Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyny z owoców i bioodpadów

• Pektyny są bardzo często stosowanym dodatkiem do żywności, dodawanym głównie ze względu na swoje właściwości żelujące.
• Ekstrakcja ultradźwiękowa znacznie zwiększa wydajność i jakość ekstraktów pektynowych.
• Sonikacja jest znana ze swoich efektów intensyfikujących proces, które są już wykorzystywane w wielu procesach przemysłowych.

Pektyny i ekstrakcja pektyn

Pektyna jest naturalnym złożonym polisacharydem (heteropolisacharydem) występującym w szczególności w ścianach komórkowych owoców, zwłaszcza owoców cytrusowych i wytłoków jabłkowych. Wysoka zawartość pektyn występuje w skórkach zarówno jabłek, jak i owoców cytrusowych. Wytłoki jabłkowe zawierają 10-15% pektyn w przeliczeniu na suchą masę, podczas gdy skórki owoców cytrusowych zawierają 20-30% pektyn. Pektyny są biokompatybilne, biodegradowalne i odnawialne oraz wykazują doskonałe właściwości żelujące i zagęszczające, co czyni je bardzo cenionym dodatkiem. Pektyny są szeroko stosowane w żywności, kosmetykach i produktach farmaceutycznych jako modyfikatory reologii, takie jak emulgator, środek żelujący, środek glazurujący, stabilizator i zagęszczacz.
Konwencjonalna ekstrakcja pektyn do zastosowań przemysłowych jest przeprowadzana przy użyciu procesów katalizowanych kwasem (przy użyciu kwasu azotowego, chlorowodorowego lub siarkowego). Ekstrakcja katalizowana kwasem jest najczęściej stosowanym procesem w przemysłowej produkcji pektyn, ponieważ inne techniki ekstrakcji, takie jak bezpośrednie gotowanie (60ºC-100ºC) przez maksymalnie 24 godziny i niskie pH (1,0-3,0) są powolne i mają niską wydajność oraz mogą powodować degradację termiczną ekstrahowanego włókna, a wydajność pektyn jest czasami ograniczona warunkami procesu. Jednak ekstrakcja katalizowana kwasem ma również swoje wady: Ostra obróbka kwasowa powoduje depolimeryzację i deestryfikację łańcuchów pektynowych, co negatywnie wpływa na jakość pektyn. Produkcja dużych ilości kwaśnych ścieków wymaga przetwarzania końcowego i kosztownego recyklingu, co sprawia, że proces ten jest obciążeniem dla środowiska.

Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyny

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest łagodną, nietermiczną obróbką, która jest stosowana w wielu procesach spożywczych. W odniesieniu do ekstrakcji pektyn z owoców i warzyw, sonikacja wytwarza pektyny wysokiej jakości. Ekstrahowane ultradźwiękami pektyny wyróżniają się zawartością kwasu anhydrouronowego, metoksylu i pektynianu wapnia, a także stopniem estryfikacji. Łagodne warunki ekstrakcji ultradźwiękowej zapobiegają degradacji termicznej wrażliwych na ciepło pektyn.
Jakość i czystość pektyny może się różnić w zależności od kwasu anhydrogalakturonowego, stopnia estryfikacji, zawartości popiołu w ekstrahowanej pektynie. Pektyna o wysokiej masie cząsteczkowej i niskiej zawartości popiołu (poniżej 10%) o wysokiej zawartości kwasu anhydrogalakturonowego (powyżej 65%) jest znana jako pektyna dobrej jakości. Ponieważ intensywność obróbki ultradźwiękowej może być bardzo precyzyjnie kontrolowana, na właściwości ekstraktu pektyny można wpływać poprzez regulację amplitudy, temperatury ekstrakcji, ciśnienia, czasu retencji i rozpuszczalnika.

 
Protokół ultradźwiękowej ekstrakcji pektyny ze skórki grejpfruta przedstawiony na powyższym filmie można znaleźć tutaj!
 

Ekstrakcja ultradźwiękowa może być prowadzona przy użyciu różnych rozpuszczalniki takich jak woda, kwas cytrynowy, roztwór kwasu azotowego (HNO₃(pH 2,0) lub szczawian amonu/kwas szczawiowy, co umożliwia również zintegrowanie sonikacji z istniejącymi liniami ekstrakcyjnymi (retro-fitting).

Odpady owocowe jako źródło: Wysokowydajne ultradźwięki zostały już z powodzeniem zastosowane do izolacji pektyn z wytłoków jabłkowych, skórek owoców cytrusowych (takich jak pomarańcza, cytryna, grejpfrut), wytłoków winogronowych, granatu, wysłodków buraczanych, skórki smoczego owocu, opuncji figowej, skórki marakui i skórki mango.

Wytrącanie pektyny po ekstrakcji ultradźwiękowej

Dodanie etanolu do roztworu ekstraktu może pomóc w oddzieleniu pektyny w procesie zwanym wytrącaniem. Pektyna, złożony polisacharyd występujący w ścianach komórkowych roślin, jest rozpuszczalna w wodzie w normalnych warunkach. Jednak poprzez zmianę środowiska rozpuszczalnika z dodatkiem etanolu, rozpuszczalność pektyny może zostać zmniejszona, co prowadzi do jej wytrącenia z roztworu.

Chemię wytrącania pektyn przy użyciu etanolu można wyjaśnić trzema reakcjami:

• Przerwanie wiązań wodorowych: Cząsteczki pektyny są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe, które przyczyniają się do ich rozpuszczalności w wodzie. Etanol zakłóca te wiązania wodorowe, konkurując z cząsteczkami wody o miejsca wiązania na cząsteczkach pektyny. Gdy cząsteczki etanolu zastępują cząsteczki wody wokół cząsteczek pektyny, wiązania wodorowe między cząsteczkami pektyny słabną, zmniejszając ich rozpuszczalność w rozpuszczalniku.
• Zmniejszona polarność rozpuszczalnika: Etanol jest mniej polarny niż woda, co oznacza, że ma mniejszą zdolność do rozpuszczania substancji polarnych, takich jak pektyny. W miarę dodawania etanolu do roztworu ekstraktu, ogólna polarność rozpuszczalnika zmniejsza się, co sprawia, że cząsteczki pektyny pozostają w roztworze mniej korzystnie. Prowadzi to do wytrącania pektyny z roztworu, ponieważ staje się ona mniej rozpuszczalna w mieszaninie etanolu i wody.
• Zwiększone stężenie pektyny: Gdy cząsteczki pektyny wytrącają się z roztworu, stężenie pektyny w pozostałym roztworze wzrasta. Pozwala to na łatwiejsze oddzielenie pektyny od fazy ciekłej poprzez filtrację lub wirowanie.

Wytrącanie pektyn za pomocą etanolu jest prostą i skuteczną metodą izolowania pektyn z roztworu ekstraktu, co jest etapem procesu, który można łatwo przeprowadzić po ultradźwiękowej ekstrakcji pektyn. Dodanie etanolu do roztworu ekstraktu zmienia środowisko rozpuszczalnika w sposób, który zmniejsza rozpuszczalność pektyny, prowadząc do jej wytrącenia, a następnie oddzielenia od roztworu. Technika ta jest powszechnie stosowana w ekstrakcji i oczyszczaniu pektyny z materiałów roślinnych do różnych zastosowań przemysłowych i spożywczych.

Ultrasonografy o wysokiej wydajności

Hielscher Ultrasonics jest partnerem w procesach ekstrakcji z roślin. Niezależnie od tego, czy chcesz ekstrahować małe ilości do badań i analiz, czy też przetwarzać duże ilości do produkcji komercyjnej, mamy dla Ciebie odpowiedni ekstraktor ultradźwiękowy. Nasze ultradźwiękowe homogenizatory laboratoryjne, a także nasze sonikatory stołowe i przemysłowe są solidne, łatwe w użyciu i zbudowane do pracy 24/7 pod pełnym obciążeniem. Szeroka gama akcesoriów, takich jak sonotrody (sondy ultradźwiękowe / rogi) o różnych rozmiarach i kształtach, komórki przepływowe oraz reaktory i wzmacniacze pozwalają na optymalną konfigurację dla konkretnego procesu ekstrakcji.
Wszystkie cyfrowe maszyny ultradźwiękowe są wyposażone w kolorowy wyświetlacz dotykowy, zintegrowaną kartę SD do automatycznego protokołowania danych oraz zdalne sterowanie przez przeglądarkę do kompleksowego monitorowania procesu. Dzięki zaawansowanym systemom ultradźwiękowym firmy Hielscher, wysoka standaryzacja procesu i kontrola jakości są proste.
Skontaktuj się z nami już dziś, aby omówić wymagania dotyczące procesu ekstrakcji pektyny! Chętnie pomożemy w naszym wieloletnim doświadczeniu w ekstrakcji ultradźwiękowej i pomożemy osiągnąć najwyższą wydajność procesu i optymalną jakość pektyny!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Wyniki badań ultradźwiękowej ekstrakcji pektyny

Odpady pomidorowe: Aby uniknąć długich czasów ekstrakcji (12-24 h) w procedurze refluksowej, ultradźwięki zastosowano do intensyfikacji procesu ekstrakcji pod względem czasu (15, 30, 45, 60 i 90 min). W zależności od czasu ekstrakcji, uzyskane wydajności pektyn dla pierwszego etapu ekstrakcji ultradźwiękowej, w temperaturach 60 ° C i 80 ° C wynoszą odpowiednio 15,2-17,2% i 16,3-18,5%. gdy zastosowano drugi etap ekstrakcji ultradźwiękowej, wydajność pektyn z odpadów pomidorowych wzrosła do 34-36%, w zależności od temperatury i czasu). Oczywiście ekstrakcja ultradźwiękowa zwiększa pęknięcie matrycy ściany komórkowej pomidora, co prowadzi do lepszych interakcji między rozpuszczalnikiem a ekstrahowanym materiałem.
Wyekstrahowane ultradźwiękowo pektyny można sklasyfikować jako pektyny o wysokiej zawartości metoksylu (HM-pectin) o szybko wiążących właściwościach żelujących (DE > 70%) i stopień estryfikacji 73,3-85,4%. n. Zawartość pektanu wapnia w pektynie ekstrahowanej ultradźwiękowo mierzono w zakresie od 41,4% do 97,5%, w zależności od parametrów ekstrakcji (temperatura i czas). W wyższej temperaturze ekstrakcji ultradźwiękowej zawartość pektanu wapnia jest wyższa (91-97%) i jako taka stanowi ważny parametr zdolności żelowania pektyny w porównaniu z konwencjonalną ekstrakcją.
Konwencjonalna ekstrakcja rozpuszczalnikiem przez 24 godziny daje podobną wydajność pektyny w porównaniu z 15-minutową ekstrakcją ultradźwiękową. W odniesieniu do uzyskanych wyników można stwierdzić, że obróbka ultradźwiękowa znacznie skraca czas ekstrakcji. Spektroskopia NMR i FTIR potwierdzają istnienie głównie zestryfikowanej pektyny we wszystkich badanych próbkach. [Grassino et al. 2016].

Skórka z marakui: Wydajność ekstrakcji, kwas galakturonowy i stopień estryfikacji uznano za wskaźniki wydajności ekstrakcji. Najwyższa wydajność pektyny uzyskana przez ekstrakcję wspomaganą ultradźwiękami wynosiła 12,67% (warunki ekstrakcji 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 i 10 min). Dla tych samych warunków przeprowadzono konwencjonalną ekstrakcję grzewczą, a wynik wyniósł 7,95%. Wyniki te są zgodne z innymi badaniami, które donoszą o krótkim czasie skutecznej ekstrakcji polisacharydów, w tym pektyn, hemiceluloz i innych rozpuszczalnych w wodzie polisacharydów, wspomaganych ultradźwiękami. Zaobserwowano również, że wydajność ekstrakcji wzrosła 1,6-krotnie, gdy ekstrakcja była wspomagana ultradźwiękami. Uzyskane wyniki wykazały, że ultradźwięki były skuteczną i oszczędzającą czas techniką ekstrakcji pektyny ze skórki owoców męczennicy. [Freitas de Oliveira et al. 2016].

Kladody opuncji figowej: Ekstrakcję wspomaganą ultradźwiękami (UAE) pektyny z kladodów Opuntia ficus indica (OFI) po usunięciu śluzu próbowano przeprowadzić przy użyciu metodologii powierzchni odpowiedzi. Zmienne procesowe zoptymalizowano za pomocą izowariantowego centralnego projektu złożonego w celu poprawy wydajności ekstrakcji pektyny. Uzyskano optymalne warunki: czas sonikacji 70 min, temperatura 70, pH 1,5 i stosunek woda-materiał 30 ml/g. Warunek ten został zatwierdzony, a wydajność ekstrakcji eksperymentalnej wyniosła 18,14% ± 1,41%, co było ściśle związane z przewidywaną wartością (19,06%). Tak więc ekstrakcja ultradźwiękowa stanowi obiecującą alternatywę dla konwencjonalnego procesu ekstrakcji dzięki wysokiej wydajności, którą osiągnięto w krótszym czasie i przy niższych temperaturach. Pektyna ekstrahowana ekstrakcją ultradźwiękową z kladod OFI (UAEPC) ma niski stopień estryfikacji, wysoką zawartość kwasu uronowego, ważne właściwości funkcjonalne i dobrą aktywność przeciwrodnikową. Wyniki te przemawiają za wykorzystaniem UAEPC jako potencjalnego dodatku w przemyśle spożywczym. [Bayar et al. 2017].

Wytłoki z winogron: W artykule badawczym "Wspomagana ultradźwiękami ekstrakcja pektyn z wytłoków winogronowych przy użyciu kwasu cytrynowego: A response surface methodology approach", sonikacja jest stosowana do ekstrakcji pektyn z wytłoków winogronowych z kwasem cytrynowym jako środkiem ekstrahującym. Zgodnie z metodologią powierzchni odpowiedzi, najwyższą wydajność pektyn (∼32,3%) można osiągnąć, gdy proces ekstrakcji ultradźwiękowej przeprowadza się w temperaturze 75ºC przez 60 minut przy użyciu roztworu kwasu cytrynowego o pH 2,0. Te pektynowe polisacharydy, składające się głównie z jednostek kwasu galakturonowego (∼97% cukrów ogółem), mają średnią masę cząsteczkową 163,9 kDa i stopień estryfikacji (DE) 55,2%.
Morfologia powierzchni sonikowanych wytłoków winogronowych pokazuje, że sonikacja odgrywa ważną rolę w rozbijaniu tkanki roślinnej i zwiększaniu wydajności ekstrakcji. Wydajność uzyskana po ultradźwiękowej ekstrakcji pektyn przy zastosowaniu optymalnych warunków (75°C, 60 min, pH 2,0) była o 20% wyższa niż wydajność uzyskana, gdy ekstrakcja została przeprowadzona przy zastosowaniu tych samych warunków temperatury, czasu i pH, ale bez wspomagania ultradźwiękowego. Ponadto pektyny z ekstrakcji ultradźwiękowej wykazywały również wyższą średnią masę cząsteczkową. [Minjares-Fuentes et al. 2014].