Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-Extraktion von Koffein und anderen aktiven Wirkstoffen

Ultraschall ist eine effektive Methode, um Koffein und andere aktive Verbindungen aus Kaffee zu extrahieren. Leistungsstarke Ultraschallgeräte unterstützen den Extraktionsprozess, wodurch der Ertrag maximiert und die Verarbeitungszeit reduziert werden.
Kaffee – aus gerösteten Kaffeebohnen gebrüht – ist eines der beliebtesten Getränke, das weltweit konsumiert wird. Aufgrund seiner vitalisierenden Wirkung wird Kaffee vor allem als stimulierendes Getränk genossen, aber Kaffee und seine Inhaltsstoffe sind auch für die Lebensmittel verarbeitende, die pharmazeutische (z.B. für Schmerzmittel) und die kosmetische Industrie von großem Interesse, da sie als wertvolle Zusatzstoffe in verschiedenen Produkten verwendet werden. Dies gilt insbesondere für das Koffein (1,3,7-Trimethylxanthine) und die Antioxidantien, welche für ihre positiven Auswirkungen auf die Gesundheit bekannt sind. Kaffee enthält unter anderem phenolische Diterpene, wie z.B. Cafestol und Kahweol, und Ascorbinsäure, welche für ihre antioxidative Wirkung bekannt sind. Epidemiologische Studien zeigen, dass Inhaltsstoffe der Kaffeebohne eine präventive Wirkung auf verschiedene chronische Krankheiten, einschließlich Diabetes Mellitus Typ-2, Alzheimer Krankheit, Morbus Parkinson und Lebererkrankungen wie Leberzirrhose und hepatozelluläres Karzinom, haben können.
Ultraschall wird als zuverlässiges Verfahren für viele verschiedene Anwendungen in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt. Eine sehr bewährter Anwendungsbereich ist die Ultraschall- Extraktion. Ultraschallkavitation verursacht je nach Ultraschallintensität die teilweise bzw. vollständige Zerstörung der Zelle und die Freisetzung des intrazellulären Materials.
Durch Beschallung, Koffein und anderen Kaffee Verbindungen können sehr effizient extrahiert.

Strukturformel von Koffein

Hochleistungs-Ultraschall

Um die ultraschall-assistierte Extraktion zu verstehen, muss man die Wirkung von Ultraschall in Flüssigkeiten kennen.
Ultraschall – in Flüssigkeiten eingetragen – resultiert in lokal extremen Effekten. Wenn Flüssigkeiten bei hohen Intensitäten beschallt werden, erzeugen die Schallwellen, die sich im flüssigen Medium ausbreiten, alternierende Hochdruck- (Kompressions-) und Niederdruck- (Rarefaktions-) Zyklen, deren Zyklenrate von der Frequenz bestimmt wird. Während des Niederdruckzyklusses erzeugen hochintensive Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen bzw. Hohlräume in der Flüssigkeit. Diese Kaviationsblasen werden während mehrerer Niederdruckphasen größer. Wenn die Blasen eine Größe erreichen, mit der sie keine zusätzliche Energie absorbieren können, implodieren sie während eines Hochdruckzyklusses. Dieses Phänomen nennt man Kavitation. Während der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5000K) und Drück (ca. 2000atm) erreicht. Die Implosion der Kavitationsblasen erzeugt zudem Flüssigkeits-Jets mit Geschwindigkeiten bis zu 280 m/s . (Suslick 1998) Durch diese extremen Kräfte treten Effekte wie die Sonolyse, die Zerstörung von Zellmembranen und die Extraktion intrazellulären Material auf.

Ultraschall Kavitation auf dem Horn des UIP1500hd erzeugt - ein 1,5 kW Ultraschallgerätes. Zur besseren Sichtbarkeit hat die Flüssigkeit wurde mit blauem Licht, das von der Unterseite der Glassäule beleuchtet.

Ultraschallkavitation in Flüssigkeit

Im Vergleich zu konventionellen Extraktionstechniken ist die ultraschallgestützte Extraktion ist eine einfache, effiziente und kostengünstige Methode. Zu den wichtigsten Vorteile des Ultraschalleinsatzes in der Fest–Flüssig-Extraktion zählen die Steigerung der Extraktionsausbeute sowie der schnellere Massetransfer. Die Ultraschallextraktion ist eine häufig anwendete Technik für die Extraktion von Pflanzenmaterial in Lösungsmitteln. Es ist erwiesen, dass Ultraschall im Vergleich zu traditionellen Methoden für eine schnellere und vollständigere Extraktion liefert, da die Transferfläche zwischen der festen und flüssigen Phase aufgrund des effizienten Zellaufschlusses und der feinen Partikeldispersion deutlich größer ist.
Die Ultraschallextraktion kann auch bei gensenkten Prozesstemperaturen durchgeführt werden, so dass die Extraktion temperaturempfindlicher Komponenten problemlosmöglich ist. Im Vergleich mit anderen neuartigen Extraktionstechniken wie z.B. der Mikrowellenextraktion, sind Ultraschallgeräte kostengünstiger und einfacher handzuhaben. Darüber hinaus kann die ultraschallgestützte Extraktion auch mit Lösungsmitteln, z.B. der Soxhlet-Extraktion, kombiniert werden, wodurch zahlreiche Naturstoffe extrahiert werden können. [Wang Et Al. 2006] Explosionssichere Ultraschallsysteme sind für Installationen im Technikum und in der Industrie verfügbar.
Der grundlegende Vorteil des Ultraschallverfahrens gegenüber anderen Methoden ist die vollständige Kontrolle der wichtigsten Parameter: Amplitude, Zeit, Temperatur, Druck und Konzentration/ Viskosität. Dadurch kann der Extraktionsprozess optimiert und somit sichergestellt werden, dass die Struktur der Extrakte nicht beschädigt wird.

Ultraschallextraktion von Wirkstoffen aus Kaffee

Die ultraschall-gestützte Extraktion ist eine gängige Methode, um bioaktive Substanzen aus Pflanzenmaterial zu isolieren. [Dong et al. 2010] Koffein und die antioxidativen Phenolverbindungen sind wohl die wertvollsten Extrakte aus Kaffee, da diese sowohl in der Pharma- als auch in der Lebensmittelindustrie Verwendung finden. Aber auch Flavonoide, Chlorogensäure und Protocatechusäure sind Auszüge, welche häufig als Zusatzstoffe genutzt werden.
Bei traditionellen Extraktionsmethoden wie der Flüssig-Flüssig-Extraktion in Lösungsmitteln steigt der Extraktionsertrag nrmalerweise mit zunehmender Extraktionstemperatur. Dadurch werden jedoch die Extrakte beschädigt und verlieren an Qualität, da erhöhte Temperaturen die Stabilität der Phenolverbindungen negativ beeinflussen.
Die Sono-Extraktion ist ein nicht-thermisches, mildes Extraktionsverfahren. Die ultraschall-gestützte Fest-Flüssig-Extraktion hat sich als effektives und zeitsparendes Extraktions-Verfahren gezeigt. Die intensiven Ultraschallkräfte bieten die notwendige Energie für die Extraktion, so dass weniger oder sogar gar keine Lösungsmittel benötigt werden. Auch die Prozesstemperatur kann geregelt werden, da der Beschallungs-Batch bzw. Ultraschall-Durchflussreaktor aktiv gekühlt (oder bei Bedarf auch beheizt) werden können. Für Extraktionsprozesse mit Lösungsmitteln bietet Hielscher Ultrasonics auch explosionsgeschützte Ultraschallsysteme, die ATEX- bzw. FM-zertifiziert sind.
Aufgrund der hohen Extraktionskräfte von Ultraschall ist auch der bereits verbrauchte Kaffeesatz (Kaffeeabfälle) immer noch ein Rohstoff, der reich an extrahierbaren Verbindungen ist. Da Kaffeeabfall billig und in großen Mengen verfügbar ist, ist er ein idealer Rohstoff für die Extraktion der verbleibenden Wirkstoffe. Obwohl der Gehalt an Koffein und anderen Komponenten in Kaffeeabfall geringer ist als in nicht verwendetem Kaffeepulver, verbleibt immer noch eine große Menge und ist extrahierbar. Um diese Verbindungen aus dem Kaffeesatz freizusetzen, wird der volle Einfluss auf die Verarbeitungsparameter besonders signifikant. Hochleistungs-Ultraschall ist in der Lage, hohe Wirkstoffmengen in kurzer Verarbeitungszeit zu extrahieren.

Ultraschall ist eine erfolgreiche Technik Wirkstoffe, Aromen und andere intrazellulären Komponenten aus pflanzlichen Zellen zu extrahieren.

Ultraschall-Inlineprozessor UIP1500hd

Koffein-Extraktion

Koffein ist das am häufigsten konsumierte Genussmittel mit aufputschender Wirkung. Koffein wird nicht nur als Kaffee in gebrühter Form getrunken. Häufig wird Koffeinextrakt auch anderen Produkten als Zusatzstoff beigemengt. Dadurch ist es möglich, stärkere Kaffeegetränke oder Softdrinks (z.B. Cola), Energy-Drinks oder andere Nahrungmittel (z.B. Schokolade, Bonbons) zu formulieren.
Aber Koffein dient nicht nur als Zusatzstoff in der Lebensmittel produktion, es ist auch eine wichtige aktive Verbindung für Arzneimittel. So werden Koffein-Extrakte beispielsweise Medikamenten gegen Kopfschmerzen und Migräne sowie auch Schmerzmitteln zugesetzt.
Dass Ultraschall eine geeignete Methode für das Extrahieren von Koffein, dem wichtigsten Alkaloid in Kaffee, ist, wurde mehrfach bewiesen. Wang und seine Kollegen [Wang et al. 2011] haben festgestellt, dass mit ultraschall schon eine sehr kurze Extraktionszeit ausreichend ist, um einen gesättigten Zustand zu erreichen. Dies belegt, dass Ultraschall eine sehr effiziente und zeitsparende Technik der Koffeingewinnung ist.

Geschmackstoffe und aromatischen Verbindungen

Die flüchtigen Kaffeekomponenten sind die wertvollsten Bestandteile der gerösteten Kaffeebohne und vermitteln Kaffee seinen einzigartigen Geschmack und Duft. Die Qualität von löslichem Kaffeepulver (Instant-Kaffee) kann durch die Zugabe von aromatischen Kaffeeölen erheblich verbessert werden.
In einer vergleichenden Studie zur Gewinnung von Phenolverbindungen aus Erdbeeren konnte gezeigt werden, dass bei einer ultraschall-gestützten Extraktion die Phenole weniger beschädigt und zersetzt werden und zudem die Ultraschallextraktion im Vergleich zu anderen Verfahren, wie beispielsweise der Fest-Flüssig-Extraktion, der subkritischen Wasserextraktion und der Mikrowellenextraktion, deutlich schneller abläuft. [Herrera et al. 2005]
Auch die Studie von Wang und seine Kollegen [Wang et al. 2011] zeigt, dass Niederfrequenz-Hochleistungs-Ultraschall bei der Gewinnung von Kaffeearomen effizienter ist. Wang et al. haben die Extraktion von 4-Tridecanone und 2-Methoxy-3-Methylpyrazine untersucht und fanden heraus, dass die Ultraschallextraktion eine einfache und effiziente Technik ist, mittels der sehr hohe Extraktionerträge erzielt werden konnten. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass es wichtig ist, die Prozesstemperatur zu kontrollieren, da Kaffeearomakomponenten bei hohen Temperaturen sehr volatil sind. Die Forscher erzielten mit Ultraschall gute Extraktionsergebnisse im Temperaturbereich zwischen 35 - 65°C bei einer relativ kurzen Beschallungsdauer.

Tee-Extraktion

Die Ergebnisse von ultraschallgestützte Extraktion erreicht sind auch geeignet für die Extraktion von Tee-Verbindungen (z.B. grünen Teeblättern). Eine Studie von Xia et al. zeigte Teeaufgüssen behandelt als bei ultraschall durch solche mit einem deutlich höheren Gehalt an Tee-Polyphenole, Aminosäure und Koffein in konventioneller Extraktion gewonnen. Dies führt zu verbesserten Ergebnissen bei einer organoleptischen Bewertung, dass ich herausgestellt: die sensorische Qualität der Teeinfusion mit Ultraschall-unterstützte Extraktion als die mit herkömmlicher Extraktion von Teeinfusion besser war. [Xia et al. 2005]

Hielscher's ultrasonicators, e.g. UP200S (in the picture), are very successful for extraction of intra-cellular matter.

Ultraschall-Extraktion aus Kräutern

Fazit

Die Ultraschall- Extraktion ist eine effiziente, zeitsparende und kontrollierbare Methode der Gewinnung von Wirkstoffen aus Kaffee und anderen Pflanzen. Die interessantesten und besonders wertvollen Verbindungen sind Koffein und Antioxidantien sowie phenolische Diterpene (Cafestol, Kahweol) und Ascorbinsäure. Die wichtigsten Vorteile der Ultraschall-Extraktion basieren auf dem nicht-thermischen Verfahren sowie der vollständigen Kontrolle über die Ultraschallprozessparameter.

Literatur

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