Estrazione a ultrasuoni di pectina da frutta e rifiuti organici

• Le pectine sono un additivo alimentare molto utilizzato, aggiunto principalmente per i suoi effetti gelificanti.
• L'estrazione a ultrasuoni aumenta notevolmente la resa e la qualità degli estratti di pectina.
• La sonicazione è nota per i suoi effetti di intensificazione del processo, già utilizzati in numerosi processi industriali.

Pectine ed estrazione di pectina

Pectin is a natural complex polysaccharide (heteropolysaccharide) found in particular in the cell walls of fruits, especially in citrus fruits and apple pomace. High pectin contents are found in the fruit peels of both apple and citrus fruits. Apple pomace contains 10-15% of pectin on a dry matter basis while citrus peel contains 20-30%. Pectins are biocompatible, biodegradable, and renewable polysaccharides with excellent gelling and thickening functionality, making them highly valued additives. They are widely used in food, cosmetic, and pharmaceutical products as rheology modifiers, functioning as gelling, glazing, stabilizing, and thickening agents and, in some formulations, as emulsifiers. Ultrasonic extraction is an efficient method to isolate high-quality pectins from fruit peels and pomace, increasing yield while reducing processing time and overall cost.

Estrazione di pectina a ultrasuoni

L'estrazione a ultrasuoni è un trattamento delicato e non termico, che viene applicato a molteplici processi alimentari. Per quanto riguarda l'estrazione di pectine da frutta e verdura, la sonicazione produce pectine di alta qualità. Le pectine estratte con gli ultrasuoni si distinguono per il contenuto di acido anidrouronico, metossile e pectato di calcio e per il grado di esterificazione. Le condizioni blande dell'estrazione a ultrasuoni impediscono la degradazione termica delle pectine sensibili al calore.
La qualità e la purezza della pectina possono variare in base all'acido anidrogalatturonico, al grado di esterificazione e al contenuto di ceneri della pectina estratta. La pectina ad alto peso molecolare e basso contenuto di ceneri (inferiore al 10%) con un alto contenuto di acido anidrogalatturonico (superiore al 65%) è nota come pectina di buona qualità. Poiché l'intensità del trattamento a ultrasuoni può essere controllata in modo molto preciso, le proprietà dell'estratto di pectina possono essere influenzate regolando l'ampiezza, la temperatura di estrazione, la pressione, il tempo di ritenzione e il solvente.

 
Trovate qui il protocollo per l'estrazione ad ultrasuoni della pectina dalla buccia di pompelmo dimostrato nel video qui sopra!
 

L'estrazione a ultrasuoni può essere eseguita con diversi tipi di Solventi come acqua, acido citrico, soluzione di acido nitrico (HNO₃, pH 2,0), o ammonio ossalato/acido ossalico, il che rende possibile integrare la sonicazione anche in linee di estrazione esistenti (retro-fitting).

Rifiuti di frutta come fonte: Gli ultrasuoni ad alte prestazioni sono già stati applicati con successo per isolare le pectine dalla polpa di mela, dalle bucce di agrumi (come arancia, limone, pompelmo), dalla polpa d'uva, dal melograno, dalla polpa di barbabietola da zucchero, dalla buccia del frutto del drago, dai cladodi del fico d'India, dalla buccia del frutto della passione e dalla buccia del mango.

Precipitazione della pectina dopo l'estrazione a ultrasuoni

L'aggiunta di etanolo a una soluzione di estratto può aiutare a separare la pectina attraverso un processo chiamato precipitazione. La pectina, un polisaccaride complesso presente nelle pareti cellulari delle piante, è solubile in acqua in condizioni normali. Tuttavia, alterando l'ambiente del solvente con l'aggiunta di etanolo, la solubilità della pectina può essere ridotta, portando alla sua precipitazione dalla soluzione.

La chimica della precipitazione della pectina con l'etanolo può essere spiegata da tre reazioni:

• Interruzione dei legami idrogeno: Le molecole di pectina sono tenute insieme da legami idrogeno, che contribuiscono alla loro solubilità in acqua. L'etanolo interrompe questi legami idrogeno competendo con le molecole d'acqua per i siti di legame sulle molecole di pectina. Quando le molecole di etanolo sostituiscono le molecole di acqua intorno alle molecole di pectina, i legami idrogeno tra le molecole di pectina si indeboliscono, riducendo la loro solubilità nel solvente.
• Diminuzione della polarità del solvente: L'etanolo è meno polare dell'acqua, quindi ha una minore capacità di sciogliere sostanze polari come la pectina. Quando l'etanolo viene aggiunto alla soluzione di estratto, la polarità complessiva del solvente diminuisce, rendendo meno favorevole la permanenza in soluzione delle molecole di pectina. Questo porta alla precipitazione della pectina dalla soluzione, poiché diventa meno solubile nella miscela di etanolo e acqua.
• Aumento della concentrazione di pectina: Quando le molecole di pectina precipitano dalla soluzione, la concentrazione di pectina nella soluzione rimanente aumenta. Ciò consente una più facile separazione della pectina dalla fase liquida mediante filtrazione o centrifugazione.

La precipitazione della pectina con l'etanolo è un metodo semplice ed efficace per isolare le pectine dalla soluzione di estratto, una fase del processo che può essere facilmente eseguita dopo l'estrazione della pectina a ultrasuoni. L'aggiunta di etanolo alla soluzione di estratto altera l'ambiente del solvente in modo tale da ridurre la solubilità della pectina, portando alla sua precipitazione e alla successiva separazione dalla soluzione. Questa tecnica è comunemente utilizzata per l'estrazione e la purificazione della pectina da materiali vegetali per varie applicazioni industriali e alimentari.
 
 
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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

Risultati della ricerca sull'estrazione della pectina a ultrasuoni

Scarti di pomodoro: Per evitare lunghi tempi di estrazione (12-24 h) nella procedura di riflusso, è stata utilizzata l'ultrasuonizzazione per intensificare il processo di estrazione in termini di tempo (15, 30, 45, 60 e 90 minuti). A seconda dei tempi di estrazione, le rese di pectina ottenute con la prima fase di estrazione a ultrasuoni, a temperature di 60°C e 80°C, sono rispettivamente del 15,2-17,2% e del 16,3-18,5%. Quando è stata applicata una seconda fase di estrazione a ultrasuoni, la resa di pectine dagli scarti di pomodoro è aumentata al 34-36%, a seconda delle temperature e dei tempi). Ovviamente, l'estrazione a ultrasuoni aumenta la rottura della matrice della parete cellulare del pomodoro, portando a migliori interazioni tra il solvente e il materiale estratto.
Le pectine estratte ad ultrasuoni possono essere classificate come pectine ad alto metossile (HM-pectine) con proprietà di gelificazione a presa rapida (DE > 70%) e un grado di esterificazione del 73,3-85,4%. n. Il contenuto di pectato di calcio nella pectina estratta con ultrasuoni è stato misurato tra il 41,4% e il 97,5%, a seconda dei parametri di estrazione (temperatura e tempo). Alle temperature più elevate dell'estrazione a ultrasuoni, i contenuti di pectato di calcio sono più elevati (91-97%) e come tali rappresentano un parametro importante della capacità di gelificazione della pectina rispetto all'estrazione convenzionale.
L'estrazione convenzionale con solvente per una durata di 24 ore fornisce rese di pectina simili a quelle ottenute con 15 minuti di trattamento di estrazione a ultrasuoni. In base ai risultati ottenuti, si può concludere che il trattamento a ultrasuoni riduce notevolmente il tempo di estrazione. La spettroscopia NMR e FTIR conferma l'esistenza di pectina prevalentemente esterificata in tutti i campioni analizzati. [Grassino et al. 2016]

Buccia di frutto della passione: La resa di estrazione, l'acido galatturonico e il grado di esterificazione sono stati considerati come indicatori dell'efficienza di estrazione. La massima resa di pectina ottenuta con l'estrazione assistita da ultrasuoni è stata del 12,67% (condizioni di estrazione 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 e 10 min). Per queste stesse condizioni, è stata eseguita un'estrazione con riscaldamento convenzionale e il risultato è stato del 7,95%. Questi risultati sono in accordo con altri studi, che riportano tempi brevi per l'estrazione efficace di polisaccaridi, tra cui pectina, emicellulose e altri polisaccaridi idrosolubili, assistiti dagli ultrasuoni. È stato inoltre osservato che la resa di estrazione è aumentata di 1,6 volte quando l'estrazione è stata assistita dagli ultrasuoni. I risultati ottenuti hanno dimostrato che gli ultrasuoni sono una tecnica efficiente e poco dispendiosa per l'estrazione della pectina dalla buccia del frutto della passione. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Cladodi di fico d'India: L'estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) di pectina da cladodi di Opuntia ficus indica (AIF) dopo la rimozione della mucillagine è stata tentata utilizzando la metodologia della superficie di risposta. Le variabili di processo sono state ottimizzate mediante il disegno composito centrale isovariante al fine di migliorare la resa di estrazione della pectina. La condizione ottimale ottenuta è stata: tempo di sonicazione 70 min, temperatura 70, pH 1,5 e rapporto acqua-materiale 30 ml/g. Questa condizione è stata convalidata e il rendimento dell'estrazione sperimentale è stato del 18,14% ± 1,41%, strettamente legato al valore previsto (19,06%). Pertanto, l'estrazione a ultrasuoni rappresenta una promettente alternativa al processo di estrazione convenzionale grazie alla sua elevata efficienza, ottenuta in tempi ridotti e a temperature più basse. La pectina estratta con gli ultrasuoni dai cladodi OFI (UAEPC) presenta un basso grado di esterificazione, un elevato contenuto di acido uronico, importanti proprietà funzionali e una buona attività antiradicalica. Questi risultati sono a favore dell'uso dell'UAEPC come potenziale additivo nell'industria alimentare. [Bayar et al. 2017]

Vinaccia: In the research paper “Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach”, sonication is used to extract pectins from grape pomace with citric acid as the extracting agent. According to the Response Surface Methodology, the highest pectin yield (∼32.3%) can be achieved when the ultrasonic extraction process is carried out at 75ºC for 60 min using a citric acid solution of pH 2.0. These pectic polysaccharides, composed mainly by galacturonic acid units (∼97% of total sugars), have an average molecular weight of 163.9kDa and a degree of esterification (DE) of 55.2%.
La morfologia superficiale della vinaccia sonicata mostra che la sonicazione svolge un ruolo importante nella rottura del tessuto vegetale e nell'aumento delle rese di estrazione. La resa ottenuta dopo l'estrazione ad ultrasuoni delle pectine utilizzando le condizioni ottimali (75°C, 60 min, pH 2,0) è stata superiore del 20% rispetto a quella ottenuta quando l'estrazione è stata effettuata applicando le stesse condizioni di temperatura, tempo e pH, ma senza assistenza ultrasonica. Inoltre, le pectine ottenute con l'estrazione a ultrasuoni presentavano anche un peso molecolare medio più elevato. [Minjares-Fuentes et al. 2014].