การสกัดเพคตินอัลตราโซนิกจากผลไม้และขยะชีวภาพ

• เพคตินเป็นวัตถุเจือปนอาหารที่ใช้บ่อยมาก ซึ่งส่วนใหญ่ถูกเติมเพื่อผลการเกิดเจล
• การสกัดด้วยอัลตราโซนิกช่วยเพิ่มผลผลิตและคุณภาพของสารสกัดจากเพคตินได้อย่างมาก
• Sonication เป็นที่รู้จักกันดีสําหรับผลการเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการซึ่งใช้แล้วในกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่หลากหลาย

การสกัดเพคตินและเพคติน

เพคตินเป็นโพลีแซ็กคาไรด์เชิงซ้อนตามธรรมชาติ (heteropolysaccharide) ที่พบโดยเฉพาะในผนังเซลล์ของผลไม้โดยเฉพาะในผลไม้รสเปรี้ยวและกากแอปเปิ้ล พบปริมาณเพคตินสูงในเปลือกผลไม้ของทั้งแอปเปิ้ลและผลไม้รสเปรี้ยว กากแอปเปิ้ลมีเพคติน 10-15% บนพื้นฐานของวัตถุแห้งในขณะที่เปลือกส้มมี 20-30% เพคตินเข้ากันได้ทางชีวภาพ ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และหมุนเวียนได้ และมีคุณสมบัติในการก่อเจลและข้นขึ้นมา ซึ่งทําให้เป็นสารเติมแต่งที่มีมูลค่าสูง เพคตินใช้กันอย่างแพร่หลายในอาหารเครื่องสําอางและผลิตภัณฑ์ยาเป็นตัวดัดแปลงรีโอโลยีเช่นอิมัลซิไฟเออร์สารเจลสารเคลือบสารทําให้คงตัวและสารเพิ่มความข้น
การสกัดเพคตินแบบธรรมดาสําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมดําเนินการโดยใช้กระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยกรด (โดยใช้กรดไนตริก ไฮโดรคลอริก หรือซัลฟิวริก) การสกัดด้วยกรดเป็นกระบวนการที่พบบ่อยที่สุดในการผลิตเพคตินในอุตสาหกรรม เนื่องจากเทคนิคการสกัดอื่นๆ เช่น การต้มโดยตรง (60ºC-100ºC) นานถึง 24 ชั่วโมงและค่า pH ต่ํา (1.0-3.0) นั้นช้าและให้ผลผลิตต่ํา และอาจทําให้เกิดการเสื่อมสภาพทางความร้อนของเส้นใยที่สกัดได้ และบางครั้งผลผลิตเพคตินถูกจํากัดโดยเงื่อนไขของกระบวนการ อย่างไรก็ตาม การสกัดด้วยกรดก็มีข้อเสียเช่นกัน: การบําบัดด้วยกรดที่รุนแรงทําให้เกิดการดีพอลิเมอไรเซชันและดีเอสเทอริฟิเคชันของสายเพคติน ซึ่งส่งผลเสียต่อคุณภาพของเพคติน การผลิตน้ําทิ้งที่เป็นกรดจํานวนมากจําเป็นต้องมีการแปรรูปภายหลังและการบําบัดรีไซเคิลที่มีราคาแพง ซึ่งทําให้กระบวนการนี้เป็นภาระต่อสิ่งแวดล้อม

การสกัดเพคตินอัลตราโซนิก

การสกัดด้วยอัลตราโซนิกเป็นการบําบัดที่ไม่รุนแรงและไม่ผ่านความร้อนซึ่งใช้กับกระบวนการอาหารที่หลากหลาย ในส่วนของการสกัดเพคตินจากผักและผลไม้การ sonication จะผลิตเพคตินที่มีคุณภาพสูง เพคตินที่สกัดด้วยอัลตราโซนิกมีความโดดเด่นด้วยกรดแอนไฮโดรยูโรนิก เมทอキシล และแคลเซียมเพ็กเตต ตลอดจนระดับของเอสเทอริฟิเคชัน สภาวะที่ไม่รุนแรงของการสกัดด้วยอัลตราโซนิกป้องกันการเสื่อมสภาพทางความร้อนของเพคตินที่ไวต่อความร้อน
คุณภาพและความบริสุทธิ์ของเพคตินอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับกรดแอนไฮโดรกาแลคทูโรนิก ระดับของเอสเทอริฟิเคชัน ปริมาณเถ้าของเพคตินที่สกัดออกมา เพคตินที่มีน้ําหนักโมเลกุลสูงและเถ้าต่ํา (ต่ํากว่า 10%) ที่มีกรดแอนไฮโดรกาแลคทูโรนิกสูง (สูงกว่า 65%) เรียกว่าเพคตินคุณภาพดี เนื่องจากความเข้มของการรักษาด้วยอัลตราโซนิกสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยําคุณสมบัติของสารสกัดเพคตินอาจได้รับอิทธิพลจากการปรับแอมพลิจูดอุณหภูมิการสกัดความดันเวลาในการกักเก็บและตัวทําละลาย

 
ค้นหาโปรโตคอลสําหรับการสกัดเพคตินอัลตราโซนิกจากเปลือกเกรปฟรุตที่แสดงในวิดีโอด้านบนที่นี่!
 

การสกัดอัลตราโซนิกสามารถทํางานได้โดยใช้ ตัวทําละลาย เช่น น้ํา กรดซิตริก สารละลายกรดไนตริก (HNO₃, pH 2.0) หรือแอมโมเนียมออกซาเลต / กรดออกซาลิกซึ่งทําให้สามารถรวม sonication เข้ากับสายการสกัดที่มีอยู่ (ติดตั้งย้อนยุค)

เศษผลไม้เป็นแหล่งที่มา: อัลตราซาวนด์ประสิทธิภาพสูงประสบความสําเร็จในการแยกเพคตินจากกากแอปเปิ้ลเปลือกผลไม้รสเปรี้ยว (เช่นส้มมะนาวเกรปฟรุต) กากองุ่นทับทิมเนื้อหัวบีทน้ําตาลเปลือกแก้วมังกรลูกแพร์เต็มไปด้วยหนามเปลือกเสาวรสและเปลือกมะม่วง

การตกตะกอนของเพคตินหลังจากการสกัดด้วยอัลตราโซนิก

การเติมเอทานอลลงในสารละลายสารสกัดสามารถช่วยแยกเพคตินผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการตกตะกอน เพคตินซึ่งเป็นโพลีแซ็กคาไรด์ที่ซับซ้อนที่พบในผนังเซลล์ของพืชสามารถละลายได้ในน้ําภายใต้สภาวะปกติ อย่างไรก็ตามโดยการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมของตัวทําละลายด้วยการเติมเอทานอลความสามารถในการละลายของเพคตินจะลดลงซึ่งนําไปสู่การตกตะกอนจากสารละลาย

เคมีที่อยู่เบื้องหลังการตกตะกอนของเพคตินโดยใช้เอทานอลสามารถอธิบายได้ด้วยปฏิกิริยาสามประการ:

• การหยุดชะงักของพันธะไฮโดรเจน: โมเลกุลของเพคตินถูกยึดเข้าด้วยกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ซึ่งมีส่วนช่วยในการละลายในน้ํา เอทานอลขัดขวางพันธะไฮโดรเจนเหล่านี้โดยแข่งขันกับโมเลกุลของน้ําเพื่อจับจุดยึดเกาะบนโมเลกุลของเพคติน เมื่อโมเลกุลของเอทานอลเข้ามาแทนที่โมเลกุลของน้ํารอบ ๆ โมเลกุลของเพคตินพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของเพคตินจะอ่อนตัวลงลดความสามารถในการละลายในตัวทําละลาย
• ขั้วตัวทําละลายลดลง: เอทานอลมีขั้วน้อยกว่าน้ํา ซึ่งหมายความว่ามีความสามารถในการละลายสารที่มีขั้ว เช่น เพคตินต่ํากว่า เมื่อเติมเอทานอลลงในสารละลายสารสกัด ขั้วโดยรวมของตัวทําละลายจะลดลง ทําให้โมเลกุลของเพคตินยังคงอยู่ในสารละลายน้อยลง สิ่งนี้นําไปสู่การตกตะกอนของเพคตินออกจากสารละลายเนื่องจากละลายได้น้อยลงในส่วนผสมของเอทานอลและน้ํา
• เพิ่มความเข้มข้นของเพคติน: เมื่อโมเลกุลของเพคตินตกตะกอนออกจากสารละลายความเข้มข้นของเพคตินในสารละลายที่เหลือจะเพิ่มขึ้น วิธีนี้ช่วยให้แยกเพคตินออกจากเฟสของเหลวได้ง่ายขึ้นผ่านการกรองหรือการหมุนเหวี่ยง

การตกตะกอนเพคตินโดยใช้เอทานอลเป็นวิธีที่ง่ายและมีประสิทธิภาพในการแยกเพคตินออกจากสารละลายสารสกัดซึ่งเป็นขั้นตอนกระบวนการที่สามารถดําเนินการได้อย่างง่ายดายหลังจากการสกัดเพคตินอัลตราโซนิก การเติมเอทานอลลงในสารละลายจะเปลี่ยนสภาพแวดล้อมของตัวทําละลายในลักษณะที่ลดความสามารถในการละลายของเพคติน ซึ่งนําไปสู่การตกตะกอนและการแยกออกจากสารละลายในภายหลัง เทคนิคนี้มักใช้ในการสกัดและทําให้เพคตินบริสุทธิ์จากวัสดุจากพืชสําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและอาหารต่างๆ

เครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูง

Hielscher Ultrasonics เป็นพันธมิตรของคุณสําหรับกระบวนการสกัดจากพฤกษศาสตร์ ไม่ว่าคุณจะต้องการสกัดปริมาณเล็กน้อยสําหรับการวิจัยและวิเคราะห์หรือประมวลผลปริมาณมากสําหรับการผลิตเชิงพาณิชย์เรามีเครื่องสกัดอัลตราโซนิกที่เหมาะสมสําหรับคุณ เครื่องทําโฮโมจีไนเซอร์ในห้องปฏิบัติการอัลตราโซนิกของเรารวมถึงเครื่องสะท้อนเสียงแบบตั้งโต๊ะและอุตสาหกรรมของเรามีความทนทานใช้งานง่ายและสร้างขึ้นสําหรับการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันภายใต้ภาระเต็มที่ อุปกรณ์เสริมที่หลากหลาย เช่น sonotrodes (โพรบอัลตราโซนิก / แตร) ที่มีขนาดและรูปร่างต่างกัน โฟลว์เซลล์ เครื่องปฏิกรณ์ และบูสเตอร์ช่วยให้สามารถตั้งค่าที่เหมาะสมที่สุดสําหรับกระบวนการสกัดเฉพาะของคุณ
เครื่องอัลตราโซนิกดิจิตอลทั้งหมดมีหน้าจอสัมผัสสีการ์ด SD ในตัวสําหรับโปรโตคอลข้อมูลอัตโนมัติและรีโมทคอนโทรลของเบราว์เซอร์สําหรับการตรวจสอบกระบวนการที่ครอบคลุม ด้วยระบบอัลตราโซนิกที่ซับซ้อนของ Hielscher การกําหนดมาตรฐานกระบวนการสูงและการควบคุมคุณภาพทําได้ง่าย
ติดต่อเราวันนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับข้อกําหนดของกระบวนการสกัดเพคตินของคุณ! เรายินดีที่จะช่วยเหลือคุณด้วยประสบการณ์ระยะยาวในการสกัดอัลตราโซนิกและช่วยให้คุณบรรลุประสิทธิภาพกระบวนการสูงสุดและคุณภาพเพคตินที่เหมาะสม!

ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

ผลการวิจัยการสกัดเพคตินอัลตราโซนิก

ขยะมะเขือเทศ: เพื่อหลีกเลี่ยงเวลาในการสกัดที่ยาวนาน (12-24 ชั่วโมง) ในขั้นตอนการไหลย้อนจึงใช้อัลตราโซนิกเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการสกัดในแง่ของเวลา (15, 30, 45, 60 และ 90 นาที) ขึ้นอยู่กับเวลาในการสกัดผลผลิตเพคตินที่ได้รับสําหรับขั้นตอนการสกัดอัลตราโซนิกแรกที่อุณหภูมิ 60 °C และ 80 °C คือ 15.2–17.2% และ 16.3–18.5% ตามลําดับ เมื่อใช้ขั้นตอนการสกัดอัลตราโซนิกครั้งที่สองผลผลิตของเพคตินจากกากมะเขือเทศจะเพิ่มขึ้นเป็น 34-36% ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและเวลา) เห็นได้ชัดว่าการสกัดด้วยอัลตราโซนิกจะเพิ่มการแตกของเมทริกซ์ผนังเซลล์มะเขือเทศซึ่งนําไปสู่ปฏิสัมพันธ์ที่ดีขึ้นระหว่างตัวทําละลายและวัสดุที่สกัด
เพคตินที่สกัดด้วยอัลตราโซนิกสามารถจัดประเภทเป็นเพคตินเมทอซิลสูง (HM-pectin) ที่มีคุณสมบัติเจลเซ็ตอย่างรวดเร็ว (DE > 70%) และระดับเอสเทอริฟิเคชัน 73.3–85.4% n. ปริมาณแคลเซียมเพ็กเตตในเพคตินที่สกัดด้วยอัลตราโซนิกถูกวัดระหว่าง 41.4% ถึง 97.5% ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การสกัด (อุณหภูมิและเวลา) ที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นของการสกัดด้วยอัลตราโซนิกปริมาณแคลเซียมเพกเตตจะสูงขึ้น (91–97%) และด้วยเหตุนี้จึงเป็นพารามิเตอร์ที่สําคัญของความสามารถในการเกิดเจลเพคตินเมื่อเทียบกับการสกัดแบบธรรมดา
การสกัดด้วยตัวทําละลายแบบธรรมดาเป็นเวลา 24 ชั่วโมงให้ผลผลิตเพคตินที่ใกล้เคียงกันเมื่อเทียบกับการบําบัดการสกัดด้วยอัลตราโซนิก 15 นาที จากผลลัพธ์ที่ได้จะสรุปได้ว่าการรักษาด้วยอัลตราโซนิกช่วยลดเวลาในการสกัดได้อย่างน่าทึ่ง สเปกโทรสโกปี NMR และ FTIR ยืนยันการมีอยู่ของเพคตินเอสเทอริฟิกเป็นส่วนใหญ่ในตัวอย่างที่ตรวจสอบทั้งหมด [Grassino et al. 2016]

เปลือกเสาวรส: ผลผลิตการสกัดกรดกาแลคทูโรนิกและระดับเอสเทอริฟิเคชันถือเป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพการสกัด ผลผลิตสูงสุดของเพคตินที่ได้จากการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์คือ 12.67% (เงื่อนไขการสกัด 85ºC, 664 W/cm2, pH 2.0 และ 10 นาที) สําหรับเงื่อนไขเดียวกันนี้มีการสกัดความร้อนแบบธรรมดาและผลลัพธ์คือ 7.95% ผลลัพธ์เหล่านี้สอดคล้องกับการศึกษาอื่น ๆ ซึ่งรายงานเวลาสั้น ๆ สําหรับการสกัดโพลีแซ็กคาไรด์อย่างมีประสิทธิภาพ รวมถึงเพคติน เฮมิเซลลูโลส และโพลีแซ็กคาไรด์ที่ละลายน้ําได้อื่นๆ โดยได้รับความช่วยเหลือจากอัลตราซาวนด์ นอกจากนี้ยังพบว่าผลผลิตการสกัดเพิ่มขึ้น 1.6 เท่าเมื่อการสกัดได้รับความช่วยเหลือจากอัลตราซาวนด์ ผลลัพธ์ที่ได้แสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและประหยัดเวลาในการสกัดเพคตินจากเปลือกเสาวรส [Freitas de Oliveira และคณะ 2016]

Cladodes ลูกแพร์เต็มไปด้วยหนาม: การสกัดด้วยอัลตราโซนิกช่วย (UAE) ของเพคตินจาก Opuntia ficus indica (OFI) cladodes หลังจากการกําจัดเมือกได้พยายามโดยใช้วิธีการพื้นผิวตอบสนอง ตัวแปรกระบวนการได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยการออกแบบคอมโพสิตกลางไอโซแปร์เพื่อปรับปรุงผลผลิตการสกัดเพคติน สภาวะที่เหมาะสมที่สุดที่ได้รับคือ: เวลาในการ sonication 70 นาทีอุณหภูมิ 70 pH 1.5 และอัตราส่วนน้ํา - วัสดุ 30 มล. / กรัม เงื่อนไขนี้ได้รับการตรวจสอบและประสิทธิภาพของการสกัดทดลองอยู่ที่ 18.14% ± 1.41% ซึ่งเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับค่าที่คาดการณ์ไว้ (19.06%) ดังนั้นการสกัดด้วยอัลตราโซนิกจึงเป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มสําหรับกระบวนการสกัดแบบเดิมด้วยประสิทธิภาพสูงซึ่งทําได้ในเวลาที่น้อยลงและที่อุณหภูมิที่ต่ํากว่า เพคตินที่สกัดโดยการสกัดด้วยอัลตราโซนิกจาก OFI cladodes (UAEPC) มีเอสเทอริฟิเคชันในระดับต่ําปริมาณกรดยูโรนิกสูงคุณสมบัติการทํางานที่สําคัญและฤทธิ์ต่อต้านอนุมูลที่ดี ผลลัพธ์เหล่านี้สนับสนุนการใช้ UAEPC เป็นสารเติมแต่งที่มีศักยภาพในอุตสาหกรรมอาหาร [Bayar et al. 2017]

กากองุ่น: ในบทความวิจัย "การสกัดเพคตินด้วยอัลตราซาวนด์จากกากองุ่นโดยใช้กรดซิตริก: แนวทางวิธีการพื้นผิวตอบสนอง" การสกัด Pectins จากกากองุ่นด้วยกรดซิตริกเป็นสารสกัด ตามวิธีการพื้นผิวการตอบสนองผลผลิตเพคตินสูงสุด (∼32.3%) สามารถทําได้เมื่อกระบวนการสกัดอัลตราโซนิกดําเนินการที่อุณหภูมิ 75ºC เป็นเวลา 60 นาทีโดยใช้สารละลายกรดซิตริกที่มีค่า pH 2.0 โพลีแซ็กคาไรด์เพคติกเหล่านี้ประกอบด้วยหน่วยกรดกาแลคทูโรนิกเป็นหลัก (∼97% ของน้ําตาลทั้งหมด) มีน้ําหนักโมเลกุลเฉลี่ย 163.9kDa และระดับเอสเทอริฟิเคชัน (DE) 55.2%
สัณฐานวิทยาพื้นผิวของกากองุ่นที่โซนิคแสดงให้เห็นว่าการสกัดมีบทบาทสําคัญในการสลายเนื้อเยื่อพืชและเพิ่มผลผลิตการสกัด ผลผลิตที่ได้จากหลังจากการสกัดเพคตินด้วยอัลตราโซนิกโดยใช้สภาวะที่เหมาะสม (75 °C, 60 นาที, pH 2.0) สูงกว่าผลผลิตที่ได้จาก 20% เมื่อทําการสกัดโดยใช้สภาวะเดียวกันของอุณหภูมิเวลาและ pH แต่ไม่ได้รับความช่วยเหลือจากอัลตราโซนิก นอกจากนี้เพคตินจากการสกัดด้วยอัลตราโซนิกยังมีน้ําหนักโมเลกุลเฉลี่ยที่สูงขึ้น [Minjares-Fuentes และคณะ 2014]