СПОСОБ ЭКСТРАКЦИИ ПЕКТИНА
METHOD OF PECTIN EXTRACTION

Область техники, к которой относится изобретение
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способам экстракции пектинов высокого качества. В частности, настоящее изобретение относится к низкотемпературным способам экстракции пектина из кожуры цитрусовых, который исключает значительную деградацию пектина во время способа экстракции.
Уровень техники
Пектин представляет собой сложный полисахарид, связанный с клеточными стенками растений. Он состоит из основной цепи альфа 1-4 связанной полигалактуроновой кислоты, которая прерывается рамнозными остатками и модифицируется боковыми цепями нейтральных сахаров и компонентами, отличными от сахаров, такими как ацетильные, метильные группы и группы феруловой кислоты. Боковые цепи нейтральных сахаров, которые включают арабинан и арабиногалактаны, присоединены к рамнозным остаткам в основной цепи.
Значительное количество исследований пектинов осуществляют из-за их важности в качестве пищевого продукта, диетических волокон и компонента клеточных стенок высших растений и из-за поступающей новой информации о ряде фармакологических активностей. Современные способы экстракции пектина, однако, не производят пектины качества, достаточного для всех таких применений.
Обычные способы экстракции пектина требуют продолжительного нагрева растительных материалов, содержащих пектин, при температурах чуть ниже температуры кипения (приблизительно 65-85°C) в кислотных средах (pH ниже 2,2) в течение 1-10 часов. Эти способы, однако, имеют высокие времена удерживания и потребности в энергии и могут обеспечить только умеренный выход (20-30%) пектина с использованием противоточного способа (то есть, способа с использованием ряда, n, ступеней экстракции, с помощью которых исходные сырые материалы поступают в ступень экстракции #1, образующаяся чистая вода поступает на ступень #n, и для любой ступени #i, считая 1<i<n, жидкость поступает из ступени i+1, в то время как твердые продукты поступают из ступени i-1). Таким образом, поскольку кислотные условия являются агрессивными, и поскольку значительная часть пектина многократно экспонируется для кислотных условий, пектины часто деградируют во время обычного способа экстракции.
Специалистам в данной области ясно, что является желательной экстракция пектина, имеющего настолько высокую степень полимеризации (DP), насколько это возможно, с затратами настолько низкими, насколько это возможно. Выбор условий получения вроде отношения твердые продукт/жидкость, кислотности, температуры, и тому подобное, все это будет влиять на эти противоречивые соображения. Например, для получения даже умеренно высокого выхода с использованием обычных способов, условия экстракции должны быть агрессивными. В дополнение к этому, после экстракции, разделение твердые продукты-жидкость должно быть настолько полным, насколько это возможно, поскольку жидкость, которая удерживается твердыми продуктами после разделения, будет экспонироваться для агрессивных условий экстракции второй раз (из-за устройства установки противоточной экстракции). Однако чтобы разделение было настолько полным, насколько это возможно, вязкость жидкости предпочтительно должна быть низкой, что достигается посредством либо разделения при высокой температуре, либо разделения при низком отношении твердые продукты/жидкость, либо посредством сочетания того и другого. Однако использование высокой температуры в сочетании с низким pH является вредным для качества пектина (например, для его степени полимеризации). Наоборот, низкое отношение твердые продукты/жидкость становится дорогостоящим, поскольку нужно удалять большие количества воды из пектина либо посредством выпаривания, либо посредством отгонки спирта. Таким образом, остается необходимость в экономически эффективном способе экстракции пектинов без ухудшения качества экстрагированных пектинов.
В дополнение к этому, важно также, чтобы конечный пектин не содержал нежелательных загрязнений, включая любое остаточное присутствие кислоты (и ее солей), которую используют для экстракции пектина. Таким образом, в промышленности получения пектина имеется также необходимость в экономически эффективных способах уменьшения присутствия остаточных кислот, которые добавляют для экстракции.
Дополнительные аспекты будут представлены частично в описании, которое следует далее, а частично станут понятны из описания, или они могут быть изучены посредством осуществления аспектов, описанных ниже. Преимущества, описанные ниже, будут реализованы и получены посредством элементов и сочетаний, конкретно указанных в прилагаемой формуле изобретения. Необходимо понять, что как предшествующее общее описание, так и следующее далее подробное описание являются только пояснительными и не являются ограничивающими.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию системы экстракции пектина в соответствии с одним из конкретных вариантов осуществления.
Фиг.2 представляет собой схематическую иллюстрацию обычной системы экстракции пектина.
Фиг.3 представляет собой график, иллюстрирующий содержание кальция для пектина как функцию дозировки щавелевой кислоты.
Фиг.4 представляет собой график, иллюстрирующий влияние pH на выход экстракции пектина.
Фиг.5 представляет собой график, иллюстрирующий собственную вязкость экстрагированного пектина как функцию pH.
Фиг.6 представляет собой график, иллюстрирующий дозировку щавелевой кислоты и выход пектина в процентах от кожуры.
Фиг.7 представляет собой график, иллюстрирующий произведение (выхода пектина на собственную вязкость пектина), как функцию дозировки щавелевой кислоты.
Подробное описание
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способам экстракции пектинов высокого качества из растительных материалов, содержащих пектин, с использованием щавелевой кислоты для экстракции материала, содержащего пектин. Если описывать в целом, способ экстракции пектина, имеющего высокую степень полимеризации, при одноступенчатой экстракции включает приготовление водной суспензии растительного материала, содержащего пектин; добавление щавелевой кислоты и/или водорастворимого оксалата в водную суспензию в количестве, достаточном для получения смеси, имеющей pH в пределах между 3,0 и 3,6 и общую молярность оксалата большую, чем общая молярность кальция (II); нагрев смеси до температуры от примерно 50 до примерно 80°C в течение времени, достаточного для экстракции пектина из растительного материала, содержащего пектин; и выделение экстрагированного пектина из смеси. Экстрагированный пектин желательно характеризуется как имеющий степень этерификации (DE), по меньшей мере, 72 и высокую степень полимеризации, степень полимеризации характеризуется собственной вязкостью больше примерно, чем 6 дл/г.
Растительные материалы, содержащие пектин, хорошо известны в данной области и включают свежие и переработанные материалы, а также остатки растений. Желательно, растительный материал, содержащий пектин, представляет собой фрукты, неограничивающие примеры которых включают косточковые фрукты, такие как персики, мясистые семечковые фрукты, такие как яблоки, и цитрусовые фрукты, такие как лаймы, лимоны, апельсины и грейпфруты. Материал может быть приготовлен для экстракции с использованием любых пригодных для использования средств и любой пригодной для использования части растительного материала, содержащего пектин, например, посредством выжимания сока, снятия кожуры, крупной нарезки, помола или измельчения растительного материала, содержащего пектин, или его частей. В конкретных вариантах осуществления, растительный материал, содержащий пектин, представляет собой кожуру фрукта. Кожура фрукта для цитрусового фрукта, как используется в настоящем документе, обозначает флаведо, альбедо и выжимки после получения сока (выжимки в виде пульпы), которые остаются после выжимания сока из фруктов. В альтернативных вариантах осуществления растительный материал, содержащий пектин, представляет собой одну или несколько частей кожуры фрукта (например, альбедо, части альбедо, выжимки после получения сока или их сочетания).
В вариантах осуществления щавелевую кислоту и/или водорастворимый оксалат добавляют в водный раствор растительных материалов, содержащих пектин. Растительные материалы, содержащие пектин, как правило, присутствуют в количестве от примерно 2 до примерно 5 мас.% от смеси. Щавелевая кислота и/или водорастворимый оксалат присутствует в количестве от примерно 20 до примерно 50 г на кг сухого материала, для растительного материала, содержащего пектин. Желательно, смесь имеет pH в пределах между 3,0 и 3,6, pH между 3,1 и 3,4 или pH между 3,2 и 3,3. Также желательно смесь имеет общую молярность оксалата большую, чем общая молярность кальция (II). Специалисты в данной области увидят, что вместе со щавелевой кислотой и/или водорастворимым оксалатом, pH смеси может модифицироваться с помощью добавления малых количеств пригодных для использования оснований (например, NaOH) или кислот (например, азотной кислоты), с использованием способов, известных в данной области.
Затем пектин экстрагируют из растительных материалов, содержащих пектин, посредством нагрева смеси до температуры от примерно 50 до примерно 80°C в течение времени, достаточного для экстракции пектина. Во время экстракции пектина смесь желательно осторожно перемешивать и/или мешать с использованием способов, известных специалистам в данной области. В конкретных вариантах осуществления, смесь нагревают до температуры от примерно 60 до примерно 80°C или до температуры от примерно 70 до примерно 80°C. Хотя выход, как правило, увеличивается вместе со временем экстракции, время предпочтительно сводится к минимуму, для уменьшения любых потерь степени полимеризации пектина, который экстрагируется. Соответственно, в конкретных вариантах осуществления, время, достаточное для экстракции пектина, составляет от примерно 0,5 часа до примерно 5 часов, от примерно 1 часа до примерно 3 часов или от примерно 1,5 часа до примерно 2,5 часов.
После экстракции пектина из растительных материалов, содержащих пектин, нерастворимые твердые продукты (то есть, остаток растительного материала, содержащего пектин) может удаляться из смеси с экстрагированным пектином с использованием любых соответствующих средств, например, с помощью одной или нескольких стадий фильтрования (например, грубого и/или тонкого фильтрования). Затем экстрагированный пектин может быть осажден из смеси, например, посредством выливания экстракта в эффективное количество спирта. Пригодные для использования спирты включают, но не ограничиваясь этим, любой спирт, который совместим с пищевыми применениями, и который эффективно осаждает пектины и растворяет материалы, растворимые в спиртах. В конкретных вариантах осуществления спирты представляют собой изопропиловый спирт, пропанол, этанол или метанол. После осаждения, экстрагированный пектин может выделяться из раствора и промываться спиртом для удаления настолько большого количества примесей, растворимых в спирте, насколько это возможно. Затем пектин может сушиться и перерабатываться в порошок или дополнительно модифицироваться (например, деэтерифицироваться и/или амидироваться) с использованием способов, известных в данной области.
В других конкретных вариантах осуществления остатки могут удаляться из экстрагированного пектина либо до, либо после его выделения из смеси спирт-вода. Такие остатки могут включать, например, малые количества щавелевой кислоты и оксалатных остатков, которые используют для экстракции. Хотя умеренное присутствие обычных кислот (например, азотной кислоты), используемых в способах экстракции, как правило, является приемлемым, остатки щавелевой кислоты, вероятно, были бы допустимыми в очень низких количествах из-за отсутствия предыдущего регулируемого использования и оценки при промышленном производстве пектина. Таким образом, является желательным удаление щавелевой кислоты и остатков оксалата кальция из экстрагированного пектина. Соответственно, в конкретных вариантах осуществления способ дополнительно включает экспонирование раствора экстрагированного пектина для катионообменной смолы перед выделением экстрагированного пектина из раствора, тем самым, значительно уменьшая содержание остатков оксалата и кальция в конечном экстрагированном пектине. Неограничивающие примеры пригодных для использования катионообменных смол включают Lewatit S1668 и Lewatit S1468 (Lanxess Deutschland GmbH, Leverkusen, Germany), Purolite C100E (Purolite International Ltd., Llantrisant, United Kingdom) и Amberlite SR1L Na (Rohm and Haas, Philadelphia, Pennsylvania). Раствор экстрагированного пектина может находиться при любой пригодной для использования температуре и может нагреваться или охлаждаться по потребности. Например, в вариантах осуществления раствор экстрагированного пектина находится при температуре от примерно 55 до примерно 70°C.
Пектины, полученные с использованием способов, предлагаемых в настоящем документе, имеют более высокую степень этерификации (DE) и более высокую степень полимеризации (DP), в то же время они экстрагируются при более высоком выходе, чем в обычных способах. Желательно, экстрагированный пектин имеет степень этерификации равную или большую чем 75 и степень полимеризации, которая характеризуется собственной вязкостью от примерно 6,5 до примерно 9 дл/г. В конкретных вариантах осуществления, экстрагированный пектин имеет степень этерификации, по меньшей мере, 76, по меньшей мере, 77 или, по меньшей мере, 78 и степень полимеризации, которая характеризуется собственной вязкостью, по меньшей мере, 7,0 дл/г, по меньшей мере, 7,5 дл/г, по меньшей мере, 7,8 дл/г или, по меньшей мере, 8,0 дл/г.
Специалисты в данной области поймут, однако, что свойства пектина зависят от видов растительного материала, зрелости растительного материала и от задержки по времени до переработки растительного материала. Например, в одном из вариантов осуществления пектин, экстрагированный из кожуры лимона высокого качества, имеет степень этерификации примерно 75-78 и собственную вязкость примерно 9 дл/г (по сравнению со степенью этерификации 74-76 и собственной вязкостью примерно 7,5 дл/г, при экстракции с использованием обычных способов). В другом варианте осуществления, однако, пектин, экстрагированный из растительного материала низкого качества, имеет степень этерификации большую чем 73 и собственную вязкость примерно 6,5 дл/г.
Способы, предлагаемые в настоящем документе, желательно, также предлагают более высокий выход по отношению к кожуре, чем обычные способы экстракции пектина. В конкретных вариантах осуществления, выход по отношению к кожуре больше примерно чем 23, больше примерно 25, или больше примерно чем 27. Специалисты в данной области заметят, однако, что ожидаемый выход зависит от качества исходных материалов и от природного разброса свойств исходных материалов.
Выход по отношению к кожуре может быть приблизительно получен из следующей формулы:
P
S
P,
Y% = 0,1·y·M/W
P
S
P
в которой Y представляет собой выход по отношению к кожуре в %, y представляет собой выход раствора (жидкий экстракт) в г/кг, M представляет собой общую массу экстракционной смеси непосредственно перед фильтрованием и W представляет собой массу кожуры, которую используют для экстракционной смеси. Специалисты в данной области заметят, что это вычисление выхода по отношению к кожуре является только приблизительным, поскольку оно игнорирует то, что небольшая часть от общей массы экстракционной смеси не растворяется и, по этой причине, представляет собой объем, внутри которого растворенный пектин не распределяется.
В конкретных вариантах осуществления ценность способов, предлагаемых в настоящем документе, характеризуется произведением выхода по отношению к кожуре и собственной вязкостью. Желательно, произведение выхода по отношению к кожуре и собственной вязкости пектинов, полученных с помощью способов, предлагаемых в настоящем документе, больше, чем произведение выхода по отношению к кожуре и собственной вязкости пектинов, полученных с помощью обычных способов. Например, в конкретных вариантах осуществления произведение выхода по отношению к кожуре и собственной вязкости пектинов больше примерно чем 160, больше примерно чем 165, больше примерно чем 175 или больше примерно чем 185.
++
Упомянутый выше способ улучшает известные из литературы способы экстракции пектинов, предлагая способ, который (1) достигает низкой вязкости во время фильтрования, в то же время сводя к минимуму потери степени полимеризации пектина; (2) устраняет Ca, в то же время уменьшая необходимость в регенерации ионообменной смолы; (3) увеличивает выход пектина по сравнению с количеством отработанных исходных материалов, в то же время сводя к минимуму потери степени полимеризации пектина; (4) уменьшает количество воды, которая должна удаляться из экстрагированного пектина; и (5) уменьшает в конечном продукте количество остатков кислоты, которую добавляют для экстракции.
++
++
Не желая ограничиваться какой-либо теорией предполагается, что способ, предлагаемый в настоящем документе, достигает этих желаемых результатов отчасти с помощью конкретного баланса выбора экстракционной среды (щавелевой кислоты), pH и температуры. В дополнение к этому, считается, что осаждение главной части ионов Ca в виде оксалата кальция уменьшает тенденцию растворенного пектина к повышению вязкости в присутствии ионов Ca, тем самым уменьшая вязкость смеси во время фильтрования и уменьшая остаточное количество щавелевой кислоты в конечном продукте. Сочетание хорошего выхода и низкой вязкости дает дополнительную возможность работать при относительно высокой концентрации пектина в фильтруемой жидкости, тем самым, уменьшая количество воды, которое должно удаляться из пектина. Наконец, присутствие остаточной щавелевой кислоты в конечном пектине дополнительно уменьшается посредством экспонирования жидкого экстракта пектина для катионообменной смолы перед осаждением пектина из раствора.
Варианты осуществления настоящего изобретения дополнительно иллюстрируются с помощью следующих далее примеров, которые ни в коем случае не должны рассматриваться как придающие ограничения своими рамками. Наоборот, необходимо четко понять, что можно прибегнуть к различным другим вариантам осуществления, модификациям и их эквивалентам, которые после чтения настоящего описания могут сами по себе быть полезными специалистам в данной области, без отклонения от духа настоящего изобретения и/или рамок прилагаемой формулы изобретения. Если не указано иного, значения, упоминаемые как проценты (%), представляют собой проценты массовые (мас.%).
ПРИМЕРЫ
Следующие далее протоколы используют для анализа степени этерификации (DE), собственной вязкости (IV), крепости, остаточного содержания кальция и остаточного содержания оксалата в Примерах ниже.
Протокол 1. Определение степени этерификации
Степень этерификации измеряют с использованием способа, приведенного в FAO JECFA Monographs 4 (2007). 100 мл раствора спирта в кислоте (100 мл 60% IPA + 5 мл дымящейся HCl 37%) добавляют к 2,00 г пектина при перемешивании с помощью магнитной мешалки в течение 10 мин. Смесь пропускают через воронку Бюхнера с бумажным фильтром, и химический стакан промывают 90 мл раствором спирта в кислоте, и также пропускают этот раствор через воронку Бюхнера с бумажным фильтром. Затем фильтрат промывают сначала 1000 мл 60% IPA, а затем с помощью приблизительно 30 мл 100% IPA. Затем образец сушат в течение приблизительно 15 мин на воронке Бюхнера с вакуумным отсосом.
Образцы пектина массой приблизительно 0,40 г измеряют для парного определения (отклонение между парными определениями не должно превышать 1,5% по абсолютному значению, иначе исследование повторяют). Образцы пектина сначала увлажняют с помощью приблизительно 2 мл 100% IPA. Затем к увлажненным образцам добавляют приблизительно 100 мл деионизированной воды при перемешивании с помощью магнитной мешалки. Затем образцы оценивают с помощью титрования, либо посредством индикатора, либо с использованием pH метра/автоматической бюретки.
Титрование с использованием индикатора. К образцу добавляют 5 капель фенолфталеинового индикатора, и титруют его с помощью 0,1 M NaOH, пока не станет наблюдаться изменение цвета (регистрируют это как титр V1). Добавляют 20,0 мл 0,5 M NaOH при перемешивании, и прикрывают емкость фольгой ровно на 15 минут. Добавляют 20,0 мл 0,5 M HCl при перемешивании до тех пор, пока цвет не исчезнет. Затем добавляют 3 капли фенолфталеинового индикатора, и смесь титруют с помощью 0,1 M NaOH до тех пор, пока не будет наблюдаться изменение цвета (регистрируют это как титр V2). Для компенсирования возможных неточностей взвешивания двух порций по 20 мл 0,5 M NaOH и HCl, соответственно, осуществляют так называемое «слепое измерение» (то есть, 100 мл деионизированной воды обрабатывают таким же образом, как и раствор образца, включая титрование). Последний результат титрования регистрируют как титр B1. Затем степень этерификации характеризуют с помощью следующих вычислений.
t
V = V1 + (V2 - B1)
t
% DE (степень этерификации) = [(V2 - B1)/V] * 100
Протокол 2. Определение собственной вязкости
Образцы приготавливают с использованием модуля для растворителя/образца GPC Viscotek GPC max VE 2001 или устройства для автоматического отбора образцов AS 3500, если только про образцы не известно, что они содержат нерастворимый материал (в этом случае образцы приготавливают вручную). Затем определяют молекулярную массу, собственную вязкость и распределение молекулярных масс пектина в образцах с использованием эксклюзионной хроматографии (SEC). Молекулы разделяют в соответствии с их размером с помощью гель-проникающей хроматографии, при этом эффлюент из хроматографической колонки проходит через три детектора (RI, RALLS и детектор вязкости). Программное обеспечение Viscotek преобразует сигналы детектора в молекулярную массу и собственную вязкость и вычисляет взвешенные средние для выборки в целом.
Оборудование: тройной детектор Viscotek TDA 302 или TDA 305; модуль для растворителя/образца GPC Viscotek GPC max VE 2001 или устройство для автоматического отбора образцов AS 3500; модуль для подготовки образца; весы Metler Toledo и распределительное устройство Microlab. 500; модуль нагрева/перемешивания Pierce Reacti-Therm III; колонки: BioBasis SEC60 (300 x 7,8), SEC120 (300 x 7,8), SEC300 (300 x 7,8) SEC1000 (300 x 7,8), все от Thermo, или предохранительная колонка от Shodex SB400 G-8B, SB401-8F, SB402,5-8F, SB403-8F, SB404-8F; или в установке FIPA либо с CPkelco Special (SuperDex Peptid от GE Health Care), либо с BioBasis SEC60 (150 x 7,8) от Thermo; детектор RALLS (детектор лазерного света, рассеиваемого под прямым углом); детектор LALLS (детектор малоуглового рассеяния лазерного света); детектор RI (коэффициента преломления); детектор вискозиметр; компьютерное программное обеспечение: OmniSEC.
Приготовление образца вручную: образцы, о которых известно, что они содержат нерастворимый материал, растворяют вручную и центрифугируют (10000 G в течение 10 мин), и супернатант переносят в новый флакон перед инжекцией.
Приготовление образца с использованием модуля для приготовления образца, весов Metler Toledo и распределительного устройства Mikrolab. 500, и модуля нагрева/перемешивания Pierce Reacti-Therm III: в программном обеспечении omniSEC, используют программу SASP для приготовления образцов перед анализом. Отношение количество/емкость составляет приблизительно 30 мг порошка на 15 мл элюента (2 мг на мл) в 20-мл флаконах. После приготовления образца, флаконы помещают на 30 минут при 70°C в модуль нагрева и перемешивания.
Приготовление образца с использованием весов и модуля нагрева/перемешивания с использованием устройства для автоматического отбора образцов AS 3500: приблизительно 2,0 мг пектина взвешивают во флаконе устройства для автоматического отбора образцов и помещают в стойку устройства для автоматического отбора образцов. Используя шаблон 4 из устройства для автоматического отбора образцов AS3500, используют следующие узлы: циклы разбавления: 3; нагреватель: ON, температура: 70°C; нагрузка 20 мкл растворителя S-1 (S-1 = 96% этанол); добавление 10 мкл к образцу; нагрузка 1500 мкл растворителя S-2 (S-2 = 0,3 M Li-ацетатный буфер); добавление 1300 мкл к образцу (0,1% раствор пектина - 1 мг/мл); перемешивание в течение 9,9 минуты; перемешивание в течение 9,9 минуты; ожидание в течение 10,0 минут; предоставление возможности для наслоения (образца): YES (начало приготовления следующего образца перед окончанием анализа текущего образца). Время опыта в устройстве для автоматического отбора образцов устанавливают при 50 минут и используют инжекцию 100 мкл с полным заполнением петли. Когда используют устройство для автоматического отбора образцов, образец автоматически фильтруют с помощью 0,5 мкм фильтра встроенного в линию, помещенного после петли устройства для автоматического отбора образцов.
Протокол 3. Определение крепости пектина (метод YogSimBuf)
6
10
6
2
2
4
2
4
12
22
11
12
22
11
Буфер YOG SIM BUF pH 3,75 (2000 мл). Буфер приготавливают посредством растворения 13,03 г лактата кальция (CHOCa, 5·HO), 2,79 г дикалия бифосфата (KHPO), 2,00 г бензоата натрия, 2,03 г дигидрофосфата калия (KHPO), 40,00 г лактозы (CHO), 300,00 г сахарозы (CHO). Взвешивают 7,23 г молочной кислоты (90%) и добавляют к раствору, и химический стакан промывают водой после ионного обмена. Наконец, растворяют в колбе 0,43 г гидроксида натрия (NaOH), и раствор разбавляют до 2000 мл с помощью деионизированной воды. pH буферного раствора устанавливают посредством добавления лимонной кислоты до получения значения pH 3,68 ± 0,02, что дает в результате pH 3,75 ± 0,05 в конечной системе пектин-буфер. Этот буферный раствор является стабильным до осаждения.
Исходный раствор пектина (1,2%) (100 мл). Исходный раствор пектина приготавливают посредством увлажнения 1,20 г пектина с помощью 5,00 мл 100% IPA в колбе. При перемешивании, в колбу добавляют 95 мл кипящей деионизированной воды (>85°C), и смесь помещают в течение 30 мин в нагреватель с водяной баней/блоком при 75°C при перемешивании. Раствор охлаждают до комнатной температуры, и добавляют деионизированную воду для разбавления раствора до 100,0 г.
Буферный раствор, исходный раствор пектина и деионизированную воду поддерживают при температуре 23 ± 2°C. Исходный раствор пектина разбавляют деионизированной водой в соответствии с таблицей, ниже.
Концентрация пектина в конечной системе %
Деионизированная вода (г)
Исходный раствор пектина (1,2%) (г)
0
15,0
0
0,02
14,5
0,5
0,04
14,0
1,0
0,06
13,5
1,5
0,08
13,0
2,0
0,10
12,5
2,5
0,12
12,0
3,0
0,14
11,5
3,5
0,16
11,0
4,0
0,18
10,5
4,5
0,20
10,0
5,0
0,22
9,5
5,5
0,24
9,0
6,0
0,26
8,5
6,5
0,28
8,0
7,0
0,30
7,5
7,5
0,32
7,0
8,0
0,34
6,5
8,5
0,36
6,0
9,0
0,38
5,5
9,5
0,40
5,0
10,0
0,42
4,5
10,5
0,44
4,0
11,0
0,46
3,5
11,5
0,48
3,0
12,0
0,50
2,5
12,5
0,52
2,0
13,0
0,54
1,5
13,5
0,56
1,0
14,0
0,58
0,5
14,5
0,60
0
15,0
Добавляют 15 мл буфера к разбавленному раствору пектина при перемешивании со скоростью, достаточной для получения водяной воронки глубиной приблизительно 1 см в течение в целом 25 с. Через 1 минуту, раствор анализируют с использованием Brookfield LVT с адаптером при 6 об/мин (коэффициент 1). Раствор пектин-буфер также оценивают визуально для характеризации его внешнего вида (то есть, присутствия или отсутствия каких-либо кусочков геля, неоднородного внешнего вида, и тому подобное). Процесс повторяют при различных разбавлениях до тех пор, пока не будут идентифицированы следующие точки данных: (1) концентрация с вязкостью в пределах 18-25 мПа·с и (2) концентрация с вязкостью в пределах между 25 и 35 мПа·с. Данные являются достоверными, если pH растворов с вязкостью в пределах между 25 и 35 мПа·с находится в пределах между 3,70 и 3,80.
Исходный результат после осуществления указанной выше процедуры состоит из двух точек данных (c1, η1) и (c2, η2), для которых 18 мПа·с ≤ η1 ≤ 25 мПа·с и 25 мПа·с ≤ η2 ≤ 35 мПа·с. Результат осуществления метода, c†, вычисляют следующим образом, при условии, что вязкости вводятся в единицах мПа·с:
c†=c1+(c2-c1)·(ln(25/η1))/(ln(η2/η1))
Протокол 4. Определение остаточного содержания кальция
3
Приблизительно 0,5 г экстрагированного пектина используют для оценки присутствия остаточного кальция. Образцы переваривают с помощью азотной кислоты (65%) и перекиси водорода (30) в микроволновом устройстве для подготовки проб, как описывается инструкцией. После переваривания реакционные емкости оставляют охлаждаться в вытяжном устройстве. Затем образцы переносят в 50-мл измерительную колбу. При измерении количества остаточного кальция, необходимо добавить хлорид цезия для исключения вредного влияния (1 мл 2,5% раствора CsCl на 10 мл раствора с получением раствора приблизительно 2000 м.д. Cs). Концентрация кислоты (HNO) в измеряемых растворах составляет от 3% до 10%. Затем измеряют интенсивность испускания образцов. Если она не находится в пределах интенсивности испускания стандартов, образцы разбавляют соответствующим образом.
Протокол 5. Определение содержания остаточного оксалата
3
2
3
Приблизительно 0,2 г экстрагированного пектина используют для оценки присутствия остаточного оксалата. К экстрагированному пектину добавляют 2-пропанол (1 мл), и смесь перемешивают до тех пор, пока пектин не увлажнится. Затем добавляют деионизированную воду Milli-Q (40 мл) при перемешивании. Образцы нагревают до 90°C в закрытой колбе в течение 30-60 минут, а затем охлаждают до комнатной температуры. Затем образцы оценивают с использованием хроматографии ВЭЖХ (устройства: Waters TM600 с детектором коэффициента преломления и детектором проводимости; поток: 1,4 мл/минут; температура: 40°C; инжекция: 100 или 200 мл с полным заполнением петли; элюент: 0,85 мМ NaHCO + 0,9 мМ NaCO в деионизированной воде).
Количественный отклик детектора проводимости на щавелевую кислоту, проходящую через детектор, количественно определяют как площадь («интегральный отклик детектора») на диаграмме (ось x = время, ось y = отклик детектора). Интегральный отклик детектора ограничивается прямой фоновой линией до и после пика в соответствии с обычной практикой и принятыми условиями в данной области. Затем интегральные отклики детектора от неизвестных образцов сравнивают с линейной калибровочной кривой интегральных откликов детектора от известных образцов, от дигидрата щавелевой кислоты в деионизированной воде (ось x = концентрация, ось y = интегральный отклик детектора), и соответствующую концентрацию щавелевой кислоты получают из линейной калибровочной кривой.
Пример 1
Пектин из лимона экстрагируют из высушенной кожуры лимона из провинции Тукуман в Аргентине. Фрукты были собраны в 2009 году, после чего фрукты разрезали и использовали для получения цитрусового сока и цитрусового масла из кожуры. Затем остатки фруктов измельчают и промывают несколько раз в воде для выщелачивания большей части природных растворимых материалов, вроде сахарозы, а затем сушат. Эти рутинные операции осуществляет поставщик кожуры.
Затем кожуру лимона используют в иллюстративном способе экстракции (иллюстрируемом на Фиг.1) для экстракции пектина из кожуры лимона. Высушенную кожуру лимона (1000 г) суспендируют в смеси 20 л воды, 30,0 г дигидрата щавелевой кислоты и 2,90 г NaOH. Эту смесь инкубируют при очень осторожном перемешиванием в течение 60 минут при 72,5°C («Смесь A»). Затем смесь A разбавляют суспензией из 400 г древесной целлюлозы (нерастворимая добавка для фильтрования) в 20 л горячей воды, и продолжают в течение 60 минут инкубирование и осторожное перемешивание при 75,0°C («Смесь B»). Затем смесь B выливают на тканевый фильтр в воронке Бюхнера для отделения раствора («Раствор C») от материалов, которые не растворяются (которые вместе с раствором, который не может быть отделен, упоминаются как «Смесь D»).
Затем раствор C дополнительно фильтруют через слой Filtercel 450 (добавка для фильтрования, используемая для удаления мутности) и перемешивают вместе с ионообменной смолой Lewatit. Раствор, полученный после дренирования смолы («Раствор E»), выливают примерно в три части (то есть, в три ее собственных объема) 80% 2-пропанола. Осадок отжимают для удаления настолько большого количества использованного спирта, насколько это возможно, и затем промывают в смеси 60% 2-пропанола и 40% воды, перед тем, как выжать еще раз. Объем смеси, используемой для промывки осадка, является примерно таким же, как объем раствора E. После промывки, осадок сушат, измельчают и просеивают через сито для порошка с размерами пор 250 мкм.
pH аликвоты смеси B после охлаждения до 25°C составляет 3,52. Количество высушенного пектина, которое может быть выделено на кг раствора E, составляет 5,71 г. В настоящем примере, общая масса экстракционной смеси непосредственно перед фильтрованием, масса кожуры, используемой для экстракционной смеси, и выход по отношению к кожуре вычисляют следующим образом:
M = 1+20+0,03+0,0029+0,400+20 кг = 41,4 кг
P
W= 1 кг
P
Y% = 0,1·5,71·41,4/1=23,6
Пектин также анализируют в лаборатории для определения степени этерификации (DE) и собственной вязкости (IV) (протоколы 1 и 2, описанные выше, соответственно). Пектин имеет DE = 76,4 и IV = 7,83 дл/г. Произведение выхода на собственную вязкость, который дает более релевантную метрику для ценности, составляет 186.
В дополнение к этому, крепость пектина измеряют с использованием метода YogSimBuf, который выражает концентрацию пектина, при которой раствор достигает вязкости 25 мПа·с. (протокол 3, описанный выше). YogSimBuf (YSB) для пектина, экстрагированного из кожуры лимона, составляет 2,51 г/л.
Пример 2 (Сравнительный)
Такая же кожура лимона, как описана в Примере 1, используется в обычном способе экстракции пектина (иллюстрируется на Фиг.2). Высушенную кожуру лимона (1000 г) суспендируют в смеси 30 л воды и 15 мл 62% азотной кислоты и инкубируют при очень осторожном перемешивании в течение 30 минут при 72,5 C («Смесь F»). К Смеси F добавляют дополнительные 50 мл 62% азотной кислоты, и инкубирование при 72,5°C продолжают в течение 120 минут («Смесь G»). Смесь G разбавляют с помощью 10 л горячей воды плюс 400 г древесной целлюлозы и инкубируют в течение 30 минут при 75°C («Смесь H»). Затем смесь H выливают на тканевый фильтр в воронке Бюхнера для отделения раствора («Раствора I») от материалов, которые не растворяются (которые вместе с раствором, который не может выжиматься из материалов, упоминаются как «Смесь J»).
Затем раствор I дополнительно фильтруют через слой Filtercel 450 (добавка для фильтрования, используемая для удаления мутности) и перемешивают вместе с ионообменной смолой Lewatit. Раствор, полученный после дренирования смолы («Раствор K»), выливают примерно в три части (то есть, в три его собственных объема) 80% 2-пропанола. Осадок отжимают для удаления настолько большого количества использованного спирта, насколько это возможно, а затем промывают в смеси 60% 2-пропанола и 40% воды перед тем, как отжать еще раз. Объем смеси, используемый для промывки, является примерно таким же, как объем раствора K. После промывки, осадок сушат, измельчают и просеивают через сито для порошков с размером пор 250 мкм.
pH аликвоты смеси H после охлаждения до 25°C составляет 2,05. Количество высушенного пектина, который может быть выделен из одного кг раствора K, составляет 5,95 г. Используя такие же символы и формулы, как в Примере 1, общую массу экстракционной смеси непосредственно перед фильтрованием и выход по отношению к кожуре вычисляют следующим образом:
M = 30+1+0,015+0,050+0,4+10=41,5
P
Y = 24,7.
Как DE, так и IV измеряют с использованием таких же протоколов, как описано выше. Пектин имеет DE = 74,6 и IV = 6,59 дл/г. Произведение выхода на собственную вязкость составляет 163 (только 88% от Примера 1). YogSimBuf вычисляется как 3,24 г/л, что говорит о том, что крепость пектина, экстрагированного с использованием обычного способа, составляет только 77% от Примера 1 (держа в уме, что «низкий» означает «крепкий»).
Пример 3
Используют такой же способ, как описан в Примере 1 для оценки влияния дозировки щавелевой кислоты, pH и температуры на экстракцию кожуры лимона. Осуществляют серию из 24 сходных экспериментов, в которых дозировку дигидрата щавелевой кислоты изменяют при четырех уровнях (15, 20, 25 и 30 г на кг высушенной кожуры) и предполагаемый pH изменяют при трех уровнях (2,70, 3,00 и 3,30) с помощью добавления либо азотной кислоты, либо гидроксида натрия вместе со щавелевой кислотой. Однако значения pH, которые достигаются, реально слегка отличаются от предполагаемых значений (см. ниже). В дополнение к этому, температуру изменяют при двух уровнях (70 и 80°C).
Во всех экспериментах 1000 г высушенной кожуры, полученной из такого же источника, как и в Примерах 1 и 2, суспендируют вместе с указанными количествами других ингредиентов в 20 л воды в течение 60 минут при обусловленной температуре. Смесь разбавляют с помощью еще 20 л воды и инкубируют в течение 60 минут при такой же температуре, и в заключение, фильтруют и анализируют подобно тому, как описано в Примере 1, за исключением того, что экстракт не вступает в контакт с ионообменной смолой (то есть, это означает, что пектин, полученный в Примере 3, содержит больше остаточного кальция, чем в Примерах 1 и 2). Общее количество кальция, мг/г, в пектине определяют с использованием Протокола 4, описанного выше.
Экспериментальные условия и результаты приведены ниже:
Эти результаты могут быть поняты лучше в графической форме, как приведено на Фиг.3-7 и описывается ниже.
2
2
++
Фиг.3 показывает содержание кальция экспериментальных образцов пектина как функцию дозировки щавелевой кислоты в г (COOH)·2HO, M=126,1 на кг кожуры. Не желая ограничиваться какой-либо теорией предполагается, что поскольку кожура содержит 8,0 мг Ca на г кожуры, стехиометрический баланс между щавелевой кислотой и кальцием должен осуществляться при дозировке 25,2 г дигидрата щавелевой кислоты. То, что наблюдается, представляет собой то, что чем больше щавелевой кислоты используют для экстракции, тем меньше остаточного кальция обнаруживают в полученных образцах пектина до выравнивания избыточных количеств до стехиометрического баланса. В частности, меньше кальция обнаруживают в пектине, который экстрагируют при 80°C, вероятно, потому, что выход пектина при этой температуре больше по сравнению с 70°C, и по этой причине, остаточный кальций смешивается с большим относительным количеством пектина при более высокой температуре.
Фиг.4 показывает влияние pH на выход экстракции с помощью индивидуальных кривых для восьми возможных сочетаний четырех дозировок щавелевой кислоты и двух температур. Как можно увидеть из графической иллюстрации, выход не сильно изменяется при экстракции pH в пределах pH и дозировки щавелевой кислоты, которые исследуют в этой серии экспериментов. Однако имеется выраженная тенденция, что выход выше при 80°C, чем при 70°C. Выход также имеет тенденцию к повышению при высоких дозировках щавелевой кислоты по сравнению с более низкими. Например, выход для экстракции с помощью 30 мг/г щавелевой кислоты при 70°C выше, чем выход для 15 мг/г при 80°C.
Фиг.5 показывает собственную вязкость как функцию pH с помощью индивидуальных кривых для каждого из восьми сочетаний четырех дозировок и двух температур. Как можно увидеть из графической иллюстрации, самые высокие результаты для собственной вязкости получают при самой низкой температуре экстракции. В дополнение к этому, в среднем, образцы, экстрагированные при самом низком pH, имеют более низкую собственную вязкость, чем образцы, экстрагированные при самом высоком pH. Однако когда эти данные интерпретируют без рассмотрения данных от других исследований, соотношение между pH и собственной вязкостью является неопределенным и может интерпретироваться несколькими путями. Не желая ограничиваться какой-либо теорией, предполагается, что собственная вязкость может зависеть от постепенного термического разложения растворенного пектина, а также от возможных различий между пектином, который высвобождается свободно, и пектином, который высвобождается только при экстракции с высоким выходом, соответственно.
Фиг.6 показывает, как независимый параметр, дозировку щавелевой кислоты, и как зависимый параметр, выход пектина в процентах по отношению к кожуре. Самый высокий выход получают при самой высокой дозировке щавелевой кислоты. Однако данные на Фиг.4, видимо, говорят о том, что на выход больше влияют экстракционные среды (то есть, щавелевая кислота), а не кислотность (pH).
Фиг.7 показывает произведение выхода на собственную вязкость как функцию дозировки щавелевой кислоты. Величина выхода увеличивается вместе с дозировкой щавелевой кислоты и становится менее зависимой от температуры экстракции.
Пример 4
Осуществляют дополнительные эксперименты для оценки уменьшения содержания оксалата в конечном пектине посредством приведения в контакт водного экстракта с катионообменной смолой. Используют такой же способ, как описано в Примере 1, за исключением того, что Раствор C, отфильтрованный на Filtercel, разделяют на две примерно равные большие порции, одну порцию обрабатывают ионообменной смолой Lewaitit, как описано в Примере 1, а у другой порции обработка с помощью Lewaitit отсутствует. Оба этих раствора впоследствии обрабатывают, как описано для Раствора E в Примере 1. Содержание кальция и содержание оксалата в конечном пектине впоследствии анализируют с использованием Протоколов 4 и 5, соответственно, каждый из них описан выше.
Содержание остаточного оксалата
Содержание остаточного кальция
С ионным обменом(мг оксалата/г пектина)
Без ионного обмена(мг оксалата/г пектина)
С ионным обменом(мг кальция/г пектина)
Без ионного обмена(мг кальция/г пектина)
Эксперимент A
ниже предела детектирования
2,29
0,17
2,08
Эксперимент B
ниже предела детектирования
2,17
0,09
1,71
В среднем
ниже предела детектирования
2,23
0,13
1,90
Как можно увидеть из того, что приведено выше, использование ионообменной смолы эффективно устраняет оксалатный остаток из конечного пектина.
Хотя настоящее изобретение подробно описано по отношению к его конкретным вариантам осуществления, специалистам в данной области будет понятно, что при достижении понимания того, что описано выше, можно осуществить изменения, варианты и эквиваленты этих вариантов осуществления. Соответственно, рамки настоящего изобретения должны оцениваться как рамки прилагаемой формулы изобретения и любых ее эквивалентов.