과일 및 바이오 폐기물에서 초음파 펙틴 추출

• 펙틴은 매우 자주 사용되는 식품 첨가물이며 주로 겔화 효과를 위해 첨가됩니다.
• 초음파 추출은 펙틴 추출물의 수율과 품질을 크게 향상시킵니다.
• 초음파 처리는 이미 다양한 산업 공정에서 사용되는 공정 강화 효과로 알려져 있습니다.

펙틴과 펙틴 추출

펙틴은 특히 과일의 세포벽, 그 중에서도 감귤류와 사과 찌꺼기에서 발견되는 천연 복합 다당류(이종 다당류)입니다. 사과와 감귤류 과일의 껍질에는 펙틴 함량이 높습니다. 사과 찌꺼기는 건조 물질 기준 10~15%의 펙틴을 함유하고 있는 반면, 감귤류 껍질에는 20~30%가 함유되어 있습니다. 펙틴은 생체 적합성이 뛰어나고 생분해되며 재생 가능한 다당류로, 탁월한 겔화 및 증점 기능을 갖추고 있어 매우 가치 있는 첨가제로 평가받고 있습니다. 펙틴은 유변학 조절제로서 식품, 화장품 및 의약품에 널리 사용되며, 겔화제, 광택제, 안정제 및 증점제로 기능하고, 일부 제형에서는 유화제로도 사용됩니다. 초음파 추출은 과일 껍질과 과즙 찌꺼기에서 고품질 펙틴을 분리하는 효율적인 방법으로, 수율을 높이는 동시에 가공 시간과 전체 비용을 절감해 줍니다.

산업용 펙틴 추출은 일반적으로 산 촉매 공정(질산, 염산 또는 황산 사용)을 통해 이루어집니다. 산 촉매 추출은 산업용 펙틴 생산에서 가장 널리 사용되는 공정입니다. 이는 직접 가열 (60ºC-100ºC)에서 최대 24시간 동안 진행하거나 낮은 pH(1.0-3.0)를 사용하는 등의 다른 추출 기술은 속도가 느리고 수율이 낮을 뿐만 아니라, 추출된 섬유의 열적 분해를 유발할 수 있으며, 때로는 공정 조건에 의해 펙틴 수율이 제한되기도 하기 때문이다. 그러나 산 촉매 추출법에도 단점이 있다. 강한 산 처리는 펙틴 사슬의 중합 해체와 탈에스테르화를 유발하여 펙틴 품질에 부정적인 영향을 미친다. 또한 대량의 산성 폐수가 발생하므로 후처리 및 고비용의 재활용 처리가 필요하며, 이로 인해 이 공정은 환경적 부담을 초래한다.

초음파 펙틴 추출

초음파 추출은 온화한 비열 처리로 다양한 식품 공정에 적용됩니다. 과일과 채소에서 펙틴 추출과 관련하여, 초음파 처리는 고품질의 펙틴을 생산합니다. 초음파로 추출된 펙틴은 무수우론산, 메톡실, 펙테이트 칼슘 함량뿐만 아니라 에스테르화 정도가 뛰어납니다. 초음파 추출의 온화한 조건은 열에 민감한 펙틴의 열 분해를 방지합니다.
펙틴의 품질과 순도는 항수갈락투론산, 에스테르화 정도, 추출된 펙틴의 회분 함량에 따라 달라질 수 있습니다. 분자량이 높고 회분 함량이 낮고(10% 미만), 항수갈락투론산(65% 이상) 함량이 높은 펙틴은 양질의 펙틴으로 알려져 있습니다. 초음파 처리의 강도를 매우 정밀하게 제어 할 수 있기 때문에 펙틴 추출물의 특성은 진폭, 추출 온도, 압력, 머무름 시간 및 용매를 조정하여 영향을받을 수 있습니다.

 

이 동영상에서는 프로브 식 초음파 발생기 UP200Ht를 사용하여 자몽 껍질에서 펙틴을 고효율로 추출하는 방법을 소개합니다. 초음파 처리는 과일 및 채소 부산물로부터 고품질 펙틴 수율을 생산하는 매우 효율적인 방법입니다. 초음파 추출은 더 짧은 처리 시간 내에 더 많은 양의 펙틴과 우수한 품질을 제공합니다.

 
위 비디오에서 보여준 자몽 껍질에서 초음파 펙틴 추출을 위한 프로토콜을 찾으십시오!
 

초음파 추출은 다양한 것을 사용하여 실행할 수 있습니다. 용 매 물, 구연산, 질산 용액(HNO₃, pH 2.0) 또는 암모늄 옥살레이트 / 옥살산을 사용하여 기존 추출 라인 (retro-fitting)에 초음파 처리를 통합 할 수도 있습니다.

과일 폐기물을 공급원으로 : 고성능 초음파는 이미 사과 찌꺼기, 감귤류 과일 껍질(예: 오렌지, 레몬, 자몽), 포도 찌꺼기, 석류, 사탕무 펄프, 용과 껍질, 가시배나무 껍질, 패션 프루트 껍질 및 망고 껍질에서 펙틴을 분리하는 데 성공적으로 적용되었습니다.

초음파 추출 후 펙틴 침전

추출물 용액에 에탄올을 첨가하면 침전이라는 과정을 통해 펙틴을 분리하는 데 도움이 될 수 있습니다. 식물의 세포벽에서 발견되는 복합 다당류인 펙틴은 정상적인 조건에서 물에 용해됩니다. 그러나 에탄올을 첨가하여 용매 환경을 변경함으로써 펙틴의 용해도가 감소하여 용액에서 침전될 수 있습니다.

에탄올을 사용한 펙틴 침전의 화학적 성질은 세 가지 반응으로 설명할 수 있습니다.

• 수소 결합의 파괴: 펙틴 분자는 수소 결합으로 결합되어 물에 대한 용해도에 기여합니다. 에탄올은 펙틴 분자의 결합 부위를 놓고 물 분자와 경쟁하여 이러한 수소 결합을 방해합니다. 에탄올 분자가 펙틴 분자 주변의 물 분자를 대체함에 따라 펙틴 분자 사이의 수소 결합이 약해져 용매에 대한 용해도가 감소합니다.
• 용매 극성 감소: 에탄올은 물보다 극성이 낮기 때문에 펙틴과 같은 극성 물질을 용해하는 능력이 낮습니다. 추출물 용액에 에탄올을 첨가하면 용매의 전체 극성이 감소하여 펙틴 분자가 용액에 남아 있는 것이 덜 유리해집니다. 이것은 에탄올-물 혼합물에 덜 용해됨에 따라 용액에서 펙틴이 침전됩니다.
• 펙틴 농도 증가: 펙틴 분자가 용액 밖으로 침전됨에 따라 나머지 용액의 펙틴 농도가 증가합니다. 이를 통해 여과 또는 원심분리를 통해 액상에서 펙틴을 더 쉽게 분리할 수 있습니다.

에탄올을 사용하여 펙틴을 침전시키는 것은 추출물 용액에서 펙틴을 분리하는 간단하고 효과적인 방법이며, 이는 초음파 펙틴 추출 후 쉽게 실행할 수 있는 공정 단계입니다. 추출물 용액에 에탄올을 첨가하면 펙틴의 용해도를 감소시키는 방식으로 용매 환경이 변경되어 펙틴이 침전되고 이후에 용액에서 분리됩니다. 이 기술은 다양한 산업 및 식품 응용 분야를 위해 식물 재료에서 펙틴을 추출하고 정제하는 데 일반적으로 사용됩니다.
 
 
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펙틴 추출용 산업용 초음파 처리기

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아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.

초음파 펙틴 추출의 연구 결과

토마토 폐기물: 환류 절차에서 긴 추출 시간 (12-24 시간)을 피하기 위해 초음파는 시간 (15, 30, 45, 60 및 90 분) 측면에서 추출 과정의 강화를 위해 사용되었습니다. 추출 시간에 따라 60°C 및 80°C의 온도에서 첫 번째 초음파 추출 단계에서 얻은 펙틴 수율은 각각 15.2–17.2% 및 16.3–18.5%입니다. 두 번째 초음파 추출 단계가 적용되었을 때, 토마토 폐기물에서 펙틴의 수율은 온도와 시간에 따라 34-36 %로 증가했습니다. 분명히, 초음파 추출은 토마토 세포벽 매트릭스의 파열을 증가시켜 용매와 추출 된 물질 사이의 더 나은 상호 작용으로 이어집니다.
초음파로 추출된 펙틴은 빠르게 설정된 겔화 특성(DE)을 가진 높은 메톡실 펙틴(HM-pectin)으로 분류할 수 있습니다. > 70%) 및 73.3-85.4%의 에스테르화 정도. n. 초음파로 추출된 펙틴의 칼슘 펙테이트 함량은 추출 매개변수(온도 및 시간)에 따라 41.4%에서 97.5% 사이로 측정되었습니다. 초음파 추출의 더 높은 온도에서, 칼슘 펙테이트 함량은 더 높으며 (91-97 %) 기존 추출에 비해 펙틴 겔화 능력의 중요한 매개 변수를 제시합니다.
24시간 동안 기존의 용매 추출은 15분의 초음파 추출 처리와 비교하여 유사한 펙틴 수율을 제공합니다. 얻어진 결과와 관련하여 초음파 처리가 추출 시간을 현저히 단축시킨다는 결론을 내릴 수 있습니다. NMR 및 FTIR 분광법은 조사된 모든 샘플에서 주로 에스테르화된 펙틴의 존재를 확인합니다. [그라시노 외. 2016]

패션프루트 껍질: 추출 수율, 갈락투론산 및 에스테르화 정도는 추출 효율의 지표로 고려되었습니다. 초음파 보조 추출에 의해 얻어진 펙틴의 최고 수율은 12.67%였다(추출 조건 85ºC, 664 W/cm2, pH 2.0 및 10분). 이와 동일한 조건에 대해 기존의 가열 추출을 수행한 결과 결과는 7.95%였습니다. 이러한 결과는 초음파의 도움을 받아 펙틴, 헤미셀룰로오스 및 기타 수용성 다당류를 포함한 다당류를 효과적으로 추출하는 데 짧은 시간이 걸린다고 보고한 다른 연구에 따른 것입니다. 또한 초음파로 추출을 보조했을 때 추출 수율이 1.6배 증가한 것으로 관찰되었습니다. 얻은 결과는 초음파가 패션 과일 껍질에서 펙틴을 추출하는 효율적이고 시간을 절약하는 기술임을 입증했습니다. [프레이타스 드 올리베이라 외, 2016]

가시 배 Cladodes : 점액 제거 후 Opuntia ficus indica (OFI) cladodes에서 펙틴의 초음파 보조 추출 (UAE)은 반응 표면 방법론을 사용하여 시도되었습니다. 공정 변수는 펙틴 추출 수율을 개선하기 위해 isovariant central composite design에 의해 최적화되었습니다. 얻어진 최적의 조건은 초음파 처리 시간 70 분, 온도 70, pH 1.5 및 물-재료 비율 30 ml / g이었습니다. 이 조건을 검증한 결과, 실험적 추출의 성능은 18.14% ± 1.41%로 예측치(19.06%)와 밀접한 관련이 있었다. 따라서, 초음파 추출은 더 적은 시간과 더 낮은 온도에서 달성 된 높은 효율 덕분에 기존 추출 공정에 대한 유망한 대안을 제시합니다. OFI cladodes (UAEPC)에서 초음파 추출로 추출한 펙틴은 에스테르 화도가 낮고 우론산 함량이 높으며 중요한 기능적 특성 및 우수한 항 라디칼 활성을 가지고 있습니다. 이러한 결과는 식품 산업에서 UAEPC를 잠재적 첨가제로 사용하는 데 유리합니다. [Bayar 외. 2017]

포도 찌꺼기: 이 연구 논문에서 “구연산을 이용한 포도 찌꺼기에서 초음파 보조 펙틴 추출: 응답 표면법 접근법”, 초음파 처리를 통해 구연산을 추출제로 사용하여 포도 찌꺼기에서 펙틴을 추출한다. 응답 표면 기법에 따르면, pH 2.0의 구연산 용액을 사용하여 75ºC에서 60분 동안 초음파 추출 공정을 수행할 때 가장 높은 펙틴 수율(∼32.3%)을 얻을 수 있습니다. 주로 갈락투론산 단위(총 당류의 약 97%)로 구성된 이러한 펙틴 다당류는 평균 분자량이 163.9kDa이고 에스테르화도(DE)는 55.2%입니다.
초음파 처리 된 포도 찌꺼기의 표면 형태는 초음파 처리가 식물 조직을 분해하고 추출 수율을 향상시키는 데 중요한 역할을한다는 것을 보여줍니다. 최적 조건(75°C, 60분, pH 2.0)을 사용하여 펙틴을 초음파로 추출한 후 얻은 수율은 온도, 시간 및 pH의 동일한 조건을 적용하여 추출을 수행했지만 초음파의 도움 없이 수행했을 때 얻은 수율보다 20% 높았습니다. 또한 초음파 추출의 펙틴은 평균 분자량이 더 높았습니다. [Minjares-Fuentes 외. 2014]