Ultrahangos pektin extrakció gyümölcsből és biohulladékból
- A pektinek nagyon gyakran használt élelmiszer-adalékanyag, amelyet főként zselésítő hatása miatt adnak hozzá.
- Az ultrahangos extrakció jelentősen növeli a pektinkivonatok hozamát és minőségét.
- A szonikáció ismert a folyamatot fokozó hatásairól, amelyeket már sokféle ipari folyamatban használnak.
Pektinek és pektin extrakció
A pektin egy természetes komplex poliszacharid (heteropoliszacharid), amely különösen a gyümölcsök sejtfalában található, különösen a citrusfélékben és az almatörkölyben. Magas pektintartalom található mind az alma, mind a citrusfélék gyümölcshéjában. Az almatörköly szárazanyagra vonatkoztatva 10-15% pektint tartalmaz, míg a citrushéj 20-30%-ot. A pektinek biokompatibilisek, biológiailag lebomlanak és megújulóak, és nagyszerű zselésítő és sűrítő tulajdonságokkal rendelkeznek, ami nagyra értékelt adalékanyaggá teszi őket. A pektint széles körben használják élelmiszerekben, kozmetikumokban és gyógyszerészeti termékekben reológiai módosítóként, például emulgeálószerként, zselésítőszerként, fényezőszerként, stabilizátorként és sűrítőszerként.
Az ipari alkalmazásokra szánt hagyományos pektinextrakciót savkatalizált eljárásokkal (salétromsav, sósav vagy kénsav felhasználásával) végezzük. A savkatalizált extrakció az ipari pektingyártás legelterjedtebb folyamata, mivel a többi extrakciós technika, mint például a közvetlen forráspont (60ºC-100ºC) akár 24 órán keresztül és az alacsony pH-érték (1,0-3,0) lassú és alacsony hozamú, és az extrahált rost termikus lebomlását okozhatja, és a pektinhozamot néha korlátozzák a folyamat körülményei. A savval katalizált extrakciónak azonban hátrányai is vannak: Az erős savas kezelés a pektinláncok depolimerizációját és leszterterezését okozza, ami negatívan befolyásolja a pektin minőségét. A nagy mennyiségű savas szennyvíz előállítása utófeldolgozást és költséges újrahasznosítási kezelést igényel, ami környezeti terhet jelent a folyamat számára.
Ultrahangos pektin extrakció
Az ultrahangos extrakció enyhe, nem hőkezelés, amelyet sokféle élelmiszer-folyamatra alkalmaznak. A gyümölcsökből és zöldségekből származó pektinek kivonása tekintetében az ultrahangos kezelés kiváló minőségű pektint termel. Az ultrahanggal extrahált pektinek anhidrouronsav, metoxil és kalcium pektát tartalmuk, valamint észterezési fokuk alapján kiválóak. Az ultrahangos extrakció enyhe körülményei megakadályozzák a hőérzékeny pektinek termikus lebomlását.
A pektin minősége és tisztasága az anhidrogalakturonsavtól, az észterezés mértékétől, az extrahált pektin hamutartalmától függően változhat. A nagy molekulatömegű és alacsony hamutartalmú (10% alatti) pektin magas anhidrogalakturonsavval (65% felett) jó minőségű pektinként ismert. Mivel az ultrahangos kezelés intenzitása nagyon pontosan szabályozható, a pektin kivonat tulajdonságai befolyásolhatók az amplitúdó, az extrakciós hőmérséklet, a nyomás, a retenciós idő és az oldószer beállításával.
Az ultrahangos extrakció különböző Oldószerek például víz, citromsav, salétromsavoldat (HNO3, pH 2.0) vagy ammónium-oxalát / oxálsav, amely lehetővé teszi az ultrahangos kezelés integrálását a meglévő extrakciós vonalakba (retro-illesztés).
- nagy zselésedési kapacitás
- jó diszpergálhatóság
- pektin szín
- magas kalcium-pektát
- kevesebb lebomlás
- környezetbarát
Gyümölcshulladék mint forrás: A nagy teljesítményű ultrahangot már sikeresen alkalmazták az almatörkölyből, a citrusfélék héjából (például narancs, citrom, grapefruit), szőlőtörkölyből, gránátalmából, cukorrépapépből, sárkánygyümölcshéjból, tüskés körte kládokból, passiógyümölcshéjból és mangóhéjból származó pektinek izolálására.
Pektin kicsapódás ultrahangos extrakció után
Az etanol hozzáadása az extraktoldathoz segíthet a pektin elválasztásában a kicsapásnak nevezett folyamaton keresztül. A pektin, a növények sejtfalában található komplex poliszacharid, normál körülmények között vízben oldódik. Az oldószer környezetének etanol hozzáadásával történő megváltoztatásával azonban csökkenthető a pektin oldhatósága, ami az oldatból történő kicsapódásához vezet.
Az etanollal történő pektinkicsapás mögött meghúzódó kémia három reakcióval magyarázható:
- A hidrogénkötések megszakítása: A pektin molekulákat hidrogénkötések tartják össze, amelyek hozzájárulnak vízben való oldhatóságukhoz. Az etanol megbontja ezeket a hidrogénkötéseket azáltal, hogy versenyez a vízmolekulákkal a pektinmolekulák kötőhelyéért. Mivel az etanolmolekulák helyettesítik a pektinmolekulák körüli vízmolekulákat, a pektinmolekulák közötti hidrogénkötések gyengülnek, csökkentve az oldószerben való oldhatóságukat.
- Csökkent oldószerpolaritás: Az etanol kevésbé poláris, mint a víz, ami azt jelenti, hogy kevésbé képes feloldani a poláris anyagokat, például a pektint. Ahogy etanolt adunk az extraktumoldathoz, az oldószer általános polaritása csökken, így kevésbé kedvező a pektinmolekulák oldatban maradása. Ez a pektin kicsapódásához vezet az oldatból, mivel kevésbé oldódik az etanol-víz keverékben.
- Megnövekedett pektinkoncentráció: Ahogy a pektin molekulák kicsapódnak az oldatból, a pektin koncentrációja a maradék oldatban nő. Ez lehetővé teszi a pektin könnyebb elválasztását a folyékony fázisból szűréssel vagy centrifugálással.
A pektin etanollal történő kicsapása egyszerű és hatékony módszer a pektinek izolálására az extrakciós oldatból, amely egy olyan folyamatlépés, amely könnyen futtatható ultrahangos pektin extrakció után. Az etanol hozzáadása az extraktumoldathoz oly módon változtatja meg az oldószer környezetét, hogy csökkenti a pektin oldhatóságát, ami annak kicsapódásához és ezt követően az oldatból való elválasztásához vezet. Ezt a technikát általában a növényi anyagokból származó pektin kivonására és tisztítására használják különböző ipari és élelmiszeripari alkalmazásokhoz.
ultrahangos átfolyó reaktor
- Nagyobb hozam
- jobb minőség
- nem-termikus
- Csökkentett extrakciós idő
- a folyamat intenzívebbé tétele
- utólagos felszerelés lehetséges
- Zöld extrakció
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek
A Hielscher Ultrasonics az Ön partnere a botanikai termékek kivonási folyamataiban. Akár kis mennyiségeket szeretne kivonni kutatáshoz és elemzéshez, akár nagy mennyiségeket feldolgozni kereskedelmi termeléshez, megvan a megfelelő ultrahangos elszívó az Ön számára. Ultrahangos laboratóriumi homogenizátoraink, valamint asztali és ipari szonikátoraink robusztusak, könnyen kezelhetők és teljes terhelés alatt 24/7 működésre készültek. A tartozékok széles választéka, mint például a sonotrodes (ultrahangos szondák / szarvak) különböző méretű és formájú, áramlási cellák és reaktorok és erősítők lehetővé teszik az optimális beállítást az Ön számára az adott extrakciós folyamathoz.
Minden digitális ultrahangos gép színes érintőképernyővel, integrált SD-kártyával rendelkezik az automatikus adatprotokollozáshoz és a böngésző távirányítójához az átfogó folyamatfelügyelethez. A Hielscher kifinomult ultrahangos rendszereivel a magas folyamatszabványosítás és minőségellenőrzés egyszerű.
Vegye fel velünk a kapcsolatot még ma, hogy megvitassák a pektin extrakciós folyamat követelményeit! Örömmel segítünk Önnek az ultrahangos extrakció hosszú távú tapasztalatával, és segítünk elérni a legmagasabb folyamathatékonyságot és az optimális pektin minőséget!
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000 |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
Laboratóriumi szonikátor UP200Ht pektinek kivonása a grapefruit héjából oldószerként használt vízzel.
Az ultrahangos pektin extrakció kutatási eredményei
Paradicsomhulladék: A hosszú extrakciós idők (12–24 óra) elkerülése érdekében a refluxing eljárás során ultrahangos kezelést alkalmaztak az extrakciós folyamat fokozására az idő szempontjából (15, 30, 45, 60 és 90 perc). Az extrakciós időtől függően az első ultrahangos extrakciós lépéshez kapott pektin hozam 60 ° C és 80 ° C hőmérsékleten 15,2–17,2% és 16,3–18,5%. Amikor egy második ultrahangos extrakciós lépést alkalmaztunk, a paradicsomhulladékból származó pektinek hozama a hőmérséklettől és az időtől függően 34–36% -ra nőtt). Nyilvánvaló, hogy az ultrahangos extrakció növeli a paradicsom sejtfal mátrixának szakadását, ami jobb kölcsönhatást eredményez az oldószer és az extrahált anyag között.
Az ultrahanggal extrahált pektinek kategorizálhatók magas metoxil-pektinek (HM-pektin), amelyek gyorsan beállított gélesedési tulajdonságokkal rendelkeznek (DE > 70%) és észterezési foka 73,3–85,4%. n. Az ultrahanggal extrahált pektin kalcium-pektáttartalmát 41,4% és 97,5% között mértük, az extrakciós paraméterektől (hőmérséklet és idő) függően. Az ultrahangos extrakció magasabb hőmérsékletén a kalcium-pektát tartalom magasabb (91–97%), és mint ilyen, a pektin gélesedési képességének fontos paramétere a hagyományos extrakcióhoz képest.
A hagyományos oldószeres extrakció 24 órán keresztül hasonló pektinhozamot eredményez, mint a 15 perces ultrahangos extrakciós kezelés. A kapott eredmények tekintetében megállapítható, hogy az ultrahangos kezelés jelentősen csökkenti az extrakciós időt. Az NMR és FTIR spektroszkópia megerősíti a túlnyomórészt észterezett pektin jelenlétét minden vizsgált mintában. [Grassino et al. 2016]
Passiógyümölcs héja: Az extrakciós hozamot, a galakturonsavat és az észterezési fokot tekintették az extrakciós hatékonyság mutatóinak. az ultrahanggal segített extrakcióval nyert pektin legmagasabb hozama 12,67% volt (extrakciós körülmények 85 ° C, 664 W / cm2, pH 2,0 és 10 perc). Ugyanezen körülmények között hagyományos fűtési extrakciót hajtottunk végre, és az eredmény 7,95% volt. Ezek az eredmények összhangban vannak más vizsgálatokkal, amelyek a poliszacharidok, köztük a pektin, hemicellulózok és más vízoldható poliszacharidok hatékony extrahálásának rövid idejéről számolnak be, ultrahang segítségével. Azt is megfigyelték, hogy az extrakciós hozam 1,6-szeresére nőtt, amikor az extrakciót ultrahang segítette. A kapott eredmények azt mutatták, hogy az ultrahang hatékony és időtakarékos technika a pektin kivonására a passiógyümölcs héjából. [Freitas de Oliveira et al. 2016]
Tüskés körte kladoszok: A pektin ultrahangos extrakcióját (UAE) az Opuntia ficus indica (OFI) kládokból a nyálka eltávolítása után a válaszfelület módszertanával kísérelték meg. A folyamatváltozókat az izovariáns központi kompozit kialakítással optimalizáltuk a pektin extrakciós hozam javítása érdekében. A kapott optimális feltétel: ultrahangos idő 70 perc, hőmérséklet 70, pH 1,5 és a víz-anyag arány 30 ml / g. Ezt a feltételt igazolták, és a kísérleti extrakció teljesítménye 18,14% ± 1,41% volt, ami szorosan kapcsolódott az előre jelzett értékhez (19,06%). Így az ultrahangos extrakció ígéretes alternatívát kínál a hagyományos extrakciós folyamathoz, köszönhetően a nagy hatékonyságnak, amelyet kevesebb idő alatt és alacsonyabb hőmérsékleten értek el. Az OFI kladodákból (UAEPC) ultrahangos extrakcióval kivont pektin alacsony észterezéssel, magas uronsavtartalommal, fontos funkcionális tulajdonságokkal és jó gyökölökellenes aktivitással rendelkezik. Ezek az eredmények támogatják az UAEPC potenciális adalékanyagként való felhasználását az élelmiszeriparban. [Bayar et al. 2017]
Törköly: A "Pektinek ultrahanggal segített extrakciója szőlőtörkölyből citromsavval: válaszfelület módszertani megközelítés" című kutatási dokumentumban az ultrahangos kezelést használják a szőlőtörkölyből származó pektinek kivonására citromsavval extrahálószerként. A Response Surface módszertan szerint a legmagasabb pektinhozam (∼32,3%) akkor érhető el, ha az ultrahangos extrakciós eljárást 75 ° C-on 60 percig végezzük pH 2,0 citromsavoldattal. Ezeknek a pektikus poliszacharidoknak, amelyek főként galakturonsav egységekből állnak (az összes cukor ∼97% -a), átlagos molekulatömegük 163,9 kDa, észterezési fokuk (DE) pedig 55,2%.
Az ultrahangos szőlőtörköly felületi morfológiája azt mutatja, hogy az ultrahangozás fontos szerepet játszik a növényi szövet lebontásában és az extrakciós hozamok növelésében. A pektinek ultrahangos extrakciója után kapott hozam az optimális körülmények között (75 ° C, 60 perc, pH 2.0) 20% -kal magasabb volt, mint az extrakció során kapott hozam, amelyet ugyanazon hőmérsékleti, időbeli és pH-körülmények között, de ultrahangos segítség nélkül végeztünk. Ezenkívül az ultrahangos extrakcióból származó pektinek is magasabb átlagos molekulatömeget mutattak. [Minjares-Fuentes et al. 2014]
A megvalósíthatósági teszteléstől a folyamatoptimalizálásig és az ipari telepítésig – A Hielscher Ultrasonics az Ön partnere a sikeres ultrahangos folyamatokhoz!
Irodalom/Hivatkozások
- Bayar N., Bouallegue T., Achour M., Kriaa M., Bougatef A., Kammoun R. (2017): Ultrasonic extraction of pectin from Opuntia ficus indica cladodes after mucilage removal: Optimization of experimental conditions and evaluation of chemical and functional properties. Ultrasonic pectin extraction from prickly pear cladodes. Food Chemistry 235, 2017.
- Raffaella Boggia, Federica Turrini, Carla Villa, Chiara Lacapra, Paola Zunin, Brunella Parodi (2016): Green Extraction from Pomegranate Marcs for the Production of Functional Foods and Cosmetics. Pharmaceuticals (Basel). 2016 Dec; 9(4): 63.
- Cibele Freitas de Oliveira, Diego Giordani, Rafael Lutckemier, Poliana Deyse Gurak, Florencia Cladera-Olivera, Ligia Damasceno Ferreira Marczak (2016): Extraction of pectin from passion fruit peel assisted by ultrasound. LWT – Food Science and Technology 71, 2016. 110-115.
- Antonela Nincevic Grassino, Mladen Brncic, Drazen Vikic-Topic, Suncica Roca, Maja Dent, Suzana Rimac Brncíc (2016): Ultrasound assisted extraction and characterization of pectin from tomato waste. Food Chemistry 198 (2016) 93–100.
- Krauser, S.; Saeed, A.; Iqbal, M. (2015): Comparative Studies on Conventional (Water-Hot Acid) and Non-Conventional (Ultrasonication) Procedures for Extraction and Chemical Characterization of Pectin from Peel Waste of Mango Cultivar Chausna. Pak. J. Bot., 47(4): 1527-1533, 2015.
- R. Minjares-Fuentes, A. Femenia, M.C. Garaua, J.A. Meza-Velázquez, S. Simal, C. Rosselló (2014): Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach. Carbohydrate Polymers 106 (2014) 179–189.
Tények, amelyeket érdemes tudni
pektin
A pektin egy természetben előforduló heteropoliszacharid, amely főleg olyan gyümölcsökben található, mint az almatörköly és a citrusfélék. A pektinek, más néven pektikus poliszacharidok, galakturonsavban gazdagok. A pektikus csoporton belül számos különböző poliszacharidot azonosítottak. A homogalakturonánok a α-(1–4)-hez kötött D-galakturonsav lineáris láncai. A szubsztituált galakturonánokat szacharid függelékmaradékok (például D-xilóz vagy D-apióz a xilogalacturonán és az apiogalakturán) jelenléte jellemzi, amelyek a D-galakturonsavmaradékok gerincéből ágaznak el. A ramnogalakturonán I pektinek (RG-I) tartalmazzák az ismétlődő diszacharid gerincét: 4)-α-D-galakturonsav-(1,2)-α-L-ramnóz-(1. Sok ramnóz maradék különböző semleges cukrok oldalláncával rendelkezik. A semleges cukrok főként D-galaktóz, L-arabinóz és D-xilóz. A semleges cukrok típusa és aránya a pektin eredetétől függően változik.
A pektin másik szerkezeti típusa a ramnogalakturonán II (RG-II), amely összetett, erősen elágazó poliszacharid, és ritkábban található a természetben. A ramnogalakturon II gerincét kizárólag D-galakturonsav egységek alkotják. Az izolált pektin molekulatömege jellemzően 60 000–130 000 g/mol, amely az eredettől és az extrakciós körülményektől függően változik.
A pektinek fontos adalékanyag, amelyet sokrétűen használnak élelmiszerekben, gyógyszerekben és más iparágakban. A pektinek alkalmazása azon alapul, hogy nagy mértékben képes gélt képezni Ca jelenlétében2+ ionok vagy oldott anyag alacsony pH-n. A pektinek két formája van: alacsony metoxil-pektin (LMP) és magas metoxil-pektin (HMP). A pektin két típusát metilációs fokuk (DM) különbözteti meg. A metilationtól függően a pektin lehet magas metoxi-pektin (DM>50) vagy alacsony metoxi-pektin (DM<50). A magas metoxi-pektint az jellemzi, hogy savas közegben (pH 2,0-3,5) géleket képez azzal a feltevéssel, hogy legalább 55 tömeg% vagy annál nagyobb koncentrációjú szacharóz van jelen. Az alacsony metoxi-pektin nagyobb pH-tartományban (2,0–6,0) képződhet géleket kétértékű ion, például kalcium jelenlétében.
A magas metoxil-pektin gélezését illetően a pektinmolekulák térhálósodása hidrogénkötések és a molekulák közötti hidrofób kölcsönhatások miatt következik be. Alacsony metoxil-pektinnel gélezést nyerünk az ionos kötésből kalciumhidakon keresztül két különböző lánchoz tartozó karboxilcsoport között, egymás közvetlen közelében.
Az olyan tényezők, mint a pH, más oldott anyagok jelenléte, a molekulaméret, a metoxiláció mértéke, az oldalláncok száma és helyzete, valamint a molekula töltéssűrűsége befolyásolják a pektin gélesedési tulajdonságait. Kétféle pektint különböztetünk meg oldhatósága szempontjából. Van vízoldható vagy szabad pektin és vízben oldhatatlan pektin. A pektin vízoldhatósága a polimerizáció mértékével és a metoxilcsoportok mennyiségével és helyzetével függ össze. Általában a pektin vízoldhatósága növekszik a molekulatömeg csökkenésével és az észterezett karboxilcsoportok növekedésével. Azonban a pH, a hőmérséklet és a jelen lévő oldott anyag típusa is befolyásolja az oldhatóságot.
A kereskedelmi forgalomban használt pektin minőségét általában inkább diszpergálhatósága, mint abszolút oldhatósága határozza meg. Ha száraz porított pektint adunk a vízhez, ismert, hogy úgynevezett “Hal-szem”. Ezek a halszemek a por gyors hidratálása miatt kialakult csomók. “Halszem” A csomók száraz, nem nedvesített pektinmaggal rendelkeznek, amelyet erősen hidratált külső nedves porréteg von be. Az ilyen csomókat nehéz megfelelően nedvesíteni, és csak nagyon lassan oszlanak el.
Pektinek használata
Az élelmiszeriparban pektint adnak a lekvárokhoz, gyümölcskészítményekhez, dzsemekhez, zselékhez, italokhoz, szószokhoz, fagyasztott élelmiszerekhez, édességekhez és pékárukhoz. A pektint cukrászzselékben használják, hogy jó gélszerkezetet, tiszta harapást és jó ízfelszabadulást biztosítsanak. A pektint savas fehérjeitalok, például joghurt fogyasztásának stabilizálására is használják, hogy javítsák a textúrát, a szájérzetet és a cellulóz stabilitását a lé alapú italokban és zsírhelyettesítőként a pékárukban. A kalóriaszegény / alacsony kalóriatartalmú pektint zsír- és / vagy cukorhelyettesítőként adják hozzá.
A gyógyszeriparban a vér koleszterinszintjének és a gyomor-bélrendszeri rendellenességek csökkentésére használják.
A pektin egyéb ipari alkalmazásai közé tartozik az ehető filmekben való alkalmazása, a víz / olaj emulziók emulzióstabilizátoraként, reológiai módosítóként és lágyítószerként, papír és textíliák méretezőszereként stb.
A pektin forrásai
Bár a pektin a legtöbb növény sejtfalában megtalálható, az almatörköly és a narancshéj a kereskedelemben előállított pektinek két fő forrása, mivel pektinek kiváló minőségűek. Más források gyakran rossz zselésedési viselkedést mutatnak. A gyümölcsökben az alma és a citrusfélék mellett az őszibarack, a sárgabarack, a körte, a guajava, a birsalma, a szilva és az egres nagy mennyiségű pektinről ismert. A zöldségek közül a paradicsom, a sárgarépa és a burgonya magas pektintartalmáról ismert.
paradicsom
Évente több millió tonna paradicsomot (Lycopersicon esculentum Mill.) dolgoznak fel olyan termékek előállítására, mint a paradicsomlé, paszta, püré, ketchup, szósz és salsa, ami nagy mennyiségű hulladék keletkezését eredményezi. A paradicsom préselése után nyert paradicsomhulladék 33% magból, 27% héjból és 40% cellulózból áll, míg a szárított paradicsomtörköly 44% magot és 56% pépet és héjat tartalmaz. A paradicsomhulladék nagyszerű forrás a pektinek előállításához.