Extração de pectina ultra-sônica de frutas e bio-resíduos

• As pectinas são um aditivo alimentar muito utilizado, principalmente devido aos seus efeitos gelificantes.
• A extração ultra-sónica aumenta significativamente o rendimento e a qualidade dos extractos de pectina.
• A sonicação é conhecida pelos seus efeitos de intensificação do processo, que já são utilizados em vários processos industriais.

Pectinas e extração de pectinas

A pectina é um polissacárido complexo natural (heteropolissacárido) que se encontra sobretudo nas paredes celulares dos frutos, especialmente nos citrinos e no bagaço de maçã. As cascas de frutos de maçã e de citrinos contêm elevados teores de pectina. O bagaço de maçã contém 10-15% de pectina numa base de matéria seca, enquanto a casca dos citrinos contém 20-30%. As pectinas são polissacáridos biocompatíveis, biodegradáveis e renováveis com uma excelente funcionalidade gelificante e espessante, o que as torna aditivos muito apreciados. Eles são amplamente utilizados em alimentos, cosméticos e produtos farmacêuticos como modificadores de reologia, funcionando como gelificação, vidros, estabilização e agentes espessantes e, em algumas formulações, como emulsionantes. A extração por ultra-sons é um método eficaz para isolar pectinas de alta qualidade de cascas e bagaços de fruta, aumentando o rendimento e reduzindo 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 ácido-catalítica é o processo mais frequente na produção industrial de pectina, uma vez que as outras técnicas de extração, como a ebulição direta (60ºC-100ºC) até 24 horas e pH baixo (1,0-3,0), são lentas e de baixo rendimento e podem causar a degradação térmica da fibra extraída e o rendimento da pectina é por vezes limitado pelas condições do processo. No entanto, a extração catalisada por ácido também tem as suas desvantagens: O tratamento ácido rigoroso provoca a despolimerização e a desesterificação das cadeias de pectina, o que afecta negativamente a qualidade da pectina. A produção de grandes volumes de efluentes ácidos requer um pós-processamento e um tratamento de reciclagem dispendioso, o que torna o processo um fardo ambiental.

Extração de pectina por ultra-sons

A extração por ultra-sons é um tratamento suave, não térmico, que é aplicado a múltiplos processos alimentares. No que diz respeito à extração de pectinas de frutas e legumes, a sonicação produz pectina de alta qualidade. As pectinas extraídas por ultra-sons distinguem-se pelos seus teores de ácido anidrónico, metoxilo e pectato de cálcio, bem como pelo seu grau de esterificação. As condições suaves da extração ultra-sónica impedem uma 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. A pectina com elevado peso molecular e baixo teor de cinzas (inferior a 10%) com elevado teor de ácido anidrogalacturónico (superior a 65%) é conhecida como pectina de boa qualidade. Uma vez que a intensidade do tratamento ultrassónico pode ser controlada com muita precisão, as propriedades do extrato de pectina podem ser influenciadas pelo ajuste da amplitude, temperatura de extração, pressão, tempo de retenção e solvente.

 

 
Encontre o protocolo para a extração de pectina ultra-sónica da casca de toranja demonstrada no vídeo acima aqui!
 

A extração por ultra-sons pode ser efectuada com vários solventes como água, ácido cítrico, solução de ácido nítrico (HNO₃pH 2,0), ou oxalato de amónio/ácido oxálico, o que torna também possível a integração da sonicação em linhas de extração existentes (retro-instalação).

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

Precipitação de pectina após extração ultra-sónica

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

A química subjacente à precipitação da pectina com etanol pode ser explicada por três reacções:

• Rutura de ligações de hidrogénio: As moléculas de pectina são 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 uma menor capacidade de dissolver substâncias polares como a pectina. À medida que o etanol é adicionado à solução de extrato, a polaridade geral do solvente diminui, tornando-o menos favorável para as moléculas de pectina permanecerem em solução. Isto leva à precipitação da pectina para fora da solução, uma vez que esta se torna menos solúvel na mistura etanol-água.
• Aumento da concentração de pectina: À medida que as moléculas de pectina precipitam para fora da solução, a concentração de pectina na solução restante aumenta. Isto permite uma separação mais fácil da pectina da fase líquida através de filtração ou centrifugação.

A precipitação de pectina usando etanol é um método simples e eficaz para isolar pectinas da solução de extrato, que é um passo de processo que pode ser facilmente executado após a extração de pectina ultra-sónica. A adição de etanol à solução de extrato altera o ambiente solvente de uma forma que reduz a solubilidade da pectina, levando à sua precipitação e subsequente separação da solução. Esta técnica é normalmente utilizada na extração e purificação de pectina a partir de materiais vegetais para várias aplicações industriais e alimentares.
 
 
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O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

Resultados da investigação sobre a extração de pectina por ultra-sons

Resíduos de tomate: Para evitar longos tempos de extração (12-24 h) no procedimento de refluxo, a ultrassonografia foi utilizada para intensificação do processo de extração em termos de tempo (15, 30, 45, 60 e 90 min). Dependendo dos tempos de extração, os rendimentos de pectina obtidos para o primeiro passo de extração ultra-sônica, a temperaturas de 60°C e 80°C são 15,2-17,2% e 16,3-18,5%, respetivamente. quando um segundo passo de extração ultra-sônica foi aplicado, o rendimento de pectinas de resíduos de tomate foi aumentado para 34-36%, dependendo das temperaturas e tempos). Obviamente, a extração ultra-sónica aumenta a rutura da matriz da parede celular do tomate, levando a melhores interações entre o solvente e o material extraído.
As pectinas extraídas por ultra-sons podem ser classificadas como pectinas de alto metoxilo (HM-pectina) 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 ultra-sons foi medido entre 41,4% e 97,5%, dependendo dos parâmetros de extração (temperatura e tempo). A uma temperatura mais elevada de extração ultra-sónica, os teores de pectato de cálcio são mais elevados (91-97%) e, como tal, apresentam um parâmetro importante da capacidade de gelificação da pectina em comparação com a extração convencional.
A extração convencional com solventes durante 24 horas dá rendimentos semelhantes de pectina em comparação com 15 minutos de tratamento de extração por ultra-sons. No que diz respeito aos resultados obtidos, pode concluir-se que o tratamento ultrassónico diminui notavelmente o tempo de extração. A espetroscopia NMR e FTIR confirmam a existência de pectina predominantemente esterificada em todas as amostras investigadas. [Grassino et al. 2016]

Casca de maracujá: O rendimento da extração, o ácido galacturónico e o grau de esterificação foram considerados como indicadores da eficiência da extração. O rendimento mais elevado de pectina obtido por extração assistida por ultra-sons foi de 12,67% (condições de extração 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 e 10 min). Para estas mesmas condições, foi realizada uma extração por aquecimento convencional e o resultado foi de 7,95%. Estes resultados estão de acordo com outros estudos, que relatam o curto tempo para a extração eficaz de polissacáridos, incluindo pectina, hemiceluloses e outros polissacáridos solúveis em água, assistida por ultra-sons. Observou-se também que o rendimento da extração aumentou 1,6 vezes quando a extração foi assistida por ultra-sons. Os resultados obtidos demonstraram que o ultrassom era uma técnica eficiente e que economizava tempo para a extração de pectina da casca do maracujá. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Cladódios de pera espinhosa: Extração assistida por ultrassom (UAE) de pectina de Opuntia ficus indica (OFI) cladodes após a remoção de mucilagem foi tentada usando a metodologia de superfície de resposta. As variáveis do processo foram optimizadas pelo desenho composto central isovariante, a fim de melhorar o rendimento da extração de pectina. A condição óptima obtida foi: tempo de sonicação de 70 min, temperatura de 70, pH 1,5 e a relação água-material de 30 ml/g. Esta condição foi validada e o desempenho da extração experimental foi de 18,14% ± 1,41%, o que estava intimamente ligado ao valor previsto (19,06%). Assim, a extração ultra-sónica apresentar uma alternativa promissora para o processo de extração convencional, graças à sua elevada eficiência, que foi alcançado em menos tempo e a temperaturas mais baixas. A pectina extraída por extração ultra-sónica a partir de cladódios OFI (UAEPC) tem um baixo grau de esterificação, elevado teor de ácido urónico, propriedades funcionais importantes e boa atividade anti-radicalar. Estes resultados são a favor do uso de UAEPC como potencial aditivo na indústria alimentar. [Bayar et al. 2017]

Bagaço de uva: No trabalho de investigação “Extração assistida por ultra-sons de pectinas de bagaço de uva utilizando ácido cítrico: Uma abordagem de metodologia de superfície de resposta”A sonicação é usada para extrair pectinas do bagaço de uva com ácido cítrico como agente de extração. De acordo com a metodologia de superfície de resposta, o maior rendimento de pectina (∼32,3%) pode ser alcançado quando o processo de extração ultra-sônica é realizado a 75ºC por 60 min usando uma solução de ácido cítrico de pH 2,0. Estes polissacarídeos pécticos, compostos principalmente por unidades de ácido galacturónico (∼97% dos açúcares totais), têm um peso molecular médio 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 quebra do tecido vegetal e no aumento dos rendimentos de extração. O rendimento obtido após a extração ultra-sónica de pectinas utilizando as condições óptimas (75°C, 60 min, pH 2,0) foi 20% superior ao rendimento obtido quando a extração foi realizada aplicando as mesmas condições de temperatura, tempo e pH, mas sem assistência ultra-sónica. Além disso, as pectinas da extração ultra-sónica também exibiram um peso molecular médio mais elevado. [Minjares-Fuentes et al. 2014]