Khai thác siêu âm Pectin từ trái cây và chất thải sinh học
- Pectin là một phụ gia thực phẩm được sử dụng rất thường xuyên, chủ yếu được thêm vào vì tác dụng keo của nó.
- Khai thác siêu âm làm tăng năng suất và chất lượng chiết xuất pectin đáng kể.
- Sonication được biết đến với các hiệu ứng tăng cường quá trình của nó, đã được sử dụng trong các quy trình công nghiệp đa dạng.
Pectin và chiết xuất pectin
Pectin is a natural complex polysaccharide (heteropolysaccharide) found in particular in the cell walls of fruits, especially in citrus fruits and apple pomace. High pectin contents are found in the fruit peels of both apple and citrus fruits. Apple pomace contains 10-15% of pectin on a dry matter basis while citrus peel contains 20-30%. Pectins are biocompatible, biodegradable, and renewable polysaccharides with excellent gelling and thickening functionality, making them highly valued additives. They are widely used in food, cosmetic, and pharmaceutical products as rheology modifiers, functioning as gelling, glazing, stabilizing, and thickening agents and, in some formulations, as emulsifiers. Ultrasonic extraction is an efficient method to isolate high-quality pectins from fruit peels and pomace, increasing yield while reducing processing time and overall cost.
Sonicator loại đầu dò UIP1000hdT for the extraction of pectins and phenols from fruit waste.
Khai thác siêu âm Pectin
Khai thác siêu âm là một xử lý nhẹ, không nhiệt, được áp dụng cho các quá trình thực phẩm đa dạng. Liên quan đến việc chiết xuất pectin từ trái cây và rau quả, sonication tạo ra pectin chất lượng cao. Pectin chiết xuất siêu âm vượt trội bởi hàm lượng axit anhydrouronic, methoxyl và canxi pectate cũng như mức độ este hóa của nó. Các điều kiện nhẹ của khai thác siêu âm ngăn chặn sự suy thoái nhiệt của các pectin nhạy cảm với nhiệt.
Chất lượng và độ tinh khiết của pectin có thể thay đổi tùy thuộc vào axit anhydrogalacturonic, mức độ este hóa, hàm lượng tro của pectin chiết xuất. Pectin có trọng lượng phân tử cao và hàm lượng tro thấp (dưới 10%) với axit anhydrogalacturonic cao (trên 65%) được gọi là pectin chất lượng tốt. Vì cường độ xử lý siêu âm có thể được kiểm soát rất chính xác, các tính chất của chiết xuất pectin có thể bị ảnh hưởng bằng cách điều chỉnh biên độ, nhiệt độ khai thác, áp suất, thời gian lưu giữ và dung môi.
Tìm giao thức chiết xuất pectin siêu âm từ vỏ bưởi được trình bày trong video ở trên tại đây!
Khai thác siêu âm có thể được chạy bằng cách sử dụng khác nhau dung môi chẳng hạn như nước, axit citric, dung dịch axit nitric (HNO3, pH 2.0), hoặc amoni oxalat / axit oxalic, làm cho nó cũng có thể tích hợp sonication vào các dòng chiết xuất hiện có (retro-fitting).
- khả năng tạo keo cao
- khả năng phân tán tốt
- Màu pectin
- canxi pectate cao
- ít xuống cấp hơn
- Thân thiện với môi trường
Chất thải trái cây làm nguồn: Siêu âm hiệu suất cao đã được áp dụng thành công để phân lập pectin từ quả táo, vỏ trái cây họ cam quýt (như cam, chanh, bưởi), quả nho, lựu, bột củ cải đường, vỏ thanh long, lê gai, vỏ chanh dây và vỏ xoài.
Kết tủa Pectin sau khi khai thác siêu âm
Thêm ethanol vào dung dịch chiết xuất có thể giúp tách pectin thông qua một quá trình gọi là kết tủa. Pectin, một polysaccharide phức tạp được tìm thấy trong thành tế bào của thực vật, hòa tan trong nước trong điều kiện bình thường. Tuy nhiên, bằng cách thay đổi môi trường dung môi bằng cách bổ sung etanol, độ hòa tan của pectin có thể bị giảm, dẫn đến kết tủa của nó từ dung dịch.
Hóa học đằng sau kết tủa pectin sử dụng ethanol có thể được giải thích bằng ba phản ứng:
- Sự gián đoạn của liên kết hydro: Các phân tử pectin được giữ lại với nhau bởi các liên kết hydro, góp phần vào khả năng hòa tan của chúng trong nước. Ethanol phá vỡ các liên kết hydro này bằng cách cạnh tranh với các phân tử nước để có các vị trí liên kết trên các phân tử pectin. Khi các phân tử ethanol thay thế các phân tử nước xung quanh các phân tử pectin, liên kết hydro giữa các phân tử pectin suy yếu, làm giảm độ hòa tan của chúng trong dung môi.
- Giảm phân cực dung môi: Ethanol ít phân cực hơn nước, có nghĩa là nó có khả năng hòa tan các chất phân cực như pectin thấp hơn. Khi ethanol được thêm vào dung dịch chiết xuất, phân cực tổng thể của dung môi giảm, khiến các phân tử pectin ít thuận lợi hơn để tồn tại trong dung dịch. Điều này dẫn đến kết tủa pectin ra khỏi dung dịch vì nó trở nên ít hòa tan hơn trong hỗn hợp etanol-nước.
- Tăng nồng độ pectin: Khi các phân tử pectin kết tủa ra khỏi dung dịch, nồng độ pectin trong dung dịch còn lại tăng lên. Điều này cho phép tách pectin khỏi pha lỏng dễ dàng hơn thông qua lọc hoặc ly tâm.
Kết tủa pectin bằng ethanol là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để cô lập pectin từ dung dịch chiết xuất, đây là một bước quy trình có thể dễ dàng chạy sau khi chiết xuất pectin siêu âm. Việc bổ sung ethanol vào dung dịch chiết xuất làm thay đổi môi trường dung môi theo cách làm giảm độ hòa tan của pectin, dẫn đến kết tủa và tách ra khỏi dung dịch. Kỹ thuật này thường được sử dụng trong việc chiết xuất và tinh chế pectin từ nguyên liệu thực vật cho các ứng dụng công nghiệp và thực phẩm khác nhau.
Interested in the valorization of pomace, peel and pulp? – Read more about polyphenol extraction from fruit waste!
Lò phản ứng dòng chảy siêu âm
- Năng suất cao hơn
- chất lượng tốt hơn
- không nhiệt
- Giảm thời gian khai thác
- tăng cường quá trình
- Có thể trang bị thêm
- Khai thác xanh
Industrial Sonicators for Pectin Extraction
Hielscher Ultrasonics is your partner for extraction processes from plant material such as pomace, peel and seeds. Whether you want extract small amounts for research and analysis or process large volumes for commercial production, we have the suitable ultrasonic extractor for you. Our ultrasonic lab homogenizers as well as our bench-top and industrial sonicators are robust, easy-to-use and built for 24/7 operation under full load. A broad range of accessories such as sonotrodes (ultrasonic probes / horns) with different sizes and shapes, flow cells and reactors and boosters allow for the optimal setup for you specific extraction process.
Tất cả các máy siêu âm kỹ thuật số đều được trang bị màn hình cảm ứng màu, Thẻ SD tích hợp để giao thức dữ liệu tự động và điều khiển từ xa của trình duyệt để giám sát quá trình toàn diện. Với hệ thống siêu âm tinh vi của Hielscher, một tiêu chuẩn hóa quá trình cao và kiểm soát chất lượng được thực hiện đơn giản.
Liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để thảo luận về các yêu cầu của quy trình chiết xuất pectin của bạn! Chúng tôi sẽ sẵn lòng hỗ trợ bạn với kinh nghiệm lâu dài của chúng tôi trong khai thác siêu âm và giúp bạn đạt được hiệu quả quá trình cao nhất và chất lượng pectin tối ưu!
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Thiết bị được đề xuất |
|---|---|---|
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000 |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Phòng thí nghiệm sonicator UP200Ht Chiết xuất pectin từ vỏ bưởi bằng nước làm dung môi.
Kết quả nghiên cứu khai thác siêu âm Pectin
Chất thải cà chua: Để tránh thời gian khai thác dài (12-24 h) trong thủ tục trào ngược, ultrasonication đã được sử dụng để tăng cường quá trình khai thác về thời gian (15, 30, 45, 60 và 90 phút). Tùy thuộc vào thời gian khai thác, sản lượng pectin thu được cho bước khai thác siêu âm đầu tiên, ở nhiệt độ 60 ° C và 80 ° C lần lượt là 15,2-17,2% và 16,3-18,5%. Khi bước khai thác siêu âm thứ hai được áp dụng, năng suất pectin từ chất thải cà chua đã tăng lên 34% 36%, tùy thuộc vào nhiệt độ và thời gian). Rõ ràng, khai thác siêu âm làm tăng vỡ ma trận thành tế bào cà chua, dẫn đến tương tác tốt hơn giữa dung môi và vật liệu chiết xuất.
Các pectin chiết xuất siêu âm có thể được phân loại là pectin methoxyl cao (HM-pectin) với đặc tính keo thiết lập nhanh chóng (DE > 70%) và mức độ este hóa 73,3–85,4%. n. Hàm lượng canxi pectate trong pectin chiết xuất siêu âm được đo từ 41,4% đến 97,5%, tùy thuộc vào các thông số chiết xuất (nhiệt độ và thời gian). Ở nhiệt độ cao hơn của khai thác siêu âm, hàm lượng canxi pectate cao hơn (91-97%) và như vậy hiện tại thông số quan trọng của khả năng keo pectin so với khai thác thông thường.
Khai thác dung môi thông thường trong thời gian 24 giờ cho năng suất pectin tương tự so với 15 phút xử lý khai thác siêu âm. Liên quan đến kết quả thu được, có thể kết luận rằng xử lý siêu âm làm giảm đáng kể thời gian khai thác. Quang phổ NMR và FTIR xác nhận sự tồn tại của pectin chủ yếu là este hóa trong tất cả các mẫu được nghiên cứu. [Grassino và cộng sự 2016]
Vỏ chanh dây: Năng suất khai thác, axit galacturonic và mức độ este hóa được coi là các chỉ số về hiệu quả khai thác. năng suất cao nhất của pectin thu được bằng cách chiết xuất hỗ trợ siêu âm là 12,67% (điều kiện chiết xuất 85ºC, 664 W / cm2, pH 2,0 và 10 phút). Đối với những điều kiện tương tự, một chiết xuất nhiệt thông thường đã được thực hiện và kết quả là 7, 95%. Những kết quả này phù hợp với các nghiên cứu khác, báo cáo thời gian ngắn để chiết xuất hiệu quả polysacarit, bao gồm pectin, hemicellulose và các polysacarit tan trong nước khác, được hỗ trợ bằng siêu âm. Nó cũng được quan sát thấy rằng năng suất khai thác tăng 1,6 lần khi khai thác được hỗ trợ bằng siêu âm. Kết quả thu được đã chứng minh rằng siêu âm là một kỹ thuật hiệu quả và tiết kiệm thời gian để chiết xuất pectin từ vỏ chanh dây. [Freitas de Oliveira và cộng sự 2016]
Lê gai: Khai thác hỗ trợ siêu âm (UAE) của pectin từ các cụm Opuntia ficus indica (OFI) sau khi loại bỏ chất nhầy đã được cố gắng sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng. Các biến quy trình được tối ưu hóa bởi thiết kế composite trung tâm đẳng biến để cải thiện năng suất chiết xuất pectin. Điều kiện tối ưu thu được là: thời gian sonication 70 phút, nhiệt độ 70, pH 1,5 và tỷ lệ nước-vật liệu 30 ml / g. Điều kiện này đã được xác nhận và hiệu suất khai thác thử nghiệm là 18,14% ± 1,41%, có liên quan chặt chẽ với giá trị dự đoán (19,06%). Do đó, khai thác siêu âm trình bày một sự thay thế đầy hứa hẹn cho quá trình khai thác thông thường nhờ hiệu quả cao của nó đã đạt được trong thời gian ngắn hơn và ở nhiệt độ thấp hơn. Các pectin chiết xuất bằng cách khai thác siêu âm từ cụm OFI (UAEPC) có mức độ este hóa thấp, hàm lượng axit uronic cao, tính chất chức năng quan trọng và hoạt động chống gốc tốt. Những kết quả này ủng hộ việc sử dụng UAEPC làm phụ gia tiềm năng trong ngành công nghiệp thực phẩm. [Bayar và cộng sự 2017]
Nho Pomace: In the research paper “Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach”, sonication is used to extract pectins from grape pomace with citric acid as the extracting agent. According to the Response Surface Methodology, the highest pectin yield (∼32.3%) can be achieved when the ultrasonic extraction process is carried out at 75ºC for 60 min using a citric acid solution of pH 2.0. These pectic polysaccharides, composed mainly by galacturonic acid units (∼97% of total sugars), have an average molecular weight of 163.9kDa and a degree of esterification (DE) of 55.2%.
Hình thái bề mặt của pomace nho sonicated cho thấy sonication đóng một vai trò quan trọng trong việc phá vỡ các mô thực vật và tăng cường năng suất khai thác. Năng suất thu được sau khi khai thác siêu âm pectin sử dụng các điều kiện tối ưu (75 ° C, 60 phút, pH 2.0) cao hơn 20% so với năng suất thu được khi khai thác được thực hiện áp dụng các điều kiện tương tự về nhiệt độ, thời gian và pH, nhưng không có sự hỗ trợ siêu âm. Ngoài ra, pectin từ khai thác siêu âm cũng thể hiện trọng lượng phân tử trung bình cao hơn. [Minjares-Fuentes và cộng sự 2014]
Ultrasonic batch extractor UIP2000hdT with cascatrode horn
Sự thật đáng biết
What is Pectin?
Pectin là một heteropolysacarit tự nhiên, chủ yếu được tìm thấy trong các loại trái cây như bưởi táo và trái cây họ cam quýt. Pectin, còn được gọi là polysacarit pectic, rất giàu axit galacturonic. Trong nhóm pectic, một số polysacarit khác nhau đã được xác định. Homogalacturonans là chuỗi tuyến tính của axit D-galacturonic liên kết α (1–4). Galacturonan thay thế được đặc trưng bởi sự hiện diện của dư lượng phần phụ saccharide (như D-xylose hoặc D-apiose trong các trường hợp tương ứng của xylogalacturonan và apiogalacturonan) phân nhánh từ xương sống của dư lượng axit D-galacturonic. Rhamnogalacturonan I pectin (RG-I) chứa xương sống của disacarit lặp lại: 4)-α-D-galacturonic acid-(1,2)-α-L-rhamnose-(1. Nhiều dư lượng rhamnose có sidechain của các loại đường trung tính khác nhau. Các loại đường trung tính chủ yếu là D-galactose, L-arabinose và D-xylose. Các loại và tỷ lệ đường trung tính thay đổi theo nguồn gốc của pectin.
Một loại pectin cấu trúc khác là rhamnogalacturonan II (RG-II), là một polysacarit phức tạp, phân nhánh cao và ít được tìm thấy trong tự nhiên. Xương sống của rhamnogalacturonan II chỉ bao gồm các đơn vị axit D-galacturonic. Pectin cô lập có trọng lượng phân tử thường là 60.000-130.000 g / mol, thay đổi theo nguồn gốc và điều kiện chiết xuất.
What Influences the Gelling Properties of Pectin?
Pectin gelation is governed by pH, temperature, ionic strength (other solutes), molecular size, degree of methylation (DM), side-chain content, and overall charge density. In plant tissues, pectin occurs as water-soluble (“free”) and water-insoluble fractions. Solubility generally increases as molecular weight decreases and often with higher methyl-ester content, but it is also shaped by pH, temperature, and the co-solutes present.
Two functional classes are defined by their degree of methylation:
- High-methoxyl pectin (HMP; DM > 50%) gels in acidic media (pH 2.0–3.5) when soluble solids are high (≥55 wt% sucrose), primarily via hydrogen bonding and hydrophobic associations that suppress electrostatic repulsion.
- Low-methoxyl pectin (LMP; DM < 50%) gels over a broader pH range (2.0–6.0) through Ca²⁺-mediated ionic cross-linking (“egg-box” junction zones) between neighboring carboxyl groups.
How are Pectins Used?
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, pectin được thêm vào mứt, phết trái cây, mứt, thạch, đồ uống, nước sốt, thực phẩm đông lạnh, bánh kẹo và các sản phẩm bánh. Pectin được sử dụng trong thạch bánh kẹo để tạo ra một cấu trúc gel tốt, một vết cắn sạch và để giải phóng hương vị tốt. Pectin cũng được sử dụng để ổn định đồ uống protein có tính axit, chẳng hạn như uống sữa chua, để cải thiện kết cấu, cảm giác miệng và ổn định bột giấy trong đồ uống dựa trên nước trái cây và như một chất thay thế chất béo trong các món nướng. Đối với lượng calo giảm / ít calo, pectin được thêm vào như một chất thay thế chất béo và / hoặc đường.
Trong ngành dược phẩm, nó được sử dụng để giảm mức cholesterol trong máu và rối loạn tiêu hóa.
Các ứng dụng công nghiệp khác của pectin bao gồm ứng dụng của nó trong màng ăn được, như một chất ổn định nhũ tương cho nhũ tương nước / dầu, như chất điều chỉnh lưu biến và chất hóa dẻo, làm chất định cỡ cho giấy và dệt may, v.v.
What are Good Sources for Pectin?
Mặc dù pectin có thể được tìm thấy trong thành tế bào của hầu hết các loại thực vật, bưởi táo và vỏ cam là hai nguồn chính của pectin được sản xuất thương mại vì pectin của chúng có chất lượng chính. Các nguồn khác cho thấy hành vi keo thường kém. Trong trái cây, bên cạnh táo và cam quýt, đào, mơ, lê, ổi, mộc qua, mận và ngỗng được biết đến với lượng pectin cao. Trong số các loại rau, cà chua, cà rốt và khoai tây được biết đến với hàm lượng pectin cao.
Why is Tomato Pulp used for Pectin Production?
Hàng triệu tấn cà chua (Lycopersicon esculentum Mill.) được chế biến hàng năm để sản xuất các sản phẩm như nước ép cà chua, bột nhão, xay nhuyễn, sốt cà chua, nước sốt và salsa, dẫn đến tạo ra một lượng lớn chất thải. Chất thải cà chua, thu được sau khi ép cà chua bao gồm 33% hạt, 27% vỏ và 40% bột giấy, trong khi bưởi cà chua khô chứa 44% hạt và 56% bột giấy và vỏ. Chất thải cà chua là một nguồn tuyệt vời để sản xuất pectin.
Văn học/Tài liệu tham khảo
- 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.