Elektrodialízis alkalmazása galakturonsav kinyerésére Utilisation of electrodialysis with bipolar membranes for recovery of galacturonic acid
Molnár Eszter, Nemestóthy Nándor, Bélafiné Bakó Katalin Pannon Egyetem, Műszaki Kémiai Kutató Intézet 8200 Veszprém, Egyetem u. 2. Summary Pectin rich agro wastes can be utilised for manufacture of galacturonic acid. Pectin is a complex polysaccharide found in the primary cell walls and intercellular regions of higher plants. Backbone of pectin molecules is composed of galacturonic acid as a monomer. Galacturonic acid and derivates are valuable raw materials in food and cosmetic industries as acidic agents and for production of vitamin C. Sugar beet pulp, apple pomace and other wastes (e.g. press cakes) from fruit juice industry are pectin rich raw materials. To obtain galacturonic acid, pectin is extracted from raw materials then its enzymatic hydrolysis results in galacturonic acid (GA) in diluted aqueous solution. In this work the aim was to manufacture galacturonic acid from various berries and sugar beet pulp. For this purpose firstly pectin was extracted with hot water from waste materials then enzymatic hydrolysis was carried out using Pectinex 100L enzyme preparation. The hydrolysate contains mainly carbohydrates (oligo- and monosaccharides) and galacturonic acid. Electrodialysis (ED) represents an efficient technology to separate charged compounds from a solution. To remove galacturonic acid, ED seems a suitable process, because only galacturonic acid is present as a charged compound in the solution. To obtain galacturonic acid from hydrolysate of pectin laboratory experiments were performed, similar to the system applied by Novalic et al. for recovery of other organic acids. An ED stack containing anion and cation selective and bipolar membranes was applied to obtain GA from hydrolysate. In our work sodium-galacturonate was used as model solution. Experiments with model solution was carried out by the set-up to optimize parameters. Effects of voltage, electric current, concentrate of solutions and temperature were studied. Then galacturonic acid was separated from hydroliysate of pectin by optimized parameters. The results of experiments indicate that galacturonic acid from hydrolysate of pectin can been recovered and concentrated by utilisation of electrodialyzer with bipolare membranes.
Bevezetés A gyümölcsfeldolgozási technológia gazdaságosságát jelentősen javíthatja a melléktermék(ek) hasznosítása. A galakturonsav (GS) pektintartalmú gyümölcsök feldolgozása során keletkező melléktermékekből (pl. préslepény, törköly) kinyerhető értékes komponens, amelyet az élelmiszer-, kozmetika- és gyógyszeriparban hasznosítanak. A 2007-es Műszaki Kémiai Napokon bemutattuk már kutatásainkat ebben a témában [1], akkor a galakturonsav kinyerésére és koncentrálására egy kétlépcsős elektrodialízist alkalmaztunk [2]. Első lépésben a termék a galakturonsav nátrium sója volt, a második lépcsőben kaptuk termékként a galakturonsavat.
Jelen munkánkban bipoláris membránokat is tartalmazó modult használtunk az elválasztására, amely során egy lépésben sikerült kinyernünk és koncentrálnunk a galakturonsavat. Az elektrodialízis (ED) olyan membránszeparációs művelet [3-6], amelynek hajtóereje az elektromos potenciálkülönbség és a töltéssel rendelkező részecskék elválasztására alkalmas. Az elektrodialízis során az elektródokat feszültség alá helyezzük, s így az ionok a megfelelő elektródok felé vándorolnak: a katód (negatív elektród) felé a kationok, míg az anód (pozitív elektród) felé az anionok áramlanak. Az ionok áramlását nemcsak az elektródok, hanem a beépített membránok is szabályozzák. A készülékbe kationszelektív, anionszelektív és bipoláris membránok vannak beszerelve. Az
anionszelektív membránon a negatív ionok képesek átdiffundálni, a kationszelektíven a pozitív ionok. A bipoláris membrán anion- és kationszelektív réteget tartalmaz, áram hatására a két réteg közötti vízréteg disszociál: H+ és OH- ionokat ad le. Az elektrodialízis során az elektróda-, a diluátum-, a sav- és lúg oldatot keringtetjük a membránok között.
bipoláris membránt szereltünk be. A membránokat a Fumatechtől vásároltuk. Az elválasztás elvét az 1. ábra mutatja. A kationszelektív membrán (Fumasep FKB) poliéter-éter-ketonnal van megerősítve, savakkal és lúgokkal szemben is stabil. Szelektivitása 98%-nál nagyobb (ezt 0,1/0,5 M koncentrációjú KCl cellában a membrán feszültségének mérésével határozták meg 25°C-on), elektromos ellenállása kisebb, mint 4 Ω cm2, míg fajlagos vezetőképessége több, mint 2 mS/cm (mindkét értéket 0,5 M NaCl-ban nátriumionra határozták meg 25°C-on). Vastagsága száraz állapotban 0,008-0,10 mm, ioncserélő kapacitása 0,9-1,0 meq/g.
Anyagok és módszerek Az alkalmazott elektrodialízis membránmodul a Fumatech FT-ED-4-100-10 típusú készüléke volt. Az elektródok anyaga titánium és irridium plazmával borított rozsdamentes acél. A modulba 10 anionszelektív, 11 kationszelektív és 10
lúg-oldat sav-oldat K
anód +
A
BM
OH-
K
OH-
H+ GS-
Na+
BM
Na+
K
A
H+ GS-
diluátum-oldat
katód -
Na+
diluátum-oldat H2O H2O
1. ábra: Galakturonsav kinyerése és koncentrálása egy lépésben
Az anionszelektív membrán (Fumasep FAB) is poliéter-éter-ketonnal van megerősítve, 013 pH-n stabil. Szelektivitása nagyobb, mint 96%, (ezt 0,1/0,5 M koncentrációjú KCl cellában a membrán feszültségének mérésével határozták meg 25°C-on), kis mértékben a protonokat is átengedi. Az elektromos ellenállása, kisebb, mint 1 Ω cm2, fajlagos vezetőképességének értéke több, mint 6 mS/cm (a két adatot klorid ionra határozták meg 0,5M NaCl-ban 25°C-on). A membrán vastagsága nedves állapotban 0,10-0,13 mm, ioncserélő kapacitása nagyobb, mint 1,3 meq/g.
A bipoláris membrán (Fumasep FBM) poliéter-éter-ketonnal van megerősítve, feszültségesése kevesebb, mint 1,2 V (1 kA/m2 áramsűrűség és 5% H2SO4 mellett mért érték 30°Con). 180 µm vastagságú, vízbontási hatékonysága nagyobb, mint 98% . Az elektromos ellenállása 3 Ω cm2-nél kisebb, maximum 60°C-on alkalmazható. A reakcióedényekbe töltött oldatokat perisztaltikus pumpa keringtette a rendszerben. I. Diluátum oldat (400 ml): kezdetben a méréseket modelloldatokkal végeztük, majd hidrolizátumot használtunk. A Na-galakturonát
oldatot különböző koncentrációban (10 g GS/l; 20 g GS/l; 30 g GS/l) mértük be a diluátum-oldali reakcióedénybe. A galakturonsavat a SigmaAldrichtól vásároltuk. A diluátum oldatból a negatív töltésű galakturonsav az anód felé mozog és képes átvándorolni az anionszelektív membránon, a Na ionok a katód felé vándorolnak a kationszelektív membránon keresztül. A galakturonsav és nátrium ionok koncentrációja tehát csökken a diluátumban a folyamat során. A modelloldatokkal végzett mérést követően hidrolizátummal dolgoztunk tovább. Enzimes hidrolízis Az előzetesen termikusan feltárt pektintartalmú oldatot enzimesen hidrolizáltuk: 40 °C-on 120 1/min fordulatszámon rázattuk lombikban, amihez 500 µl enzim/ l cukorrépalé koncentrációban adtunk enzimet. (Enzim: Pektinex Ultra SP-L). A kapott hidrolizátumot tisztítani kellett, erre megfelelő eljárásnak bizonyult az ultraszűrés. II. Sav oldat (400 ml): Desztillált vizet mértünk be a sav-oldali reakcióedénybe. A mérés során a galakturonsav ionok a diluátum oldatból átvándoroltak a sav oldatba, valamint a bipoláris membránból a H+ ionok, tehát az oldatban megnőtt a galakturonsav koncentrációja. III. Lúg oldat (450 ml): Desztillált vizet mértünk be a lúg-oldali reakcióedénybe. A diluátumból a nátrium ionok és a bipoláris membrán OH- ionjai vándoroltak a lúg oldatba. Az ED folyamat során a NaOH koncentrációja nőtt. IV. Elektróda oldat (500 ml): Az elektródaoldali reakcióedénybe 0,1 M Na2SO4-oldatot mértünk be. Az elektróda oldatból a Na+ ionok a katód felé haladva képesek átdiffundálni a kationszelektív membránon keresztül a lúg oldatba, illetve a Na+ ionok a diluátumból az elektróda oldatba vándorolnak. A SO42- ionok az elektróda oldatban maradtak. Analízis A sav oldat galakturonsav koncentrációja változását DNS-módszerrel követtük. Ez egy olyan közvetlen színképzési eljárás, amely során az alkalikus 3,5-dinitro-szalicilsav a redukáló cukrok
hatására 3-amino-5-nitro-szalicilsavvá alakul át és 540-590 nm-en fotometrálható [7]. A diluátum, sav és lúg oldatban nyomon követtük a vezetőképesség változását. A vezetőképességet OK-112(102/1) típusú konduktométerrel végeztük. A sav oldatban mértük a pH-t, amit a WTW Microprocessor pH-méterrel követtünk nyomon. A feszültség és az áramerősség, valamint a diluátum, sav és lúg oldali vezetőképesség értékeit számítógépes adatgyűjtő segítségével a LabVIEW nevű program rögzítette. Adatgyűjtőként a NI USB6008/6009 egységet használtunk, amely kapcsolatot teremt 8 analóg bemeneti csatornához, 2 analóg kimeneti csatornához, 12 digitális bemeneti/kimeneti csatornához és nagy sebességű USB adapterrel egy 32 bites számlálóhoz. Az USB6008 analóg bemeneti felbontóképessége 12 bit különbségű és 11 bit egykimenetű. A maximális sebessége az analóg bemeneti mintáknak 10kS/s mind egy csatornán belül, mind a többszörösen összekapcsolt csatornákban. HPLC méréssel határoztuk meg a hidrolizátum és a sav oldat szénhidrát összetételét, amihez Aminex HPX-42A típusú (Bio-Rad) kromatográfiás oszlopot használtunk. Az állófázis ezüst-szulfonát-divinil-benzol-sztirol kopolimer ioncserélő töltetű oszlop volt. Az eluens desztillált víz volt. A méréseket 0,3 cm3min-1 áramlási sebességnél és 30°C hőmérsékleten, folyamatos termosztálás mellett végeztük. A detektálás Merck gyártmányú RI-71 típusú törésmutató detektorral történt. Eredmények A kísérleteket a modelloldatokkal állandó feszültségen végeztük. A mérések közül példaként a 24 V feszültség melletti kísérletet mutatjuk be, ahol a diluátum kiindulási koncentrációja 20 g GS/l volt. Az áramerősség alakulását, a sav, diluátum és lúg oldat vezetőképességének változását, a galakturonsav koncentráció változását a sav
oldatban, valamint a pH vátozás időbeli lefutását a 2/a, 2/b, 2/c és 2/d ábrák szemléltetik.
9 8
áramerősség (A)
7 6
0.8
5 pH
0.9
0.7
4
0.6
3
0.5
2 1
0.4
0
0.3
0
0.2
30
40
50
60
70
2/d ábra: A pH változása a sav oldatban
0 0
20
40
60
80
100
120
140
idő(m in)
2/a ábra: Az áramerősség alakulása
sav oldat
diluátum oldat
lúg oldat
35000 30000 vez etőképesség (µS)
20
idő(m in)
0.1
25000 20000 15000 10000 5000 0 0
20
40
60 80 idő (min)
100
120
140
2/b ábra: A sav, diluátum és lúg oldat vezetőképességének változása 30 25 koncentráció (g GS/l)
10
20 15 10 5 0 0
50
100
150
idő (m in)
2/c ábra: A galakturonsav koncentrációjának változása a sav oldatban
Az elektrodialízis kezdeti szakaszában nőtt az áramerősség (2/a ábra), mert nagy volt a koncentrációkülönbség a diluátum, ami a sóoldatot tartalmazza, valamint a sav és lúg oldat között. Az elektródok feszültség alá helyezése után lökésszerűen megindult a membránon keresztül az ionok vándorlása, ez okozta az áramerősség növekedését. Az áramerősség elérte a maximális értékét, majd csökkenni kezdett, mert csökkent a koncentrációkülönbség a diluátum és sav, lúg oldat között. A folyamat végén az áramerősség beállt egy közel állandó értékre, mert elfogytak az ionok a diluátum oldatból. A vezetőképesség a diluátumban az idő függvényében csökkent, mert a töltéssel rendelkező részecskék átvándoroltak a sav, lúg és elektróda oldatba. Az ED kezdetén a vezetőképesség gyorsabban csökkent, majd az iontranszport csökkenésével egyre lassabban, míg el nem érte azt az értéket, aminél adott rendszerben nem lehetséges több ion eltávolítása. Ezzel szemben a sav és lúg oldatban megnőtt a vezetőképesség. A sav oldatban végbemenő változást DNS módszerrel és a pH mérésével is nyomon követtük: a galakturonsav koncentrációja nőtt, míg a pH lecsökkent az ionvánorlás miatt. A modelloldatos méréseket követően gyümöcs és répapektin hidrolizátummal végeztünk kísérleteket. Citruspektin hidrolizátummal végzett kísérlet (U=36 V) során mért galakturonsav koncentrációt mutat a 3. ábra a sav és diluátum oldatban.
sav oldat
diluátum oldat
koncentráció (g GS/l)
60 50 40 30 20 10 0 0
50
100
150
200
250
300
idő (min)
3. ábra: A galakturonsav koncentrációjának változása a sav és diluátum oldatban A kísérletek során a hidrolizátum galakturonát tartalmának 61 %-át sikerült kinyerni sav formában. A HPLC-s eredmények alapján, a sav oldatunk még el nem hidrolizált pektint tartalmazott, míg a hidrolizátumban jelenlevő részlegesen hidrolizált pektint, glükózt és egyéb monoszacharidokat teljes mértékben sikerült elválasztani.
Irodalomjegyzék [1] Molnár E., Eszterle M., Nemestóthy N., Bélafiné Bakó K.: Galakturonsav kinyerése elektrodialízissel agráripari hulladékokból, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, kiadvány, 186-189 o., (2007) [2] Novalic, S., Kongbangkerd, T., Kulbe, K. D.: Recovery of organic acids with high molecular weight using a combined electrodialytic process, Journal of Membrane Science, 166, 99-104 (2000) [3] Mulder M.: Basic principles of membrane technology, Kluwer, Dordrecht, 1996 [4] Hodúr C.: Membránszűrési műveletek felosztása, Élelmezési Ipar, 44, 270-272 (1990) [5] Vatai, Gy., Békássyné Molnár E., Karlovits Gy.: Membránműveletek alapjai és növényolajipari alkalmazási lehetőségei, Olaj, Szappan, Kozmetika, 47, 64 (1998) [6] Mizsey, P., A. Cuellar, E. Newson, P. Hottinger, T. B. Truong, F. von Roth: Comp. Chem Engng, 23, S 371 (1999) [7] Miller GL. Use of dinitro-salicylic acid reagent for determination of reducing sugar, Analytical Chemistry, 31, 426-428 (1959)
