Ekstraksi Pektin Ultrasonik dari Buah dan Bio-Waste

• Pektin adalah aditif makanan yang sangat sering digunakan, terutama ditambahkan karena efek pembentuk gelnya.
• Ekstraksi ultrasonik meningkatkan hasil dan kualitas ekstrak pektin secara signifikan.
• Sonikasi dikenal karena efek intensifikasi prosesnya, yang sudah digunakan dalam berbagai proses industri.

Ekstraksi Pektin dan Pektin

Pektin adalah polisakarida kompleks alami (heteropolisakarida) yang ditemukan terutama di dinding sel buah-buahan, terutama pada buah jeruk dan apel. Kandungan pektin yang tinggi ditemukan pada kulit buah apel dan jeruk. Pomace apel mengandung 10-15% pektin berdasarkan bahan kering, sedangkan kulit jeruk mengandung 20-30%. Pektin adalah polisakarida yang biokompatibel, dapat terurai secara hayati, dan dapat diperbarui dengan fungsi pembentuk gel dan pengental yang sangat baik, menjadikannya bahan tambahan yang sangat berharga. Mereka banyak digunakan dalam produk makanan, kosmetik, dan farmasi sebagai pengubah reologi, berfungsi sebagai pembentuk gel, pelapis, penstabil, dan pengental dan, dalam beberapa formulasi, sebagai pengemulsi. Ekstraksi ultrasonik adalah metode yang efisien untuk mengisolasi pektin berkualitas tinggi dari kulit buah dan pomace, meningkatkan hasil sekaligus mengurangi waktu pemrosesan dan biaya keseluruhan.

Ekstraksi pektin konvensional untuk aplikasi industri dilakukan dengan menggunakan proses yang dikatalisis dengan asam (menggunakan asam nitrat, hidroklorida, atau asam sulfat). Ekstraksi dengan katalis asam merupakan proses yang paling sering digunakan dalam produksi pektin industri, karena teknik ekstraksi lainnya seperti perebusan langsung (60ºC-100ºC) hingga 24 jam dan pH rendah (1,0-3,0) lambat dan hasil yang diperoleh rendah serta dapat menyebabkan degradasi termal serat yang diekstraksi dan hasil pektin terkadang dibatasi oleh kondisi proses. Namun, ekstraksi dengan katalis asam juga memiliki kekurangan: Perlakuan asam yang keras menyebabkan depolimerisasi dan deesterifikasi rantai pektin, yang berdampak negatif pada kualitas pektin. Produksi limbah asam dalam jumlah besar membutuhkan perawatan pasca-pemrosesan dan daur ulang yang mahal, yang membuat proses ini menjadi beban lingkungan.

Ekstraksi Pektin Ultrasonik

Ekstraksi ultrasonik adalah perawatan ringan dan non-termal, yang diterapkan pada berbagai proses makanan. Berkenaan dengan ekstraksi pektin dari buah-buahan dan sayuran, sonikasi menghasilkan pektin berkualitas tinggi. Pektin yang diekstraksi secara ultrasonik unggul dengan kandungan asam anhidroronat, metoksil dan kalsium pektat serta tingkat esterifikasinya. Kondisi ringan dari ekstraksi ultrasonik mencegah degradasi termal pektin yang sensitif terhadap panas.
Kualitas dan kemurnian pektin dapat bervariasi tergantung pada asam anhidrogalakturonat, tingkat esterifikasi, kadar abu pektin yang diekstraksi. Pektin dengan berat molekul tinggi dan kadar abu rendah (di bawah 10%) dengan asam anhidrogalakturonat tinggi (di atas 65%) dikenal sebagai pektin berkualitas baik. Karena intensitas perawatan ultrasonik dapat dikontrol dengan sangat tepat, sifat-sifat ekstrak pektin dapat dipengaruhi dengan menyesuaikan amplitudo, suhu ekstraksi, tekanan, waktu retensi dan pelarut.

 

 
Temukan protokol untuk ekstraksi pektin ultrasonik dari kulit jeruk bali yang ditunjukkan dalam video di atas di sini!
 

Ekstraksi ultrasonik dapat dijalankan menggunakan berbagai Pelarut seperti air, asam sitrat, larutan asam nitrat (HNO₃, pH 2.0), atau amonium oksalat / asam oksalat, yang memungkinkan juga untuk mengintegrasikan sonikasi ke dalam jalur ekstraksi yang ada (retro-fitting).

Limbah buah sebagai sumber: Ultrasonografi berkinerja tinggi telah berhasil diterapkan untuk mengisolasi pektin dari ampas apel, kulit buah jeruk (seperti jeruk, lemon, jeruk bali), pomace anggur, delima, bubur bit gula, kulit buah naga, cladodes pir berduri, kulit markisa, dan kulit mangga.

Presipitasi Pektin setelah Ekstraksi Ultrasonik

Menambahkan etanol ke dalam larutan ekstrak dapat membantu memisahkan pektin melalui proses yang disebut pengendapan. Pektin, polisakarida kompleks yang ditemukan di dinding sel tanaman, larut dalam air dalam kondisi normal. Namun, dengan mengubah lingkungan pelarut dengan penambahan etanol, kelarutan pektin dapat dikurangi, yang menyebabkan presipitasi dari larutan.

Kimia di balik pengendapan pektin menggunakan etanol dapat dijelaskan oleh tiga reaksi:

• Gangguan Ikatan Hidrogen: Molekul pektin disatukan oleh ikatan hidrogen, yang berkontribusi pada kelarutannya dalam air. Etanol mengganggu ikatan hidrogen ini dengan bersaing dengan molekul air untuk mendapatkan tempat pengikatan pada molekul pektin. Ketika molekul etanol menggantikan molekul air di sekitar molekul pektin, ikatan hidrogen antara molekul pektin melemah, mengurangi kelarutannya dalam pelarut.
• Penurunan Polaritas Pelarut: Etanol kurang polar daripada air, artinya ia memiliki kemampuan yang lebih rendah untuk melarutkan zat polar seperti pektin. Saat etanol ditambahkan ke larutan ekstrak, polaritas keseluruhan pelarut berkurang, sehingga kurang menguntungkan molekul pektin untuk tetap berada dalam larutan. Hal ini menyebabkan pengendapan pektin keluar dari larutan karena menjadi kurang larut dalam campuran etanol-air.
• Peningkatan konsentrasi pektin: Saat molekul pektin mengendap keluar dari larutan, konsentrasi pektin dalam larutan yang tersisa meningkat. Hal ini memungkinkan pemisahan pektin yang lebih mudah dari fase cair melalui filtrasi atau sentrifugasi.

Mengendapkan pektin menggunakan etanol adalah metode sederhana dan efektif untuk mengisolasi pektin dari larutan ekstraksi, yang merupakan langkah proses yang dapat dengan mudah dijalankan setelah ekstraksi pektin ultrasonik. Penambahan etanol ke larutan ekstrak mengubah lingkungan pelarut dengan cara yang mengurangi kelarutan pektin, yang menyebabkan pengendapan dan pemisahan selanjutnya dari larutan. Teknik ini biasa digunakan dalam ekstraksi dan pemurnian pektin dari bahan tanaman untuk berbagai aplikasi industri dan makanan.
 
 
Tertarik dengan valorisasi pomace, kulit buah dan daging buah? – Baca lebih lanjut tentang ekstraksi polifenol dari limbah buah!

Sonikator Industri untuk Ekstraksi Pektin

Hielscher Ultrasonics adalah mitra Anda untuk proses ekstraksi dari bahan tanaman seperti pomace, kulit, dan biji. Apakah Anda ingin mengekstrak dalam jumlah kecil untuk penelitian dan analisis atau memproses volume besar untuk produksi komersial, kami memiliki ekstraktor ultrasonik yang sesuai untuk Anda. Homogenizer laboratorium ultrasonik kami serta sonikator bench-top dan industri kami kuat, mudah digunakan, dan dibuat untuk operasi 24/7 dengan beban penuh. Berbagai macam aksesori seperti sonotrodes (probe / tanduk ultrasonik) dengan berbagai ukuran dan bentuk, sel aliran dan reaktor serta penguat memungkinkan pengaturan yang optimal untuk proses ekstraksi spesifik Anda.
Semua mesin ultrasonik digital dilengkapi dengan layar sentuh berwarna, Kartu SD terintegrasi untuk protokol data otomatis, dan remote control browser untuk pemantauan proses yang komprehensif. Dengan sistem ultrasonik Hielscher yang canggih, standarisasi proses yang tinggi dan kontrol kualitas menjadi sederhana.
Hubungi kami hari ini untuk mendiskusikan persyaratan proses ekstraksi pektin Anda! Kami akan dengan senang hati membantu Anda dengan pengalaman jangka panjang kami dalam ekstraksi ultrasonik dan membantu Anda mencapai efisiensi proses tertinggi dan kualitas pektin yang optimal!

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:

Hasil Penelitian Ekstraksi Pektin Ultrasonik

Limbah tomat: Untuk menghindari waktu ekstraksi yang lama (12-24 jam) dalam prosedur refluks, ultrasonikasi digunakan untuk intensifikasi proses ekstraksi dalam hal waktu (15, 30, 45, 60 dan 90 menit). Tergantung pada waktu ekstraksi, hasil pektin yang diperoleh untuk langkah ekstraksi ultrasonik pertama, pada suhu 60°C dan 80°C masing-masing adalah 15,2–17,2% dan 16,3–18,5%. Ketika langkah ekstraksi ultrasonik kedua diterapkan, hasil pektin dari limbah tomat ditingkatkan menjadi 34-36%, tergantung pada suhu dan waktu). Jelas, ekstraksi ultrasonik meningkatkan pecahnya matriks dinding sel tomat, yang mengarah pada interaksi yang lebih baik antara pelarut dan bahan yang diekstraksi.
Pektin yang diekstraksi secara ultrasonik dapat dikategorikan sebagai pektin methoxyl tinggi (HM-pektin) dengan sifat pembentuk gel yang cepat ditetapkan (DE > 70%) dan tingkat esterifikasi 73,3–85,4%. n. Kandungan kalsium pektat dalam pektin yang diekstraksi secara ultrasonik diukur antara 41,4% hingga 97,5%, tergantung pada parameter ekstraksi (suhu dan waktu). Pada suhu ekstraksi ultrasonik yang lebih tinggi, kandungan kalsium pektat lebih tinggi (91-97%) dan dengan demikian menghadirkan parameter penting dari kemampuan pembentuk gel pektin dibandingkan dengan ekstraksi konvensional.
Ekstraksi pelarut konvensional selama 24 jam memberikan hasil pektin yang sama dibandingkan dengan 15 menit perawatan ekstraksi ultrasonik. Berkenaan dengan hasil yang diperoleh, dapat disimpulkan bahwa perawatan ultrasonik mengurangi waktu ekstraksi secara luar biasa. Spektroskopi NMR dan FTIR mengkonfirmasi keberadaan pektin yang didominasi esterifikasi di semua sampel yang diselidiki. [Grassino dkk. 2016]

Kulit markisa: Hasil ekstraksi, asam galakturonat dan tingkat esterifikasi dianggap sebagai indikator efisiensi ekstraksi. Hasil tertinggi pektin yang diperoleh dengan ekstraksi dengan bantuan ultrasound adalah 12,67% (kondisi ekstraksi 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 dan 10 menit). Untuk kondisi yang sama, ekstraksi pemanasan konvensional dilakukan dan hasilnya adalah 7,95%. Hasil ini sesuai dengan penelitian lain, yang melaporkan waktu yang singkat untuk ekstraksi polisakarida yang efektif, termasuk pektin, hemiselulosa dan polisakarida larut air lainnya, dibantu oleh ultrasound. Juga diamati bahwa hasil ekstraksi meningkat 1,6 kali lipat ketika ekstraksi dibantu dengan USG. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa USG merupakan teknik yang efisien dan hemat waktu untuk ekstraksi pektin dari kulit markisa. [Freitas de Oliveira dkk. 2016]

Cladodes Pir Berduri: Ekstraksi berbantuan ultrasonik (UEA) pektin dari cladodes Opuntia ficus indica (OFI) setelah pengangkatan lendir dicoba menggunakan metodologi permukaan respons. Variabel proses dioptimalkan oleh desain komposit sentral isovarian untuk meningkatkan hasil ekstraksi pektin. Kondisi optimal yang diperoleh adalah: waktu sonikasi 70 menit, suhu 70, pH 1,5 dan rasio bahan air 30 ml/g. Kondisi ini divalidasi dan kinerja ekstraksi eksperimental sebesar 18,14% ± 1,41%, yang terkait erat dengan nilai yang diprediksi (19,06%). Dengan demikian, ekstraksi ultrasonik menghadirkan alternatif yang menjanjikan untuk proses ekstraksi konvensional berkat efisiensinya yang tinggi yang dicapai dalam waktu yang lebih singkat dan pada suhu yang lebih rendah. Pektin yang diekstraksi dengan ekstraksi ultrasonik dari OFI cladodes (UAEPC) memiliki tingkat esterifikasi yang rendah, kandungan asam uronat yang tinggi, sifat fungsional penting dan aktivitas anti-radikal yang baik. Hasil ini mendukung penggunaan UAEPC sebagai aditif potensial dalam industri makanan. [Bayar dkk. 2017]

Pomace anggur: Dalam makalah penelitian “Ekstraksi pektin dengan bantuan ultrasound dari pomace anggur menggunakan asam sitrat: Pendekatan metodologi permukaan respons”sonikasi digunakan untuk mengekstrak pektin dari pomace anggur dengan asam sitrat sebagai bahan pengekstrak. Menurut Response Surface Methodology, rendemen pektin tertinggi (∼32,3%) dapat dicapai ketika proses ekstraksi ultrasonik dilakukan pada suhu 75ºC selama 60 menit dengan menggunakan larutan asam sitrat dengan pH 2,0. Polisakarida pektat ini, yang sebagian besar terdiri dari unit asam galakturonat (∼97% dari total gula), memiliki berat molekul rata-rata 163,9 kDa dan derajat esterifikasi (DE) 55,2%.
Morfologi permukaan pomace anggur yang disonikasi menunjukkan bahwa sonikasi memainkan peran penting dalam memecah jaringan vegetasi dan meningkatkan hasil ekstraksi. Hasil yang diperoleh setelah ekstraksi ultrasonik pektin menggunakan kondisi optimal (75°C, 60 menit, pH 2.0) adalah 20% lebih tinggi dari hasil yang diperoleh ketika ekstraksi dilakukan dengan menerapkan kondisi suhu, waktu dan pH yang sama, tetapi tanpa bantuan ultrasonik. Selain itu, pektin dari ekstraksi ultrasonik juga menunjukkan berat molekul rata-rata yang lebih tinggi. [Minjares-Fuentes dkk. 2014]