Multiple enzyme-assisted clarification process of fruit juice

Abstract

The aim of this PhD thesis research project was to create a new approach to conventional clarification processing of fruit juice, using tailored enzymatic treatment in free and/or immobilized form. The first part of the work provided new insight into the individual and interactive effects of pectinase, protease, or multiple (pectinase-protease) treatments on juice turbidity and on haze formation. A significant and synergic effect of the combined use of pectinase, Klerzyme 150 DSM and protease, papain from Papaia latex, was demonstrated. Excellent results in terms of turbidity levels (during cold storage at 4 °C for 14 days) and potential haze formation in juice were obtained. Moreover, in the second part of the research, the optimum conditions of the clarification process were achieved using response surface methodology. The recommended enzymatic treatment conditions were: temperature 25-30 °C for 100-110 min using 0.22-0.25% (v/v) of protease-pectinase complex enzyme amount (the ratio of protease : pectinase was 1:2). In the last part of this PhD project the use of PVA gel in the form of LentiKats®, a biocompatible and non-toxic enzymatic carrier, to immobilize pectinases was investigated. A biocatalyst, Panzym YieldMash, a polygalacturonase, showed the possibility of practical application in juice. Indeed, the efficient depolymerisation of apple pectin was performed. The immobilized polygalacturonic enzyme was capable of producing an 80% reduction in turbidity in a pectin solution compared to 95% as found with the soluble enzyme. The value could be considered acceptable for the application of this immobilized system in fruit juice processing, as well as considering that the same percentage of turbidity reduction was observed in the following two cycles.

Questo progetto di dottorato ha riguardato lo sviluppo di una nuova strategia di chiarifica di succhi di frutta, attraverso trattamenti a base di enzimi pectinolitici e proteolitici in forma libera e/o immobilizzata. La prima parte del progetto di ricerca ha permesso di acquisire nuove conoscenze circa l’efficienza di trattamenti a base di pectinasi, proteasi e loro combinazioni, sulla torbidità e sulla formazione di haze durante la conservazione del prodotto. E’ stato dimostrato in succo di melograno un effetto sinergico nell’utilizzo di pectinasi (Klerzyme 150 DSM) in combinazione con proteasi (papaina da lattice di papaia). Tale trattamento risulta essere il più efficace sia nell’abbattimento dei livelli di torbidità, riscontrati conservando il prodotto a 4 °C per 14 giorni, sia rispetto alla torbidità potenzialmente esprimibile dal prodotto durante tutta la sua shelf-life. Inoltre, mediante la metodologia delle superfici di risposta, è stato possibile determinare le ottimali condizioni di chiarifica del succo: temperatura di processo 25-30 °C per un tempo di trattamento di 100-110 minuti utilizzando 0.22-0.25% (v/v) di una complesso enzimatico a base di proteasi (papaina) e pectinasi (Klerzyme 150 DSM) nel rapporto 1:2. In ultimo, è stato valutata l’applicazione del PVA gel sotto forma di particelle lenticolari, LentiKats®, biocompatibili e food-grade, come carrier enzimatico, per l’immobilizzazione di differenti enzimi pectinolitici. La migliore performance è stata ottenuta con l’utilizzo dell’enzima poligalatturonasi, Panzym YieldMash, il quale ha ridotto di circa l’80% la torbidità presente nel succo di mela contro il 95% ottenuto utilizzando l’enzima in forma libera. Tale risultato può essere considerato accettabile per una potenziale applicazione in un sistema reale, considerando, inoltre, che la percentuale di riduzione del livello di torbidità (80%) si è mantenuta costante per due cicli operativi.