Ултразвучна екстракција пектина из воћа и биолошког отпада
- Пектини су веома често коришћени адитиви за храну, који се углавном додају због ефеката желирања.
- Ултразвучна екстракција значајно повећава принос и квалитет екстракта пектина.
- Соникација је позната по својим ефектима интензивирања процеса, који се већ користе у многим индустријским процесима.
Пектини и екстракција пектина
Пектин је природни комплексни полисахарид (хетерополисахарид) који се налази посебно у ћелијским зидовима воћа, посебно у цитрусном воћу и коми јабуке. Висок садржај пектина налази се у корама воћа и јабуке и цитруса. Комина јабуке садржи 10-15% пектина на бази суве материје, док кора цитруса садржи 20-30%. Пектини су биокомпатибилни, биоразградиви и обновљиви и показују одлична својства желирања и згушњавања, што их чини високо цењеним адитивом. Пектини се широко користе у храни, козметици и фармацеутским производима као модификатор реологије као што су емулгатор, агенс за желирање, агенс за застакљивање, стабилизатор и згушњивач.
Конвенционална екстракција пектина за индустријску примену изводи се коришћењем процеса катализованих киселином (коришћењем азотне, хлороводоничне или сумпорне киселине). Екстракција катализована киселином је најчешћи процес у индустријској производњи пектина, јер су друге технике екстракције, као што су директно кључање (60ºЦ-100ºЦ) до 24 сата и низак пХ (1,0-3,0) споре и ниске приноса и могу изазвати термичку деградација екстрахованог влакна и принос пектина је понекад ограничен условима процеса. Међутим, екстракција катализована киселином такође има своје недостатке: Оштар третман киселином изазива деполимеризацију и деестерификацију ланаца пектина, што негативно утиче на квалитет пектина. Производња великих количина киселих ефлуента захтева накнадну обраду и скуп третман рециклирања, што процес чини оптерећењем за животну средину.
Ултразвучна екстракција пектина
Ултразвучна екстракција је благ, нетермички третман, који се примењује на вишеструке прехрамбене процесе. Што се тиче екстракције пектина из воћа и поврћа, соницатион производи пектин високог квалитета. Ултразвучно екстраховани пектини се истичу својим садржајем анхидроуронске киселине, метоксила и калцијум пектата, као и степеном естерификације. Благи услови ултразвучне екстракције спречавају термичку деградацију пектина осетљивих на топлоту.
Квалитет и чистоћа пектина могу варирати у зависности од анхидрогалактуронске киселине, степена естерификације, садржаја пепела екстрахованог пектина. Пектин високе молекуларне тежине и ниског садржаја пепела (испод 10%) са високим садржајем анхидрогалактуронске киселине (изнад 65%) је познат као пектин доброг квалитета. Пошто се интензитет ултразвучног третмана може врло прецизно контролисати, на својства екстракта пектина може се утицати подешавањем амплитуде, температуре екстракције, притиска, времена задржавања и растварача.
Ултразвучна екстракција се може изводити помоћу различитих растварачи као што су вода, лимунска киселина, раствор азотне киселине (ХНО3, пХ 2,0), или амонијум оксалат/оксална киселина, што такође омогућава интеграцију ултразвука у постојеће линије за екстракцију (ретро-фиттинг).
- висок капацитет желирања
- добра дисперзибилност
- пектинска боја
- висок калцијум пектат
- мање деградације
- еколошки
Воћни отпад као извор: Ултразвук високих перформанси је већ успешно примењен за изоловање пектина из комине јабуке, коре агрума (као што су поморанџе, лимуна, грејпфрута), комине грожђа, нара, пулпе шећерне репе, коре змајевог воћа, кладода од бодљикаве крушке, коре маракује, и коре од манга.
Преципитација пектина након ултразвучне екстракције
Додавање етанола у раствор екстракта може помоћи да се пектин одвоји кроз процес који се назива преципитација. Пектин, комплексни полисахарид који се налази у ћелијским зидовима биљака, растворљив је у води у нормалним условима. Међутим, променом окружења растварача додатком етанола, растворљивост пектина се може смањити, што доводи до његовог таложења из раствора.
Хемија која стоји иза таложења пектина коришћењем етанола може се објаснити са три реакције:
- Поремећај водоничних веза: Молекули пектина се држе заједно водоничним везама, које доприносе њиховој растворљивости у води. Етанол прекида ове водоничне везе такмичећи се са молекулима воде за места везивања на молекулима пектина. Како молекули етанола замењују молекуле воде око молекула пектина, водоничне везе између молекула пектина слабе, смањујући њихову растворљивост у растварачу.
- Смањен поларитет растварача: Етанол је мање поларан од воде, што значи да има мању способност да раствара поларне супстанце попут пектина. Како се етанол додаје у раствор екстракта, укупни поларитет растварача се смањује, што чини мање повољним за молекуле пектина да остану у раствору. Ово доводи до таложења пектина из раствора јер постаје мање растворљив у мешавини етанол-вода.
- Повећана концентрација пектина: Како се молекули пектина таложе из раствора, концентрација пектина у преосталом раствору се повећава. Ово омогућава лакше одвајање пектина из течне фазе кроз филтрацију или центрифугирање.
Преципитација пектина коришћењем етанола је једноставна и ефикасна метода за изоловање пектина из раствора екстракта, што је процесни корак који се лако може покренути након ултразвучне екстракције пектина. Додавање етанола у раствор екстракта мења окружење растварача на начин који смањује растворљивост пектина, што доводи до његовог таложења и накнадног одвајања од раствора. Ова техника се обично користи у екстракцији и пречишћавању пектина из биљних материјала за различите индустријске и прехрамбене примене.
- Већи принос
- бољи квалитет
- нетермички
- смањено време екстракције
- интензивирање процеса
- могућа накнадна уградња
- Зелена екстракција
Ултрасоникатори високих перформанси
Хиелсцхер Ултрасоницс је ваш партнер за процесе екстракције из биљака. Без обзира да ли желите да издвојите мале количине за истраживање и анализу или да обрађујете велике количине за комерцијалну производњу, ми имамо одговарајући ултразвучни екстрактор за вас. Наши ултразвучни лабораторијски хомогенизатори, као и наши стони и индустријски соникатори су робусни, једноставни за употребу и направљени за 24/7 рад под пуним оптерећењем. Широк спектар додатака као што су сонотроде (ултразвучне сонде / рогови) различитих величина и облика, проточне ћелије и реактори и појачивачи омогућавају оптимално подешавање за ваш специфичан процес екстракције.
Све дигиталне ултразвучне машине опремљене су екраном на додир у боји, интегрисаном СД картицом за аутоматско протоколирање података и даљинским управљачем претраживача за свеобухватно праћење процеса. Са Хиелсцхер-овим софистицираним ултразвучним системима, висока стандардизација процеса и контрола квалитета су једноставни.
Контактирајте нас данас да разговарамо о захтевима вашег процеса екстракције пектина! Биће нам драго да Вам помогнемо нашим дугогодишњим искуством у ултразвучној екстракцији и да Вам помогнемо да постигнете највећу ефикасност процеса и оптималан квалитет пектина!
Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:
Батцх Волуме | Проток | Препоручени уређаји |
---|---|---|
10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
0.1 до 20Л | 0.2 до 4Л/мин | УИП2000хдТ |
10 до 100 л | 2 до 10 л/мин | УИП4000 |
на | 10 до 100 л/мин | УИП16000 |
на | већи | кластер оф УИП16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Резултати истраживања ултразвучне екстракције пектина
Отпад од парадајза: Да би се избегла дуга времена екстракције (12–24 х) у поступку рефлукса, коришћена је ултразвучна интензивација процеса екстракције у погледу времена (15, 30, 45, 60 и 90 мин). У зависности од времена екстракције, добијени приноси пектина за први корак ултразвучне екстракције, на температурама од 60°Ц и 80°Ц су 15,2–17,2% и 16,3–18,5%, респективно. када је примењен други корак ултразвучне екстракције, принос пектина из отпада парадајза је повећан на 34–36%, у зависности од температуре и времена). Очигледно, ултразвучна екстракција повећава руптуру матрице ћелијског зида парадајза, што доводи до бољих интеракција између растварача и екстрахованог материјала.
Ултразвучно екстраховани пектини могу се категорисати као пектини са високим метоксилним садржајем (ХМ-пектин) са својствима брзог гелирања (ДЕ > 70%) и степен естерификације од 73,3–85,4%. н. Садржај калцијум пектата у ултразвучно екстрахованом пектину измерен је између 41,4% до 97,5%, у зависности од параметара екстракције (температура и време). При вишој температури ултразвучне екстракције, садржај калцијум пектата је већи (91–97%) и као такав представља важан параметар способности желирања пектина у поређењу са конвенционалном екстракцијом.
Конвенционална екстракција растварачем у трајању од 24 сата даје сличне приносе пектина у поређењу са третманом ултразвучне екстракције од 15 минута. С обзиром на добијене резултате може се закључити да ултразвучни третман значајно смањује време екстракције. НМР и ФТИР спектроскопија потврђују постојање претежно естерификованог пектина у свим испитиваним узорцима. [Грасино ет ал. 2016]
Кора од маракује: Као индикатори ефикасности екстракције сматрани су принос екстракције, галактуронска киселина и степен естерификације. највећи принос пектина добијен екстракцијом уз помоћ ултразвука био је 12,67% (услови екстракције 85ºЦ, 664 В/цм2, пХ 2,0 и 10 мин). За ове исте услове извршена је конвенционална екстракција грејањем и резултат је био 7,95%. Ови резултати су у складу са другим студијама, које наводе кратко време за ефикасну екстракцију полисахарида, укључујући пектин, хемицелулозе и друге полисахариде растворљиве у води, уз помоћ ултразвука. Такође је примећено да се принос екстракције повећао 1,6 пута када је екстракција била потпомогнута ултразвуком. Добијени резултати су показали да је ултразвук ефикасна техника која штеди време за екстракцију пектина из коре маракује. [Фреитас де Оливеира ет ал. 2016]
Кладоде од опунције: Ултразвучна потпомогнута екстракција (УАЕ) пектина из кладода Опунтиа фицус индица (ОФИ) након уклањања слузи је покушана коришћењем методологије површине одговора. Процесне варијабле су оптимизоване изоваријантним централним композитним дизајном како би се побољшао принос екстракције пектина. Добијени оптимални услови су: време соникације 70 мин, температура 70, пХ 1,5 и однос воде и материјала 30 мл/г. Ово стање је потврђено и учинак експерименталне екстракције био је 18,14% ± 1,41%, што је било уско повезано са предвиђеном вредношћу (19,06%). Дакле, ултразвучна екстракција представља обећавајућу алтернативу конвенционалном процесу екстракције захваљујући својој високој ефикасности која је постигнута за краће време и на нижим температурама. Пектин екстрахован ултразвучном екстракцијом из ОФИ кладода (УАЕПЦ) има низак степен естерификације, висок садржај уронске киселине, важна функционална својства и добру анти-радикалну активност. Ови резултати говоре у прилог употреби УАЕПЦ као потенцијалног адитива у прехрамбеној индустрији. [Баиар ет ал. 2017]
Комина од грожђа: У истраживачком раду „Ултразвучна екстракција пектина из комине грожђа коришћењем лимунске киселине: приступ методологији површине одговора“, соникација се користи за екстракцију пектина из комине грожђа са лимунском киселином као агенсом за екстракцију. Према методологији Респонсе Сурфаце, највећи принос пектина (∼32,3%) може се постићи када се процес ултразвучне екстракције изводи на 75ºЦ током 60 минута коришћењем раствора лимунске киселине пХ 2,0. Ови пектински полисахариди, састављени углавном од јединица галактуронске киселине (∼97% укупних шећера), имају просечну молекулску тежину од 163,9 кДа и степен естерификације (ДЕ) од 55,2%.
Морфологија површине соникиране комине грожђа показује да соникација игра важну улогу у разбијању биљног ткива и повећању приноса екстракције. Принос добијен после ултразвучне екстракције пектина у оптималним условима (75°Ц, 60 мин, пХ 2,0) био је 20% већи од приноса добијеног када је екстракција спроведена применом истих услова температуре, времена и пХ, али без ултразвучна помоћ. Поред тога, пектини из ултразвучне екстракције такође су показали већу просечну молекулску тежину. [Мињарес-Фуентес ет ал. 2014]
Литература/Референце
- Bayar N., Bouallegue T., Achour M., Kriaa M., Bougatef A., Kammoun R. (2017): Ultrasonic extraction of pectin from Opuntia ficus indica cladodes after mucilage removal: Optimization of experimental conditions and evaluation of chemical and functional properties. Ultrasonic pectin extraction from prickly pear cladodes. Food Chemistry 235, 2017.
- Raffaella Boggia, Federica Turrini, Carla Villa, Chiara Lacapra, Paola Zunin, Brunella Parodi (2016): Green Extraction from Pomegranate Marcs for the Production of Functional Foods and Cosmetics. Pharmaceuticals (Basel). 2016 Dec; 9(4): 63.
- Cibele Freitas de Oliveira, Diego Giordani, Rafael Lutckemier, Poliana Deyse Gurak, Florencia Cladera-Olivera, Ligia Damasceno Ferreira Marczak (2016): Extraction of pectin from passion fruit peel assisted by ultrasound. LWT – Food Science and Technology 71, 2016. 110-115.
- Antonela Nincevic Grassino, Mladen Brncic, Drazen Vikic-Topic, Suncica Roca, Maja Dent, Suzana Rimac Brncíc (2016): Ultrasound assisted extraction and characterization of pectin from tomato waste. Food Chemistry 198 (2016) 93–100.
- Krauser, S.; Saeed, A.; Iqbal, M. (2015): Comparative Studies on Conventional (Water-Hot Acid) and Non-Conventional (Ultrasonication) Procedures for Extraction and Chemical Characterization of Pectin from Peel Waste of Mango Cultivar Chausna. Pak. J. Bot., 47(4): 1527-1533, 2015.
- R. Minjares-Fuentes, A. Femenia, M.C. Garaua, J.A. Meza-Velázquez, S. Simal, C. Rosselló (2014): Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach. Carbohydrate Polymers 106 (2014) 179–189.
Чињенице које вреди знати
пектин
Пектин је природни хетерополисахарид, који се углавном налази у воћу као што су комина јабуке и цитруси. Пектини, такође познати као пектински полисахариди, богати су галактуронском киселином. Унутар пектинске групе идентификовано је неколико различитих полисахарида. Хомогалактуронани су линеарни ланци α-(1–4)-повезане Д-галактуронске киселине. Супституисане галактуронане карактерише присуство сахаридних додатака (као што су Д-ксилоза или Д-апиоза у одговарајућим случајевима ксилогалактуронана и апиогалактуронана) који се гранају од кичме остатака Д-галактуронанске киселине. Пектини рамногалактуронана И (РГ-И) садрже окосницу дисахарида који се понавља: 4)-α-Д-галактуронске киселине-(1,2)-α-Л-рамнозе-(1. Многи остаци рамнозе имају бочне ланце различитих неутралних шећера Неутрални шећери су углавном Д-галактоза, Л-арабиноза и Д-ксилоза.
Други структурни тип пектина је рамногалактуронан ИИ (РГ-ИИ), који је сложен, високо разгранати полисахарид и ређе се налази у природи. Кичма рамногалактуронана ИИ састоји се искључиво од јединица Д-галактурона. Изоловани пектин има молекулску тежину од 60.000 до 130.000 г/мол, која варира у зависности од порекла и услова екстракције.
Пектини су важан адитив са многоструком применом у прехрамбеној, фармацеутској, као иу другим индустријама. Употреба пектина заснива се на њиховој високој способности да формира гел у присуству Ца2+ јони или раствор при ниском пХ. Постоје два облика пектина: нискометоксил пектин (ЛМП) и високо-метоксил пектин (ХМП). Две врсте пектина се разликују по степену метилације (ДМ). У зависности од метилатиона, пектин може бити или високо метокси пектин (ДМ>50) или нискометокси пектин (ДМ<50). Висок метокси пектин карактерише његова способност да формира гелове у киселој средини (пХ 2,0-3,5) под претпоставком да је присутна сахароза у концентрацији од најмање 55 теж% или више. Нискометокси пектин може да формира гелове у већем пХ опсегу (2,0-6,0) у присуству двовалентног јона, као што је калцијум.
Што се тиче гелирања високо-метоксил пектина, умрежавање молекула пектина настаје услед водоничних веза и хидрофобних интеракција између молекула. Са ниским садржајем метоксил пектина, гелирање се добија из јонске везе преко калцијумових мостова између две карбоксилне групе које припадају два различита ланца у непосредној близини један од другог.
Фактори као што су пХ, присуство других растворених материја, величина молекула, степен метоксилације, број и положај бочних ланаца и густина наелектрисања на молекулу утичу на својства гелирања пектина. Разликују се две врсте пектина по својој растворљивости. Постоји пектин растворљив у води или слободан и пектин нерастворљив у води. Растворљивост пектина у води је повезана са његовим степеном полимеризације и количином и положајем метоксил група. Уопштено говорећи, растворљивост пектина у води расте са смањењем молекулске масе и повећањем естерификованих карбоксилних група. Међутим, пХ, температура и врста присутне супстанце такође утичу на растворљивост.
Квалитет комерцијално коришћеног пектина обично је више одређен његовом дисперзивношћу него апсолутном растворљивошћу. Када се у воду дода суви пектин у праху, познато је да настаје тзв “Рибље очи”. Ове рибље очи су грудвице настале услед брзе хидратације праха. “Рибље око” грудвице имају суво, ненавлажено пектинско језгро, које је обложено високо хидратисаним спољним слојем влажног праха. Такве грудве је тешко правилно наквасити и врло споро се распршују.
Употреба пектина
У прехрамбеној индустрији пектин се додаје у мармеладе, воћне намазе, џемове, желее, напитке, сосове, смрзнуту храну, кондиторске и пекарске производе. Пектин се користи у кондиторским желеима да би дао добру структуру гела, чист залогај и да би дао добро ослобађање укуса. Пектин се такође користи за стабилизацију киселих протеинских напитака, као што је јогурт за пиће, за побољшање текстуре, осећаја у устима и стабилности пулпе у пићима на бази сока и као замена за масноћу у пекарским производима. За мање калорије/нискокалоричне, пектини се додају као замена за масти и/или шећер.
У фармацеутској индустрији се користи за смањење нивоа холестерола у крви и гастроинтестиналних поремећаја.
Друге индустријске примене пектина укључују његову примену у јестивим филмовима, као стабилизатор емулзије за емулзије воде/уља, као модификатор реологије и пластификатор, као средство за одређивање величине за папир и текстил итд.
Извори пектина
Иако се пектин може наћи у ћелијским зидовима већине биљака, комина јабуке и кора поморанџе су два главна извора комерцијално произведених пектина јер су њихови пектини изузетног квалитета. Други извори често показују лоше понашање при гелирању. У воћу, поред јабуке и цитруса, по високој количини пектина познате су брескве, кајсије, крушке, гуаве, дуње, шљиве, огрозд. Међу поврћем, парадајз, шаргарепа и кромпир су познати по високом садржају пектина.
парадајз
Милиони тона парадајза (Лицоперсицон есцулентум Милл.) се годишње прерађују за производњу производа као што су сок од парадајза, паста, пире, кечап, сос и салса, што доводи до стварања великих количина отпада. Отпад парадајза, добијен пресовањем парадајза, састоји се од 33% семена, 27% кожице и 40% пулпе, док сушена комина парадајза садржи 44% семена и 56% пулпе и кожице. Отпад парадајза је одличан извор за производњу пектина.