazali su da je ultrazvuk učinkovita tehnika za ekstrakciju pektina iz kore marakuje koja štedi vrijeme. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Kladodiji opuncije: Ekstrakcija pektina potpomognuta ultrazvukom (UAE) iz kladodija vrste Opuntia ficus indica (OFI) nakon uklanjanja sluzi ispitana je primjenom metodologije odzivne površine. Procesne varijable optimizirane su izovarijantnim centralnim kompozitnim planom pokusa kako bi se poboljšao prinos ekstrakcije pektina. Dobiveni optimalni uvjeti bili su: vrijeme sonikacije 70 min, temperatura 70, pH 1,5 i omjer vode i materijala 30 ml/g. Ti su uvjeti validirani, a prinos eksperimentalne ekstrakcije iznosio je 18,14% ± 1,41%, što je bilo vrlo blizu predviđenoj vrijednosti (19,06%). Stoga ultrazvučna ekstrakcija predstavlja obećavajuću alternativu konvencionalnom procesu ekstrakcije zahvaljujući visokoj učinkovitosti postignutoj u kraćem vremenu i pri nižim temperaturama. Pektin dobiven ultrazvučnom ekstrakcijom iz kladodija OFI (UAEPC) ima nizak stupanj esterifikacije, visok sadržaj uronske kiseline, važna funkcionalna svojstva i dobro antiradikalno djelovanje. Ti rezultati podupiru uporabu UAEPC-a kao potencijalnog aditiva u prehrambenoj industriji. [Bayar et al. 2017]

Komina grožđa: U znanstvenom radu „Ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija pektina iz komine grožđa primjenom limunske kiseline: pristup metodologijom odzivne površine” sonikacija se primjenjuje za ekstrakciju pektina iz komine grožđa uz limunsku kiselinu kao ekstrakcijsko sredstvo. Prema metodologiji odzivne površine, najveći prinos pektina (∼32,3%) može se postići kada se postupak ultrazvučne ekstrakcije provodi na 75ºC tijekom 60 min uz otopinu limunske kiseline pH 2,0. Ti pektinski polisaharidi, sastavljeni uglavnom od jedinica galakturonske kiseline (∼97% ukupnih šećera), imaju prosječnu molekulsku masu od 163,9kDa i stupanj esterifikacije (DE) od 55,2%.
Morfologija površine sonicirane komine grožđa pokazuje da sonikacija ima važnu ulogu u razaranju biljnog tkiva i povećanju prinosa ekstrakcije. Prinos dobiven nakon ultrazvučne ekstrakcije pektina u optimalnim uvjetima (75°C, 60 min, pH 2,0) bio je 20% veći od prinosa dobivenog ekstrakcijom pri istim uvjetima temperature, vremena i pH, ali bez ultrazvučne potpore. Osim toga, pektini dobiveni ultrazvučnom ekstrakcijom imali su i veću prosječnu molekulsku masu. [Minjares-Fuentes et al. 2014]