Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyn z owoców i bioodpadów

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

Pektyny i ekstrakcja pektyn

Pektyna jest naturalnym złożonym polisacharydem (heteropolisacharydem), występującym przede wszystkim 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, natomiast skórki owoców cytrusowych zawierają 20–30%. Pektyny są biokompatybilnymi, biodegradowalnymi i odnawialnymi polisacharydami o doskonałych właściwościach żelujących i zagęszczających, co czyni je wysoko cenionymi dodatkami. Są szeroko stosowane w produktach spożywczych, kosmetycznych i farmaceutycznych jako modyfikatory reologii, pełniąc funkcję substancji żelujących, glazurujących, stabilizujących i zagęszczających, a w niektórych formulacjach także emulgatorów. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest wydajną metodą izolowania wysokiej jakości pektyn ze skórek owoców i wytłoków, zwiększającą wydajność przy jednoczesnym skróceniu czasu przetwarzania i obniżeniu całkowitych kosztów.

Konwencjonalną ekstrakcję pektyn do zastosowań przemysłowych prowadzi się w procesach katalizowanych kwasem (z użyciem kwasu azotowego, solnego lub siarkowego). Ekstrakcja katalizowana kwasem jest najczęściej stosowanym procesem w przemysłowej produkcji pektyn, ponieważ inne techniki ekstrakcji, takie jak bezpośrednie gotowanie (60ºC–100ºC) przez okres do 24 godz. i przy niskim pH (1,0–3,0), są powolne, mają niską wydajność i mogą powodować termiczną degradację ekstrahowanego błonnika, a wydajność ekstrakcji pektyn bywa ograniczona warunkami procesu. Jednak ekstrakcja katalizowana kwasem ma również wady: agresywna obróbka kwasowa powoduje depolimeryzację i deestryfikację łańcuchów pektynowych, co negatywnie wpływa na jakość pektyn. Wytwarzanie dużych ilości kwaśnych ścieków wymaga dalszej obróbki i kosztownego przetwarzania w celu recyklingu, co sprawia, że proces stanowi obciążenie dla środowiska.

Ultradźwiękowa ekstrakcja pektyn

Ekstrakcja ultradźwiękowa jest łagodną, nietermiczną metodą obróbki stosowaną w wielu procesach przetwarzania żywności. W przypadku ekstrakcji pektyn z owoców i warzyw sonikacja pozwala uzyskać pektyny wysokiej jakości. Pektyny ekstrahowane ultradźwiękowo wyróżniają się zawartością kwasu anhydrouronowego, grup metoksylowych i pektynianu wapnia, a także stopniem estryfikacji. Łagodne warunki ekstrakcji ultradźwiękowej zapobiegają termicznej degradacji pektyn wrażliwych na wysoką temperaturę.
Jakość i czystość pektyn mogą się różnić w zależności od zawartości kwasu anhydrogalakturonowego, stopnia estryfikacji i zawartości popiołu w ekstrahowanych pektynach. Pektyny o wysokiej masie cząsteczkowej, niskiej zawartości popiołu (poniżej 10%) i wysokiej zawartości kwasu anhydrogalakturonowego (powyżej 65%) są uznawane za pektyny dobrej jakości. Ponieważ intensywność obróbki ultradźwiękowej można bardzo precyzyjnie kontrolować, na właściwości ekstraktu pektynowego można wpływać poprzez regulację amplitudy, temperatury ekstrakcji, ciśnienia, czasu przebywania i dobór rozpuszczalnika.

 

W tym filmie przedstawiamy wysoce wydajną ultradźwiękową ekstrakcję pektyny ze skórki grejpfruta za pomocą sonikatora UP200Ht z sondą. Sonikacja jest wysoce wydajną metodą uzyskiwania dużych ilości wysokiej jakości pektyny z produktów ubocznych przetwórstwa owoców i warzyw. Ekstrakcja ultradźwiękowa pozwala uzyskać większe ilości pektyny o wyższej jakości w krótszym czasie przetwarzania.

 
Tutaj znajdziesz protokół ultradźwiękowej ekstrakcji pektyn ze skórki grejpfruta przedstawiony w powyższym filmie!
 

Ekstrakcję ultradźwiękową można prowadzić z użyciem różnych rozpuszczalników, takich jak woda, kwas cytrynowy, roztwór kwasu azotowego (HNO₃, pH 2,0) lub szczawian amonu/kwas szczawiowy, co umożliwia również włączenie sonikacji do istniejących linii ekstrakcyjnych w ramach ich modernizacji.

Odpady owocowe jako źródło: Ultradźwięki o wysokiej wydajności zostały już z powodzeniem zastosowane do izolowania pektyn z wytłoków jabłkowych, skórek owoców cytrusowych (takich jak pomarańcza, cytryna i grejpfrut), wytłoków winogronowych, granatów, wysłodków buraczanych, skórki pitai, kladodiów opuncji, skórki marakui i skórek mango.

Wytrącanie pektyn po ekstrakcji ultradźwiękowej

Dodanie etanolu do roztworu ekstraktu może pomóc w oddzieleniu pektyn w procesie zwanym wytrącaniem. Pektyna, złożony polisacharyd występujący w ścianach komórkowych roślin, jest w normalnych warunkach rozpuszczalna w wodzie. Jednak zmiana środowiska rozpuszczalnika poprzez dodanie etanolu może zmniejszyć rozpuszczalność pektyn, prowadząc do ich wytrącenia z roztworu.

Chemiczne podstawy wytrącania pektyn za pomocą etanolu można wyjaśnić trzema reakcjami:

• Zrywanie wiązań wodorowych: Cząsteczki pektyn są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe, które przyczyniają się do ich rozpuszczalności w wodzie. Etanol zrywa te wiązania wodorowe, konkurując z cząsteczkami wody o miejsca wiązania na cząsteczkach pektyn. Gdy cząsteczki etanolu zastępują cząsteczki wody wokół cząsteczek pektyn, wiązania wodorowe między cząsteczkami pektyn słabną, zmniejszając ich rozpuszczalność w rozpuszczalniku.
• Zmniejszenie polarności rozpuszczalnika: Etanol jest mniej polarny niż woda, co oznacza, że ma mniejszą zdolność rozpuszczania substancji polarnych, takich jak pektyny. W miarę dodawania etanolu do roztworu ekstraktu ogólna polarność rozpuszczalnika maleje, przez co warunki stają się mniej sprzyjające pozostawaniu cząsteczek pektyn w roztworze. Prowadzi to do wytrącania pektyn z roztworu, ponieważ stają się one mniej rozpuszczalne w mieszaninie etanolu i wody.
• Zwiększenie stężenia pektyn: W miarę wytrącania się cząsteczek pektyn z roztworu stężenie pektyn w pozostałym roztworze wzrasta. Umożliwia to łatwiejsze oddzielenie pektyn od fazy ciekłej poprzez filtrację lub wirowanie.

Wytrącanie pektyn za pomocą etanolu jest prostą i skuteczną metodą izolowania pektyn z roztworu ekstraktu i stanowi etap procesu, który można łatwo przeprowadzić po ultradźwiękowej ekstrakcji pektyn. Dodanie etanolu do roztworu ekstraktu zmienia środowisko rozpuszczalnika w sposób zmniejszający rozpuszczalność pektyn, co prowadzi do ich wytrącenia, a następnie oddzielenia od roztworu. Technika ta jest powszechnie stosowana w ekstrakcji i oczyszczaniu pektyn z materiałów roślinnych do różnych zastosowań przemysłowych i spożywczych.
 
 
Interesuje Cię waloryzacja wytłoków, skórek i miąższu? – Przeczytaj więcej o ekstrakcji polifenoli z odpadów owocowych!

Przemysłowe sonikatory do ekstrakcji pektyn

Hielscher Ultrasonics jest Twoim partnerem w procesach ekstrakcji z materiału roślinnego, takiego jak wytłoki, skórki i nasiona. Niezależnie od tego, czy chcesz ekstrahować niewielkie ilości do badań i analiz, czy przetwarzać duże objętości na potrzeby produkcji komercyjnej, mamy dla Ciebie odpowiedni ekstraktor ultradźwiękowy. Nasze laboratoryjne homogenizatory ultradźwiękowe, a także sonikatory stołowe i przemysłowe, są wytrzymałe, łatwe w obsłudze i przystosowane do pracy 24/7 pod pełnym obciążeniem. Szeroka gama akcesoriów, takich jak sonotrody (sondy ultradźwiękowe / rogi ultradźwiękowe) o różnych rozmiarach i kształtach, komory przepływowe, reaktory oraz wzmacniacze amplitudy, umożliwia optymalną konfigurację dla Twojego konkretnego procesu ekstrakcji.
Wszystkie cyfrowe urządzenia ultradźwiękowe są wyposażone w kolorowy wyświetlacz dotykowy, zintegrowaną kartę SD do automatycznego rejestrowania danych oraz zdalne sterowanie przez przeglądarkę, umożliwiające kompleksowe monitorowanie procesu. Dzięki zaawansowanym systemom ultradźwiękowym Hielscher osiągnięcie wysokiego poziomu standaryzacji procesu i kontroli jakości jest proste.
Skontaktuj się z nami już dziś, aby omówić wymagania Twojego procesu ekstrakcji pektyn! Z przyjemnością wesprzemy Cię naszym wieloletnim doświadczeniem w ekstrakcji ultradźwiękowej i pomożemy osiągnąć najwyższą wydajność procesu oraz optymalną jakość pektyn!

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Wyniki badań nad ultradźwiękową ekstrakcją pektyn

Odpady pomidorowe: Aby uniknąć długiego czasu ekstrakcji (12–24 h) w procedurze prowadzonej pod chłodnicą zwrotną, zastosowano sonikację w celu intensyfikacji procesu ekstrakcji pod względem czasu (15, 30, 45, 60 i 90 min). W zależności od czasu ekstrakcji uzyskane wydajności ekstrakcji pektyn w pierwszym etapie 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 ekstrakcji pektyn z odpadów pomidorowych wzrosła do 34–36%, w zależności od temperatury i czasu). Wyraźnie widać, że ekstrakcja ultradźwiękowa zwiększa stopień rozrywania matrycy ścian komórkowych pomidora, prowadząc do lepszych oddziaływań między rozpuszczalnikiem a ekstrahowanym materiałem.
Pektyny ekstrahowane ultradźwiękowo można zaliczyć do pektyn wysokometoksylowych (pektyny HM) o właściwościach szybkiego żelowania (DE > 70%) i stopniu estryfikacji 73,3–85,4%. n. Zawartość pektynianu wapnia w pektynach ekstrahowanych ultradźwiękowo wynosiła od 41,4% do 97,5%, w zależności od parametrów ekstrakcji (temperatury i czasu). Przy wyższej temperaturze ekstrakcji ultradźwiękowej zawartość pektynianu wapnia jest wyższa (91–97%) i jako taka stanowi istotny parametr zdolności żelowania pektyn w porównaniu z ekstrakcją konwencjonalną.
Konwencjonalna ekstrakcja rozpuszczalnikowa trwająca 24 godz. daje podobne wydajności ekstrakcji pektyn jak 15 min ekstrakcji ultradźwiękowej. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że obróbka ultradźwiękowa znacznie skraca czas ekstrakcji. Spektroskopia NMR i FTIR potwierdza obecność głównie zestryfikowanych pektyn we wszystkich badanych próbkach. [Grassino et al. 2016]

Skórka marakui: Wydajność ekstrakcji, zawartość kwasu galakturonowego i stopień estryfikacji przyjęto jako wskaźniki efektywności ekstrakcji. Najwyższa wydajność ekstrakcji pektyn uzyskana metodą wspomaganą ultradźwiękami wynosiła 12,67% (warunki ekstrakcji: 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 i 10 min). W tych samych warunkach przeprowadzono konwencjonalną ekstrakcję z ogrzewaniem, uzyskując wynik 7,95%. Wyniki te są zgodne z innymi badaniami, w których odnotowano krótki czas potrzebny do skutecznej ekstrakcji polisacharydów, w tym pektyn, hemiceluloz i innych polisacharydów rozpuszczalnych w wodzie, przy wspomaganiu ultradźwiękami. Zaobserwowano również, że wydajność ekstrakcji wzrosła 1,6-krotnie, gdy ekstrakcję wspomagano ultradźwiękami. Uzyskane wyniki wykazały, że ultradźwięki są wydajną techniką ekstrakcji pektyn ze skórki marakui, pozwalającą oszczędzić czas. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Kladodia opuncji: Podjęto próbę ekstrakcji pektyn wspomaganej ultradźwiękami (UAE) z kladodiów Opuntia ficus indica (OFI) po usunięciu śluzu, wykorzystując metodologię powierzchni odpowiedzi. Zmienne procesu zoptymalizowano za pomocą izowariantnego centralnego planu kompozycyjnego w celu zwiększenia wydajności ekstrakcji pektyn. Uzyskane optymalne warunki były następujące: czas sonikacji 70 min, temperatura 70, pH 1,5 i stosunek wody do materiału 30 ml/g. Warunki te zweryfikowano, a wydajność ekstrakcji doświadczalnej wyniosła 18,14% ± 1,41%, co było bliskie przewidywanej wartości (19,06%). Ekstrakcja ultradźwiękowa stanowi zatem obiecującą alternatywę dla konwencjonalnego procesu ekstrakcji dzięki wysokiej wydajności uzyskanej w krótszym czasie i przy niższych temperaturach. Pektyna uzyskana przez ekstrakcję ultradźwiękową z kladodiów OFI (UAEPC) ma niski stopień estryfikacji, wysoką zawartość kwasu uronowego, istotne właściwości funkcjonalne i dobrą aktywność przeciwrodnikową. Wyniki te przemawiają za zastosowaniem UAEPC jako potencjalnego dodatku w przemyśle spożywczym. [Bayar et al. 2017]

Wytłoki winogronowe: W artykule naukowym „Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach” sonikację stosuje się do ekstrakcji pektyn z wytłoków winogronowych z użyciem kwasu cytrynowego jako czynnika ekstrahującego. Zgodnie z metodologią powierzchni odpowiedzi najwyższą wydajność ekstrakcji pektyn (∼32,3%) można osiągnąć, prowadząc proces ekstrakcji ultradźwiękowej w temperaturze 75ºC przez 60 min z użyciem roztworu kwasu cytrynowego o pH 2,0. Te polisacharydy pektynowe, złożone głównie z jednostek kwasu galakturonowego (∼97% wszystkich cukrów), mają średnią masę cząsteczkową 163,9kDa i stopień estryfikacji (DE) 55,2%.
Morfologia powierzchni wytłoków winogronowych poddanych sonikacji wskazuje, że sonikacja odgrywa istotną rolę w rozbijaniu tkanki roślinnej i zwiększaniu wydajności ekstrakcji. Wydajność uzyskana po ultradźwiękowej ekstrakcji pektyn w optymalnych warunkach (75°C, 60 min, pH 2,0) była o 20% wyższa niż wydajność uzyskana podczas ekstrakcji prowadzonej w tych samych warunkach temperatury, czasu i pH, ale bez wspomagania ultradźwiękami. Ponadto pektyny uzyskane w wyniku ekstrakcji ultradźwiękowej wykazywały również wyższą średnią masę cząsteczkową. [Minjares-Fuentes et al. 2014]