Estrazione di pectina da frutta e rifiuti organici mediante ultrasuoni

• Le pectine sono additivi alimentari utilizzati molto frequentemente, aggiunti principalmente per i loro effetti gelificanti.
• L’estrazione a ultrasuoni aumenta significativamente la resa e la qualità degli estratti di pectina.
• La sonicazione è nota per i suoi effetti di intensificazione dei processi, già sfruttati in numerosi processi industriali.

Pectine ed estrazione della pectina

La pectina è un polisaccaride complesso naturale (eteropolisaccaride) presente in particolare nelle pareti cellulari dei frutti, soprattutto negli agrumi e nella sansa di mele. Elevati contenuti di pectina si riscontrano nelle bucce sia delle mele sia degli agrumi. La sansa di mele contiene il 10–15% di pectina sulla sostanza secca, mentre le bucce degli agrumi ne contengono il 20–30%. Le pectine sono polisaccaridi biocompatibili, biodegradabili e rinnovabili con eccellenti proprietà gelificanti e addensanti, che le rendono additivi molto apprezzati. Sono ampiamente utilizzate nei prodotti alimentari, cosmetici e farmaceutici come modificatori reologici, con funzione di agenti gelificanti, di rivestimento, stabilizzanti e addensanti e, in alcune formulazioni, di emulsionanti. L’estrazione a ultrasuoni è un metodo efficiente per isolare pectine di alta qualità dalle bucce e dalla sansa di frutta, aumentando la resa e riducendo al contempo il tempo di lavorazione e il costo complessivo.

L’estrazione convenzionale della pectina per applicazioni industriali viene eseguita mediante processi catalizzati da acidi (utilizzando acido nitrico, cloridrico o solforico). L’estrazione catalizzata da acidi è il processo più utilizzato nella produzione industriale di pectina, poiché le altre tecniche di estrazione, come l’ebollizione diretta (60ºC–100ºC) per un massimo di 24 ore e a pH basso (1,0–3,0), sono lente, hanno una resa bassa e possono causare la degradazione termica della fibra estratta; inoltre, la resa della pectina è talvolta limitata dalle condizioni di processo. Tuttavia, anche l’estrazione catalizzata da acidi presenta degli svantaggi: il trattamento acido aggressivo provoca la depolimerizzazione e la deesterificazione delle catene di pectina, compromettendone la qualità. La produzione di grandi volumi di effluenti acidi richiede trattamenti successivi e costosi trattamenti di riciclo, che rendono il processo gravoso per l’ambiente.

Estrazione della pectina a ultrasuoni

L’estrazione a ultrasuoni è un trattamento delicato e non termico, applicato a numerosi processi alimentari. Per quanto riguarda l’estrazione di pectine da frutta e verdura, la sonicazione produce pectina di alta qualità. Le pectine estratte mediante ultrasuoni si distinguono per il contenuto di acido anidrouronico, gruppi metossilici e pectato di calcio, nonché per il grado di esterificazione. Le condizioni delicate dell’estrazione a ultrasuoni impediscono la degradazione termica delle pectine termosensibili.
La qualità e la purezza della pectina possono variare in funzione del contenuto di acido anidrogalatturonico, del grado di esterificazione e del contenuto di ceneri della pectina estratta. Le pectine con peso molecolare elevato, basso contenuto di ceneri (inferiore al 10%) ed elevato contenuto di acido anidrogalatturonico (superiore al 65%) sono considerate pectine di buona qualità. Poiché l’intensità del trattamento a ultrasuoni può essere controllata con grande precisione, è possibile influenzare le proprietà dell’estratto di pectina regolando l’ampiezza, la temperatura di estrazione, la pressione, il tempo di permanenza e il solvente.

 

In questo video presentiamo l’estrazione a ultrasuoni altamente efficiente della pectina dalla buccia di pompelmo mediante il sonicatore a sonda UP200Ht. La sonicazione è un metodo altamente efficiente per ottenere rese elevate di pectina di alta qualità dai sottoprodotti di frutta e verdura. L’estrazione a ultrasuoni consente di ottenere quantità maggiori di pectina di qualità superiore in tempi di trattamento più brevi.

 
Qui trovate il protocollo per l’estrazione della pectina dalle bucce di pompelmo mediante ultrasuoni, illustrato nel video qui sopra!
 

L’estrazione a ultrasuoni può essere eseguita utilizzando diversi solventi come acqua, acido citrico, soluzione di acido nitrico (HNO₃, pH 2,0) oppure ossalato di ammonio/acido ossalico, consentendo anche di integrare la sonicazione nelle linee di estrazione esistenti (retrofit).

Scarti di frutta come fonte: Gli ultrasuoni ad alte prestazioni sono già stati applicati con successo per isolare pectine dalla sansa di mele, dalle bucce degli agrumi (come arance, limoni e pompelmi), dalle vinacce, dal melograno, dalla polpa di barbabietola da zucchero, dalla buccia del frutto del drago, dai cladodi di fico d’India, dalla buccia del frutto della passione e dalle bucce di mango.

Precipitazione della pectina dopo l’estrazione a ultrasuoni

L’aggiunta di etanolo a una soluzione di estratto può contribuire 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, modificando l’ambiente del solvente con l’aggiunta di etanolo, è possibile ridurre la solubilità della pectina, provocandone la precipitazione dalla soluzione.

La chimica alla base della precipitazione della pectina mediante etanolo può essere spiegata attraverso tre reazioni:

• Rottura dei legami a idrogeno: Le molecole di pectina sono tenute insieme da legami a idrogeno, che contribuiscono alla loro solubilità in acqua. L’etanolo rompe questi legami a idrogeno competendo con le molecole d’acqua per i siti di legame sulle molecole di pectina. Quando le molecole di etanolo sostituiscono quelle d’acqua intorno alle molecole di pectina, i legami a idrogeno tra le molecole di pectina si indeboliscono, riducendone la 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 si aggiunge etanolo alla soluzione di estratto, la polarità complessiva del solvente diminuisce, rendendo meno favorevole la permanenza delle molecole di pectina in soluzione. Questo provoca la precipitazione della pectina dalla soluzione, poiché diventa meno solubile nella miscela etanolo-acqua.
• Aumento della concentrazione di pectina: Man mano che le molecole di pectina precipitano dalla soluzione, la concentrazione di pectina nella soluzione rimanente aumenta. Questo facilita la separazione della pectina dalla fase liquida mediante filtrazione o centrifugazione.

La precipitazione della pectina mediante etanolo è un metodo semplice ed efficace per isolare le pectine dalla soluzione di estratto e costituisce una fase di processo facilmente eseguibile dopo l’estrazione della pectina a ultrasuoni. L’aggiunta di etanolo alla soluzione di estratto modifica l’ambiente del solvente in modo da ridurre la solubilità della pectina, provocandone la precipitazione e la successiva separazione dalla soluzione. Questa tecnica è comunemente utilizzata nell’estrazione e nella purificazione della pectina da materiali vegetali per varie applicazioni industriali e alimentari.
 
 
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Sonicatori industriali per l’estrazione della pectina

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La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Risultati della ricerca sull’estrazione della pectina a ultrasuoni

Scarti di pomodoro: Per evitare lunghi tempi di estrazione (12–24 h) nella procedura a riflusso, è stata utilizzata la sonicazione per intensificare il processo di estrazione in termini di tempo (15, 30, 45, 60 e 90 min). A seconda dei tempi di estrazione, le rese di pectina ottenute nella prima fase di estrazione a ultrasuoni, alle 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 delle pectine dagli scarti di pomodoro è aumentata fino al 34–36%, a seconda delle temperature e dei tempi. Evidentemente, l’estrazione a ultrasuoni aumenta la rottura della matrice della parete cellulare del pomodoro, favorendo migliori interazioni tra il solvente e il materiale estratto.
Le pectine estratte mediante ultrasuoni possono essere classificate come pectine ad alto contenuto di gruppi metossilici (pectine HM), con proprietà di gelificazione rapida (DE > 70%) e un grado di esterificazione del 73,3–85,4%. Il contenuto di pectato di calcio nella pectina estratta mediante ultrasuoni è risultato compreso tra il 41,4% e il 97,5%, a seconda dei parametri di estrazione (temperatura e tempo). A temperature di estrazione a ultrasuoni più elevate, il contenuto di pectato di calcio è maggiore (91–97%) e, pertanto, rappresenta un parametro importante della capacità gelificante della pectina rispetto all’estrazione convenzionale.
L’estrazione convenzionale con solvente della durata di 24hr fornisce rese di pectina simili a quelle ottenute con 15 min di trattamento di estrazione a ultrasuoni. Alla luce dei risultati ottenuti, si può concludere che il trattamento a ultrasuoni riduce notevolmente il tempo di estrazione. Le spettroscopie NMR e FTIR confermano la presenza di pectina prevalentemente esterificata in tutti i campioni esaminati. [Grassino et al. 2016]

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

Cladodi di fico d’India: È stata sperimentata l’estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) della pectina dai cladodi di Opuntia ficus indica (OFI), dopo la rimozione della mucillagine, utilizzando la metodologia delle superfici di risposta. Le variabili di processo sono state ottimizzate mediante un disegno composito centrale isovariante per migliorare la resa di estrazione della pectina. Le condizioni ottimali ottenute erano: tempo di sonicazione 70 min, temperatura 70, pH 1,5 e rapporto acqua-materiale 30 ml/g. Queste condizioni sono state validate e la resa dell’estrazione sperimentale è stata del 18,14% ± 1,41%, molto vicina al valore previsto (19,06%). Pertanto, l’estrazione a ultrasuoni rappresenta un’alternativa promettente al processo di estrazione convenzionale grazie alla sua elevata efficienza, ottenuta in tempi più brevi e a temperature più basse. La pectina estratta mediante ultrasuoni dai cladodi di OFI (UAEPC) presenta un basso grado di esterificazione, un elevato contenuto di acido uronico, importanti proprietà funzionali e una buona attività antiradicalica. Questi risultati favoriscono l’impiego di UAEPC come potenziale additivo nell’industria alimentare. [Bayar et al. 2017]

Vinacce: Nell’articolo scientifico “Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach”, la sonicazione viene utilizzata per estrarre pectine dalle vinacce impiegando acido citrico come agente estraente. Secondo la metodologia delle superfici di risposta, la resa massima di pectina (∼32,3%) può essere ottenuta eseguendo il processo di estrazione a ultrasuoni a 75ºC per 60 min con una soluzione di acido citrico a pH 2,0. Questi polisaccaridi pectici, composti principalmente da unità di acido galatturonico (∼97% degli zuccheri totali), hanno un peso molecolare medio di 163,9kDa e un grado di esterificazione (DE) del 55,2%.
La morfologia superficiale delle vinacce sonicate mostra che la sonicazione svolge un ruolo importante nella disgregazione del tessuto vegetale e nell’aumento delle rese di estrazione. La resa ottenuta dopo l’estrazione delle pectine a ultrasuoni nelle condizioni ottimali (75°C, 60 min, pH 2,0) è stata superiore del 20% rispetto alla resa ottenuta applicando le stesse condizioni di temperatura, tempo e pH, ma senza l’assistenza degli ultrasuoni. Inoltre, le pectine ottenute mediante estrazione a ultrasuoni presentavano anche un peso molecolare medio più elevato. [Minjares-Fuentes et al. 2014]