การสกัดเพกทินจากผลไม้และของเสียชีวภาพด้วยอัลตราซาวนด์

• เพกทินเป็นวัตถุเจือปนอาหารที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมาก โดยส่วนใหญ่เติมเพื่อให้เกิดเจล
• การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์เพิ่มผลได้และคุณภาพของสารสกัดเพกทินอย่างมีนัยสำคัญ
• การใช้อัลตราซาวนด์เป็นที่รู้จักในด้านการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ ซึ่งมีการนำมาใช้แล้วในกระบวนการอุตสาหกรรมหลากหลายประเภท

เพกทินและการสกัดเพกทิน

เพกทินเป็นพอลิแซ็กคาไรด์เชิงซ้อนตามธรรมชาติ (เฮเทอโรพอลิแซ็กคาไรด์) ที่พบโดยเฉพาะในผนังเซลล์ของผลไม้ โดยเฉพาะผลไม้ตระกูลส้มและกากแอปเปิล เปลือกของทั้งแอปเปิลและผลไม้ตระกูลส้มมีปริมาณเพกทินสูง กากแอปเปิลมีเพกทิน 10–15% เมื่อคำนวณบนฐานวัตถุแห้ง ส่วนเปลือกผลไม้ตระกูลส้มมีเพกทิน 20–30% เพกทินเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่เข้ากันได้กับระบบชีวภาพ ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และผลิตทดแทนได้ โดยมีความสามารถในการเกิดเจลและเพิ่มความข้นได้อย่างยอดเยี่ยม จึงเป็นสารเติมแต่งที่มีคุณค่าสูง มีการใช้เพกทินอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์อาหาร เครื่องสำอาง และเภสัชภัณฑ์เพื่อปรับสมบัติทางรีโอโลยี โดยทำหน้าที่เป็นสารก่อเจล สารเคลือบเงา สารทำให้คงตัว และสารเพิ่มความข้น รวมถึงเป็นสารทำอิมัลชันในบางสูตร การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการแยกเพกทินคุณภาพสูงจากเปลือกและกากผลไม้ โดยเพิ่มผลได้พร้อมกับลดระยะเวลาการแปรรูปและต้นทุนโดยรวม

การสกัดเพกทินแบบดั้งเดิมสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมดำเนินการด้วยกระบวนการที่ใช้กรดเป็นตัวเร่ง (ใช้กรดไนตริก กรดไฮโดรคลอริก หรือกรดซัลฟิวริก) การสกัดที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งเป็นกระบวนการที่ใช้บ่อยที่สุดในการผลิตเพกทินระดับอุตสาหกรรม เนื่องจากเทคนิคการสกัดอื่น ๆ เช่น การต้มโดยตรง (60ºC–100ºC) เป็นเวลานานถึง 24 ชั่วโมง และการใช้ pH ต่ำ (1.0–3.0) ดำเนินไปอย่างช้า ๆ และให้ผลได้ต่ำ อีกทั้งอาจทำให้เส้นใยที่สกัดได้เสื่อมสภาพจากความร้อน และบางครั้งผลได้ของเพกทินก็ถูกจำกัดด้วยสภาวะของกระบวนการ อย่างไรก็ตาม การสกัดที่ใช้กรดเป็นตัวเร่งก็มีข้อเสียเช่นกัน: การบำบัดด้วยกรดอย่างรุนแรงทำให้สายโซ่เพกทินเกิดการสลายพอลิเมอร์และการสลายเอสเทอร์ ซึ่งส่งผลเสียต่อคุณภาพของเพกทิน การเกิดน้ำทิ้งที่เป็นกรดในปริมาณมากจำเป็นต้องมีกระบวนการบำบัดภายหลังและการบำบัดเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ที่มีค่าใช้จ่ายสูง ทำให้กระบวนการนี้เป็นภาระต่อสิ่งแวดล้อม

การสกัดเพกทินด้วยอัลตราซาวนด์

การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์เป็นการบำบัดที่อ่อนโยนและไม่ใช้ความร้อน ซึ่งนำไปใช้ในกระบวนการด้านอาหารหลากหลายประเภท สำหรับการสกัดเพกทินจากผักและผลไม้ การใช้อัลตราซาวนด์ให้เพกทินที่มีคุณภาพสูง เพกทินที่สกัดด้วยอัลตราซาวนด์มีความโดดเด่นในด้านปริมาณกรดแอนไฮโดรยูโรนิก หมู่เมทอกซิล และแคลเซียมเพกเทต รวมถึงระดับการเกิดเอสเทอร์ สภาวะที่อ่อนโยนของการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยป้องกันการเสื่อมสภาพจากความร้อนของเพกทินที่ไวต่อความร้อน
คุณภาพและความบริสุทธิ์ของเพกทินอาจแตกต่างกันตามปริมาณกรดแอนไฮโดรกาแล็กทูโรนิก ระดับการเกิดเอสเทอร์ และปริมาณเถ้าของเพกทินที่สกัดได้ เพกทินที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง มีปริมาณเถ้าต่ำ (ต่ำกว่า 10%) และมีปริมาณกรดแอนไฮโดรกาแล็กทูโรนิกสูง (สูงกว่า 65%) ถือเป็นเพกทินคุณภาพดี เนื่องจากสามารถควบคุมความเข้มของการบำบัดด้วยอัลตราซาวนด์ได้อย่างแม่นยำมาก จึงสามารถปรับสมบัติของสารสกัดเพกทินได้โดยปรับแอมพลิจูด อุณหภูมิการสกัด ความดัน เวลาพำนัก และตัวทำละลาย

 

วิดีโอนี้แนะนำการสกัดเพกทินจากเปลือกเกรปฟรุตด้วยอัลตราโซนิกที่มีประสิทธิภาพสูง โดยใช้เครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบ UP200Ht โซนิเคชันเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงในการผลิตเพกทินคุณภาพสูงในปริมาณมากจากผลพลอยได้ของผักและผลไม้ การสกัดด้วยอัลตราโซนิกให้เพกทินในปริมาณมากขึ้นและมีคุณภาพเหนือกว่า โดยใช้เวลาแปรรูปสั้นลง

 
ดูขั้นตอนการสกัดเพกทินจากเปลือกเกรปฟรุตด้วยอัลตราซาวนด์ที่สาธิตในวิดีโอด้านบนได้ที่นี่!
 

การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์สามารถดำเนินการได้โดยใช้ ตัวทำละลาย หลายชนิด เช่น น้ำ กรดซิตริก สารละลายกรดไนตริก (HNO₃, pH 2.0) หรือแอมโมเนียมออกซาเลต/กรดออกซาลิก ซึ่งยังทำให้สามารถผนวกการใช้อัลตราซาวนด์เข้ากับสายการสกัดที่มีอยู่เดิมได้ด้วย (การติดตั้งเพิ่มเติมในระบบเดิม)

ของเสียจากผลไม้เป็นแหล่งวัตถุดิบ: มีการใช้อัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงเพื่อแยกเพกทินจากกากแอปเปิล เปลือกผลไม้ตระกูลส้ม (เช่น ส้ม เลมอน เกรปฟรุต) กากองุ่น ทับทิม กากหัวบีตน้ำตาล เปลือกแก้วมังกร ลำต้นแบนของกระบองเพชรแพร์หนาม เปลือกเสาวรส และเปลือกมะม่วงได้สำเร็จแล้ว

การตกตะกอนเพกทินหลังการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์

การเติมเอทานอลลงในสารละลายสารสกัดสามารถช่วยแยกเพกทินผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการตกตะกอน เพกทินเป็นพอลิแซ็กคาไรด์เชิงซ้อนที่พบในผนังเซลล์พืช และละลายในน้ำได้ภายใต้สภาวะปกติ อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนสภาวะแวดล้อมของตัวทำละลายด้วยการเติมเอทานอลสามารถลดการละลายของเพกทิน ทำให้เพกทินตกตะกอนออกจากสารละลาย

หลักการทางเคมีของการตกตะกอนเพกทินด้วยเอทานอลสามารถอธิบายได้ด้วยปฏิกิริยาสามประการ:

• การทำลายพันธะไฮโดรเจน: โมเลกุลเพกทินยึดกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ซึ่งมีส่วนช่วยให้เพกทินละลายในน้ำ เอทานอลทำลายพันธะไฮโดรเจนเหล่านี้โดยแข่งขันกับโมเลกุลน้ำเพื่อเข้าจับที่ตำแหน่งยึดเหนี่ยวบนโมเลกุลเพกทิน เมื่อโมเลกุลเอทานอลเข้าแทนที่โมเลกุลน้ำรอบโมเลกุลเพกทิน พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลเพกทินจะอ่อนลง ทำให้การละลายในตัวทำละลายลดลง
• การลดลงของความมีขั้วของตัวทำละลาย: เอทานอลมีขั้วน้อยกว่าน้ำ หมายความว่าเอทานอลมีความสามารถในการละลายสารมีขั้วอย่างเพกทินต่ำกว่า เมื่อเติมเอทานอลลงในสารละลายสารสกัด ความมีขั้วโดยรวมของตัวทำละลายจะลดลง ทำให้สภาวะเอื้อต่อการที่โมเลกุลเพกทินจะคงอยู่ในสารละลายน้อยลง ส่งผลให้เพกทินตกตะกอนออกจากสารละลาย เนื่องจากเพกทินละลายได้น้อยลงในส่วนผสมเอทานอลกับน้ำ
• การเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นเพกทิน: เมื่อโมเลกุลเพกทินตกตะกอนออกจากสารละลาย ความเข้มข้นของเพกทินในสารละลายที่เหลืออยู่จะเพิ่มขึ้น จึงช่วยให้แยกเพกทินออกจากวัฏภาคของเหลวได้ง่ายขึ้นด้วยการกรองหรือการปั่นเหวี่ยง

การตกตะกอนเพกทินด้วยเอทานอลเป็นวิธีที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพในการแยกเพกทินจากสารละลายสารสกัด โดยเป็นขั้นตอนของกระบวนการที่สามารถดำเนินการได้ง่ายหลังการสกัดเพกทินด้วยอัลตราซาวนด์ การเติมเอทานอลลงในสารละลายสารสกัดเปลี่ยนสภาวะแวดล้อมของตัวทำละลายในลักษณะที่ลดการละลายของเพกทิน ทำให้เพกทินตกตะกอนและสามารถแยกออกจากสารละลายได้ในขั้นตอนถัดไป เทคนิคนี้ใช้กันทั่วไปในการสกัดและทำให้เพกทินจากวัตถุดิบพืชบริสุทธิ์ สำหรับการใช้งานด้านอุตสาหกรรมและอาหารหลากหลายประเภท
 
 
สนใจการเพิ่มมูลค่าให้กาก เปลือก และเนื้อผลไม้หรือไม่? – อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสกัดพอลิฟีนอลจากของเสียจากผลไม้!

เครื่องอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมสำหรับการสกัดเพกทิน

Hielscher Ultrasonics เป็นพันธมิตรของคุณสำหรับกระบวนการสกัดจากวัตถุดิบพืช เช่น กาก เปลือก และเมล็ด ไม่ว่าคุณต้องการสกัดปริมาณเล็กน้อยเพื่อการวิจัยและการวิเคราะห์ หรือแปรรูปปริมาณมากเพื่อการผลิตเชิงพาณิชย์ เรามีเครื่องสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมสำหรับคุณ เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวนด์สำหรับห้องปฏิบัติการ รวมถึงเครื่องอัลตราซาวนด์แบบตั้งโต๊ะและระดับอุตสาหกรรมของเรา มีความแข็งแรง ใช้งานง่าย และสร้างขึ้นเพื่อการทำงานแบบ 24/7 ภายใต้ภาระเต็มกำลัง อุปกรณ์เสริมที่หลากหลาย เช่น โซโนโทรด (โพรบ / ฮอร์นอัลตราซาวนด์) ที่มีขนาดและรูปทรงต่าง ๆ เซลล์การไหล เครื่องปฏิกรณ์ และบูสเตอร์ ช่วยให้สามารถจัดระบบได้อย่างเหมาะสมที่สุดสำหรับกระบวนการสกัดเฉพาะของคุณ
เครื่องอัลตราซาวนด์ดิจิทัลทุกเครื่องติดตั้งจอสัมผัสสี การ์ด SD ในตัวสำหรับบันทึกข้อมูลโดยอัตโนมัติ และระบบควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์เพื่อการติดตามกระบวนการอย่างครอบคลุม ระบบอัลตราซาวนด์ที่ทันสมัยของ Hielscher ทำให้การกำหนดมาตรฐานกระบวนการในระดับสูงและการควบคุมคุณภาพเป็นเรื่องง่าย
ติดต่อเราวันนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับข้อกำหนดของกระบวนการสกัดเพกทินของคุณ! เรายินดีให้ความช่วยเหลือด้วยประสบการณ์อันยาวนานด้านการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ และช่วยให้คุณบรรลุประสิทธิภาพกระบวนการสูงสุดและคุณภาพเพกทินที่เหมาะสมที่สุด!

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา:

ผลการวิจัยการสกัดเพกทินด้วยอัลตราซาวนด์

ของเสียจากมะเขือเทศ: เพื่อหลีกเลี่ยงเวลาการสกัดที่ยาวนาน (12–24 h) ในกระบวนการรีฟลักซ์ จึงใช้อัลตราซาวนด์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการสกัดในด้านเวลา (15, 30, 45, 60 และ 90 min) ผลได้ของเพกทินที่ได้จากการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ขั้นแรกที่อุณหภูมิ 60°C และ 80°C อยู่ที่ 15.2–17.2% และ 16.3–18.5% ตามลำดับ โดยขึ้นอยู่กับเวลาการสกัด เมื่อใช้การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ขั้นที่สอง ผลได้ของเพกทินจากของเสียจากมะเขือเทศเพิ่มขึ้นเป็น 34–36% โดยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและเวลา) เห็นได้ชัดว่าการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์เพิ่มการแตกของเมทริกซ์ผนังเซลล์มะเขือเทศ ทำให้ตัวทำละลายกับวัตถุดิบที่นำมาสกัดมีปฏิสัมพันธ์กันดีขึ้น
เพกทินที่สกัดด้วยอัลตราซาวนด์สามารถจัดเป็นเพกทินที่มีเมทอกซิลสูง (HM-pectin) ซึ่งมีสมบัติการเกิดเจลแบบเซตตัวเร็ว (DE > 70%) และมีระดับการเกิดเอสเทอร์ 73.3–85.4%. n. ปริมาณแคลเซียมเพกเทตในเพกทินที่สกัดด้วยอัลตราซาวนด์วัดได้ระหว่าง 41.4% ถึง 97.5% โดยขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การสกัด (อุณหภูมิและเวลา) เมื่ออุณหภูมิการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์สูงขึ้น ปริมาณแคลเซียมเพกเทตจะสูงขึ้น (91–97%) จึงเป็นพารามิเตอร์สำคัญของความสามารถในการเกิดเจลของเพกทินเมื่อเทียบกับการสกัดแบบดั้งเดิม
การสกัดด้วยตัวทำละลายแบบดั้งเดิมเป็นเวลา 24 ชั่วโมงให้ผลได้ของเพกทินใกล้เคียงกับการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเวลา 15 min จากผลที่ได้สามารถสรุปได้ว่าการใช้อัลตราซาวนด์ลดเวลาการสกัดลงอย่างมาก สเปกโทรสโกปี NMR และ FTIR ยืนยันว่าเพกทินในตัวอย่างทั้งหมดที่ตรวจสอบส่วนใหญ่เป็นเพกทินที่เกิดเอสเทอร์ [Grassino et al. 2016]

เปลือกเสาวรส: ใช้ผลได้จากการสกัด กรดกาแล็กทูโรนิก และระดับการเกิดเอสเทอร์เป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพการสกัด ผลได้สูงสุดของเพกทินที่ได้จากการสกัดโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยอยู่ที่ 12.67% (สภาวะการสกัด 85ºC, 664 W/cm2, pH 2.0 และ 10 min) เมื่อดำเนินการสกัดด้วยความร้อนแบบดั้งเดิมภายใต้สภาวะเดียวกันนี้ ผลที่ได้อยู่ที่ 7.95% ผลเหล่านี้สอดคล้องกับการศึกษาอื่น ๆ ที่รายงานว่าการสกัดพอลิแซ็กคาไรด์อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยใช้เวลาสั้น ซึ่งรวมถึงเพกทิน เฮมิเซลลูโลส และพอลิแซ็กคาไรด์ที่ละลายน้ำชนิดอื่น ๆ นอกจากนี้ยังพบว่าผลได้จากการสกัดเพิ่มขึ้น 1.6 เท่าเมื่อใช้อัลตราซาวนด์ช่วยในการสกัด ผลที่ได้แสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและประหยัดเวลาสำหรับการสกัดเพกทินจากเปลือกเสาวรส [Freitas de Oliveira et al. 2016]

ลำต้นแบนของกระบองเพชรแพร์หนาม: ได้ทดลองสกัดเพกทินโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วย (UAE) จากลำต้นแบนของ Opuntia ficus indica (OFI) หลังการกำจัดสารเมือก โดยใช้วิธีพื้นผิวตอบสนอง ตัวแปรกระบวนการได้รับการปรับให้เหมาะสมด้วยการออกแบบการทดลองแบบส่วนประสมกลางชนิดความแปรปรวนคงที่ เพื่อเพิ่มผลได้ของการสกัดเพกทิน สภาวะที่เหมาะสมที่สุดที่ได้คือ: เวลาใช้อัลตราซาวนด์ 70 min อุณหภูมิ 70, pH 1.5 และอัตราส่วนน้ำต่อวัตถุดิบ 30 ml/g สภาวะนี้ได้รับการตรวจสอบยืนยัน และผลได้จากการสกัดในการทดลองอยู่ที่ 18.14% ± 1.41% ซึ่งใกล้เคียงกับค่าที่คาดการณ์ไว้ (19.06%) ดังนั้น การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์จึงเป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มดีสำหรับกระบวนการสกัดแบบดั้งเดิม ด้วยประสิทธิภาพสูงที่ทำได้โดยใช้เวลาน้อยลงและอุณหภูมิต่ำลง เพกทินที่สกัดด้วยอัลตราซาวนด์จากลำต้นแบนของ OFI (UAEPC) มีระดับการเกิดเอสเทอร์ต่ำ ปริมาณกรดยูโรนิกสูง สมบัติเชิงหน้าที่ที่สำคัญ และฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระที่ดี ผลเหล่านี้สนับสนุนการใช้ UAEPC เป็นสารเติมแต่งที่มีศักยภาพในอุตสาหกรรมอาหาร [Bayar et al. 2017]

กากองุ่น: ในบทความวิจัยเรื่อง “การสกัดเพกทินจากกากองุ่นโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยร่วมกับกรดซิตริก: แนวทางด้วยวิธีพื้นผิวตอบสนอง” มีการใช้อัลตราซาวนด์เพื่อสกัดเพกทินจากกากองุ่น โดยใช้กรดซิตริกเป็นสารสกัด ตามวิธีพื้นผิวตอบสนอง สามารถให้ผลได้เพกทินสูงสุด (∼32.3%) เมื่อดำเนินกระบวนการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ที่ 75ºC เป็นเวลา 60 min โดยใช้สารละลายกรดซิตริกที่มี pH 2.0 พอลิแซ็กคาไรด์กลุ่มเพกทินเหล่านี้ ซึ่งมีหน่วยกรดกาแล็กทูโรนิกเป็นองค์ประกอบหลัก (∼97% ของน้ำตาลทั้งหมด) มีน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ย 163.9kDa และระดับการเกิดเอสเทอร์ (DE) 55.2%
สัณฐานวิทยาของพื้นผิวกากองุ่นที่ผ่านอัลตราซาวนด์แสดงให้เห็นว่าการใช้อัลตราซาวนด์มีบทบาทสำคัญในการสลายเนื้อเยื่อพืชและเพิ่มผลได้จากการสกัด ผลได้ที่ได้หลังการสกัดเพกทินด้วยอัลตราซาวนด์ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด (75°C, 60 min, pH 2.0) สูงกว่าผลได้จากการสกัดภายใต้สภาวะอุณหภูมิ เวลา และ pH เดียวกัน แต่ไม่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วยอยู่ 20% นอกจากนี้ เพกทินจากการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ยังมีน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยสูงกว่าด้วย [Minjares-Fuentes et al. 2014]