Extracția cu ultrasunete pectină din fructe și bio-deșeuri

• Pectinele sunt un aditiv alimentar foarte frecvent utilizat, adăugat în principal pentru efectele sale de gelifiere.
• Extracția cu ultrasunete crește semnificativ randamentul și calitatea extractelor de pectină.
• Sonicare este cunoscut pentru efectele sale de intensificare a procesului, care sunt deja utilizate în procese industriale multiple.

Pectine și extracția pectinei

Pectin is a natural complex polysaccharide (heteropolysaccharide) found in particular in the cell walls of fruits, especially in citrus fruits and apple pomace. High pectin contents are found in the fruit peels of both apple and citrus fruits. Apple pomace contains 10-15% of pectin on a dry matter basis while citrus peel contains 20-30%. Pectins are biocompatible, biodegradable, and renewable polysaccharides with excellent gelling and thickening functionality, making them highly valued additives. They are widely used in food, cosmetic, and pharmaceutical products as rheology modifiers, functioning as gelling, glazing, stabilizing, and thickening agents and, in some formulations, as emulsifiers. Ultrasonic extraction is an efficient method to isolate high-quality pectins from fruit peels and pomace, increasing yield while reducing processing time and overall cost.

Extracție cu ultrasunete pectină

Extracția cu ultrasunete este un tratament ușor, non-termic, care se aplică proceselor alimentare multiple. În ceea ce privește extracția pectinelor din fructe și legume, sonicare produce pectină de înaltă calitate. Pectinele extrase ultrasonically excelează prin conținutul lor de acid anhidrouronic, metoxil și pectat de calciu, precum și gradul său de esterificare. Condițiile ușoare ale extracției cu ultrasunete împiedică o degradare termică a pectinelor sensibile la căldură.
Calitatea și puritatea pectinei pot varia în funcție de acidul anhidrogalacturonic, gradul de esterificare, conținutul de cenușă al pectinei extrase. Pectina cu greutate moleculară mare și conținut scăzut de cenușă (sub 10%) cu acid anhidrogalacturonic ridicat (peste 65%) este cunoscută sub numele de pectină de bună calitate. Deoarece intensitatea tratamentului cu ultrasunete poate fi controlată foarte precis, proprietățile extractului de pectină pot fi influențate prin ajustarea amplitudinii, temperaturii de extracție, presiunii, timpului de retenție și solventului.

 
Găsiți protocolul pentru extracția pectinei cu ultrasunete din coaja de grapefruit demonstrată în videoclipul de mai sus aici!
 

Extracția cu ultrasunete poate fi rulat folosind diverse Solvenţi cum ar fi apa, acidul citric, soluția de acid azotic (HNO₃, pH 2.0), sau oxalat de amoniu / acid oxalic, ceea ce face posibilă, de asemenea, integrarea sonicare în liniile de extracție existente (retro-fitting).

Deșeuri de fructe ca sursă: Ultrasunetele de înaltă performanță au fost deja aplicate cu succes pentru a izola pectinele din tescovină de mere, coji de citrice (cum ar fi portocale, lămâie, grapefruit), tescovină de struguri, rodie, pulpă de sfeclă de zahăr, coajă de fructe dragon, cladode de pere, coaja de fructe de pasiune și coji de mango.

Precipitarea pectinei după extracția cu ultrasunete

Adăugarea etanolului la o soluție de extract poate ajuta la separarea pectinei printr-un proces numit precipitare. Pectina, o polizaharidă complexă găsită în pereții celulari ai plantelor, este solubilă în apă în condiții normale. Cu toate acestea, prin modificarea mediului solventului prin adăugarea de etanol, solubilitatea pectinei poate fi redusă, ducând la precipitarea acesteia din soluție.

Chimia din spatele precipitării pectinei folosind etanol poate fi explicată prin trei reacții:

• Întreruperea legăturilor de hidrogen: Moleculele de pectină sunt ținute împreună prin legături de hidrogen, care contribuie la solubilitatea lor în apă. Etanolul perturbă aceste legături de hidrogen prin concurența cu moleculele de apă pentru locurile de legare pe moleculele de pectină. Pe măsură ce moleculele de etanol înlocuiesc moleculele de apă din jurul moleculelor de pectină, legăturile de hidrogen dintre moleculele de pectină slăbesc, reducând solubilitatea lor în solvent.
• Scăderea polarității solventului: Etanolul este mai puțin polar decât apa, ceea ce înseamnă că are o capacitate mai mică de a dizolva substanțe polare, cum ar fi pectina. Pe măsură ce se adaugă etanol la soluția de extract, polaritatea generală a solventului scade, ceea ce face mai puțin favorabil ca moleculele de pectină să rămână în soluție. Aceasta duce la precipitarea pectinei din soluție, deoarece devine mai puțin solubilă în amestecul etanol-apă.
• Creșterea concentrației de pectină: Pe măsură ce moleculele de pectină precipită din soluție, concentrația de pectină din soluția rămasă crește. Acest lucru permite separarea mai ușoară a pectinei din faza lichidă prin filtrare sau centrifugare.

Precipitarea pectinei folosind etanol este o metodă simplă și eficientă de izolare a pectinelor din soluția de extract, care este o etapă de proces care poate fi ușor rulată după extracția cu ultrasunete a pectinei. Adăugarea etanolului la soluția extractivă modifică mediul solventului într-un mod care reduce solubilitatea pectinei, ducând la precipitarea acesteia și separarea ulterioară de soluție. Această tehnică este frecvent utilizată în extracția și purificarea pectinei din materialele vegetale pentru diverse aplicații industriale și alimentare.
 
 
Interested in the valorization of pomace, peel and pulp? – Read more about polyphenol extraction from fruit waste!

Industrial Sonicators for Pectin Extraction

Hielscher Ultrasonics is your partner for extraction processes from plant material such as pomace, peel and seeds. Whether you want extract small amounts for research and analysis or process large volumes for commercial production, we have the suitable ultrasonic extractor for you. Our ultrasonic lab homogenizers as well as our bench-top and industrial sonicators are robust, easy-to-use and built for 24/7 operation under full load. A broad range of accessories such as sonotrodes (ultrasonic probes / horns) with different sizes and shapes, flow cells and reactors and boosters allow for the optimal setup for you specific extraction process.
Toate mașinile digitale cu ultrasunete sunt echipate cu un afișaj tactil colorat, card SD integrat pentru protocolarea automată a datelor și telecomanda browserului pentru monitorizarea completă a procesului. Cu sistemele sofisticate cu ultrasunete Hielscher, o standardizare ridicată a procesului și controlul calității se face simplu.
Contactați-ne astăzi pentru a discuta cerințele procesului de extracție a pectinei! Vom fi bucuroși să vă ajutăm cu experiența noastră pe termen lung în extracția cu ultrasunete și să vă ajutăm să obțineți cea mai mare eficiență a procesului și calitatea optimă a pectinei!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Rezultatele cercetării extracției cu ultrasunete pectină

Deșeuri de tomate: Pentru a evita timpii lungi de extracție (12-24 h) în procedura de reflux, ultrasonication a fost utilizat pentru intensificarea procesului de extracție în termeni de timp (15, 30, 45, 60 și 90 min). În funcție de timpii de extracție, randamentele pectinei obținute pentru prima etapă de extracție cu ultrasunete, la temperaturi de 60 ° C și 80 ° C sunt 15,2-17,2% și 16,3-18,5%, respectiv. Când a fost aplicată oa doua etapă de extracție cu ultrasunete, randamentul pectinelor din deșeurile de roșii a crescut la 34-36%, în funcție de temperaturi și timpi). Evident, extracția cu ultrasunete crește ruptura matricei peretelui celular de tomate, ceea ce duce la interacțiuni mai bune între solvent și materialul extras.
Pectinele extrase ultrasonically pot fi clasificate ca pectine metoxil ridicate (HM-pectină) cu proprietăți rapide de gelifiere set (DE > 70%) și un grad de esterificare de 73,3-85,4%. n. Conținutul de pectate de calciu în pectina extrasă ultrasonically a fost măsurată între 41.4% pentru a 97.5%, în funcție de parametrii de extracție (temperatura și timpul). La temperaturi mai ridicate de extracție cu ultrasunete, conținutul de pectat de calciu sunt mai mari (91-97%) și, ca atare, prezintă un parametru important al capacității de gelifiere a pectinei, comparativ cu extracția convențională.
Extracția convențională cu solvent pentru o durată de 24 de ore oferă randamente similare de pectină în comparație cu 15 min de tratament de extracție cu ultrasunete. În ceea ce privește rezultatele obținute, se poate concluziona că tratamentul cu ultrasunete scade remarcabil timpul de extracție. Spectroscopia RMN și FTIR confirmă existența pectinei predominant esterificate în toate probele investigate. [Grassino și colab. 2016]

Coji de fructe de pasiune: Randamentul extracției, acidul galacturonic și gradul de esterificare au fost considerate indicatori ai eficienței extracției. cel mai mare randament de pectină obținut prin extracție asistată cu ultrasunete a fost de 12,67% (condiții de extracție 85 ° C, 664 W / cm2, pH 2,0 și 10 min). Pentru aceleași condiții, a fost efectuată o extracție convențională de încălzire, iar rezultatul a fost de 7,95%. Aceste rezultate sunt în concordanță cu alte studii, care raportează timpul scurt pentru extracția eficientă a polizaharidelor, inclusiv pectină, hemiceluloză și alte polizaharide solubile în apă, asistate de ultrasunete. De asemenea, s-a observat că randamentul de extracție a crescut de 1,6 ori atunci când extracția a fost asistată de ultrasunete. Rezultatele obținute au demonstrat că ultrasunetele au fost o tehnică eficientă și de economisire a timpului pentru extragerea pectinei din coaja fructului pasiunii. [Freitas de Oliveira și colab. 2016]

Cladodele de pere înțepătoare: Extracția asistată cu ultrasunete (EAU) de pectină din Opuntia ficus indica (OFI) cladodes după îndepărtarea mucilagiilor a fost încercată folosind metodologia suprafeței de răspuns. Variabilele procesului au fost optimizate prin designul compozit central izovariant pentru a îmbunătăți randamentul extracției pectinei. Condiția optimă obținută a fost: timp de sonicare 70 min, temperatură 70, pH 1,5 și raportul apă-material 30 ml / g. Această condiție a fost validată, iar performanța extracției experimentale a fost de 18,14% ± 1,41%, care a fost strâns legată de valoarea prezisă (19,06%). Astfel, extracția cu ultrasunete prezintă o alternativă promițătoare la procesul convențional de extracție datorită eficienței sale ridicate, care a fost realizată în mai puțin timp și la temperaturi mai scăzute. Pectina extrasă prin extracție cu ultrasunete din OFI cladodes (UAEPC) are un grad scăzut de esterificare, conținut ridicat de acid uronic, proprietăți funcționale importante și o bună activitate anti-radicali. Aceste rezultate sunt în favoarea utilizării UAEPC ca potențial aditiv în industria alimentară. [Bayar și colab. 2017]

tescovină de struguri: In the research paper “Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach”, sonication is used to extract pectins from grape pomace with citric acid as the extracting agent. According to the Response Surface Methodology, the highest pectin yield (∼32.3%) can be achieved when the ultrasonic extraction process is carried out at 75ºC for 60 min using a citric acid solution of pH 2.0. These pectic polysaccharides, composed mainly by galacturonic acid units (∼97% of total sugars), have an average molecular weight of 163.9kDa and a degree of esterification (DE) of 55.2%.
Morfologia de suprafață a tescovină de struguri sonicated arată că sonicare joacă un rol important în ruperea țesutului vegetal și îmbunătățirea randamentelor de extracție. Randamentul obținut după extracția cu ultrasunete a pectinelor folosind condițiile optime (75 ° C, 60 min, pH 2,0) a fost cu 20% mai mare decât randamentul obținut atunci când extracția a fost efectuată aplicând aceleași condiții de temperatură, timp și pH, dar fără asistență cu ultrasunete. În plus, pectinele din extracția cu ultrasunete au prezentat, de asemenea, o greutate moleculară medie mai mare. [Minjares-Fuentes și colab., 2014]