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 là một polysaccharide phức tạp tự nhiên (heteropolysacarit) được tìm thấy đặc biệt trong thành tế bào của trái cây, đặc biệt là trong trái cây họ cam quýt và táo pomace. Hàm lượng pectin cao được tìm thấy trong vỏ trái cây của cả táo và trái cây họ cam quýt. Bưởi táo chứa 10-15% pectin trên cơ sở chất khô trong khi vỏ cam quýt chứa 20-30%. Pectin tương thích sinh học, phân hủy sinh học và tái tạo và cho thấy các đặc tính keo và làm dày tuyệt vời, làm cho chúng trở thành một chất phụ gia có giá trị cao. Pectin được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm như chất điều chỉnh lưu biến như chất nhũ hóa, chất keo, chất tráng men, chất ổn định và chất làm đặc.
Chiết xuất pectin thông thường cho các ứng dụng công nghiệp được thực hiện bằng cách sử dụng các quy trình xúc tác axit (sử dụng axit nitric, hydrochloric hoặc axit sulfuric). Chiết xuất xúc tác axit là quá trình thường xuyên nhất trong sản xuất pectin công nghiệp, vì các kỹ thuật chiết xuất khác như đun sôi trực tiếp (60ºC-100ºC) trong tối đa 24 giờ và pH thấp (1,0-3,0) chậm và năng suất thấp và có thể gây suy thoái nhiệt của sợi được chiết xuất và năng suất pectin đôi khi bị giới hạn bởi các điều kiện quy trình. Tuy nhiên, chiết xuất xúc tác axit cũng đi kèm với nhược điểm của nó: Việc xử lý axit khắc nghiệt gây ra quá trình khử trùng hợp và khử este của chuỗi pectin, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng pectin. Việc sản xuất khối lượng lớn nước thải có tính axit đòi hỏi phải xử lý hậu kỳ và xử lý tái chế tốn kém, điều này làm cho quá trình này trở thành gánh nặng môi trường.

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).

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.

Ultrasonicators hiệu suất cao

Hielscher Ultrasonics là đối tác của bạn cho các quá trình khai thác từ thực vật. Cho dù bạn muốn trích xuất một lượng nhỏ để nghiên cứu và phân tích hoặc xử lý khối lượng lớn cho sản xuất thương mại, chúng tôi có máy vắt siêu âm phù hợp cho bạn. Máy đồng nhất phòng thí nghiệm siêu âm của chúng tôi cũng như băng ghế dự bị và sonicators công nghiệp của chúng tôi mạnh mẽ, dễ sử dụng và được xây dựng để hoạt động 24/7 dưới tải đầy đủ. Một loạt các phụ kiện như sonotrodes (đầu dò siêu âm / sừng) với kích thước và hình dạng khác nhau, tế bào dòng chảy và lò phản ứng và tên lửa đẩy cho phép thiết lập tối ưu cho quá trình khai thác cụ thể của bạn.
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:

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: Trong bài báo nghiên cứu "Siêu âm hỗ trợ chiết xuất pectin từ bưởi nho bằng axit citric: Phương pháp tiếp cận bề mặt đáp ứng", sonication được sử dụng để chiết xuất pectin từ bưởi nho với axit citric làm chất chiết xuất. Theo Phương pháp bề mặt đáp ứng, năng suất pectin cao nhất (∼32,3%) có thể đạt được khi quá trình khai thác siêu âm được thực hiện ở 75ºC trong 60 phút bằng dung dịch axit citric pH 2.0. Các polysacarit pectic này, bao gồm chủ yếu bởi các đơn vị axit galacturonic (∼97% tổng lượng đường), có trọng lượng phân tử trung bình là 163,9kDa và mức độ este hóa (DE) là 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]