Extração ultrassónica de pectina de fruta e biorresíduos

• As pectinas são um aditivo alimentar utilizado com muita frequência, adicionado principalmente pelos seus efeitos gelificantes.
• A extração ultrassónica aumenta significativamente o rendimento e a qualidade dos extratos de pectina.
• A sonicação é conhecida pelos seus efeitos de intensificação de processos, que já são utilizados em numerosos processos industriais.

Pectinas e extração de pectina

A pectina é um polissacárido complexo natural (heteropolissacárido) encontrado particularmente nas paredes celulares dos frutos, sobretudo nos citrinos e no bagaço de maçã. Encontram-se elevados teores de pectina nas cascas tanto das maçãs como dos citrinos. O bagaço de maçã contém 10–15% de pectina em relação à matéria seca, enquanto a casca de citrinos contém 20–30%. As pectinas são polissacáridos biocompatíveis, biodegradáveis e renováveis, com excelentes propriedades gelificantes e espessantes, o que as torna aditivos muito valorizados. São amplamente utilizadas em produtos alimentares, cosméticos e farmacêuticos como modificadores da reologia, funcionando como agentes gelificantes, de revestimento, estabilizantes e espessantes e, em algumas formulações, como emulsionantes. A extração ultrassónica é um método eficiente para isolar pectinas de elevada qualidade a partir de cascas e bagaço de fruta, aumentando o rendimento e reduzindo simultaneamente o tempo de processamento e o custo global.

A extração convencional de pectina para aplicações industriais é realizada através de processos catalisados por ácido (utilizando ácido nítrico, clorídrico ou sulfúrico). A extração catalisada por ácido é o processo mais utilizado na produção industrial de pectina, uma vez que as outras técnicas de extração, como a ebulição direta (60ºC–100ºC) durante até 24hrs e a extração a pH baixo (1,0–3,0), são lentas, apresentam baixo rendimento e podem causar degradação térmica da fibra extraída, sendo o rendimento de pectina por vezes limitado pelas condições do processo. No entanto, a extração catalisada por ácido também tem desvantagens: o tratamento ácido agressivo provoca a despolimerização e a desesterificação das cadeias de pectina, o que afeta negativamente a qualidade da pectina. A produção de grandes volumes de efluente ácido exige pós-processamento e um tratamento de reciclagem dispendioso, o que torna o processo um encargo ambiental.

Extração ultrassónica de pectina

A extração ultrassónica é um tratamento suave, não térmico, aplicado a numerosos processos alimentares. No que respeita à extração de pectinas de frutas e legumes, a sonicação produz pectina de elevada qualidade. As pectinas extraídas por ultrassons destacam-se pelos seus teores de ácido anidrourónico, metoxilo e pectato de cálcio, bem como pelo seu grau de esterificação. As condições suaves da extração ultrassónica evitam a degradação térmica das pectinas sensíveis ao calor.
A qualidade e a pureza da pectina podem variar em função do ácido anidrogalacturónico, do grau de esterificação e do teor de cinzas da pectina extraída. As pectinas com elevada massa molecular, baixo teor de cinzas (inferior a 10%) e elevado teor de ácido anidrogalacturónico (superior a 65%) são consideradas pectinas de boa qualidade. Uma vez que a intensidade do tratamento ultrassónico pode ser controlada com grande precisão, as propriedades do extrato de pectina podem ser influenciadas ajustando a amplitude, a temperatura de extração, a pressão, o tempo de retenção e o solvente.

 

Neste vídeo, apresentamos a extração ultrassónica de pectina da casca de toranja, altamente eficiente, com o sonicador de sonda UP200Ht. A sonicação é um método altamente eficiente para obter rendimentos elevados de pectina de elevada qualidade a partir de subprodutos de frutas e produtos hortícolas. A extração por ultrassons permite obter maiores quantidades de pectina e de qualidade superior num tempo de processamento mais curto.

 
Encontre aqui o protocolo de extração ultrassónica de pectina da casca de toranja demonstrado no vídeo acima!
 

A extração ultrassónica pode ser realizada utilizando vários solventes como água, ácido cítrico, solução de ácido nítrico (HNO₃, pH 2,0) ou oxalato de amónio/ácido oxálico, o que também permite integrar a sonicação em linhas de extração existentes (adaptação de instalações existentes).

Resíduos de fruta como fonte: Os ultrassons de elevado desempenho já foram aplicados com sucesso para isolar pectinas de bagaço de maçã, cascas de citrinos (como laranja, limão e toranja), bagaço de uva, romã, polpa de beterraba-sacarina, casca de pitaia, cladódios de figueira-da-índia, casca de maracujá e cascas de manga.

Precipitação da pectina após a extração ultrassónica

A adição de etanol a uma solução de extrato pode ajudar a separar a pectina através de um processo denominado precipitação. A pectina, um polissacárido complexo encontrado nas paredes celulares das plantas, é solúvel em água em condições normais. No entanto, ao alterar o meio solvente através da adição de etanol, a solubilidade da pectina pode ser reduzida, levando à sua precipitação da solução.

A química subjacente à precipitação da pectina utilizando etanol pode ser explicada por três reações:

• Rutura das ligações de hidrogénio: As moléculas de pectina mantêm-se unidas por ligações de hidrogénio, que contribuem para a sua solubilidade em água. O etanol rompe estas ligações de hidrogénio ao competir com as moléculas de água pelos locais de ligação nas moléculas de pectina. À medida que as moléculas de etanol substituem as moléculas de água em torno das moléculas de pectina, as ligações de hidrogénio entre as moléculas de pectina enfraquecem, reduzindo a sua solubilidade no solvente.
• Diminuição da polaridade do solvente: O etanol é menos polar do que a água, o que significa que tem menor capacidade para dissolver substâncias polares como a pectina. À medida que se adiciona etanol à solução de extrato, a polaridade global do solvente diminui, tornando menos favorável a permanência das moléculas de pectina em solução. Isto leva à precipitação da pectina da solução, uma vez que esta se torna menos solúvel na mistura de etanol e água.
• Aumento da concentração de pectina: À medida que as moléculas de pectina precipitam da solução, a concentração de pectina na solução restante aumenta. Isto permite separar mais facilmente a pectina da fase líquida através de filtração ou centrifugação.

A precipitação da pectina utilizando etanol é um método simples e eficaz para isolar pectinas da solução de extrato, sendo uma etapa do processo que pode ser facilmente realizada após a extração ultrassónica de pectina. A adição de etanol à solução de extrato altera o meio solvente de forma a reduzir a solubilidade da pectina, levando à sua precipitação e subsequente separação da solução. Esta técnica é habitualmente utilizada na extração e purificação de pectina a partir de materiais vegetais para diversas aplicações industriais e alimentares.
 
 
Tem interesse na valorização de bagaço, cascas e polpa? – Leia mais sobre a extração de polifenóis a partir de resíduos de fruta!

Sonicadores industriais para extração de pectina

A Hielscher Ultrasonics é o seu parceiro para processos de extração a partir de material vegetal, como bagaço, cascas e sementes. Quer pretenda extrair pequenas quantidades para investigação e análise, quer processar grandes volumes para produção comercial, temos o extrator ultrassónico adequado para si. Os nossos homogeneizadores ultrassónicos de laboratório, bem como os nossos sonicadores de bancada e industriais, são robustos, fáceis de utilizar e concebidos para funcionamento 24/7 sob carga máxima. Uma vasta gama de acessórios, como sonotrodos (sondas ultrassónicas / cornetas) de diferentes tamanhos e formas, células de fluxo, reatores e amplificadores de amplitude, permite obter a configuração ideal para o seu processo de extração específico.
Todas as máquinas ultrassónicas digitais estão equipadas com um ecrã tátil a cores, um cartão SD integrado para registo automático de dados e controlo remoto através de um navegador para uma monitorização abrangente do processo. Com os sofisticados sistemas ultrassónicos da Hielscher, torna-se simples obter um elevado nível de normalização do processo e de controlo da qualidade.
Contacte-nos hoje para discutir os requisitos do seu processo de extração de pectina! Teremos todo o gosto em apoiá-lo com a nossa experiência de muitos anos em extração ultrassónica e ajudá-lo a alcançar a máxima eficiência do processo e a qualidade ideal da pectina!

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores:

Resultados de investigação sobre a extração ultrassónica de pectina

Resíduos de tomate: Para evitar longos tempos de extração (12–24 h) no procedimento sob refluxo, utilizou-se a sonicação para intensificar o processo de extração em termos de tempo (15, 30, 45, 60 e 90 min). Dependendo dos tempos de extração, os rendimentos de pectina obtidos na primeira etapa de extração ultrassónica, às temperaturas de 60°C e 80°C, são de 15,2–17,2% e 16,3–18,5%, respetivamente. Quando se aplicou uma segunda etapa de extração ultrassónica, o rendimento de pectinas a partir de resíduos de tomate aumentou para 34–36%, dependendo das temperaturas e dos tempos). Evidentemente, a extração ultrassónica aumenta a rutura da matriz da parede celular do tomate, permitindo melhores interações entre o solvente e o material extraído.
As pectinas extraídas por ultrassons podem ser classificadas como pectinas de alto teor de metoxilo (HM-pectin), com propriedades de gelificação rápida (DE > 70%) e um grau de esterificação de 73,3–85,4%. n. O teor de pectato de cálcio na pectina extraída por ultrassons foi medido entre 41,4% e 97,5%, dependendo dos parâmetros de extração (temperatura e tempo). A temperaturas mais elevadas de extração ultrassónica, os teores de pectato de cálcio são superiores (91–97%) e, como tal, constituem um parâmetro importante da capacidade gelificante da pectina em comparação com a extração convencional.
A extração convencional com solvente durante 24hr proporciona rendimentos de pectina semelhantes aos de um tratamento de extração ultrassónica de 15 min. Tendo em conta os resultados obtidos, pode concluir-se que o tratamento ultrassónico reduz consideravelmente o tempo de extração. A espectroscopia de RMN e FTIR confirma a existência de pectina predominantemente esterificada em todas as amostras investigadas. [Grassino et al. 2016]

Casca de maracujá: O rendimento de extração, o ácido galacturónico e o grau de esterificação foram considerados indicadores da eficiência de extração. O maior rendimento de pectina obtido por extração assistida por ultrassons foi de 12,67% (condições de extração: 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 e 10 min). Nas mesmas condições, realizou-se uma extração convencional por aquecimento e o resultado foi de 7,95%. Estes resultados estão de acordo com outros estudos, que relatam o curto tempo necessário para a extração eficaz de polissacáridos, incluindo pectina, hemiceluloses e outros polissacáridos solúveis em água, assistida por ultrassons. Observou-se também que o rendimento de extração aumentou por um fator de 1,6 quando a extração foi assistida por ultrassons. Os resultados obtidos demonstraram que os ultrassons eram uma técnica eficiente, que permitia poupar tempo na extração de pectina da casca de maracujá. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Cladódios de figueira-da-índia: A extração assistida por ultrassons (UAE) de pectina a partir de cladódios de Opuntia ficus indica (OFI), após a remoção da mucilagem, foi ensaiada utilizando a metodologia de superfície de resposta. As variáveis do processo foram otimizadas através de um plano composto central isovariante, a fim de melhorar o rendimento de extração de pectina. A condição ideal obtida foi: tempo de sonicação de 70 min, temperatura de 70, pH 1,5 e relação água/material de 30 ml/g. Esta condição foi validada e o rendimento da extração experimental foi de 18,14% ± 1,41%, muito próximo do valor previsto (19,06%). Assim, a extração ultrassónica constitui uma alternativa promissora ao processo de extração convencional graças à sua elevada eficiência, alcançada em menos tempo e a temperaturas mais baixas. A pectina extraída por extração ultrassónica de cladódios de OFI (UAEPC) apresenta um baixo grau de esterificação, um elevado teor de ácido urónico, propriedades funcionais importantes e boa atividade antirradicalar. Estes resultados favorecem a utilização de UAEPC como potencial aditivo na indústria alimentar. [Bayar et al. 2017]

Bagaço de uva: No artigo científico “Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach”, a sonicação é utilizada para extrair pectinas de bagaço de uva, com ácido cítrico como agente de extração. Segundo a metodologia de superfície de resposta, o maior rendimento de pectina (∼32,3%) pode ser alcançado quando o processo de extração ultrassónica é realizado a 75ºC durante 60 min, utilizando uma solução de ácido cítrico com pH 2,0. Estes polissacáridos pécticos, constituídos principalmente por unidades de ácido galacturónico (∼97% dos açúcares totais), apresentam uma massa molecular média de 163,9kDa e um grau de esterificação (DE) de 55,2%.
A morfologia superficial do bagaço de uva sonicado mostra que a sonicação desempenha um papel importante na desagregação do tecido vegetal e no aumento dos rendimentos de extração. O rendimento obtido após a extração ultrassónica de pectinas utilizando as condições ideais (75°C, 60 min, pH 2,0) foi 20% superior ao rendimento obtido quando a extração foi realizada nas mesmas condições de temperatura, tempo e pH, mas sem assistência ultrassónica. Além disso, as pectinas obtidas por extração ultrassónica também apresentaram uma massa molecular média superior. [Minjares-Fuentes et al. 2014]