Ultrazvočna ekstrakcija pektina iz sadja in bioloških odpadkov

• Pektini so zelo pogosto uporabljeni aditivi za živila, ki se dodajajo predvsem zaradi svojih želirnih učinkov.
• Ultrazvočna ekstrakcija znatno poveča izkoristek in kakovost pektinskih ekstraktov.
• Sonikacija je znana po svojih učinkih intenzifikacije procesov, ki se že uporabljajo v številnih industrijskih procesih.

Pektini in ekstrakcija pektina

Pektin je naravni kompleksni polisaharid (heteropolisaharid), ki ga najdemo zlasti v celičnih stenah sadja, predvsem v citrusih in jabolčnih tropinah. Visoke vsebnosti pektina najdemo v lupinah tako jabolk kot citrusov. Jabolčne tropine vsebujejo 10–15% pektina glede na suho snov, lupine citrusov pa 20–30%. Pektini so biokompatibilni, biorazgradljivi in obnovljivi polisaharidi z odličnimi želirnimi in zgoščevalnimi lastnostmi, zato so zelo cenjeni aditivi. Pogosto se uporabljajo v živilskih, kozmetičnih in farmacevtskih izdelkih kot modifikatorji reoloških lastnosti, pri čemer delujejo kot želirna sredstva, sredstva za glaziranje, stabilizatorji in zgoščevalci ter v nekaterih formulacijah kot emulgatorji. Ultrazvočna ekstrakcija je učinkovita metoda za izolacijo visokokakovostnih pektinov iz sadnih lupin in tropin, ki poveča izkoristek ter hkrati skrajša čas obdelave in zmanjša skupne stroške.

Konvencionalna ekstrakcija pektina za industrijske namene se izvaja s kislinsko kataliziranimi procesi (z uporabo dušikove, klorovodikove ali žveplove kisline). Kislinsko katalizirana ekstrakcija je najpogosteje uporabljeni postopek v industrijski proizvodnji pektina, saj so druge ekstrakcijske tehnike, kot sta neposredno vrenje (60ºC–100ºC) do 24 ur in ekstrakcija pri nizkem pH (1,0–3,0), počasne, imajo nizek izkoristek in lahko povzročijo toplotno razgradnjo ekstrahiranih vlaknin, izkoristek pektina pa je včasih omejen s procesnimi pogoji. Vendar ima tudi kislinsko katalizirana ekstrakcija svoje slabosti: agresivna kislinska obdelava povzroča depolimerizacijo in deesterifikacijo pektinskih verig, kar negativno vpliva na kakovost pektina. Nastajanje velikih količin kisle odpadne tekočine zahteva naknadno obdelavo in drago obdelavo za recikliranje, zaradi česar proces obremenjuje okolje.

Ultrazvočna ekstrakcija pektina

Ultrazvočna ekstrakcija je blaga, netoplotna obdelava, ki se uporablja v številnih živilskih procesih. Pri ekstrakciji pektinov iz sadja in zelenjave sonikacija omogoča pridobivanje visokokakovostnega pektina. Ultrazvočno ekstrahirani pektini se odlikujejo po vsebnosti anhidrouronske kisline, metoksilnih skupin in kalcijevega pektata ter po stopnji esterifikacije. Blagi pogoji ultrazvočne ekstrakcije preprečujejo toplotno razgradnjo toplotno občutljivih pektinov.
Kakovost in čistost pektina se lahko razlikujeta glede na vsebnost anhidrogalakturonske kisline, stopnjo esterifikacije in vsebnost pepela v ekstrahiranem pektinu. Pektin z visoko molekulsko maso, nizko vsebnostjo pepela (pod 10%) in visoko vsebnostjo anhidrogalakturonske kisline (nad 65%) velja za kakovosten pektin. Ker je intenzivnost ultrazvočne obdelave mogoče zelo natančno nadzorovati, lahko na lastnosti pektinskega ekstrakta vplivamo s prilagajanjem amplitude, temperature ekstrakcije, tlaka, zadrževalnega časa in topila.

 

V tem videoposnetku vam predstavljamo zelo učinkovito ultrazvočno ekstrakcijo pektina iz lupin grenivke s sonikatorjem UP200Ht s sondo. Sonikacija je zelo učinkovita metoda za pridobivanje visokokakovostnega pektina z visokim izkoristkom iz stranskih proizvodov predelave sadja in zelenjave. Ultrazvočna ekstrakcija omogoča pridobivanje večjih količin pektina vrhunske kakovosti v krajšem času obdelave.

 
Tukaj najdete protokol za ultrazvočno ekstrakcijo pektina iz grenivkine lupine, prikazan v zgornjem videoposnetku!
 

Ultrazvočno ekstrakcijo lahko izvajamo z različnimi topili , kot so voda, citronska kislina, raztopina dušikove kisline (HNO₃, pH 2,0) ali amonijev oksalat/oksalna kislina, kar omogoča tudi vključitev sonikacije v obstoječe ekstrakcijske linije (naknadna vgradnja).

Sadni odpadki kot vir: Visokozmogljivi ultrazvok se že uspešno uporablja za izolacijo pektinov iz jabolčnih tropin, lupin citrusov (kot so pomaranče, limone in grenivke), grozdnih tropin, granatnega jabolka, rezancev sladkorne pese, lupin pitaje, kladodijev opuncije, lupin pasijonke in lupin manga.

Obarjanje pektina po ultrazvočni ekstrakciji

Dodajanje etanola raztopini ekstrakta lahko pomaga pri ločevanju pektina s postopkom, imenovanim obarjanje. Pektin, kompleksni polisaharid, ki ga najdemo v celičnih stenah rastlin, je v običajnih pogojih topen v vodi. Vendar lahko s spremembo topilnega okolja z dodatkom etanola zmanjšamo topnost pektina, kar povzroči njegovo obarjanje iz raztopine.

Kemijo obarjanja pektina z etanolom lahko pojasnimo s tremi reakcijami:

• Prekinitev vodikovih vezi: Molekule pektina povezujejo vodikove vezi, ki prispevajo k njihovi topnosti v vodi. Etanol prekine te vodikove vezi tako, da z molekulami vode tekmuje za vezavna mesta na molekulah pektina. Ko molekule etanola nadomeščajo molekule vode okoli molekul pektina, vodikove vezi med molekulami pektina oslabijo, s čimer se zmanjša njihova topnost v topilu.
• Zmanjšana polarnost topila: Etanol je manj polaren kot voda, kar pomeni, da ima manjšo sposobnost raztapljanja polarnih snovi, kot je pektin. Z dodajanjem etanola raztopini ekstrakta se skupna polarnost topila zmanjša, zato so pogoji manj ugodni za to, da bi molekule pektina ostale v raztopini. To povzroči obarjanje pektina iz raztopine, saj postane manj topen v mešanici etanola in vode.
• Povečana koncentracija pektina: Ko se molekule pektina obarjajo iz raztopine, se koncentracija pektina v preostali raztopini povečuje. To omogoča lažje ločevanje pektina od tekoče faze s filtracijo ali centrifugiranjem.

Obarjanje pektina z etanolom je preprosta in učinkovita metoda za izolacijo pektinov iz raztopine ekstrakta ter procesni korak, ki ga je mogoče preprosto izvesti po ultrazvočni ekstrakciji pektina. Dodatek etanola raztopini ekstrakta spremeni topilno okolje tako, da zmanjša topnost pektina, kar povzroči njegovo obarjanje in naknadno ločevanje iz raztopine. Ta tehnika se pogosto uporablja pri ekstrakciji in čiščenju pektina iz rastlinskih materialov za različne industrijske in živilske namene.
 
 
Vas zanima povečanje uporabne vrednosti tropin, lupin in pulpe? – Preberite več o ekstrakciji polifenolov iz sadnih odpadkov!

Industrijski sonikatorji za ekstrakcijo pektina

Hielscher Ultrasonics je vaš partner za ekstrakcijske procese iz rastlinskega materiala, kot so tropine, lupine in semena. Ne glede na to, ali želite ekstrahirati majhne količine za raziskave in analize ali obdelovati velike količine za komercialno proizvodnjo, imamo za vas ustrezen ultrazvočni ekstraktor. Naši ultrazvočni laboratorijski homogenizatorji ter naši namizni in industrijski sonikatorji so robustni, preprosti za uporabo in izdelani za delovanje 24/7 pri polni obremenitvi. Širok nabor dodatne opreme, kot so sonotrode (ultrazvočne sonde / rogovi) različnih velikosti in oblik, pretočne celice, reaktorji in ojačevalniki amplitude, omogoča optimalno konfiguracijo za vaš specifični ekstrakcijski proces.
Vse digitalne ultrazvočne naprave so opremljene z barvnim zaslonom na dotik, vgrajeno kartico SD za samodejno beleženje podatkov in daljinskim upravljanjem prek brskalnika za celovit nadzor procesa. Z dovršenimi ultrazvočnimi sistemi Hielscher sta visoka stopnja standardizacije procesa in nadzor kakovosti preprosto dosegljiva.
Kontaktirajte nas še danes, da se pogovorimo o zahtevah vašega procesa ekstrakcije pektina! Z veseljem vam bomo pomagali s svojimi dolgoletnimi izkušnjami na področju ultrazvočne ekstrakcije ter vam pomagali doseči najvišjo učinkovitost procesa in optimalno kakovost pektina!

Spodnja tabela podaja okvirno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Rezultati raziskav ultrazvočne ekstrakcije pektina

Paradižnikovi odpadki: Da bi se izognili dolgim časom ekstrakcije (12–24 h) pri postopku pod refluksom, so uporabili ultrazvočno obdelavo za časovno intenzifikacijo ekstrakcijskega procesa (15, 30, 45, 60 in 90 min). Odvisno od časa ekstrakcije so bili izkoristki pektina pri prvem koraku ultrazvočne ekstrakcije pri temperaturah 60°C in 80°C 15,2–17,2% oziroma 16,3–18,5%. Ko so izvedli drugi korak ultrazvočne ekstrakcije, se je izkoristek pektinov iz paradižnikovih odpadkov povečal na 34–36%, odvisno od temperatur in časov). Očitno ultrazvočna ekstrakcija poveča razrušitev matriksa celičnih sten paradižnika, kar izboljša interakcije med topilom in ekstrahiranim materialom.
Ultrazvočno ekstrahirane pektine lahko uvrstimo med pektine z visoko vsebnostjo metoksilnih skupin (HM-pektin) z lastnostmi hitrega želiranja (DE > 70%) in stopnjo esterifikacije 73,3–85,4%. n. Izmerjena vsebnost kalcijevega pektata v ultrazvočno ekstrahiranem pektinu je bila med 41,4% in 97,5%, odvisno od ekstrakcijskih parametrov (temperature in časa). Pri višji temperaturi ultrazvočne ekstrakcije so vsebnosti kalcijevega pektata višje (91–97%) in kot take predstavljajo pomemben parameter želirne sposobnosti pektina v primerjavi s konvencionalno ekstrakcijo.
Konvencionalna ekstrakcija s topilom, ki traja 24 ur, daje podobne izkoristke pektina kot 15 min ultrazvočne ekstrakcijske obdelave. Na podlagi dobljenih rezultatov lahko sklepamo, da ultrazvočna obdelava občutno skrajša čas ekstrakcije. Spektroskopiji NMR in FTIR potrjujeta prisotnost pretežno esterificiranega pektina v vseh preučenih vzorcih. [Grassino et al. 2016]

Lupina pasijonke: Izkoristek ekstrakcije, galakturonsko kislino in stopnjo esterifikacije so obravnavali kot kazalnike učinkovitosti ekstrakcije. Najvišji izkoristek pektina, pridobljenega z ultrazvočno podprto ekstrakcijo, je bil 12,67% (ekstrakcijski pogoji: 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 in 10 min). Pri enakih pogojih so izvedli konvencionalno ekstrakcijo s segrevanjem, rezultat pa je bil 7,95%. Ti rezultati so skladni z drugimi raziskavami, ki poročajo o kratkem času za učinkovito ultrazvočno podprto ekstrakcijo polisaharidov, vključno s pektinom, hemicelulozami in drugimi vodotopnimi polisaharidi. Opazili so tudi, da se je izkoristek ekstrakcije pri ultrazvočni podpori povečal za faktor 1,6. Dobljeni rezultati so pokazali, da je ultrazvok učinkovita tehnika za ekstrakcijo pektina iz lupine pasijonke, ki prihrani čas. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Kladodiji opuncije: Ultrazvočno podprto ekstrakcijo (UAE) pektina iz kladodijev Opuntia ficus indica (OFI) po odstranitvi sluzi so poskusili izvesti z metodologijo odzivne površine. Procesne spremenljivke so optimizirali z izovariantnim centralnim kompozitnim načrtom, da bi izboljšali izkoristek ekstrakcije pektina. Dobljeni optimalni pogoji so bili: čas sonikacije 70 min, temperatura 70, pH 1,5 in razmerje med vodo in materialom 30 ml/g. Te pogoje so validirali, izkoristek eksperimentalne ekstrakcije pa je bil 18,14% ± 1,41%, kar se je tesno ujemalo z napovedano vrednostjo (19,06%). Ultrazvočna ekstrakcija tako predstavlja obetavno alternativo konvencionalnemu ekstrakcijskemu procesu zaradi svoje visoke učinkovitosti, dosežene v krajšem času in pri nižjih temperaturah. Pektin, ekstrahiran z ultrazvočno ekstrakcijo iz kladodijev OFI (UAEPC), ima nizko stopnjo esterifikacije, visoko vsebnost uronske kisline, pomembne funkcionalne lastnosti in dobro antiradikalsko aktivnost. Ti rezultati podpirajo uporabo UAEPC kot potencialnega aditiva v živilski industriji. [Bayar et al. 2017]

Grozdne tropine: V raziskovalnem članku »Ultrazvočno podprta ekstrakcija pektinov iz grozdnih tropin z uporabo citronske kisline: pristop z metodologijo odzivne površine« se sonikacija uporablja za ekstrakcijo pektinov iz grozdnih tropin s citronsko kislino kot ekstrakcijskim sredstvom. Glede na metodologijo odzivne površine je najvišji izkoristek pektina (∼32,3%) mogoče doseči, kadar se ultrazvočna ekstrakcija izvaja pri 75ºC 60 min z uporabo raztopine citronske kisline s pH 2,0. Ti pektinski polisaharidi, sestavljeni predvsem iz enot galakturonske kisline (∼97% vseh sladkorjev), imajo povprečno molekulsko maso 163,9kDa in stopnjo esterifikacije (DE) 55,2%.
Morfologija površine sonikiranih grozdnih tropin kaže, da ima sonikacija pomembno vlogo pri razrušitvi rastlinskega tkiva in povečanju izkoristkov ekstrakcije. Izkoristek, dobljen po ultrazvočni ekstrakciji pektinov pri optimalnih pogojih (75°C, 60 min, pH 2,0), je bil 20% višji od izkoristka ekstrakcije pri enakih pogojih temperature, časa in pH, vendar brez ultrazvočne podpore. Poleg tega so imeli pektini iz ultrazvočne ekstrakcije tudi višjo povprečno molekulsko maso. [Minjares-Fuentes et al. 2014]