Her beskrives det, hvordan man kan bruge nanofiltrering til at oprense anthocyaniner fra solbærsaft ved at udvaske mindre indholdsstoffer som glukose og fruktose af saften.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2010 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af ph.d.-studerende Morten Busch Jensen, lektor Knud Villy Christensen og lektor Birgir Norddahl, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi, Det Tekniske Fakultet, Syddansk Universitet
Anthocyaniner er ansvarlige for de røde og violette farver i mange planter. De findes i bær og frugter, som er en normal del af human ernæring. Derfor bruges anthocyaniner stadig oftere som naturlige farvestoffer i fødevarer. Det betyder, at der er behov for en effektiv oprensning.
Naturlige farvestoffer fra solbærsaft
Anthocyaninbaserede farvestoffer produceres i dag primært fra drueskaller, et biprodukt fra vinproduktion. Da anthocyaniner er bredt repræsenteret i planteriget, findes der imidlertid mange andre kilder, som er interessante råvarer til anthocyaninproduktion.
Typen og dermed farvenuancen af anthocyaniner afhænger af den kilde, de produceres fra. Dvs. at en bredere råvaregruppe er med til at skabe en bredere portefølge af anthocyaninbaserede farvestofprodukter. Et af de problemer, der ofte forekommer, er tilstedeværelsen af andre stoffer ud over farvestoffet. Oftest er farvestoffet kun et mindre indholdsstof.
Til de forsøg, der er beskrevet i denne artikel, benyttes solbærsaft som råvare. De fire fremherskende anthocyaniner i solbærsaft er glukosiderne og rutinosiderne af delphinidin og cyanidin. Strukturen og egenskaberne af disse anthocyaniner er tidligere beskrevet i Dansk Kemi [1] (og figur 1). Solbærsaft indeholder 1-2 g anthocyaniner pr. liter, og ca. 30-40 g fruktose og glukose pr. liter. Hvis solbærsaften opkoncentreres og anvendes direkte i fødevarer, er der derfor risiko for, at det påvirker fødevarens sensoriske egenskaber eller stabilitet over for mikroorganismer. Koncentrationen, der kan opnås ved opkoncentrering, er afhængig af den samlede mængde indholdsstoffer, så ved at fjerne glukose og fruktose opnås en mere koncentreret opløsning af farvestofferne. Glukose og fruktose har begge en molekylevægt på 180 Da, hvilket er mindre end anthocyaninernes 449-611 Da. Derfor er det nærliggende at forsøge separation med membranfiltrering, som netop udnytter dette. Da porestørrelsen i membraner normalt strækker sig over et vist område, er tommelfingerreglen, at en god separation med membranfiltrering kræver en faktor ti i forskel på størrelsen af de stoffer, der ønskes separeret. I det beskrevne eksempel er denne faktor kun 2-3, men laboratorietest af forskellige membraner viser, at separationen kan lykkes vha. nanofiltrering.
Oprensning med nanofiltrering
Nanofiltrering (NF) placerer sig i området mellem omvendt osmose (RO) og ultrafiltrering (UF). Der findes ingen klar definition af, hvornår man går fra UF til NF, eller fra NF til RO, men typisk ligger den øvre grænse for NF i omegnen af 102–103 Da og den nedre grænse mellem 100-500 Da. Den mere nøjagtige placering af grænsen for, hvilke molekylstørrelser, nominel cut-off, der holdes tilbage af membranen, afhænger af den specifikke membran. For den membran, der beskrives i denne artikel, er den nominelle cut-off 103 Da (se tabel 1 for nærmere detajler). Nanofiltreringsmembraner har i modsætning til ultrafiltreringsmembraner oftest den egenskab, at det ikke kun er den rummelige størrelse af molekylerne, der er vigtig for tilbageholdelsesevnen, også molekylernes elektriske ladning har betydning. Monovalente ioner har således normalt langt større gennemtrængningsevne end divalente og polyvalente ioner.
Anlægsbeskrivelse
Forsøgene, der er udført på anlægget, er skitseret på figur 2. Fødetanken fyldes fra start med solbærsaft. Under forsøget holdes fødetanken afkølet vha. en neddykket varmeveksler. Føden pumpes hen over membranmodulet (tabel 1). Trykket hen over membranen justeres med en modtryksventil på udløbet (retentatstrømmen). Stof, som har passeret membranen (permeat), forlader systemet, mens det tilbageholdte stof (retentat) recirkuleres til fødetanken. Under filtreringen er koncentrationen af de stoffer, som ønskes udvasket altid mindre i permeatet end på fødesiden. Der vil således, selvom stofferne udvaskes, ske en opkoncentrering af disse på fødesiden. Det vil efterhånden nedsætte den samlede stoftransport over membranen, da der samtidig sker en stigning i det osmotiske tryk på fødesiden. Det modvirker den drivende kraft, trykforskellen over membranen. For at undgå meget lav eller ophørt stoftransport over membranen tilsættes derfor rent vand til fødesiden. Denne udvaskningsproces kaldes diafiltrering. Da koncentrationen af stofferne i permeatet normalt afspejler koncentration på fødesiden af membranen, er en for lav koncentration på fødesiden heller ikke optimal. En optimal løsning beror derfor på, hvordan koncentrationen i føden i et givet tilfælde påvirker den samlede stoftransport over membranen. Læs mere om matematisk optimering af sådanne processer [2].
Resultater
Som det ses på figur 3, blev omkring 90% af farvestofferne i føden tilbageholdt, mens kun 20-30% af fruktose og glukose blev tilbageholdt af membranen. Der skete således en gradvis udvaskning af disse sukkerarter, hvilket fremgår af figur 4. For yderligere detaljer vedr. resultaterne [3].
Potentiel industriel anvendelse
Filtrering anvendes allerede industrielt som en indledende proces i oprensningen af anthocyaniner ekstraheret fra den hyppigste kilde, drueskaller. Dette sker i form af ultrafiltrering for at fjerne indholdsstoffer af større molekylstørrelse end anthocyaniner, f.eks. pektin, og dermed muliggøre yderligere oprensning ved binding af anthocyaninerne på en fast fase. Da det stigende behov for skræddersyede naturlige farvestoffer kræver udnyttelse af andre naturlige kilder til disse, er det dermed også nødvendigt at udarbejde oprensningsmetoder, som sikrer et veldefineret produkt renset for potentielt problematiske naturligt forekommende indholdsstoffer. Forsøgene beskrevet i denne artikel viser, at nanofiltrering kan anvendes som alternativ til eller som del af en metode til oprensning af naturlige farvestoffer fra planteekstrakter.
Artiklens forfattere takker virksomheden Agrana Juice Denmark A/S (Vallø) for donation af solbærsaft samt Direktoratet for FødevareErhverv for økonomisk støtte til projektet.
Referencer
1. Nielsen, I.L.; Nielsen, S.E.; Dragsted, L.; Cornett, C.; 2001; Anthocyaniner og bærsafter; Dansk Kemi, 82, 11, p. 20-23.
2. Kovacs, Z.; Discacciati, M.; Samhaber, W.; 2009; Modeling of batch and semi-batch membrane filtration processes; J. Membr. Sci.; 327; 164-173
3. Jensen, M.B.; Christensen, K.V.; Norddahl, B.; 2009; Purification of Flavonoids from Black Currant Juice by Nanodiafiltration; Euromembrane 2009, Abstracts; Sociéte OSC, s. 164-165.
Figur 1. Grundstruktur for anthocyaniner i solbærsaft. R-gruppen udgøres af –H og –OH for hhv. delphinidin og cyanidin, mens sukkergruppen udgøres af enten glukose eller rutinose.
Tabel 1. Oplysninger om membranen der anvendes til adskillelse af anthocyaniner fra sukker.
Figur 2. Skematisk oversigt af NF-anlæg.
Figur 3. Data for tilbageholdelse på fødeside af membran.
Figur 4. Data for udvaskning af fruktose og glukose.
Forsøg med at udvinde naturlige farvestoffer fra solbærsaft har vist, at nanofiltrering kan bruges som alternativ til eller som del af en sådan metode.
