Ultraskaņas pektīna ekstrakcija no augļiem un bioatkritumiem

• Pektīni ir ļoti bieži lietota pārtikas piedeva, ko galvenokārt pievieno tās želejas iedarbībai.
• Ultraskaņas ekstrakcija ievērojami palielina pektīna ekstraktu ražu un kvalitāti.
• Ultraskaņas apstrāde ir pazīstama ar savu procesu pastiprinošo iedarbību, ko jau izmanto kolektoru rūpnieciskajos procesos.

Pektīni un pektīna ekstrakcija

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.

Ultraskaņas pektīna ekstrakcija

Ultraskaņas ekstrakcija ir viegla, netermiska apstrāde, kas tiek pielietota daudzveidīgiem pārtikas procesiem. Attiecībā uz pektīnu ektīnu ekstrakciju no augļiem un dārzeņiem ultraskaņas apstrāde rada augstas kvalitātes pektīnu. Ultrasoniski ekstrahēti pektīni izceļas ar anhidrouronskābes, metoksila un kalcija pektāta saturu, kā arī tā esterifikācijas pakāpi. Ultraskaņas ekstrakcijas vieglie apstākļi novērš siltumjutīgo pektīnu termisko degradāciju.
Pektīna kvalitāte un tīrība var atšķirties atkarībā no anhidrogalaktureronskābes, esterifikācijas pakāpes, ekstrahētā pektīna pelnu satura. Pektīns ar augstu molekulmasu un zemu pelnu saturu (zem 10%) ar augstu anhidrogalakturironskābi (virs 65%) ir pazīstams kā labas kvalitātes pektīns. Tā kā ultraskaņas apstrādes intensitāti var ļoti precīzi kontrolēt, pektīna ekstrakta īpašības var ietekmēt, pielāgojot amplitūdu, ekstrakcijas temperatūru, spiedienu, aiztures laiku un šķīdinātāju.

 
Atrodiet protokolu ultraskaņas pektīna ekstrakcijai no greipfrūtu mizas, kas parādīts iepriekš redzamajā videoklipā šeit!
 

Ultraskaņas ekstrakciju var veikt, izmantojot dažādus Šķīdinātājus piemēram, ūdens, citronskābe, slāpekļskābes šķīdums (HNO₃, pH 2,0) vai amonija oksalātu / skābeņskābi, kas ļauj arī integrēt ultraskaņu esošajās ekstrakcijas līnijās (modernizēšana).

Augļu atkritumi kā avots: Augstas veiktspējas ultraskaņa jau ir veiksmīgi piemērota, lai izolētu pektīnus no ābolu izspaidām, citrusaugļu mizām (piemēram, apelsīnu, citronu, greipfrūtu), vīnogu izspaidām, granātāboliem, cukurbiešu mīkstuma, pūķa augļu mizām, indiešu bumbieru kladodijām, pasifloras augļu mizām un mango mizām.

Pektīna nokrišņi pēc ultraskaņas ekstrakcijas

Etanola pievienošana ekstrakta šķīdumam var palīdzēt atdalīt pektīnu procesā, ko sauc par nogulsnēšanu. Pektīns, komplekss polisaharīds, kas atrodams augu šūnu sienās, normālos apstākļos šķīst ūdenī. Tomēr, mainot šķīdinātāja vidi, pievienojot etanolu, pektīna šķīdību var samazināt, izraisot tā nogulsnēšanos no šķīduma.

Pektīna nogulsnēšanas ķīmiju, izmantojot etanolu, var izskaidrot ar trim reakcijām:

• Ūdeņraža saišu pārrāvums: Pektīna molekulas tiek turētas kopā ar ūdeņraža saitēm, kas veicina to šķīdību ūdenī. Etanols izjauc šīs ūdeņraža saites, konkurējot ar ūdens molekulām par saistīšanās vietām uz pektīna molekulām. Tā kā etanola molekulas aizstāj ūdens molekulas ap pektīna molekulām, ūdeņraža saites starp pektīna molekulām vājinās, samazinot to šķīdību šķīdinātājā.
• Samazināta šķīdinātāja polaritāte: Etanols ir mazāk polārs nekā ūdens, kas nozīmē, ka tam ir zemāka spēja izšķīdināt polārās vielas, piemēram, pektīnu. Tā kā ekstrakta šķīdumam pievieno etanolu, šķīdinātāja kopējā polaritāte samazinās, padarot pektīna molekulām mazāk labvēlīgu palikšanu šķīdumā. Tas noved pie pektīna izgulsnēšanās no šķīduma, jo tas kļūst mazāk šķīstošs etanola un ūdens maisījumā.
• Palielināta pektīna koncentrācija: Tā kā pektīna molekulas izgulsnējas no šķīduma, pektīna koncentrācija atlikušajā šķīdumā palielinās. Tas ļauj vieglāk atdalīt pektīnu no šķidrās fāzes, filtrējot vai centrifugējot.

Pektīna nogulsnēšana, izmantojot etanolu, ir vienkārša un efektīva metode, lai izolētu pektīnus no ekstrakta šķīduma, kas ir procesa solis, ko var viegli palaist pēc ultraskaņas pektīna ekstrakcijas. Etanola pievienošana ekstrakta šķīdumam izmaina šķīdinātāja vidi tādā veidā, kas samazina pektīna šķīdību, izraisot tā izgulsnēšanos un sekojošu atdalīšanos no šķīduma. Šo metodi parasti izmanto pektīna ekstrakcijai un attīrīšanai no augu materiāliem dažādiem rūpnieciskiem un pārtikas lietojumiem.
 
 
Interested in the valorization of pomace, peel and pulp? – Read more about polyphenol extraction from fruit waste!

Industrial Sonicators for Pectin Extraction

Hielscher Ultrasonics is your partner for extraction processes from plant material such as pomace, peel and seeds. Whether you want extract small amounts for research and analysis or process large volumes for commercial production, we have the suitable ultrasonic extractor for you. Our ultrasonic lab homogenizers as well as our bench-top and industrial sonicators are robust, easy-to-use and built for 24/7 operation under full load. A broad range of accessories such as sonotrodes (ultrasonic probes / horns) with different sizes and shapes, flow cells and reactors and boosters allow for the optimal setup for you specific extraction process.
Visas digitālās ultraskaņas iekārtas ir aprīkotas ar krāsainu skārienekrānu, integrētu SD karti automātiskai datu protokolēšanai un pārlūka tālvadības pulti visaptverošai procesa uzraudzībai. Ar Hielscher sarežģītajām ultraskaņas sistēmām ir vienkārša augsta procesa standartizācija un kvalitātes kontrole.
Sazinieties ar mums jau šodien, lai apspriestu pektīna ekstrakcijas procesa prasības! Mēs ar prieku palīdzēsim jums ar mūsu ilgtermiņa pieredzi ultraskaņas ekstrakcijā un palīdzēsim sasniegt visaugstāko procesa efektivitāti un optimālu pektīna kvalitāti!

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:

Ultraskaņas pektīna ekstrakcijas pētījumu rezultāti

Tomātu atkritumi: Lai izvairītos no ilgiem ekstrakcijas laikiem (12–24 h) atteces procedūrā, ekstrakcijas procesa pastiprināšanai laika ziņā tika izmantota ultrasonication (15, 30, 45, 60 un 90 min). Atkarībā no ekstrakcijas laikiem iegūtais pektīns dod pirmo ultraskaņas ekstrakcijas soli, 60 ° C un 80 ° C temperatūrā ir attiecīgi 15,2–17,2% un 16,3–18,5%. Kad tika izmantots otrais ultraskaņas ekstrakcijas solis, pektīnu raža no tomātu atkritumiem tika palielināta līdz 34–36% atkarībā no temperatūras un laikiem). Acīmredzot ultraskaņas ekstrakcija palielina tomātu šūnu sienas matricas plīsumu, kas noved pie labākas mijiedarbības starp šķīdinātāju un ekstrahēto materiālu.
Ultrasoniski ekstrahētos pektīnus var klasificēt kā augstus metoksilpektīnus (HM-pektīnu) ar ātrām želejas īpašībām (DE > 70%) un esterifikācijas pakāpe 73,3–85,4%. n. Kalcija pekāta saturs ultrasoniski ekstrahētajā pektīnā tika mērīts no 41,4% līdz 97,5% atkarībā no ekstrakcijas parametriem (temperatūra un laiks). Augstākā ultraskaņas ekstrakcijas temperatūrā kalcija pekāta saturs ir augstāks (91–97%), un tāpēc tas ir svarīgs pektīna recēšanas spējas parametrs salīdzinājumā ar parasto ekstrakciju.
Parastā šķīdinātāja ekstrakcija 24 stundu laikā dod līdzīgu pektīna ražu, salīdzinot ar 15 minūšu ultraskaņas ekstrakcijas apstrādi. Attiecībā uz iegūtajiem rezultātiem var secināt, ka ultraskaņas apstrāde ievērojami samazina ekstrakcijas laiku. KMR un FTIR spektroskopija apstiprina pārsvarā esterificēta pektīna esamību visos pētītajos paraugos. [Grassino et al. 2016]

Pasifloras augļu miza: Ekstrakcijas iznākums, galakturonskābe un esterifikācijas pakāpe tika uzskatīti par ekstrakcijas efektivitātes rādītājiem. visaugstākā pektīna raža, kas iegūta ar ultraskaņu ekstrakcijas palīdzību, bija 12,67% (ekstrakcijas apstākļi 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 un 10 min). Šajos pašos apstākļos tika veikta parastā apkures ieguve, un rezultāts bija 7,95%. Šie rezultāti ir saskaņā ar citiem pētījumiem, kas ziņo par īso laiku efektīvai polisaharīdu, tostarp pektīna, hemicelulozes un citu ūdenī šķīstošu polisaharīdu, ekstrakcijai, ko veicina ultraskaņa. Tika arī novērots, ka ekstrakcijas raža palielinājās 1,6 reizes, kad ekstrakciju palīdzēja ultraskaņa. Iegūtie rezultāti parādīja, ka ultraskaņa bija efektīva un laika taupīšanas metode pektīna ekstrakcijai no pasifloras augļu mizas. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Prickly bumbieru kladodi: Izmantojot reakcijas virsmas metodoloģiju, tika mēģināts veikt pektīna ultraskaņas ekstrakciju (AAE) no Opuntia ficus indica (OFI) kladodiem pēc gļotu noņemšanas. Procesa mainīgie lielumi tika optimizēti ar izovarianta centrālo kompozītmateriālu dizainu, lai uzlabotu pektīna ekstrakcijas ražu. Optimālais iegūtais stāvoklis bija: ultraskaņas apstrādes laiks 70 min, temperatūra 70, pH 1,5 un ūdens un materiāla attiecība 30 ml / g. Šis nosacījums tika apstiprināts, un eksperimentālās ekstrakcijas veiktspēja bija 18,14% ± 1,41%, kas bija cieši saistīta ar prognozēto vērtību (19,06%). Tādējādi ultraskaņas ekstrakcija ir daudzsološa alternatīva parastajam ekstrakcijas procesam, pateicoties tās augstajai efektivitātei, kas tika sasniegta īsākā laikā un zemākā temperatūrā. Pektīnam, kas iegūts ar ultraskaņas ekstrakciju no OFI kladodiem (UAEPC), ir zema esterifikācijas pakāpe, augsts uronskābes saturs, svarīgas funkcionālās īpašības un laba antiradikālā aktivitāte. Šie rezultāti atbalsta UAEPC izmantošanu kā potenciālu piedevu pārtikas rūpniecībā. [Bayar et al. 2017]

Vīnogu izspaidas: 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%.
Sonikēto vīnogu izspaidu virsmas morfoloģija liecina, ka ultraskaņas apstrādei ir svarīga loma augu audu sadalīšanā un ekstrakcijas ražas uzlabošanā. Raža, kas iegūta pēc pektīnu ultraskaņas ekstrakcijas, izmantojot optimālos apstākļus (75 ° C, 60 min, pH 2,0), bija par 20% augstāka nekā raža, kas iegūta, kad ekstrakcija tika veikta, izmantojot tādus pašus temperatūras, laika un pH apstākļus, bet bez ultraskaņas palīdzības. Turklāt ultraskaņas ekstrakcijas pektīni arī uzrādīja augstāku vidējo molekulmasu. [Minjares-Fuentes et al. 2014]