Extracția cu ultrasunete a pectinei din fructe și biodeșeuri

• 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.
• Sonicarea este cunoscută pentru efectele sale de intensificare a proceselor, care sunt deja utilizate în numeroase procese industriale.

Pectinele și extracția pectinei

Pectina este o polizaharidă complexă naturală (heteropolizaharidă) care se găsește în special în pereții celulari ai fructelor, mai ales în citrice și în tescovina de mere. Conținuturi ridicate de pectină se găsesc în cojile fructelor, atât la mere, cât și la citrice. Tescovina de mere conține 10–15% pectină raportat la substanța uscată, în timp ce coaja de citrice conține 20–30%. Pectinele sunt polizaharide biocompatibile, biodegradabile și regenerabile, cu funcționalitate excelentă de gelifiere și îngroșare, ceea ce le face aditivi foarte apreciați. Ele sunt utilizate pe scară largă în produse alimentare, cosmetice și farmaceutice ca modificatori reologici, funcționând ca agenți de gelifiere, de glazurare, de stabilizare și de îngroșare și, în unele formulări, ca emulgatori. Extracția cu ultrasunete este o metodă eficientă de izolare a pectinelor de înaltă calitate din cojile și tescovina fructelor, crescând randamentul și reducând totodată timpul de procesare și costul total.

Extracția convențională a pectinei pentru aplicații industriale se realizează prin procese catalizate de acizi (folosind acid azotic, clorhidric sau sulfuric). Extracția catalizată de acizi este procesul cel mai frecvent utilizat în producția industrială de pectină, deoarece celelalte tehnici de extracție, cum ar fi fierberea directă (60ºC–100ºC) timp de până la 24 de ore și pH-ul scăzut (1,0–3,0), sunt lente și au randament scăzut și pot cauza degradarea termică a fibrei extrase, iar randamentul de pectină este uneori limitat de condițiile de proces. Totuși, și extracția catalizată de acizi are dezavantajele sale: tratamentul acid agresiv cauzează depolimerizarea și deesterificarea lanțurilor de pectină, ceea ce afectează negativ calitatea pectinei. Producerea unor volume mari de efluent acid necesită post-procesare și un tratament de reciclare costisitor, ceea ce face din proces o povară pentru mediu.

Extracția cu ultrasunete a pectinei

Extracția cu ultrasunete este un tratament blând, netermic, care se aplică în numeroase procese alimentare. În ceea ce privește extracția pectinelor din fructe și legume, sonicarea produce pectină de înaltă calitate. Pectinele extrase cu ultrasunete se remarcă prin conținutul lor de acid anhidrouronic, metoxil și pectat de calciu, precum și prin gradul lor de esterificare. Condițiile blânde ale extracției cu ultrasunete previn degradarea termică a pectinelor sensibile la căldură.
Calitatea și puritatea pectinei pot varia în funcție de acidul anhidrogalacturonic, gradul de esterificare și conținutul de cenușă al pectinei extrase. Pectina cu masă moleculară mare și conținut scăzut de cenușă (sub 10%), cu acid anhidrogalacturonic ridicat (peste 65%), este cunoscută ca pectină de bună calitate. Deoarece intensitatea tratamentului cu ultrasunete poate fi controlată foarte precis, proprietățile extractului de pectină pot fi influențate prin ajustarea amplitudinii, a temperaturii de extracție, a presiunii, a timpului de retenție și a solventului.

În acest videoclip, vă prezentăm extracția cu ultrasunete de înaltă eficiență a pectinei din coajă de grepfrut, folosind sonicatorul cu sondă UP200Ht. Sonicarea este o metodă extrem de eficientă pentru obținerea pectinei de înaltă calitate, cu randamente ridicate, din subproduse de fructe și legume. Extracția cu ultrasunete permite obținerea unor cantități mai mari de pectină și a unei calități superioare într-un timp de procesare mai scurt.

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

Extracția cu ultrasunete poate fi realizată folosind diverși solvenți precum apa, acidul citric, soluția de acid azotic (HNO₃, pH 2,0) sau oxalatul de amoniu/acidul oxalic, ceea ce face posibilă și integrarea sonicării în liniile de extracție existente (retro-fitting).

Deșeurile de fructe ca sursă: Ultrasunetele de înaltă performanță au fost deja aplicate cu succes pentru izolarea pectinelor din tescovina de mere, cojile de citrice (cum ar fi portocala, lămâia, grepfrutul), tescovina de struguri, rodie, pulpa de sfeclă de zahăr, coaja de pitaya (dragon fruit), cladodiile de smochin indian, coaja fructului pasiunii și cojile de mango.

Precipitarea pectinei după extracția cu ultrasunete

Adăugarea de etanol într-o soluție de extract poate ajuta la separarea pectinei printr-un proces numit precipitare. Pectina, o polizaharidă complexă care se găsește în pereții celulari ai plantelor, este solubilă în apă în condiții normale. Totuși, prin modificarea mediului solventului prin adăugarea de etanol, solubilitatea pectinei poate fi redusă, ceea ce duce la precipitarea acesteia din soluție.

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

• Ruperea legăturilor de hidrogen: Moleculele de pectină sunt menținute împreună prin legături de hidrogen, care contribuie la solubilitatea lor în apă. Etanolul rupe aceste legături de hidrogen concurând cu moleculele de apă pentru situsurile de legare de 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 acestora în solvent.
• Polaritate redusă a solventului: Etanolul este mai puțin polar decât apa, ceea ce înseamnă că are o capacitate mai redusă de a dizolva substanțe polare precum pectina. Pe măsură ce se adaugă etanol în soluția de extract, polaritatea generală a solventului scade, ceea ce face mai puțin favorabilă rămânerea moleculelor de pectină în soluție. Aceasta duce la precipitarea pectinei din soluție, deoarece pectina devine mai puțin solubilă în amestecul etanol-apă.
• Concentrație crescută de pectină: Pe măsură ce moleculele de pectină precipită din soluție, concentrația de pectină din soluția rămasă crește. Aceasta permite o separare mai ușoară a pectinei de faza lichidă prin filtrare sau centrifugare.

Precipitarea pectinei cu etanol este o metodă simplă și eficientă de izolare a pectinelor din soluția de extract, fiind o etapă de proces care poate fi realizată cu ușurință după extracția cu ultrasunete a pectinei. Adăugarea de etanol în soluția de extract modifică mediul solventului într-un mod care reduce solubilitatea pectinei, ducând la precipitarea acesteia și la separarea ulterioară din soluție. Această tehnică este utilizată în mod obișnuit în extracția și purificarea pectinei din materiale vegetale pentru diverse aplicații industriale și alimentare.

Vă interesează valorificarea tescovinei, a cojilor și a pulpei? – Citiți mai multe despre extracția polifenolilor din deșeurile de fructe!

Sonicatoare industriale pentru extracția pectinei

Hielscher Ultrasonics este partenerul dumneavoastră pentru procesele de extracție din materiale vegetale precum tescovina, cojile și semințele. Fie că doriți să extrageți cantități mici pentru cercetare și analiză, fie că doriți să procesați volume mari pentru producția comercială, avem extractorul cu ultrasunete potrivit pentru dumneavoastră. Omogenizatoarele noastre cu ultrasunete de laborator, precum și sonicatoarele noastre de banc și industriale sunt robuste, ușor de utilizat și construite pentru funcționare 24/7 la sarcină completă. O gamă largă de accesorii, precum sonotrode (sonde ultrasonice / sonotrode) de diferite dimensiuni și forme, celule de flux și reactoare, precum și boostere, permit configurația optimă pentru procesul dumneavoastră specific de extracție.
Toate aparatele digitale cu ultrasunete sunt echipate cu un afișaj tactil color, card SD integrat pentru înregistrarea automată a datelor și control de la distanță prin browser pentru monitorizarea cuprinzătoare a procesului. Cu sistemele sofisticate cu ultrasunete de la Hielscher, un nivel ridicat de standardizare a procesului și controlul calității devin simple.
Contactați-ne astăzi pentru a discuta cerințele procesului dumneavoastră de extracție a pectinei! Vă vom sprijini cu plăcere cu experiența noastră îndelungată în extracția cu ultrasunete și vă vom ajuta să obțineți cea mai mare eficiență a procesului și o calitate optimă a pectinei!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Rezultate ale cercetărilor privind extracția cu ultrasunete a pectinei

Deșeuri de tomate: Pentru a evita timpii lungi de extracție (12–24 h) din procedura cu reflux, ultrasonicarea a fost utilizată pentru intensificarea procesului de extracție în ceea ce privește timpul (15, 30, 45, 60 și 90 min). În funcție de timpii de extracție, randamentele de pectină obținute pentru prima etapă de extracție cu ultrasunete, la temperaturi de 60°C și 80°C, sunt de 15,2–17,2% și, respectiv, 16,3–18,5%. Când s-a aplicat o a doua etapă de extracție cu ultrasunete, randamentul de pectine din deșeurile de tomate a crescut la 34–36%, în funcție de temperaturi și timpi). Evident, extracția cu ultrasunete intensifică ruperea matricei peretelui celular al tomatelor, ceea ce duce la interacțiuni mai bune între solvent și materialul extras.
Pectinele extrase cu ultrasunete pot fi clasificate drept pectine cu conținut ridicat de metoxil (HM-pectin) cu proprietăți de gelifiere rapidă (DE > 70%) și un grad de esterificare de 73,3–85,4%. n. Conținutul de pectat de calciu în pectina extrasă cu ultrasunete a fost măsurat între 41,4% și 97,5%, în funcție de parametrii de extracție (temperatură și timp). La temperaturi mai ridicate ale extracției cu ultrasunete, conținutul de pectat de calciu este mai mare (91–97%) și, ca atare, reprezintă un parametru important al capacității de gelifiere a pectinei comparativ cu extracția convențională.
Extracția convențională cu solvent pe o durată de 24 de ore oferă randamente de pectină similare comparativ cu 15 min de tratament de extracție cu ultrasunete. Având în vedere rezultatele obținute, se poate concluziona că tratamentul cu ultrasunete reduce remarcabil timpul de extracție. Spectroscopia RMN și FTIR confirmă existența unei pectine predominant esterificate în toate probele investigate. [Grassino et al. 2016]

Coaja fructului pasiunii: Randamentul de extracție, acidul galacturonic și gradul de esterificare au fost considerați indicatori ai eficienței extracției. Cel mai mare randament de pectină obținut prin extracție asistată de ultrasunete a fost de 12,67% (condiții de extracție 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 și 10 min). Pentru aceleași condiții s-a efectuat o extracție convențională prin încălzire, iar rezultatul a fost de 7,95%. Aceste rezultate sunt în concordanță cu alte studii, care raportează timpul scurt necesar pentru extracția eficientă, asistată de ultrasunete, a polizaharidelor, inclusiv a pectinei, a hemicelulozelor și a altor polizaharide solubile în apă. S-a observat, de asemenea, că randamentul de extracție a crescut de 1,6 ori atunci când extracția a fost asistată de ultrasunete. Rezultatele obținute au demonstrat că ultrasunetele reprezintă o tehnică eficientă și care economisește timp pentru extracția pectinei din coaja fructului pasiunii. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Cladodii de smochin indian: Extracția asistată de ultrasunete (UAE) a pectinei din cladodiile de Opuntia ficus indica (OFI) după îndepărtarea mucilagiului a fost încercată folosind metodologia suprafeței de răspuns. Variabilele de proces au fost optimizate prin designul compozit central izovariant, în scopul îmbunătățirii randamentului de extracție a 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%, valoare strâns corelată cu valoarea prezisă (19,06%). Astfel, extracția cu ultrasunete reprezintă o alternativă promițătoare la procesul de extracție convențional datorită eficienței sale ridicate, obținute într-un timp mai scurt și la temperaturi mai scăzute. Pectina extrasă prin extracție cu ultrasunete din cladodiile OFI (UAEPC) are un grad scăzut de esterificare, un conținut ridicat de acizi uronici, proprietăți funcționale importante și o bună activitate antiradicalică. Aceste rezultate pledează în favoarea utilizării UAEPC ca potențial aditiv în industria alimentară. [Bayar et al. 2017]

Tescovină de struguri: În lucrarea de cercetare „Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach”, sonicarea este utilizată pentru extracția pectinelor din tescovina de struguri, cu acid citric ca agent de extracție. Conform metodologiei suprafeței de răspuns, cel mai mare randament de pectină (∼32,3%) poate fi obținut atunci când procesul de extracție cu ultrasunete se desfășoară la 75ºC timp de 60 min folosind o soluție de acid citric cu pH 2,0. Aceste polizaharide pectice, compuse în principal din unități de acid galacturonic (∼97% din totalul zaharurilor), au o masă moleculară medie de 163,9kDa și un grad de esterificare (DE) de 55,2%.
Morfologia suprafeței tescovinei de struguri sonicate arată că sonicarea joacă un rol important în dezintegrarea țesutului vegetal și în creșterea randamentelor de extracție. Randamentul obținut după extracția cu ultrasunete a pectinelor în condițiile optime (75°C, 60 min, pH 2,0) a fost cu 20% mai mare decât randamentul obținut atunci când extracția a fost efectuată în aceleași condiții de temperatură, timp și pH, dar fără asistență ultrasonică. În plus, pectinele obținute prin extracție cu ultrasunete au prezentat, de asemenea, o masă moleculară medie mai mare. [Minjares-Fuentes et al. 2014]