Ultrazvučna ekstrakcija pektina iz voća i biološkog otpada

• Pektini su vrlo često korišteni aditiv u hrani, koji se uglavnom dodaje zbog svojih učinaka želiranja.
• Ultrazvučna ekstrakcija značajno povećava prinos i kvalitetu pektinskih ekstrakata.
• Sonikacija je poznata po svojim učincima intenziviranja procesa, koji se već koriste u brojnim industrijskim procesima.

Pektini i ekstrakcija pektina

Pektin je prirodni složeni polisaharid (heteropolisaharid) koji se nalazi osobito u staničnoj stijenci voća, posebice u citrusima i komini jabuke. Visok sadržaj pektina nalazi se u korama voća jabuke i citrusa. Komina jabuke sadrži 10-15% pektina računato na suhu tvar, dok kora citrusa sadrži 20-30%. Pektini su biokompatibilni, biorazgradivi i obnovljivi te pokazuju izvrsna svojstva želiranja i zgušnjavanja, što ih čini vrlo cijenjenim aditivom. Pektini se široko koriste u hrani, kozmetici i farmaceutskim proizvodima kao modifikatori reologije kao što su emulgatori, sredstva za želiranje, sredstva za glaziranje, stabilizatori i zgušnjivači.
Konvencionalna ekstrakcija pektina za industrijsku primjenu izvodi se pomoću procesa kataliziranih kiselinom (upotrebom dušične, klorovodične ili sumporne kiseline). Ekstrakcija katalizirana kiselinom je najčešći proces u industrijskoj proizvodnji pektina, budući da su druge tehnike ekstrakcije kao što je izravno kuhanje (60ºC-100ºC) do 24 sata i nizak pH (1,0-3,0) spore i imaju mali prinos te mogu uzrokovati toplinu degradacija ekstrahiranih vlakana i prinos pektina ponekad je ograničen uvjetima procesa. Međutim, ekstrakcija katalizirana kiselinom ima i svoje nedostatke: oštra kisela obrada uzrokuje depolimerizaciju i deesterizaciju pektinskih lanaca, što negativno utječe na kvalitetu pektina. Proizvodnja velikih količina kiselog efluenta zahtijeva naknadnu obradu i skupi tretman recikliranjem, što proces čini teretom za okoliš.

Ultrazvučna ekstrakcija pektina

Ultrazvučna ekstrakcija je blaga, ne-termalna obrada, koja se primjenjuje na različite prehrambene procese. Što se tiče ekstrakcije pektina iz voća i povrća, ultrazvukom se dobiva pektin visoke kvalitete. Ultrazvučno ekstrahirani pektini ističu se svojim sadržajem anhidrouronske kiseline, metoksila i kalcijevog pektata, kao i stupnjem esterifikacije. Blagi uvjeti ultrazvučne ekstrakcije sprječavaju toplinsku degradaciju pektina osjetljivih na toplinu.
Kvaliteta i čistoća pektina može varirati ovisno o anhidrogalakturonskoj kiselini, stupnju esterifikacije, sadržaju pepela ekstrahiranog pektina. Pektin visoke molekularne težine i niskog udjela pepela (ispod 10%) s visokim anhidrogalakturonskom kiselinom (iznad 65%) poznat je kao pektin dobre kvalitete. Budući da se intenzitet ultrazvučnog tretmana može vrlo precizno kontrolirati, na svojstva ekstrakta pektina može se utjecati podešavanjem amplitude, temperature ekstrakcije, tlaka, vremena zadržavanja i otapala.

 
Ovdje pronađite protokol za ultrazvučnu ekstrakciju pektina iz kore grejpa prikazan u videu iznad!
 

Ultrazvučna ekstrakcija može se izvoditi pomoću različitih otapala kao što su voda, limunska kiselina, otopina dušične kiseline (HNO₃, pH 2,0), ili amonijev oksalat/oksalna kiselina, što također omogućuje integraciju sonikacije u postojeće ekstrakcijske linije (naknadna ugradnja).

Otpad od voća kao izvor: Ultrazvuk visokih performansi već je uspješno primijenjen za izolaciju pektina iz komine jabuke, kore agruma (kao što su naranča, limun, grejp), komine grožđa, nara, pulpe šećerne repe, kore dragon voća, bodljikavih krušaka, kore marakuje, i kore manga.

Taloženje pektina nakon ultrazvučne ekstrakcije

Dodavanje etanola otopini ekstrakta može pomoći u odvajanju pektina kroz proces koji se zove taloženje. Pektin, složeni polisaharid koji se nalazi u staničnoj stijenci biljaka, topiv je u vodi pod normalnim uvjetima. Međutim, promjenom okoline otapala dodatkom etanola, topivost pektina može se smanjiti, što dovodi do njegovog taloženja iz otopine.

Kemija koja stoji iza taloženja pektina pomoću etanola može se objasniti s tri reakcije:

• Prekidanje vodikovih veza: Molekule pektina drže zajedno vodikove veze, što doprinosi njihovoj topivosti u vodi. Etanol prekida te vodikove veze natječući se s molekulama vode za mjesta vezivanja na molekulama pektina. Kako molekule etanola zamjenjuju molekule vode oko molekula pektina, vodikove veze između molekula pektina slabe, smanjujući njihovu topljivost u otapalu.
• Smanjeni polaritet otapala: Etanol je manje polaran od vode, što znači da ima manju sposobnost otapanja polarnih tvari poput pektina. Kako se etanol dodaje u otopinu ekstrakta, ukupna polarnost otapala se smanjuje, čineći manje povoljnim za molekule pektina da ostanu u otopini. To dovodi do taloženja pektina iz otopine jer postaje manje topljiv u smjesi etanol-voda.
• 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 pomoću etanola jednostavna je i učinkovita metoda za izolaciju pektina iz otopine ekstrakta, što je korak procesa koji se može lako pokrenuti nakon ultrazvučne ekstrakcije pektina. Dodavanje etanola u otopinu ekstrakta mijenja okolinu otapala na način da se smanjuje topljivost pektina, što dovodi do njegovog taloženja i kasnijeg odvajanja od otopine. Ova tehnika se obično koristi u ekstrakciji i pročišćavanju pektina iz biljnih materijala za razne industrijske i prehrambene primjene.

Ultrazvučni uređaji visokih performansi

Hielscher Ultrasonics je vaš partner za procese ekstrakcije iz biljaka. Bilo da želite izvući male količine za istraživanje i analizu ili obraditi velike količine za komercijalnu proizvodnju, imamo odgovarajući ultrazvučni ekstraktor za vas. Naši ultrazvučni laboratorijski homogenizatori, kao i naši stolni i industrijski sonikatori su robusni, jednostavni za korištenje i napravljeni za rad 24/7 pod punim opterećenjem. Širok raspon dodataka kao što su sonotrode (ultrazvučne sonde/rogovi) različitih veličina i oblika, protočne ćelije i reaktori te pojačivači omogućuju optimalno postavljanje za vaš specifičan proces ekstrakcije.
Svi digitalni ultrazvučni strojevi opremljeni su zaslonom u boji osjetljivim na dodir, integriranom SD karticom za automatsko protokoliranje podataka i daljinskim upravljačem preglednika za sveobuhvatno praćenje procesa. Sa Hielscherovim sofisticiranim ultrazvučnim sustavima, visoka standardizacija procesa i kontrola kvalitete su jednostavni.
Kontaktirajte nas danas kako bismo razgovarali o zahtjevima vašeg procesa ekstrakcije pektina! Rado ćemo vam pomoći s našim dugogodišnjim iskustvom u ultrazvučnoj ekstrakciji i pomoći vam da postignete najveću učinkovitost procesa i optimalnu kvalitetu pektina!

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Rezultati istraživanja ultrazvučne ekstrakcije pektina

Otpad od rajčice: Kako bi se izbjeglo dugo vrijeme ekstrakcije (12-24 h) u postupku refluksiranja, ultrazvuk je korišten za intenziviranje procesa ekstrakcije u smislu vremena (15, 30, 45, 60 i 90 min). Ovisno o vremenu ekstrakcije, dobiveni prinosi pektina za prvi korak ultrazvučne ekstrakcije, na temperaturama od 60°C i 80°C su 15,2-17,2% odnosno 16,3-18,5%. kada je primijenjen drugi korak ultrazvučne ekstrakcije, prinos pektina iz otpadaka rajčice je povećan na 34-36%, ovisno o temperaturama i vremenu). Očito, ultrazvučna ekstrakcija povećava pucanje matrice stanične stijenke rajčice, što dovodi do bolje interakcije između otapala i ekstrahiranog materijala.
Ultrazvučno ekstrahirani pektini mogu se kategorizirati kao visoko metoksilni pektini (HM-pektin) sa svojstvima brzog želiranja (DE > 70%) i stupanj esterifikacije od 73,3-85,4%. n. Sadržaj kalcijevog pektata u ultrazvučno ekstrahiranom pektinu izmjeren je između 41,4% do 97,5%, ovisno o parametrima ekstrakcije (temperatura i vrijeme). Pri višoj temperaturi ultrazvučne ekstrakcije, sadržaj kalcij pektata je veći (91-97%) i kao takav predstavlja važan parametar sposobnosti želiranja pektina u usporedbi s konvencionalnom ekstrakcijom.
Konvencionalna ekstrakcija otapalom u trajanju od 24 sata daje slične prinose pektina u usporedbi s 15 minuta tretmana ultrazvučnom ekstrakcijom. S obzirom na dobivene rezultate može se zaključiti da ultrazvučni tretman značajno skraćuje vrijeme ekstrakcije. NMR i FTIR spektroskopija potvrđuje postojanje pretežno esterificiranog pektina u svim ispitivanim uzorcima. [Grassino i sur. 2016.]

Kora marakuje: Kao pokazatelji učinkovitosti ekstrakcije smatrani su prinos ekstrakcije, galakturonska kiselina i stupanj esterifikacije. najveći prinos pektina dobiven ekstrakcijom uz pomoć ultrazvuka bio je 12,67% (uvjeti ekstrakcije 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 i 10 min). Za te iste uvjete, izvedena je konvencionalna ekstrakcija zagrijavanjem i rezultat je bio 7,95%. Ovi rezultati su u skladu s drugim studijama, koje izvješćuju o kratkom vremenu za učinkovitu ekstrakciju polisaharida, uključujući pektin, hemicelulozu i druge polisaharide topive u vodi, uz pomoć ultrazvuka. Također je uočeno da se prinos ekstrakcije povećao 1,6 puta kada je ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom. Dobiveni rezultati pokazali su da je ultrazvuk učinkovita tehnika koja štedi vrijeme za ekstrakciju pektina iz kore marakuje. [Freitas de Oliveira et al. 2016.]

Kladodije opuncije: Ekstrakcija uz pomoć ultrazvuka (UAE) pektina iz kladodija Opuntia ficus indica (OFI) nakon uklanjanja sluzi pokušana je metodologijom površine odgovora. Procesne varijable optimizirane su izovarijantnim središnjim kompozitnim dizajnom 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. Ovaj uvjet je potvrđen i izvedba eksperimentalne ekstrakcije bila je 18,14% ± 1,41%, što je bilo usko povezano s predviđenom vrijednošću (19,06%). Stoga ultrazvučna ekstrakcija predstavlja obećavajuću alternativu konvencionalnom procesu ekstrakcije zahvaljujući svojoj visokoj učinkovitosti koja je postignuta u kraćem vremenu i na nižim temperaturama. Pektin ekstrahiran ultrazvučnom ekstrakcijom iz OFI kladoda (UAEPC) ima nizak stupanj esterifikacije, visok sadržaj uronske kiseline, važna funkcionalna svojstva i dobru anti-radikalnu aktivnost. Ovi rezultati idu u prilog korištenju UAEPC kao potencijalnog aditiva u prehrambenoj industriji. [Bayar et al. 2017.]

Komina grožđa: U istraživačkom radu „Ultrazvučna ekstrakcija pektina iz komine grožđa pomoću limunske kiseline: pristup metodologiji odzivne površine“, sonikacija se koristi za ekstrakciju pektina iz komine grožđa s limunskom kiselinom kao sredstvom za ekstrakciju. Prema metodologiji Response Surface, najveći prinos pektina (~32,3%) može se postići kada se postupak ultrazvučne ekstrakcije provodi na 75ºC tijekom 60 minuta upotrebom otopine limunske kiseline pH 2,0. Ovi pektinski polisaharidi, sastavljeni uglavnom od jedinica galakturonske kiseline (~97% ukupnih šećera), imaju prosječnu molekularnu težinu od 163,9 kDa i stupanj esterifikacije (DE) od 55,2%.
Površinska morfologija sonikirane komine grožđa pokazuje da ultrazvuk ima važnu ulogu u razbijanju 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 kada je ekstrakcija provedena primjenom istih uvjeta temperature, vremena i pH, ali bez ultrazvučna pomoć. Osim toga, pektini iz ultrazvučne ekstrakcije također su pokazali veću prosječnu molekularnu težinu. [Minjares-Fuentes et al. 2014.]