Ultrazvuková extrakcia pektínu z ovocia a biologického odpadu

• Pektíny sú veľmi často používanou prídavnou látkou v potravinách, pridávanou najmä pre svoje želírujúce účinky.
• Ultrazvuková extrakcia výrazne zvyšuje výťažnosť a kvalitu pektínových extraktov.
• Sonikácia je známa svojimi účinkami na intenzifikáciu procesov, ktoré sa už využívajú v rozmanitých priemyselných procesoch.

Pektíny a extrakcia pektínu

Pektín je prírodný komplexný polysacharid (heteropolysacharid), ktorý sa nachádza predovšetkým v bunkových stenách ovocia, najmä citrusových plodov, a v jablčných výliskoch. Vysoký obsah pektínu sa nachádza v šupkách jabĺk aj citrusových plodov. Jablčné výlisky obsahujú 10–15% pektínu v sušine, zatiaľ čo citrusové šupky obsahujú 20–30%. Pektíny sú biokompatibilné, biologicky odbúrateľné a obnoviteľné polysacharidy s vynikajúcimi želírujúcimi a zahusťovacími vlastnosťami, vďaka čomu sú vysoko cenenými prídavnými látkami. Široko sa používajú v potravinárskych, kozmetických a farmaceutických výrobkoch ako modifikátory reologických vlastností, pričom pôsobia ako želírujúce, leštiace, stabilizačné a zahusťovacie látky a v niektorých formuláciách aj ako emulgátory. Ultrazvuková extrakcia je účinnou metódou izolácie vysokokvalitných pektínov z ovocných šupiek a výliskov, ktorá zvyšuje výťažnosť a zároveň skracuje čas spracovania a znižuje celkové náklady.

Konvenčná extrakcia pektínu na priemyselné účely sa vykonáva pomocou procesov katalyzovaných kyselinou (s použitím kyseliny dusičnej, chlorovodíkovej alebo sírovej). Extrakcia katalyzovaná kyselinou je najčastejšie používaným procesom pri priemyselnej výrobe pektínu, pretože ostatné extrakčné techniky, ako napríklad priame varenie (60ºC–100ºC) počas až 24 hodín a pri nízkom pH (1,0–3,0), sú pomalé, majú nízku výťažnosť a môžu spôsobiť tepelnú degradáciu extrahovanej vlákniny, pričom výťažnosť pektínu je niekedy obmedzená procesnými podmienkami. Extrakcia katalyzovaná kyselinou má však aj svoje nevýhody: Intenzívne pôsobenie kyseliny spôsobuje depolymerizáciu a deesterifikáciu pektínových reťazcov, čo negatívne ovplyvňuje kvalitu pektínu. Vznik veľkých objemov kyslých odpadových vôd si vyžaduje následné spracovanie a nákladnú recykláciu, čím tento proces zaťažuje životné prostredie.

Ultrazvuková extrakcia pektínu

Ultrazvuková extrakcia je šetrné, netepelné spracovanie, ktoré sa uplatňuje v rozmanitých potravinárskych procesoch. Pri extrakcii pektínov z ovocia a zeleniny sa sonikáciou získava pektín vysokej kvality. Ultrazvukovo extrahované pektíny vynikajú obsahom kyseliny anhydrourónovej, metoxylových skupín a pektátu vápenatého, ako aj stupňom esterifikácie. Šetrné podmienky ultrazvukovej extrakcie zabraňujú tepelnej degradácii pektínov citlivých na teplo.
Kvalita a čistota pektínu sa môžu líšiť v závislosti od obsahu kyseliny anhydrogalakturónovej, stupňa esterifikácie a obsahu popola v extrahovanom pektíne. Pektín s vysokou molekulovou hmotnosťou, nízkym obsahom popola (pod 10%) a vysokým obsahom kyseliny anhydrogalakturónovej (nad 65%) sa považuje za kvalitný pektín. Keďže intenzitu ultrazvukového spracovania možno veľmi presne regulovať, vlastnosti pektínového extraktu možno ovplyvniť úpravou amplitúdy, extrakčnej teploty, tlaku, doby zdržania a rozpúšťadla.

 

V tomto videu vám predstavujeme vysoko účinnú ultrazvukovú extrakciu pektínu z grapefruitovej kôry pomocou sondového sonikátora UP200Ht. Sonikácia je vysoko účinná metóda získavania vysokokvalitného pektínu z vedľajších produktov spracovania ovocia a zeleniny s vysokou výťažnosťou. Ultrazvuková extrakcia prináša väčšie množstvo pektínu a vyššiu kvalitu za kratší čas spracovania.

 
Tu nájdete protokol ultrazvukovej extrakcie pektínu z grapefruitových šupiek predvedenej vo videu vyššie!
 

Ultrazvukovú extrakciu možno vykonávať s použitím rôznych rozpúšťadiel ako sú voda, kyselina citrónová, roztok kyseliny dusičnej (HNO₃, pH 2,0) alebo šťaveľan amónny/kyselina šťaveľová, čo umožňuje aj začlenenie sonikácie do existujúcich extrakčných liniek (dodatočná montáž).

Ovocný odpad ako zdroj: Vysokovýkonný ultrazvuk sa už úspešne použil na izoláciu pektínov z jablčných výliskov, šupiek citrusových plodov (ako sú pomaranče, citróny a grapefruity), hroznových výliskov, granátových jabĺk, cukrovarských rezkov, šupiek dračieho ovocia, kladódií opuncie, šupiek marakuje a šupiek manga.

Zrážanie pektínu po ultrazvukovej extrakcii

Pridanie etanolu do roztoku extraktu môže pomôcť oddeliť pektín procesom nazývaným zrážanie. Pektín, komplexný polysacharid nachádzajúci sa v bunkových stenách rastlín, je za normálnych podmienok rozpustný vo vode. Zmenou prostredia rozpúšťadla pridaním etanolu však možno znížiť rozpustnosť pektínu, čo vedie k jeho vyzrážaniu z roztoku.

Chemickú podstatu zrážania pektínu pomocou etanolu možno vysvetliť tromi reakciami:

• Narušenie vodíkových väzieb: Molekuly pektínu držia pohromade vodíkové väzby, ktoré prispievajú k ich rozpustnosti vo vode. Etanol narúša tieto vodíkové väzby tým, že s molekulami vody súťaží o väzbové miesta na molekulách pektínu. Keď molekuly etanolu nahrádzajú molekuly vody v okolí molekúl pektínu, vodíkové väzby medzi molekulami pektínu slabnú, čím sa znižuje ich rozpustnosť v rozpúšťadle.
• Zníženie polarity rozpúšťadla: Etanol je menej polárny ako voda, čo znamená, že má nižšiu schopnosť rozpúšťať polárne látky, ako je pektín. Pri pridávaní etanolu do roztoku extraktu sa celková polarita rozpúšťadla znižuje, čím sa podmienky stávajú menej priaznivými na zotrvanie molekúl pektínu v roztoku. To vedie k vyzrážaniu pektínu z roztoku, pretože sa v zmesi etanolu a vody stáva menej rozpustným.
• Zvýšenie koncentrácie pektínu: Keď sa molekuly pektínu zrážajú z roztoku, koncentrácia pektínu v zostávajúcom roztoku sa zvyšuje. To umožňuje jednoduchšie oddelenie pektínu od kvapalnej fázy filtráciou alebo odstreďovaním.

Zrážanie pektínu pomocou etanolu je jednoduchá a účinná metóda izolácie pektínov z roztoku extraktu, ktorá predstavuje procesný krok ľahko uskutočniteľný po ultrazvukovej extrakcii pektínu. Pridanie etanolu do roztoku extraktu mení prostredie rozpúšťadla tak, že znižuje rozpustnosť pektínu, čo vedie k jeho vyzrážaniu a následnému oddeleniu z roztoku. Táto technika sa bežne používa pri extrakcii a čistení pektínu z rastlinných materiálov na rôzne priemyselné a potravinárske účely.
 
 
Zaujíma vás zhodnocovanie výliskov, šupiek a dužiny? – Prečítajte si viac o extrakcii polyfenolov z ovocného odpadu!

Priemyselné sonikátory na extrakciu pektínu

Hielscher Ultrasonics je vaším partnerom pre procesy extrakcie z rastlinného materiálu, ako sú výlisky, šupky a semená. Či už chcete extrahovať malé množstvá na výskum a analýzu, alebo spracúvať veľké objemy na komerčnú výrobu, máme pre vás vhodný ultrazvukový extraktor. Naše ultrazvukové laboratórne homogenizátory, ako aj naše stolové a priemyselné sonikátory sú robustné, ľahko sa používajú a sú skonštruované na prevádzku 24/7 pri plnom zaťažení. Široká ponuka príslušenstva, ako sú sonotródy (ultrazvukové sondy / koncentrátory) rôznych veľkostí a tvarov, prietokové cely a reaktory a zosilňovače amplitúdy, umožňuje optimálnu konfiguráciu pre váš konkrétny extrakčný proces.
Všetky digitálne ultrazvukové zariadenia sú vybavené farebným dotykovým displejom, integrovanou SD kartou na automatické zaznamenávanie údajov a diaľkovým ovládaním cez prehliadač na komplexné monitorovanie procesu. Sofistikované ultrazvukové systémy Hielscher uľahčujú dosiahnutie vysokej úrovne štandardizácie procesov a kontroly kvality.
Kontaktujte nás ešte dnes a prediskutujte s nami požiadavky na váš proces extrakcie pektínu! Radi vám pomôžeme s využitím našich dlhoročných skúseností s ultrazvukovou extrakciou a podporíme vás pri dosahovaní najvyššej účinnosti procesu a optimálnej kvality pektínu!

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:

Výsledky výskumu ultrazvukovej extrakcie pektínu

Odpad z paradajok: Aby sa predišlo dlhým časom extrakcie (12–24 h) pri postupe pod spätným chladičom, na časovú intenzifikáciu extrakčného procesu sa použila ultrazvuková úprava (15, 30, 45, 60 a 90 min). V závislosti od času extrakcie boli výťažnosti pektínu získané v prvom kroku ultrazvukovej extrakcie pri teplotách 60°C a 80°C 15,2–17,2%, resp. 16,3–18,5%. Pri použití druhého kroku ultrazvukovej extrakcie sa výťažnosť pektínov z odpadu z paradajok zvýšila na 34–36% v závislosti od teploty a času. Ultrazvuková extrakcia zjavne zvyšuje mieru narušenia matrice bunkových stien paradajok, čo vedie k lepším interakciám medzi rozpúšťadlom a extrahovaným materiálom.
Ultrazvukom extrahované pektíny možno zaradiť medzi vysokometoxylové pektíny (HM-pektín) s vlastnosťami rýchleho gélovatenia (DE > 70%) a stupňom esterifikácie 73,3–85,4%. Obsah pektátu vápenatého v ultrazvukom extrahovanom pektíne bol nameraný v rozmedzí od 41,4% do 97,5% v závislosti od parametrov extrakcie (teploty a času). Pri vyššej teplote ultrazvukovej extrakcie je obsah pektátu vápenatého vyšší (91–97%) a ako taký predstavuje dôležitý parameter gélotvornej schopnosti pektínu v porovnaní s konvenčnou extrakciou.
Konvenčná extrakcia rozpúšťadlom trvajúca 24hr poskytuje podobné výťažnosti pektínu ako 15 min ultrazvukovej extrakcie. Na základe získaných výsledkov možno dospieť k záveru, že ultrazvuková úprava výrazne skracuje čas extrakcie. NMR a FTIR spektroskopia potvrdzujú prítomnosť prevažne esterifikovaného pektínu vo všetkých skúmaných vzorkách. [Grassino et al. 2016]

Šupka marakuje: Výťažnosť extrakcie, kyselina galakturónová a stupeň esterifikácie sa považovali za ukazovatele účinnosti extrakcie. Najvyššia výťažnosť pektínu získaná extrakciou asistovanou ultrazvukom bola 12,67% (podmienky extrakcie: 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 a 10 min). Za rovnakých podmienok sa vykonala konvenčná extrakcia zahrievaním a výsledok bol 7,95%. Tieto výsledky sú v súlade s ďalšími štúdiami, ktoré uvádzajú krátky čas potrebný na účinnú extrakciu polysacharidov vrátane pektínu, hemicelulóz a ďalších polysacharidov rozpustných vo vode za pomoci ultrazvuku. Pozorovalo sa tiež, že pri extrakcii asistovanej ultrazvukom sa výťažnosť extrakcie zvýšila 1,6-násobne. Získané výsledky preukázali, že ultrazvuk predstavuje účinnú a časovo úspornú techniku extrakcie pektínu zo šupky marakuje. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Kladódiá opuncie: Extrakcia pektínu z kladódií Opuntia ficus indica (OFI) asistovaná ultrazvukom (UAE) po odstránení slizu sa skúšala s využitím metodiky odozvových plôch. Procesné premenné sa optimalizovali pomocou izovariantného centrálneho kompozitného plánu s cieľom zvýšiť výťažnosť extrakcie pektínu. Získané optimálne podmienky boli: čas sonikácie 70 min, teplota 70, pH 1,5 a pomer vody k materiálu 30 ml/g. Tieto podmienky sa overili a výťažnosť experimentálnej extrakcie bola 18,14% ± 1,41%, čo sa tesne približovalo predpovedanej hodnote (19,06%). Ultrazvuková extrakcia tak predstavuje sľubnú alternatívu ku konvenčnému extrakčnému procesu vďaka svojej vysokej účinnosti, ktorá sa dosiahla za kratší čas a pri nižších teplotách. Pektín získaný ultrazvukovou extrakciou z kladódií OFI (UAEPC) má nízky stupeň esterifikácie, vysoký obsah urónových kyselín, významné funkčné vlastnosti a dobrú antiradikálovú aktivitu. Tieto výsledky podporujú použitie UAEPC ako potenciálnej prídavnej látky v potravinárskom priemysle. [Bayar et al. 2017]

Hroznové výlisky: Vo výskumnej práci „Ultrazvukom asistovaná extrakcia pektínov z hroznových výliskov s použitím kyseliny citrónovej: prístup založený na metodike odozvových plôch“ sa sonikácia používa na extrakciu pektínov z hroznových výliskov s kyselinou citrónovou ako extrakčným činidlom. Podľa metodiky odozvových plôch možno najvyšší výťažok pektínu (∼32,3%) dosiahnuť pri ultrazvukovej extrakcii pri teplote 75ºC počas 60 min s použitím roztoku kyseliny citrónovej s pH 2,0. Tieto pektínové polysacharidy, zložené prevažne z jednotiek kyseliny galakturónovej (∼97% celkových cukrov), majú priemernú molekulovú hmotnosť 163,9kDa a stupeň esterifikácie (DE) 55,2%.
Povrchová morfológia sonikovaných hroznových výliskov ukazuje, že sonikácia zohráva dôležitú úlohu pri rozrušovaní rastlinného pletiva a zvyšovaní výťažkov extrakcie. Výťažok získaný po ultrazvukovej extrakcii pektínov za optimálnych podmienok (75°C, 60 min, pH 2,0) bol o 20% vyšší než výťažok získaný pri extrakcii za rovnakých podmienok teploty, času a pH, ale bez pomoci ultrazvuku. Pektíny získané ultrazvukovou extrakciou navyše vykazovali aj vyššiu priemernú molekulovú hmotnosť. [Minjares-Fuentes et al. 2014]