Ултразвукова екстракция на ванилия – нетермичен метод
- Екстрактът от ванилия е разтвор на вкусово-ароматни вещества, извлечени от ванилови шушулки в разтвор на етанол и вода.
- За получаване на висококачествен ванилин като компонент за ароматизиране, овкусяване и парфюмиране е необходима ефективна, но щадяща техника за екстракция, която предотвратява разграждането.
- Ултразвуковата екстракция е щадящ механичен метод за екстракция, който осигурява високи добиви на ванилин за много кратко време на екстракция.
Високопроизводителна ултразвукова техника за висококачествени екстракти от ванилин
Тъй като ванилията е втората най-скъпа подправка след шафрана, производството ѝ изисква ефективен метод за екстракция, който предотвратява разграждането на ценните етерични масла. Ултразвуковата екстракция е добре познат и утвърден щадящ, нетермичен, но високоефективен метод за освобождаване на биоактивни съединения от растителен материал. Ултразвуковата екстракция се основава на явлението акустична кавитация, което представлява чисто механично въздействие. Това прави ултразвуковата обработка предпочитан метод за изолиране на чувствителни биоактивни съединения, като вкусово-ароматни съединения и етерични масла, например ванилин, полифеноли или антиоксиданти от растителни суровини.
Предимства на ултразвуковата екстракция на ванилия
- Превъзходен добив
- Високоскоростна екстракция – в рамките на минути
- Висококачествени екстракти – щадяща, нетермична екстракция
- Екологични разтворители (напр. вода/етанол)
- Икономически изгодна
- Лесна и безопасна работа
- Ниски инвестиционни и експлоатационни разходи
- Работа 24/7 при тежко натоварване
- Екологичен метод, щадящ околната среда
Ултразвукова екстракция на ванилия – в партиден режим или при непрекъснат поток
Партиден режим: Процесите на ултразвукова екстракция могат да се извършват като прости партидни процеси или като обработка в поточна линия, при която средата се подава непрекъснато през ултразвуков проточен реактор.
Партидната обработка е лесна процедура, при която екстракцията се извършва партида по партида. Hielscher Ultrasonics предлага ултразвукови процесори за малки до големи партиди, т.е. от 1L до 120L.
За обработка на партиди от 5 до 10L препоръчваме UP400St (400W, видеото по-долу) със сонотрод S24d22L2D.
За обработка на партиди от приблизително 120L препоръчваме UIP2000hdT (2kW, снимката в горната част на дясната колона) със сонотрод RS4d40L4.
Ултразвуков апарат UIP2000hdT за екстракция от растителни суровини в партида от 120L
Ултразвукова екстракция от растителни суровини с ултразвуков апарат UP400St
За обем от приблизително 8L/min. препоръчваме UIP4000hdT (4kW, снимката вдясно) със сонотрод RS4d40L3 и проточна клетка FC130L4-3G0, която може да работи под налягане
Изследване на ултразвуковата екстракция на ванилия
Jadhav и съавт. (2009) сравняват екстракция с ултразвуково подпомагане (UAE) и екстракция по Soxhlet. Изследването потвърждава, че ултразвуковата екстракция значително засилва освобождаването на ванилин в сравнение с екстракцията по Soxhlet. Обработката по Soxhlet изисква работна температура от 95°C, съотношение разтворител:разтворено вещество от 66,67ml/g и време на екстракция от 8hrs, което води до освобождаване на приблизително 180ppm ванилин. Екстракцията с ултразвуково подпомагане (UAE) изисква само 1hr за освобождаване на приблизително 140ppm ванилин при същото съотношение разтворител:разтворено вещество и стайна температура.
Rasoamandrary и съавт. (2013) сравняват ефективността на екстракцията на ванилин с помощта на ултразвуков апарат със сонда с мощност 100W (напр. UP100H), ултразвукова вана и вана с гореща вода. Изследователите заключават, че ултразвуковият апарат със сонда е мощно средство за екстракция благодарение на високата интензивност на ултразвука. Поради това ултразвуковият апарат със сонда превъзхожда алтернативните методи за екстракция, като осигурява сходни или по-високи добиви на извлечен ванилин за значително по-кратко време на екстракция и с по-малък разход на разтворител (т.е. етанол).
Сравнението на трите метода за екстракция – ултразвукова сонда, ултразвукова вана и екстракция във вана с гореща вода – показва, че екстракцията на ванилин е най-ефективна при ултразвукова обработка със сонда с използване на 40% етанол (v/v), температура на околната среда от 30°C и време на екстракция от 1hr. Екстракцията във водна вана изисква концентрация на етанол от 50% (v/v) при 56°C за 15hrs.
UIP4000hdT – ултразвуков екстрактор с мощност 4kW за непрекъсната обработка в поточна линия.
Ултразвуково оборудване за високопроизводителна екстракция
Hielscher Ultrasonics е специализирана в производството на високопроизводителни ултразвукови процесори за получаване на висококачествени екстракти от растителни суровини.
Широкото продуктово портфолио на Hielscher се простира от малки, мощни лабораторни ултразвукови апарати до здрави настолни и изцяло промишлени системи, които осигуряват ултразвук с висока интензивност за ефективна екстракция и изолиране на биоактивни вещества (напр. кверцетин, кофеин, куркумин, терпени и др.). Всички ултразвукови устройства от 200W до 16 000W разполагат с цветен дисплей за цифрово управление, вградена SD карта за автоматично записване на данни, дистанционно управление чрез браузър и много други удобни за потребителя функции. Сонотродите и проточните клетки (частите, които са в контакт със средата) могат да се автоклавират и се почистват лесно. Всички наши ултразвукови апарати са проектирани за работа 24/7, изискват малко поддръжка и са лесни и безопасни за работа.
Цифровият цветен дисплей позволява удобно за потребителя управление на ултразвуковия апарат. Нашите системи могат да осигуряват амплитуди от ниски до много високи. За екстракцията на полифеноли и други биоактивни съединения, като ванилин, предлагаме специални ултразвукови сонотроди (известни също като ултразвукови сонди или рогове), които са оптимизирани за щадящо изолиране на висококачествени активни вещества. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при тежко натоварване и в трудни условия.
Прецизният контрол на параметрите на ултразвуковия процес осигурява възпроизводимост и стандартизация на процеса.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчвани устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Ултразвукови процесори с висока мощност за лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
Литература/Източници
- Velez Suaza, Catalina (2016): Оптимизация на аналитичен подход, основан на високоефективна течна хроматография, за характеризиране на натурален екстракт от ванилия. Дипломна работа, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. и съавт. (2009): Екстракция на ванилин от ванилови шушулки: сравнително изследване на конвенционалната екстракция по Soxhlet и екстракцията с ултразвуково подпомагане. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. и съавт. (2013): Подобрена екстракция на ванилин 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyde от обработени ванилови шушулки чрез екстракция с ултразвуково подпомагане: сравнение на екстракцията с ултразвуково подпомагане и екстракцията във вана с гореща вода.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ултразвукова технология за екстракция на биологично активни молекули от растителни, животински и морски източници. TrAC Trends in Analytical Chemistry, том 122, 2020.
Полезни факти
Принцип на действие на ултразвуковата екстракция
Прилагането на интензивни ултразвукови вълни към течна среда води до кавитация. Явлението кавитация предизвиква локално екстремни температури, налягания, скорости на нагряване/охлаждане, разлики в налягането и големи сили на срязване в средата. Когато кавитационните мехурчета имплодират върху повърхността на твърди тела (като частици, растителни клетки, тъкани и др.), микроструите и сблъсъците между частиците пораждат ефекти като отлющване на повърхността, ерозия и разрушаване на частиците. Освен това имплозията на кавитационните мехурчета в течни среди създава макротурбулентност и микросмесване.
Фиг. 1: Образуване на стабилни и преходни кавитационни мехурчета.
(a) изместване, (b) преходна кавитация, (c) стабилна кавитация, (d) налягане
[adapted from Santos et al. 2009]
Ултразвуковото облъчване на растителен материал фрагментира матрицата на растителните клетки и подобрява хидратацията ѝ. Chemat и съавт. (2015) заключават, че ултразвуковата екстракция на биоактивни съединения от растителни суровини е резултат от различни независими или комбинирани механизми, включително фрагментация, ерозия, капилярност, разрушаване на структурата и сонопорация. Тези ефекти разрушават клетъчната стена, подобряват масообмена чрез изтласкване на разтворителя в клетката и изсмукване навън на разтворителя, съдържащ фитосъединения, и осигуряват движение на течността чрез микросмесване.
Ултразвукова екстракция от растителни клетки: микроскопският напречен срез (TS) показва механизма на действие при ултразвукова екстракция от клетки (увеличение 2000x) [източник: Vilkhu и съавт. 2011]
Ултразвуковата екстракция осигурява много бързо изолиране на съединения – тя превъзхожда конвенционалните методи за екстракция с по-кратко време на процеса, по-висок добив и по-ниски температури. Като щадяща механична обработка, екстракцията с ултразвуково подпомагане избягва термичното разграждане на биоактивните компоненти и превъзхожда други техники, като конвенционалната екстракция с разтворител, хидродестилацията или екстракцията по Soxhlet, за които е известно, че разрушават термочувствителните молекули. Поради тези предимства ултразвуковата екстракция е предпочитаната техника за освобождаване на чувствителни към температурата биоактивни съединения от растителни суровини.
Ванилин
Ванилията е ценен овкусител, който може да се извлича от орхидеи от рода Vanilla, предимно от мексиканския вид плосколистна ванилия (V. planifolia). Съединенията с уникален вкус и аромат на ваниловата орхидея се намират в плода ѝ, който се образува след опрашването на цвета. Тези семенни шушулки са с размери приблизително 1/3 x 6 инча и при узряване имат цвят от кафеникавочервен до черен. Вътре в шушулките има маслена течност, пълна с дребни семена. За производството на ванилин се използват както шушулката, така и семената.
Въпреки че ванилинът е основното вкусово-ароматно съединение във ваниловото растение, чистият екстракт от ванилия съдържа няколкостотин допълнителни вкусово-ароматни съединения, които допринасят за неговия сложен, наситен вкус и аромат.
Ваниловата есенция се среща в две форми, а именно истинска ванилинова есенция от ваниловата семенна шушулка и промишлено синтезиран ванилин. Истинският екстракт от семенната шушулка е сложна смес от няколкостотин различни съединения. Химичното съединение ванилин – 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde – има основен принос за характерния вкус и аромат на истинската ванилия и е основният вкусово-ароматен компонент на обработените ванилови шушулки. Освен ванилина, много други химични съединения, като ацеталдехид, оцетна киселина, фурфурал, хексанова киселина, 4-hydroxybenzaldehyde, евгенол, метилцинамат и изомаслена киселина, допринасят за сложния аромат на ванилията.
Сортове ванилия
Бурбонската ванилия, или бурбонско-мадагаскарската ванилия, се произвежда от растения V. planifolia, които растат на острови в Индийския океан, като Мадагаскар, Коморските острови и Реюнион, наричан по-рано Île Bourbon. Терминът „бурбонска ванилия“ описва също характерния ванилов аромат, получен от V. planifolia.
Мексиканската ванилия, извличана от местната V. planifolia, се произвежда в много по-малки количества. Мексиканската ванилия е известна и се предлага на пазара като ванилия от родината си, тъй като растението V. planifolia произхожда от Мезоамерика.
Таитянската ванилия идва от Френска Полинезия и се произвежда от растението V. tahitiensis. Генетичният анализ показва, че този вид е възможно да е сорт, получен от хибрид между V. planifolia и V. odorata.
Западноиндийската ванилия се произвежда от V. pompona, която се отглежда в Карибския регион и в Централна и Южна Америка.