Ekstrakcja pektyny ultradźwiękowej z owoców i bioodpadów

• Pektyny są bardzo często stosowanym dodatkiem do żywności, dodawanym głównie ze względu na efekt żelowania.
• Ekstrakcja ultradźwiękowa znacznie zwiększa wydajność i jakość ekstraktów z pektyny.
• Sonizacja znana jest z efektów intensyfikacji procesów, które są już wykorzystywane w wielu procesach przemysłowych.

 

Pektyny i ekstrakcja Pektyny

Pektyna jest naturalnym kompleksem polisacharydów (heteropolisacharydów) występującym w szczególności w ścianach komórkowych owoców, zwłaszcza owoców cytrusowych i wytłoczyn jabłkowych. Wysoka zawartość pektyn występuje w skórkach owoców zarówno jabłek, jak i owoców cytrusowych. Miazga jabłkowa zawiera 10-15% pektyny w przeliczeniu na suchą masę, a skórka cytrusowa 20-30%. Pektyny są biokompatybilne, biodegradowalne i odnawialne oraz wykazują doskonałe właściwości żelujące i zagęszczające, co czyni je cennym dodatkiem. Pektyny są szeroko stosowane w żywności, kosmetykach i produktach farmaceutycznych jako modyfikatory reologiczne, takie jak emulgator, środek żelujący, środek glazurujący, stabilizator i zagęszczacz.
Konwencjonalna ekstrakcja pektyn do zastosowań przemysłowych jest wykonywana w procesach katalitycznych z wykorzystaniem kwasu (kwasu azotowego, solnego lub siarkowego). Ekstrakcja kwasowo-katalizująca jest najczęściej stosowanym procesem w produkcji pektyn przemysłowych, ponieważ inne techniki ekstrakcji, takie jak bezpośrednie gotowanie (60ºC-100ºC) do 24 godzin i niskie pH (1,0-3,0) są powolne i mało wydajne i mogą powodować termiczną degradację wyekstrahowanego włókna, a wydajność pektyn jest czasami ograniczona przez warunki procesu. Jednak kwasowo-katalizująca ekstrakcja również ma swoje wady: Surowa kwaśna kuracja powoduje depolimeryzację i deestryfikację łańcuchów pektynowych, co negatywnie wpływa na jakość pektyn. Produkcja dużych ilości kwaśnych ścieków wymaga przetwarzania wtórnego i kosztownego przetwarzania, co sprawia, że proces ten stanowi obciążenie dla środowiska naturalnego.

Ekstrakcja pektyny ultradźwiękowej

Ekstrakcja ultradźwiękowa to łagodna, nietermiczna obróbka, która jest stosowana w różnorodnych procesach spożywczych. W odniesieniu do ekstrakcji pektyn z owoców i warzyw, sonizacja produkuje pektyny wysokiej jakości. Wyekstrahowane ultradźwiękowo pektyny wyróżniają się zawartością kwasu anhydrouronowego, pektyny metoksylowej i wapniowej oraz stopniem estryfikacji. Łagodne warunki ekstrakcji ultradźwiękowej zapobiegają termicznej degradacji wrażliwych na ciepło pektyn.
Jakość i czystość pektyny może się różnić w zależności od kwasu anhydrogalakturonowego, stopnia estryfikacji, zawartości popiołu w wyekstrahowanej pektynie. Pektyna o wysokiej masie cząsteczkowej i niskiej zawartości popiołu (poniżej 10%) o wysokiej zawartości kwasu anhydroglakturonowego (powyżej 65%) znana jest jako pektyna dobrej jakości. Ponieważ intensywność zabiegu ultradźwiękowego można bardzo precyzyjnie kontrolować, na właściwości ekstraktu pektynowego można wpływać poprzez regulację amplitudy, temperatury ekstrakcji, ciśnienia, czasu retencji i rozpuszczalnika.

Ekstrakcja ultradźwiękowa może być wykonywana przy użyciu różnych metod. rozpuszczalniki takich jak woda, kwas cytrynowy, roztwór kwasu azotowego (HNO₃(pH 2,0) lub szczawianu amonu/kwasu szczawianowego/oksalowego, co umożliwia również integrację sonizacji z istniejącymi liniami ekstrakcyjnymi (doposażenie).

Odpady owocowe jako źródło: Wysokowydajne ultradźwięki zostały już z powodzeniem zastosowane do izolowania pektyn z wytłoków z jabłek, skórki owoców cytrusowych (takich jak pomarańcza, cytryna, grejpfrut), wytłoków z winogron, granatu, wytłoków z buraka cukrowego, skórki owoców smoka, kladodów z gruszek kłujących, skórki owoców męczennicy i skórki z mango.

Wysokowydajne ultradźwiękowe urządzenia ultradźwiękowe

Hielscher Ultrasonics to Twój partner w procesie ekstrakcji z roślin. Czy chcesz wyodrębnić niewielkie ilości do badania i analizy procesowej lub dużych ilościach do produkcji komercyjnej, mamy odpowiedni wyciąg ultradźwiękowy dla ciebie. Nasz laboratoryjne procesory ultradźwiękowe jak również naszych bench-top i ultrasonicators przemysłowe są wytrzymałe, łatwe w obsłudze i zbudowany do pracy 24/7 pod pełnym obciążeniem. Szeroka gama Wyposażenie takie jak sonotrod (czujniki ultradźwiękowe / rogów) o różnych rozmiarach i kształtach, komórkach przepływowych i reaktorów i środki wzmacniające pozwalają na optymalne ustawione tak określonego procesu ekstrakcji.
Wszystkie cyfrowe maszyny ultradźwiękowe są wyposażone w kolorowy wyświetlacz dotykowy, zintegrowaną kartę SD do automatycznego protokołowania danych oraz zdalne sterowanie przez przeglądarkę w celu kompleksowego monitorowania procesu. Dzięki zaawansowanym systemom ultradźwiękowym firmy Hielscher, wysoka standaryzacja procesu i kontrola jakości są proste.
Skontaktuj się z nami w celu omówienia wymagań procesu ekstrakcji! Będziemy zadowoleni, aby pomóc z naszego wieloletniego doświadczenia w ekstrakcji botanicznych!
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Wyniki badań ultradźwiękowej ekstrakcji pektynowej

Odpady pomidorów: W celu uniknięcia długich czasów ekstrakcji (12-24 h) w procedurze refluksowej, do intensyfikacji procesu ekstrakcji zastosowano ultradźwięki (15, 30, 45, 60 i 90 min). W zależności od czasu ekstrakcji uzyskany plon pektyn dla pierwszego etapu ekstrakcji ultradźwiękowej, w temperaturze 60°C i 80°C wynosi odpowiednio 15,2-17,2% i 16,3-18,5%.) Oczywiście, ekstrakcja ultradźwiękowa zwiększa pęknięcie macierzy ściany komórkowej pomidora, prowadząc do lepszych interakcji pomiędzy rozpuszczalnikiem a wyekstrahowanym materiałem.
Wyekstrahowane ultradźwiękowo pektyny można zaklasyfikować do kategorii pektyn o wysokiej zawartości metoksylu (HM-pectin) o właściwościach szybkiego żelowania (DE > Zawartość pektanu wapnia w wyekstrahowanej ultradźwiękowo pektynie mierzono w zakresie od 41,4% do 97,5% w zależności od parametrów ekstrakcji (temperatura i czas). W wyższej temperaturze ekstrakcji ultradźwiękowej zawartość pektatu wapnia jest wyższa (91-97%) i jako taki jest ważnym parametrem zdolności żelowania pektyny w porównaniu z ekstrakcją konwencjonalną.
Konwencjonalna ekstrakcja rozpuszczalnikowa przez okres 24 godzin daje podobne wyniki pektyny w porównaniu z 15 minutami ekstrakcji ultradźwiękowej. W odniesieniu do uzyskanych wyników można stwierdzić, że leczenie ultradźwiękowe znacznie skraca czas ekstrakcji. Spektroskopia NMR i FTIR potwierdza istnienie głównie estryfikowanej pektyny we wszystkich badanych próbkach. [Grassino et al. 2016]

Skórka z owoców pasji: Największa wydajność pektyny otrzymanej metodą ekstrakcji ultradźwiękowej wynosiła 12,67% (warunki ekstrakcji 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 i 10 min). Dla tych samych warunków wykonano konwencjonalny odciąg ciepła, którego wynik wyniósł 7,95%. Wyniki te są zgodne z innymi badaniami, które informują o krótkim czasie skutecznej ekstrakcji polisacharydów, w tym pektyny, 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 są skuteczną i oszczędzającą czas techniką ekstrakcji pektyny ze skórki owoców męczennicy. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Prickly Pear Cladodes: Ultradźwiękowo wspomagana ekstrakcja (UAE) pektyny z kladododów Opuntia ficus indica (OFI) po usunięciu śluzu została podjęta z wykorzystaniem metody powierzchni odpowiedzi. Zmienne procesowe zostały zoptymalizowane przez centralny projekt kompozytu izowariantowego w celu poprawy wydajności ekstrakcji pektyny. Optymalnym osiągniętym warunkiem był: czas sonikowania 70 min, temperatura 70, pH 1,5 oraz stosunek wody do materiału 30 ml/g. Warunek ten został zatwierdzony, a wydajność ekstrakcji doświadczalnej wyniosła 18,14% ± 1,41%, co było ściśle związane z przewidywaną wartością (19,06%). Dzięki wysokiej wydajności, którą osiągnięto w krótszym czasie i przy niższych temperaturach, ekstrakcja ultradźwiękowa stanowi obiecującą alternatywę dla konwencjonalnego procesu ekstrakcji. Pektyna ekstrahowana metodą ekstrakcji ultradźwiękowej z kladodów OFI (UAEPC) charakteryzuje się niskim stopniem estryfikacji, wysoką zawartością kwasu uronowego, ważnymi właściwościami użytkowymi i dobrą aktywnością antyrodnikową. Wyniki te przemawiają za stosowaniem UAEPC jako potencjalnego dodatku w przemyśle spożywczym. [Bayar et al. 2017]

Grape Pomace: W pracy badawczej "Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyn z wytłoków z winogron przy użyciu kwasu cytrynowego: A response surface methodology approach", sonication jest używany do ekstrakcji pektyn z wytłoków z winogron z kwasem cytrynowym jako środkiem ekstrakcyjnym. Zgodnie z metodologią powierzchni reakcji, najwyższy uzysk pektyny (∼32,3%) można uzyskać, gdy proces ekstrakcji ultradźwiękowej jest przeprowadzany w temperaturze 75ºC przez 60 minut przy użyciu roztworu kwasu cytrynowego o pH 2,0. Te polisacharydy pektynowe, składające się głównie z jednostek kwasu galakturonowego (∼97% cukrów ogółem), mają średnią masę cząsteczkową 163,9kDa i stopień estryfikacji (DE) 55,2%.
Morfologia powierzchni sonikowanych wytłoków z winogron pokazuje, że sonizacja odgrywa ważną rolę w rozbijaniu tkanki roślinnej i zwiększaniu plonów z ekstrakcji. Plon uzyskany po ultradźwiękowej ekstrakcji pektyn w optymalnych warunkach (75°C, 60 min, pH 2,0) był o 20% wyższy od plonu uzyskanego przy ekstrakcji w tych samych warunkach temperatury, czasu i pH, ale bez pomocy ultradźwięków. Ponadto pektyny z ekstrakcji ultradźwiękowej wykazywały również wyższą średnią masę cząsteczkową. [Minjares-Fuentes et al. 2014]