果物およびバイオ廃棄物からの超音波ペクチン抽出

  • ペクチンは、主にそのゲル化効果のために添加され、非常に頻繁に使用される食品添加物です。
  • 超音波抽出は、ペクチン抽出物の収量と品質を大幅に増加させます。
  • 超音波処理は、すでに多岐にわたる工業プロセスで使用されているそのプロセス強化効果のために知られています。

ペクチンとペクチン抽出

ジュースの後の皮や残留物などの柑橘類の果実の廃棄物は、ペクチンの超音波抽出に最適です。ペクチンは、特に柑橘類やリンゴポマセに特に果物の細胞壁に見られる天然複合体多糖類(ヘテロ多糖類)です。高ペクチンの内容物は、リンゴと柑橘類の両方の果実の皮に見出されます。アップルポメイスは、柑橘類の皮が20-30%含まれている間、乾燥物質ベースでペクチンの10-15%が含まれています。ペクチンは、生分解性と再生可能であり、彼らは非常に価値の高い添加剤を作る偉大なゲル化と増粘特性を示しています。ペクチンは、乳化剤、ゲル化剤、グレージング剤、安定剤、増粘剤などの遺伝子類修飾剤として食品、化粧品、医薬品に広く使用されています。
工業用途のための従来のペクチン抽出は、酸触媒プロセス(硝酸、塩酸または硫酸を用いて)を用いて行われる。酸触媒抽出は、24時間までの直接沸騰(60ºC-100ºC)および低pH(1.0-3.0)の他の抽出技術が遅く、低い収率で、熱分解を引き起こす可能性があるため、工業用ペクチン製造において最も頻繁に行われます。抽出された繊維およびペクチン収率は、プロセス条件によって制限されることがある。しかし、酸触媒抽出には欠点も伴います:過酷な酸性処理はペクチン鎖の脱重合と脱酸を引き起こし、ペクチンの品質に悪影響を及ぼします。大量の酸性排水の生産には、後処理と高価なリサイクル処理が必要であり、プロセスが環境負荷になります。

超音波ペクチン抽出

工業用インラインプロセスでペクチンを抽出するためのUIP4000hdT(4kW)超音波プロセッサ。超音波抽出は、マニホールド食品プロセスに適用される穏やかな、非熱処理です。果物や野菜からのペクチンの抽出に関しては、超音波処理は、高品質のペクチンを生成します。超音波抽出されたペクチンは、その無水酸、メトキシルおよびカルシウムペクテート含有量だけでなく、エステル化の程度によって優れています。超音波抽出の穏やかな条件は、熱感受性ペクチンの熱劣化を防ぎます。
ペクチンの品質および純度は、無水ガラクチュロン酸、エステル化の程度、抽出されたペクチンの灰含有量によって異なる。高分子量と低灰を有するペクチン(10%以下)高い無水ガラクチュロン酸を含む含有量(65%以上)良質のペクチンとして知られています。超音波処理の強度は非常に正確に制御することができるので、ペクチン抽出物の特性は、振幅、抽出温度、圧力、保持時間および溶媒を調整することによって影響を受けることができる。

 

この動画では、プローブ型超音波処理装置UP200Htを使用したグレープフルーツの皮からのペクチンの高効率超音波抽出について紹介します。超音波処理は、果物や野菜の副産物から高品質のペクチン収量を生成するための非常に効率的な方法です。超音波抽出は、より短い処理時間でより多くのペクチン量と優れた品質をもたらします。

ソニケーターUP200Htを使用したグレープフルーツの皮からのペクチン抽出

ビデオサムネイル

 
グレープフルーツの皮から超音波ペクチン抽出するためのプロトコルを見つける 上のビデオで実証 ここ!
 

超音波抽出は、様々なを使用して実行することができます 溶剤 水、クエン酸、硝酸溶液(HNO3、pH 2.0)、またはアンモニウムシュウ酸/シュウ酸、既存の抽出ライン(レトロフィッティング)に超音波処理を統合することも可能になります。

超音波ペクチン抽出物は、によって優れています:

  • 高いゲル化能力
  • 良好な分散性
  • ペクチン色
  • 高カルシウムペクテート
  • 劣化が少ない
  • 環境にやさしい

ソースとしての果物廃棄物: 高性能超音波は、リンゴポマセ、柑橘類の果実の皮(オレンジ、レモン、グレープフルーツなど)、ブドウポマケ、ザクロ、砂糖ビートパルプ、ドラゴンフルーツピール、刺し身の梨のクラッド、パッションフルーツからペクチンを分離するために既に正常に適用されています皮をむき、マンゴーの皮をむく。

超音波抽出後のペクチン沈殿

抽出液にエタノールを添加すると、沈殿と呼ばれるプロセスを通じてペクチンを分離するのに役立ちます。植物の細胞壁に見られる複雑な多糖類であるペクチンは、通常の条件下では水に溶けます。しかし、エタノールを添加して溶媒環境を変化させることにより、ペクチンの溶解度が低下し、溶液からの沈殿につながる可能性があります。

エタノールを用いたペクチン沈殿の化学的性質は、3つの反応によって説明できます。

  • 水素結合の破壊:ペクチン分子は水素結合によって結合されており、水への溶解性に寄与しています。エタノールは、ペクチン分子の結合部位をめぐって水分子と競合することにより、これらの水素結合を破壊します。エタノール分子がペクチン分子の周りの水分子に置き換わると、ペクチン分子間の水素結合が弱まり、溶媒への溶解度が低下します。
  • 溶媒極性の低下: エタノールは水よりも極性が低いため、ペクチンなどの極性物質を溶解する能力が低くなります。抽出液にエタノールを添加すると、溶媒の全体的な極性が低下し、ペクチン分子が溶液中に残るのが悪くなります。これにより、ペクチンがエタノールと水の混合物に溶けにくくなるため、溶液からペクチンが沈殿します。
  • ペクチン濃度の上昇: ペクチン分子が溶液から沈殿すると、残りの溶液中のペクチンの濃度が上昇します。これにより、ろ過または遠心分離による液相からのペクチンの分離が容易になります。

エタノールを用いたペクチンの沈殿は、抽出液からペクチンを単離する簡便で効果的な方法であり、超音波ペクチン抽出後に容易に実行できるプロセスステップである。抽出液にエタノールを添加すると、ペクチンの溶解度を低下させる方法で溶媒環境が変化し、ペクチンが沈殿し、その後溶液から分離します。この技術は、さまざまな産業および食品用途の植物材料からのペクチンの抽出および精製に一般的に使用されています。

産業規模のインライン超音波処理のためのUIP4000hdTフローセル

超音波フロースルーリアクター

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利点:

  • より高い収率
  • より良い品質
  • 非熱
  • 減少抽出時間
  • プロセス強化
  • レトロフィッティング可能
  • グリーン抽出

高性能超音波装置

ヒールシャー超音波は、植物からの抽出プロセスのためのあなたのパートナーです。研究や分析のために少量を抽出したい場合でも、商業生産のために大量に処理したい場合でも、当社はお客様に適した超音波抽出器をご用意しています。当社の超音波ラボホモジナイザー、ベンチトップおよび産業用ソニケーターは、堅牢で使いやすく、全負荷で24時間年中無休で稼働できるように構築されています。さまざまなサイズと形状のソノトロード(超音波プローブ/ホーン)、フローセル、リアクター、ブースターなどの幅広いアクセサリにより、特定の抽出プロセスに最適なセットアップが可能になります。
すべてのデジタル超音波マシンは、色付きのタッチディスプレイ、自動データプロトコルのための統合されたSDカード、および包括的なプロセス監視のためのブラウザのリモートコントロールが装備されています。ヒールシャーの洗練された超音波システムにより、高いプロセス標準化と品質管理が簡単になります。
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下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます:

バッチ容量流量推奨デバイス
2000mlの10〜20 400mLの/分Uf200ःトンUP400St
00.1 20Lへ04L /分の0.2UIP2000hdT
100Lへ1010L /分で2UIP4000
N.A。10 100L /分UIP16000
N.A。大きなのクラスタ UIP16000

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超音波抽出は、グレープフルーツの皮からペクチンを放出する非常に効果的な技術です。この写真は、超音波処理装置UP200Htが水を溶媒として使用してグレープフルーツの皮からペクチンを抽出していることを示しています。

ラボ用超音波装置 UP200Ht グレープフルーツの皮からペクチンを抽出し、水を溶媒として使用します。

超音波ペクチン抽出の研究結果

トマト廃棄物: 還流手順における長い抽出時間(12~24時間)を避けるために、超音波は時間(15、30、45、60および90分)の抽出プロセスの強化に使用された。抽出時間に応じて、得られたペクチン収量は、最初の超音波抽出工程で、60°Cおよび80°Cの温度で、それぞれ15.2〜17.2%および16.3〜18.5%である。2番目の超音波抽出ステップを適用すると、温度と時間に応じて、トマト廃棄物からのペクチンの収率が34-36%に増加しました。明らかに、超音波抽出は、トマト細胞壁マトリックスの破裂を増加させ、溶媒と抽出された材料との間のより良い相互作用につながる。
超音波抽出されたペクチンは、急速に設定されたゲル化特性を有する高メトキシルペクチン(HM-ペクチン)として分類することができる(DE > 70%)73.3-85.4%のエステル化度を持つ。n. 超音波抽出ペクチン中のカルシウムペクチン含有量は、抽出パラメータ(温度および時間)に応じて41.4%〜97.5%の間で測定された。超音波抽出の高い温度では、カルシウムペクテート含有量が高い(91-97%)そして、このような現在のペクチンゲル化能の重要なパラメータとして、従来の抽出と比較して。
24時間の持続時間のための従来の溶媒抽出は、超音波抽出処理の15分と比較して同様のペクチン収率を与える。得られた結果に関しては、超音波処理が抽出時間を著しく減少させると結論付けることができる。NMRおよびFTIR分光法は、調査されたすべてのサンプルにおいて主にエステル化ペクチンの存在を確認する。[グラッシノら 2016]

パッションフルーツピール: 抽出歩留まり、ガラク酸、エステル化度は抽出効率の指標と考えた。超音波支援抽出により得られたペクチンの最高収率は12.67%(抽出条件85ºC、664 W/cm2、pH 2.0および10分)であった。これらの同じ条件について、従来の加熱抽出を行い、結果は7.95%であった。これらの結果は、ペクチン、ヘミセルロースおよび他の水溶性多糖類を含む多糖類の効果的な抽出のための短時間を報告する他の研究に従って、超音波によって支援される。また、抽出が超音波によって支援されたときに抽出収率が1.6倍増加したことも観察された。得られた結果は、超音波がパッションフルーツピールからペクチンを抽出するための効率的かつ時間節約技術であることを実証しました。[フレイタス・デ・オリベイラら 2016]

プリックリー梨クラデデス: オプンティア・フィカス・インディカ(OFI)からペクチンのペクチンの超音波補助抽出(UAE)を粘液除去後に試みた後、応答表面方法論を用いて試みた。プロセス変数は、ペクチン抽出収率を改善するために、アイソバリアント中央複合設計によって最適化されました。得られた最適な条件は、超音波処理時間70分、温度70、pH1.5および水材料比30ml/gであった。この状態を検証し、実験抽出の性能は18.14%±1.41%であり、予測値(19.06%)と密接に関連していた。したがって、超音波抽出は、より少ない時間と低温で達成されたその高効率のおかげで、従来の抽出プロセスに有望な代替手段を提示します。OFIクラデッセ(UAEPC)からの超音波抽出によって抽出されたペクチンは、低レベルのエステル化、高ウロン酸含有量、重要な機能性および良好な抗ラジカル活性を有する。これらの結果は、食品産業における潜在的な添加物としてUAEPCを使用することに賛成です。[バイヤルら 2017]

ブドウポマセ: 研究論文「クエン酸を用いたブドウポマセからのペクチンの超音波支援抽出:応答表面方法論アプローチ」では、抽出剤としてクエン酸を用いたブドウポマセからペクチンを抽出するために超音波処理が用いられる。応答表面方法論によると、最高ペクチン収率(32.3%)超音波抽出プロセスは、pH 2.0のクエン酸溶液を使用して60分間75ºCで行われる場合に達成することができる。これらのペクティック多糖類は、主にガラクチュロン酸単位(総糖の97%)によって構成され、平均分子量は163.9kDa、エステル化(DE)の程度は55.2%である。
超音波処理ブドウポマシの表面形態は、超音波処理が野菜組織を分解し、抽出収率を高める上で重要な役割を果たしていることを示しています。最適な条件(75°C、60分、pH 2.0)を用いたペクチンの超音波抽出後に得られた収率は、温度、時間、pHの同じ条件を適用して行った時に得られた収量よりも20%高かったが、超音波を使用しない支援。また、超音波抽出からのペクチンはまた、より高い平均分子量を示した。[ミンジャレス・フエンテスら 2014]

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文学/参考文献



知る価値のある事実

ペクチン

ペクチンは、リンゴポマセや柑橘類などの果物に主に見られる自然発生ヘテロ多糖類です。ペクチンは、ペクチック多糖類としても知られており、ガラクチュロン酸が豊富です。ペクティック群内では、いくつかの異なる多糖類が同定されている。ホモガラクトゥロンはα-(1-4)結合D-ガラクチュロン酸の線形鎖である。置換ガラクトゥロナンは、D-ガラクチュロン酸残基の骨格から分岐する糖類付加物残基(キシロースまたはD-アピオスなど、それぞれの場合におけるキロガラクトゥロン)の存在によって特徴付される。ラムノガラクチュロンIペクチン(RG-I)は、繰り返し二糖のバックボーンを含む:4)-α-D-ガラクチュロン酸-(1,2)-α-L-ラムノース-(1)多くのラムノース残渣は、様々な中性糖のサイドチェーンを持っています。中性糖は、主にD-ガラクトース、L-アラビノース、D-キシロースです。中性糖の種類と割合は、ペクチンの起源によって異なります。
ペクチンのもう一つの構造タイプは、複雑で高度に分岐した多糖類であり、自然界ではあまり見られないラムノガラクトゥロナンII(RG-II)である。ラムノガラクトゥロナンIIのバックボーンは、D-ガラクチュロン酸単位のみで構成されています。単離されたペクチンは、典型的に60,000-130,000 g/molの分子量を有し、起源および抽出条件によって変化する。
ペクチンは、食品、医薬品、および他の産業におけるマニホールド用途の重要な添加剤です。ペクチンの使用は、Caの存在下でゲルを形成するその高い能力に基づいています2+ 低pHでイオンまたは溶質。ペクチンの2つの形態があります: 低メトキシルペクチン (LMP) と高メトキシルペクチン (HMP).ペクチンの2つのタイプは、メチル化(DM)の程度によって区別される。メチルラチオンに依存して、ペクチンは、高メトキシペクチン(DM>50)または低メトキシペクチン(DM<50)高メトキシペクチンは、少なくとも55重量%以上の濃度でスクロースが存在することを前提に酸性培地(pH2.0〜3.5)でゲルを形成する能力を特徴とする。低メトキシペクチンは、カルシウムなどの二体イオンの存在下で、より大きなpH範囲(2.0~6.0)にわたってゲルを形成することができます。
高メトキシルペクチンのゲル化に関しては、ペクチン分子の架橋は、分子間の水素結合および疎水性相互作用によって起こる。低メトキシルペクチンを用いて、互いに近接して2つの異なる鎖に属する2つのカルボキシル基間のカルシウムブリッジを介してイオンリンケージからゲル化が得られる。
このようなpH、他の溶質の存在、分子サイズ、メトキシリン化の程度、側鎖の数および位置、および分子上の電荷密度はペクチンのゲル化特性に影響を与える。2種類のペクチンは、その溶解性に関して区別される。水溶性またはフリーペクチンおよび水不溶性ペクチンがあります。ペクチンの水溶性は、重合の程度とメトキセル基の量と位置に関連しています。一般に、ペクチンの水溶解度は分子量の減少に伴って増加し、エステル化カルボキシル基が増加する。しかし、pH、温度、及び溶質の種類は溶解性にも影響を与える。
市販のペクチンを使用する場合の品質は、通常、その絶対溶解性よりもその分散性によって決定される。乾燥粉末ペクチンを水に添加すると、いわゆる形成することが知られている “フィッシュアイ”.これらの魚眼は、粉末の急速な水和のために形成された塊である。 “フィッシュアイ” 束は、湿った粉末の高度に水和された外層でコーティングされた乾燥した、湿潤されていないペクチンコアを有する。このような塊は適切に濡れにくく、非常に遅いだけ分散します。

ペクチンの使用

食品業界では、ペクチンはマーマレード、フルーツスプレッド、ジャム、ゼリー、飲料、ソース、冷凍食品、菓子、ベーカリー製品に添加されます。ペクチンは、良いゲル構造、きれいな一口を与え、良好な風味の放出を与えるために菓子ゼリーに使用されます。ペクチンはまた、ヨーグルトを飲むなどの酸性タンパク質飲料を安定化させ、ジュースベースの飲料や焼き菓子の脂肪代替として、食感、口当たり、パルプの安定性を向上させるためにも使用されます。カロリー削減/低カロリーの場合、ペクチンは脂肪および/または砂糖の代替として添加されます。
製薬業界では、血中コレステロール値と胃腸障害を減らすために使用されます。
ペクチンの他の産業用途は、食用フィルムへの応用、水/油エマルション用エマルジョン安定剤としての、レオロジー修飾剤および可塑剤として、紙および繊維等のサイジング剤として含まれる。

ペクチンの供給源

ペクチンはほとんどの植物の細胞壁に見られるが、リンゴポマセとオレンジピールは、そのペクチンが主要な品質であるため、市販のペクチンの2つの主要な供給源である。他のソースは、多くの場合、悪いゲル化動作を示しています。果物では、リンゴや柑橘類のほかに、桃、アプリコット、梨、グアバ、クインス、プラム、グースベリーは、ペクチンの量が多いことで知られています。野菜、トマト、ニンジン、ジャガイモの中でもペクチンの含入りが高い。

トマト

何百万トンものトマト(ライコパシコンエスキュレンタムミル)は、トマトジュース、ペースト、ピューレ、ケチャップ、ソース、サルサなどの製品を生産するために毎年処理され、大量の廃棄物が発生します。トマトのプレス後に得られるトマト廃棄物は、33%の種子、27%の皮、40%のパルプで構成され、乾燥トマトポマセは44%の種子と56%のパルプと皮膚を含んでいます。トマトの廃棄物はペクチンを生産するための素晴らしい源です。

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