Chiết xuất pectin từ trái cây và chất thải sinh học bằng siêu âm

• Pectin là một phụ gia thực phẩm được sử dụng rất phổ biến, chủ yếu được bổ sung để tạo gel.
• Chiết xuất bằng siêu âm làm tăng đáng kể hiệu suất thu hồi và chất lượng của dịch chiết pectin.
• Xử lý bằng siêu âm được biết đến với tác dụng tăng cường quá trình, vốn đã được ứng dụng trong nhiều quy trình công nghiệp.

Pectin và chiết xuất pectin

Pectin là một polysaccharide phức tạp tự nhiên (heteropolysaccharide), được tìm thấy đặc biệt trong thành tế bào của trái cây, nhất là trong trái cây có múi và bã táo. Vỏ táo và vỏ trái cây có múi đều chứa hàm lượng pectin cao. Bã táo chứa 10–15% pectin tính theo chất khô, trong khi vỏ trái cây có múi chứa 20–30%. Pectin là các polysaccharide có tính tương thích sinh học, có khả năng phân hủy sinh học và có thể tái tạo, với chức năng tạo gel và làm đặc vượt trội, khiến chúng trở thành các phụ gia được đánh giá cao. Chúng được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm để điều chỉnh tính lưu biến, đóng vai trò là chất tạo gel, tạo bóng, ổn định và làm đặc, đồng thời là chất nhũ hóa trong một số công thức. Chiết xuất bằng siêu âm là một phương pháp hiệu quả để tách pectin chất lượng cao từ vỏ và bã trái cây, giúp tăng hiệu suất thu hồi đồng thời giảm thời gian xử lý và tổng chi phí.

Chiết xuất pectin theo phương pháp truyền thống cho các ứng dụng công nghiệp được thực hiện bằng các quy trình có xúc tác axit (sử dụng axit nitric, axit clohydric hoặc axit sulfuric). Chiết xuất có xúc tác axit là quy trình được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất pectin công nghiệp, vì các kỹ thuật chiết xuất khác như đun sôi trực tiếp (60ºC–100ºC) trong thời gian lên đến 24 giờ và ở pH thấp (1,0–3,0) diễn ra chậm, có hiệu suất thu hồi thấp và có thể gây phân hủy nhiệt chất xơ được chiết xuất; hiệu suất thu hồi pectin đôi khi cũng bị giới hạn bởi các điều kiện của quá trình. Tuy nhiên, chiết xuất có xúc tác axit cũng có những nhược điểm: Xử lý bằng axit trong điều kiện khắc nghiệt gây khử trùng hợp và khử este hóa các chuỗi pectin, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng pectin. Việc tạo ra lượng lớn nước thải có tính axit đòi hỏi xử lý tiếp theo và xử lý tái chế tốn kém, khiến quy trình trở thành gánh nặng đối với môi trường.

Chiết xuất pectin bằng siêu âm

Chiết xuất bằng siêu âm là một phương pháp xử lý nhẹ nhàng, không dùng nhiệt, được ứng dụng trong nhiều quy trình chế biến thực phẩm. Khi chiết xuất pectin từ trái cây và rau củ, xử lý bằng siêu âm tạo ra pectin chất lượng cao. Pectin được chiết xuất bằng siêu âm nổi bật về hàm lượng axit anhydrouronic, methoxyl và pectat canxi cũng như độ este hóa. Các điều kiện nhẹ nhàng của quá trình chiết xuất bằng siêu âm ngăn ngừa sự phân hủy nhiệt của pectin nhạy cảm với nhiệt.
Chất lượng và độ tinh khiết của pectin có thể thay đổi tùy theo hàm lượng axit anhydrogalacturonic, độ este hóa và hàm lượng tro của pectin được chiết xuất. Pectin có khối lượng phân tử cao, hàm lượng tro thấp (dưới 10%) và hàm lượng axit anhydrogalacturonic cao (trên 65%) được xem là pectin chất lượng tốt. Do cường độ xử lý bằng siêu âm có thể được kiểm soát rất chính xác, có thể tác động đến các tính chất của dịch chiết pectin bằng cách điều chỉnh biên độ, nhiệt độ chiết xuất, áp suất, thời gian lưu và dung môi.

 

Trong video này, chúng tôi giới thiệu quy trình chiết xuất pectin hiệu quả cao từ vỏ bưởi chùm bằng máy siêu âm đầu dò UP200Ht. Xử lý siêu âm là phương pháp có hiệu quả cao để thu hồi lượng lớn pectin chất lượng cao từ phụ phẩm rau quả. Chiết xuất bằng siêu âm giúp thu được nhiều pectin hơn với chất lượng vượt trội trong thời gian xử lý ngắn hơn.

 
Xem tại đây quy trình chiết xuất pectin từ vỏ bưởi chùm bằng siêu âm được trình bày trong video ở trên!
 

Chiết xuất bằng siêu âm có thể được thực hiện bằng nhiều loại dung môi như nước, axit citric, dung dịch axit nitric (HNO₃, pH 2,0), hoặc amoni oxalat/axit oxalic, nhờ đó cũng có thể tích hợp xử lý bằng siêu âm vào các dây chuyền chiết xuất hiện có (trang bị bổ sung).

Phế thải trái cây làm nguồn nguyên liệu: Siêu âm hiệu suất cao đã được ứng dụng thành công để phân lập pectin từ bã táo, vỏ quả có múi (như cam, chanh, bưởi chùm), bã nho, lựu, bã củ cải đường, vỏ thanh long, phiến thân xương rồng lê gai, vỏ chanh dây và vỏ xoài.

Kết tủa pectin sau khi chiết xuất bằng siêu âm

Việc thêm ethanol vào dung dịch chiết có thể giúp tách pectin thông qua một quá trình gọi là kết tủa. Pectin, một polysaccharide phức tạp có trong thành tế bào thực vật, tan trong nước ở điều kiện bình thường. Tuy nhiên, bằng cách thay đổi môi trường dung môi thông qua việc thêm ethanol, độ tan của pectin có thể giảm, dẫn đến sự kết tủa của pectin khỏi dung dịch.

Cơ sở hóa học của quá trình kết tủa pectin bằng ethanol có thể được giải thích bằng ba phản ứng:

• Phá vỡ liên kết hydro: Các phân tử pectin được giữ với nhau bằng liên kết hydro, góp phần tạo nên 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 tại các vị trí liên kết trên phân tử pectin. Khi các phân tử ethanol thay thế các phân tử nước xung quanh phân tử pectin, các liên kết hydro giữa các phân tử pectin yếu đi, làm giảm độ tan của chúng trong dung môi.
• Giảm độ phân cực của dung môi: Ethanol có độ phân cực thấp hơn nước, nghĩa là khả năng hòa tan các chất phân cực như pectin của ethanol thấp hơn. Khi thêm ethanol vào dung dịch chiết, độ phân cực tổng thể của dung môi giảm, khiến các phân tử pectin khó duy trì trạng thái hòa tan hơn. Điều này dẫn đến sự kết tủa của pectin khỏi dung dịch do pectin trở nên ít tan hơn trong hỗn hợp ethanol và nước.
• Tăng nồng độ pectin: Khi các phân tử pectin kết tủa khỏi dung dịch, nồng độ pectin trong phần dung dịch còn lại tăng lên. Điều này giúp tách pectin khỏi pha lỏng dễ dàng hơn bằng phương pháp lọc hoặc ly tâm.

Kết tủa pectin bằng ethanol là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để phân lập pectin từ dung dịch chiết; đây là một bước xử lý có thể dễ dàng thực hiện sau khi chiết xuất pectin bằng siêu âm. Việc thêm ethanol vào dung dịch chiết làm thay đổi môi trường dung môi theo hướng giảm độ tan của pectin, dẫn đến sự kết tủa và sau đó là tách pectin khỏi dung dịch. Kỹ thuật này thường được sử dụng để chiết xuất và tinh sạch pectin từ nguyên liệu thực vật cho nhiều ứng dụng công nghiệp và thực phẩm.
 
 
Bạn quan tâm đến việc gia tăng giá trị cho bã, vỏ và thịt quả? – Đọc thêm về chiết xuất polyphenol từ phế phẩm trái cây!

Thiết bị siêu âm công nghiệp để chiết xuất pectin

Hielscher Ultrasonics là đối tác của bạn trong các quá trình chiết xuất từ nguyên liệu thực vật như bã, vỏ và hạt. Dù bạn muốn chiết xuất lượng nhỏ để nghiên cứu và phân tích hay xử lý khối lượng lớn để sản xuất thương mại, chúng tôi đều có thiết bị chiết xuất siêu âm phù hợp cho bạn. Các thiết bị đồng hóa siêu âm phòng thí nghiệm cũng như thiết bị siêu âm để bàn và công nghiệp của chúng tôi đều bền chắc, dễ sử dụng và được thiết kế để vận hành 24/7 ở mức tải tối đa. Danh mục phụ kiện đa dạng như sonotrode (đầu dò / đầu khuếch đại siêu âm) với nhiều kích thước và hình dạng khác nhau, buồng dòng chảy, thiết bị phản ứng và bộ tăng biên độ cho phép thiết lập cấu hình tối ưu cho quá trình chiết xuất 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 tự động ghi dữ liệu và khả năng điều khiển từ xa qua trình duyệt để giám sát toàn diện quá trình. Với các hệ thống siêu âm tiên tiến của Hielscher, việc chuẩn hóa quá trình ở mức độ cao và kiểm soát chất lượng trở nên đơn giản.
Hãy liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để trao đổi về các yêu cầu của quá trình chiết xuất pectin của bạn! Chúng tôi rất sẵn lòng hỗ trợ bạn bằng kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực chiết xuất bằng siêu âm và giúp bạn đạt được hiệu quả quá trình cao nhất cùng chất lượng pectin tối ưu!

Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Kết quả nghiên cứu về chiết xuất pectin bằng siêu âm

Phế thải cà chua: Để tránh thời gian chiết kéo dài (12–24 h) trong quy trình đun hồi lưu, siêu âm được sử dụng để tăng cường quá trình chiết xét về thời gian (15, 30, 45, 60 và 90 min). Tùy theo thời gian chiết, hiệu suất thu hồi pectin ở bước chiết bằng siêu âm đầu tiên tại nhiệt độ 60°C và 80°C lần lượt là 15,2–17,2% và 16,3–18,5%. Khi áp dụng bước chiết bằng siêu âm thứ hai, hiệu suất thu hồi pectin từ phế thải cà chua tăng lên 34–36%, tùy theo nhiệt độ và thời gian). Rõ ràng, chiết xuất bằng siêu âm làm tăng sự phá vỡ cấu trúc nền thành tế bào cà chua, giúp dung môi tương tác tốt hơn với nguyên liệu được chiết.
Pectin được chiết bằng siêu âm có thể được phân loại là pectin có hàm lượng methoxyl cao (HM-pectin), có đặc tính tạo gel nhanh (DE > 70%) và độ este hóa 73,3–85,4%. n. Hàm lượng canxi pectat trong pectin được chiết bằng siêu âm được đo trong khoảng từ 41,4% đến 97,5%, tùy theo các thông số chiết (nhiệt độ và thời gian). Ở nhiệt độ chiết bằng siêu âm cao hơn, hàm lượng canxi pectat cao hơn (91–97%) và do đó là một thông số quan trọng về khả năng tạo gel của pectin so với chiết xuất thông thường.
Chiết xuất bằng dung môi thông thường trong 24hr cho hiệu suất thu hồi pectin tương tự như xử lý chiết bằng siêu âm trong 15 min. Từ các kết quả thu được, có thể kết luận rằng xử lý siêu âm làm giảm đáng kể thời gian chiết. Phổ NMR và FTIR xác nhận sự hiện diện của pectin chủ yếu ở dạng este hóa trong tất cả các mẫu được khảo sát. [Grassino et al. 2016]

Vỏ chanh dây: Hiệu suất thu hồi, axit galacturonic và độ este hóa được xem là các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả chiết xuất. Hiệu suất thu hồi pectin cao nhất bằng phương pháp chiết có hỗ trợ siêu âm là 12,67% (điều kiện chiết: 85ºC, 664 W/cm2, pH 2,0 và 10 min). Với cùng các điều kiện này, phương pháp chiết bằng gia nhiệt thông thường được thực hiện và cho kết quả 7,95%. Những kết quả này phù hợp với các nghiên cứu khác, trong đó ghi nhận thời gian ngắn để chiết xuất hiệu quả các polysaccharide, bao gồm pectin, hemicellulose và các polysaccharide tan trong nước khác, với sự hỗ trợ của siêu âm. Người ta cũng quan sát thấy hiệu suất thu hồi tăng 1,6 lần khi quá trình chiết được hỗ trợ bằng siêu âm. Các kết quả thu được 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 et al. 2016]

Phiến thân xương rồng lê gai: Phương pháp chiết có hỗ trợ siêu âm (UAE) để thu pectin từ phiến thân Opuntia ficus indica (OFI) sau khi loại bỏ chất nhầy đã được thử nghiệm bằng phương pháp bề mặt đáp ứng. Các biến quá trình được tối ưu hóa bằng thiết kế phức hợp trung tâm đẳng phương sai nhằm cải thiện hiệu suất thu hồi pectin. Điều kiện tối ưu thu được là: thời gian siêu âm 70 min, nhiệt độ 70, pH 1,5 và tỷ lệ nước/nguyên liệu 30 ml/g. Điều kiện này đã được kiểm chứng và hiệu suất chiết thực nghiệm là 18,14% ± 1,41%, rất gần với giá trị dự đoán (19,06%). Do đó, chiết xuất bằng siêu âm là một phương án thay thế đầy triển vọng cho quy trình chiết thông thường nhờ hiệu quả cao đạt được trong thời gian ngắn hơn và ở nhiệt độ thấp hơn. Pectin được chiết bằng siêu âm từ phiến thân OFI (UAEPC) có độ este hóa thấp, hàm lượng axit uronic cao, các đặc tính chức năng quan trọng và hoạt tính kháng gốc tự do tốt. Những kết quả này ủng hộ việc sử dụng UAEPC làm phụ gia tiềm năng trong ngành công nghiệp thực phẩm. [Bayar et al. 2017]

Bã nho: Trong bài nghiên cứu “Chiết xuất pectin từ bã nho với sự hỗ trợ của siêu âm bằng axit citric: Phương pháp tiếp cận theo phương pháp luận bề mặt đáp ứng”, xử lý siêu âm được sử dụng để chiết xuất pectin từ bã nho với axit citric làm tác nhân chiết xuất. Theo phương pháp luận bề mặt đáp ứng, hiệu suất thu hồi pectin cao nhất (∼32,3%) có thể đạt được khi quá trình chiết xuất bằng siêu âm được thực hiện ở 75ºC trong 60 min với dung dịch axit citric có pH 2,0. Các polysaccharide pectic này, có thành phần chủ yếu là các đơn vị axit galacturonic (∼97% tổng lượng đường), có khối lượng phân tử trung bình là 163,9kDa và độ este hóa (DE) là 55,2%.
Hình thái bề mặt của bã nho đã xử lý siêu âm cho thấy xử lý siêu âm đóng vai trò quan trọng trong việc phá vỡ mô thực vật và nâng cao hiệu suất chiết xuất. Hiệu suất thu hồi sau khi chiết xuất pectin bằng siêu âm trong điều kiện tối ưu (75°C, 60 min, pH 2,0) cao hơn 20% so với hiệu suất thu hồi khi chiết xuất trong cùng điều kiện nhiệt độ, thời gian và pH nhưng không có sự hỗ trợ của siêu âm. Ngoài ra, pectin thu được từ quá trình chiết xuất bằng siêu âm cũng có khối lượng phân tử trung bình cao hơn. [Minjares-Fuentes et al. 2014]