Meyve ve Biyolojik Atıklardan Ultrasonik Pektin Ekstraksiyonu

• Pektinler, esas olarak jelleştirme etkileri için eklenen, çok sık kullanılan gıda katkı maddeleridir.
• Ultrasonik ekstraksiyon, pektin ekstraktlarının verimini ve kalitesini önemli ölçüde artırır.
• Sonikasyon, çok çeşitli endüstriyel süreçlerde hâlihazırda kullanılan proses yoğunlaştırıcı etkileriyle bilinir.

Pektinler ve Pektin Ekstraksiyonu

Pektin, özellikle meyvelerin hücre duvarlarında, başta turunçgillerde ve elma posasında bulunan doğal, karmaşık bir polisakkarittir (heteropolisakkarit). Hem elma hem de turunçgil kabuklarında yüksek miktarda pektin bulunur. Elma posası kuru madde bazında %10–15 pektin içerirken, turunçgil kabuğu %20–30 pektin içerir. Pektinler, mükemmel jelleştirme ve kıvam artırma işlevlerine sahip, biyouyumlu, biyobozunur ve yenilenebilir polisakkaritlerdir; bu özellikleri onları oldukça değerli katkı maddeleri hâline getirir. Gıda, kozmetik ve farmasötik ürünlerde reoloji düzenleyici olarak yaygın biçimde kullanılırlar; jelleştirici, parlatıcı, stabilizatör ve kıvam artırıcı olarak, bazı formülasyonlarda ise emülgatör olarak işlev görürler. Ultrasonik ekstraksiyon, meyve kabukları ve posasından yüksek kaliteli pektinleri izole etmek için verimli bir yöntemdir; işlem süresini ve toplam maliyeti azaltırken verimi artırır.

Endüstriyel uygulamalara yönelik geleneksel pektin ekstraksiyonu, asit katalizli proseslerle (nitrik, hidroklorik veya sülfürik asit kullanılarak) gerçekleştirilir. Asit katalizli ekstraksiyon, endüstriyel pektin üretiminde en sık kullanılan prosestir; çünkü 24 saate kadar doğrudan kaynatma (60ºC–100ºC) ve düşük pH (1,0–3,0) gibi diğer ekstraksiyon teknikleri yavaştır, düşük verimlidir ve ekstrakte edilen lifin termal bozunmasına neden olabilir; ayrıca pektin verimi bazen proses koşullarıyla sınırlanır. Bununla birlikte, asit katalizli ekstraksiyonun da dezavantajları vardır: Sert asidik işlem, pektin zincirlerinde depolimerizasyona ve deesterifikasyona neden olarak pektin kalitesini olumsuz etkiler. Büyük hacimlerde asidik atık su üretilmesi, son işlem ve pahalı geri dönüşüm işlemleri gerektirir; bu da prosesi çevresel bir yük hâline getirir.

Ultrasonik Pektin Ekstraksiyonu

Ultrasonik ekstraksiyon, çok çeşitli gıda proseslerinde uygulanan, ılımlı ve termal olmayan bir işlemdir. Meyve ve sebzelerden pektin ekstraksiyonunda sonikasyon, yüksek kaliteli pektin üretir. Ultrasonik olarak ekstrakte edilen pektinler, anhidrouronik asit, metoksil ve kalsiyum pektat içeriklerinin yanı sıra esterleşme dereceleriyle de öne çıkar. Ultrasonik ekstraksiyonun ılımlı koşulları, ısıya duyarlı pektinlerin termal bozunmasını önler.
Pektin kalitesi ve saflığı, ekstrakte edilen pektinin anhidrogalakturonik asit içeriğine, esterleşme derecesine ve kül içeriğine bağlı olarak değişebilir. Yüksek molekül ağırlığına, düşük kül içeriğine (%10’un altında) ve yüksek anhidrogalakturonik asit içeriğine (%65’in üzerinde) sahip pektinler, iyi kaliteli pektin olarak bilinir. Ultrasonik işlemin şiddeti çok hassas biçimde kontrol edilebildiğinden, genlik, ekstraksiyon sıcaklığı, basınç, kalış süresi ve çözücü ayarlanarak pektin ekstraktının özellikleri etkilenebilir.

 

Bu videoda, prob tipi UP200Ht sonikatör kullanarak greyfurt kabuğundan yüksek verimli ultrasonik pektin ekstraksiyonunu tanıtıyoruz. Sonikasyon, meyve ve sebze yan ürünlerinden yüksek verimle kaliteli pektin elde etmek için son derece verimli bir yöntemdir. Ultrasonik ekstraksiyon, daha kısa işlem süresinde daha fazla miktarda ve daha yüksek kalitede pektin sağlar.

 
Yukarıdaki videoda gösterilen, greyfurt kabuğundan ultrasonik pektin ekstraksiyonu protokolünü burada bulabilirsiniz!
 

Ultrasonik ekstraksiyonda çeşitli çözücüler kullanılabilir; bunlar arasında su, sitrik asit, nitrik asit çözeltisi (HNO₃, pH 2,0) veya amonyum oksalat/oksalik asit bulunur. Bu, sonikasyonun mevcut ekstraksiyon hatlarına entegre edilmesini de mümkün kılar (mevcut sistemlerin sonradan uyarlanması).

Kaynak olarak meyve atıkları: Yüksek performanslı ultrason, elma posası, turunçgil kabukları (portakal, limon, greyfurt gibi), üzüm posası, nar, şeker pancarı posası, ejder meyvesi kabuğu, dikenli incir kladodları, çarkıfelek meyvesi kabuğu ve mango kabuklarından pektinleri izole etmek için hâlihazırda başarıyla uygulanmıştır.

Ultrasonik Ekstraksiyon Sonrası Pektin Çöktürme

Bir ekstrakt çözeltisine etanol eklenmesi, çöktürme adı verilen bir prosesle pektinin ayrılmasına yardımcı olabilir. Bitkilerin hücre duvarlarında bulunan karmaşık bir polisakkarit olan pektin, normal koşullarda suda çözünür. Ancak etanol eklenerek çözücü ortamı değiştirildiğinde, pektinin çözünürlüğü azaltılabilir ve böylece çözeltiden çökelmesi sağlanabilir.

Etanol kullanılarak pektin çöktürmenin ardındaki kimya, üç reaksiyonla açıklanabilir:

• Hidrojen Bağlarının Bozulması: Pektin molekülleri, suda çözünürlüklerine katkıda bulunan hidrojen bağlarıyla bir arada tutulur. Etanol, pektin moleküllerindeki bağlanma bölgeleri için su molekülleriyle rekabet ederek bu hidrojen bağlarını bozar. Etanol molekülleri, pektin moleküllerinin çevresindeki su moleküllerinin yerini aldıkça, pektin molekülleri arasındaki hidrojen bağları zayıflar ve çözücüdeki çözünürlükleri azalır.
• Çözücü Polaritesinin Azalması: Etanol sudan daha az polardır; bu da pektin gibi polar maddeleri çözme yeteneğinin daha düşük olduğu anlamına gelir. Ekstrakt çözeltisine etanol eklendikçe, çözücünün genel polaritesi azalır ve pektin moleküllerinin çözeltide kalması için daha az elverişli bir ortam oluşur. Pektin, etanol-su karışımında daha az çözünür hâle geldiğinden, bu durum pektinin çözeltiden çökelmesine yol açar.
• Pektin Konsantrasyonunun Artması: Pektin molekülleri çözeltiden çökeldikçe, kalan çözeltideki pektin konsantrasyonu artar. Bu, pektinin filtrasyon veya santrifüjleme yoluyla sıvı fazdan daha kolay ayrılmasını sağlar.

Etanol kullanılarak pektin çöktürme, pektinleri ekstrakt çözeltisinden izole etmek için basit ve etkili bir yöntemdir ve ultrasonik pektin ekstraksiyonundan sonra kolayca uygulanabilen bir proses adımıdır. Ekstrakt çözeltisine etanol eklenmesi, çözücü ortamını pektinin çözünürlüğünü azaltacak şekilde değiştirir; bu da pektinin çökelmesine ve ardından çözeltiden ayrılmasına yol açar. Bu teknik, çeşitli endüstriyel uygulamalar ve gıda uygulamaları için bitkisel materyallerden pektin ekstraksiyonunda ve saflaştırılmasında yaygın olarak kullanılır.
 
 
Posa, kabuk ve meyve etinin değerlendirilmesiyle ilgileniyor musunuz? – Meyve atıklarından polifenol ekstraksiyonu hakkında daha fazla bilgi edinin!

Pektin Ekstraksiyonu İçin Endüstriyel Sonikatörler

Hielscher Ultrasonics, posa, kabuk ve tohum gibi bitkisel materyallerden ekstraksiyon proseslerinde iş ortağınızdır. İster araştırma ve analiz için küçük miktarlarda ekstraksiyon yapmak ister ticari üretim için büyük hacimleri işlemek isteyin, sizin için uygun ultrasonik ekstraktöre sahibiz. Ultrasonik laboratuvar homojenizatörlerimiz, tezgâh üstü ve endüstriyel sonikatörlerimiz sağlamdır, kullanımı kolaydır ve tam yük altında 24/7 çalışmak üzere üretilmiştir. Farklı boyut ve şekillerde sonotrotlar (ultrasonik problar / hornlar), akış hücreleri, reaktörler ve genlik yükselticiler gibi geniş bir aksesuar yelpazesi, size özgü ekstraksiyon prosesi için en uygun kurulumu sağlar.
Tüm dijital ultrasonik makineler, kapsamlı proses izleme için renkli dokunmatik ekran, otomatik veri kaydı için entegre SD kart ve tarayıcı üzerinden uzaktan kontrol ile donatılmıştır. Hielscher’in gelişmiş ultrasonik sistemleriyle yüksek düzeyde proses standardizasyonu ve kalite kontrolü kolayca sağlanır.
Pektin ekstraksiyon prosesinizin gereksinimlerini görüşmek için bugün bizimle iletişime geçin! Ultrasonik ekstraksiyondaki uzun yıllara dayanan deneyimimizle size destek olmaktan ve en yüksek proses verimliliğine ve optimum pektin kalitesine ulaşmanıza yardımcı olmaktan memnuniyet duyarız!

Aşağıdaki tablo, ultrasonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi verir:

Ultrasonik Pektin Ekstraksiyonuna İlişkin Araştırma Sonuçları

Domates atıkları: Geri soğutucu altında yürütülen işlemde uzun ekstraksiyon sürelerinden (12–24 h) kaçınmak için, ekstraksiyon prosesini süre açısından (15, 30, 45, 60 ve 90 min) yoğunlaştırmak amacıyla ultrasonikasyon kullanılmıştır. Ekstraksiyon sürelerine bağlı olarak, ilk ultrasonik ekstraksiyon adımında 60°C ve 80°C sıcaklıklarda elde edilen pektin verimleri sırasıyla %15,2–17,2 ve %16,3–18,5’tir. İkinci bir ultrasonik ekstraksiyon adımı uygulandığında, sıcaklıklara ve sürelere bağlı olarak domates atıklarından elde edilen pektin verimi %34–36’ya yükselmiştir). Açıkça görüldüğü üzere, ultrasonik ekstraksiyon domates hücre duvarı matrisinin parçalanmasını artırarak çözücü ile ekstrakte edilen materyal arasında daha iyi etkileşimler sağlar.
Ultrasonik olarak ekstrakte edilen pektinler, hızlı jelleşme özelliklerine (DE > %70) ve %73,3–85,4 esterleşme derecesine sahip yüksek metoksilli pektinler (HM-pektin) olarak sınıflandırılabilir. n. Ultrasonik olarak ekstrakte edilen pektindeki kalsiyum pektat içeriği, ekstraksiyon parametrelerine (sıcaklık ve süre) bağlı olarak %41,4 ile %97,5 arasında ölçülmüştür. Ultrasonik ekstraksiyonun daha yüksek sıcaklıklarında kalsiyum pektat içerikleri daha yüksektir (%91–97) ve bu nedenle geleneksel ekstraksiyonla karşılaştırıldığında pektinin jelleştirme yeteneği açısından önemli bir parametre oluşturur.
24 saat süreyle uygulanan geleneksel çözücü ekstraksiyonu, 15 min ultrasonik ekstraksiyon işlemine kıyasla benzer pektin verimleri sağlar. Elde edilen sonuçlara göre, ultrasonik işlemin ekstraksiyon süresini önemli ölçüde azalttığı sonucuna varılabilir. NMR ve FTIR spektroskopisi, incelenen tüm numunelerde ağırlıklı olarak esterleşmiş pektinin varlığını doğrular. [Grassino et al. 2016]

Çarkıfelek meyvesi kabuğu: Ekstraksiyon verimi, galakturonik asit ve esterleşme derecesi, ekstraksiyon verimliliğinin göstergeleri olarak değerlendirilmiştir. Ultrason destekli ekstraksiyonla elde edilen en yüksek pektin verimi %12,67 olmuştur (ekstraksiyon koşulları: 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 ve 10 min). Aynı koşullarda geleneksel ısıtmalı ekstraksiyon gerçekleştirilmiş ve sonuç %7,95 olmuştur. Bu sonuçlar, pektin, hemiselülozlar ve diğer suda çözünen polisakkaritler dâhil olmak üzere polisakkaritlerin ultrason desteğiyle kısa sürede etkili biçimde ekstrakte edildiğini bildiren diğer çalışmalarla uyumludur. Ekstraksiyon ultrasonla desteklendiğinde ekstraksiyon veriminin 1,6 kat arttığı da gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, ultrasonun çarkıfelek meyvesi kabuğundan pektin ekstraksiyonu için verimli ve zaman tasarrufu sağlayan bir teknik olduğunu göstermiştir. [Freitas de Oliveira et al. 2016]

Dikenli İncir Kladodları: Müsilaj uzaklaştırıldıktan sonra Opuntia ficus indica (OFI) kladodlarından ultrason destekli pektin ekstraksiyonu (UAE), yanıt yüzey metodolojisi kullanılarak denenmiştir. Pektin ekstraksiyon verimini artırmak amacıyla proses değişkenleri, izovaryant merkezi kompozit tasarım kullanılarak optimize edilmiştir. Elde edilen optimum koşullar şunlardır: sonikasyon süresi 70 min, sıcaklık 70, pH 1,5 ve su-materyal oranı 30 ml/g. Bu koşullar doğrulanmış ve deneysel ekstraksiyonun performansı %18,14 ± %1,41 olmuştur; bu değer, tahmin edilen değere (%19,06) oldukça yakındır. Böylece ultrasonik ekstraksiyon, daha kısa sürede ve daha düşük sıcaklıklarda elde edilen yüksek verimliliği sayesinde geleneksel ekstraksiyon prosesine umut vadeden bir alternatif sunar. OFI kladodlarından ultrasonik ekstraksiyonla elde edilen pektin (UAEPC), düşük esterleşme derecesine, yüksek üronik asit içeriğine, önemli işlevsel özelliklere ve iyi antiradikal aktiviteye sahiptir. Bu sonuçlar, UAEPC’nin gıda endüstrisinde potansiyel bir katkı maddesi olarak kullanılmasını desteklemektedir. [Bayar et al. 2017]

Üzüm Posası: “Sitrik asit kullanılarak üzüm posasından ultrason destekli pektin ekstraksiyonu: Bir yanıt yüzey metodolojisi yaklaşımı” başlıklı araştırma makalesinde, ekstraksiyon ajanı olarak sitrik asit kullanılarak üzüm posasından pektinleri ekstrakte etmek için sonikasyon uygulanır. Yanıt Yüzey Metodolojisine göre, en yüksek pektin verimi (∼%32,3), ultrasonik ekstraksiyon prosesi pH 2,0 olan bir sitrik asit çözeltisi kullanılarak 75ºC’de 60 min süreyle yürütüldüğünde elde edilebilir. Esas olarak galakturonik asit birimlerinden oluşan (toplam şekerlerin ∼%97’si) bu pektik polisakkaritler, 163,9kDa ortalama molekül ağırlığına ve %55,2 esterleşme derecesine (DE) sahiptir.
Sonikasyon uygulanmış üzüm posasının yüzey morfolojisi, sonikasyonun bitkisel dokunun parçalanmasında ve ekstraksiyon verimlerinin artırılmasında önemli bir rol oynadığını gösterir. Optimum koşullar (75°C, 60 min, pH 2,0) kullanılarak gerçekleştirilen ultrasonik pektin ekstraksiyonu sonrasında elde edilen verim, aynı sıcaklık, süre ve pH koşulları uygulanarak ancak ultrason desteği olmadan gerçekleştirilen ekstraksiyonda elde edilen verimden %20 daha yüksek olmuştur. Ayrıca ultrasonik ekstraksiyondan elde edilen pektinler daha yüksek ortalama molekül ağırlığı da sergilemiştir. [Minjares-Fuentes et al. 2014]