Ultrazvučna ekstrakcija vanilije – netermička metoda
- Ekstrakt vanilije je aromatična otopina izdvojena iz mahuna vanilije u otopini etanola i vode.
- Za proizvodnju visokokvalitetnog vanilina kao komponente arome, okusa i mirisa potrebna je efikasna, a ipak blaga tehnika ekstrakcije kako bi se spriječila razgradnja.
- Ultrazvučna ekstrakcija je blaga mehanička metoda ekstrakcije koja daje visoke prinose vanilina u vrlo kratkom vremenu ekstrakcije.
Visokoučinkovita ultrazvučna tehnologija za visokokvalitetne ekstrakte vanilina
Kao druga najskuplja začinska biljka nakon šafrana, proizvodnja vanilije zahtijeva efikasnu metodu ekstrakcije koja sprječava razgradnju vrijednih esencijalnih ulja. Ultrazvučna ekstrakcija je dobro poznata i uspostavljena kao blaga, netermička, a ipak vrlo efikasna metoda za oslobađanje bioaktivnih spojeva iz biljnog materijala. Ultrazvučna ekstrakcija temelji se na pojavi akustične kavitacije, koja je isključivo mehanički tretman. Zbog toga je ultrazvučna obrada (sonikacija) poželjna metoda za izolaciju osjetljivih bioaktivnih spojeva, kao što su aromatični spojevi i esencijalna ulja, npr. vanilin, polifenoli ili antioksidansi iz biljnih sirovina.
Prednosti ultrazvučne ekstrakcije vanilije
- Vrhunski prinos
- Ekstrakcija velike brzine – u roku od nekoliko minuta
- Visokokvalitetni ekstrakti – blagi, netermički
- Zeleni otapači (npr. voda/etanol)
- Isplativo
- Jednostavan i siguran rad
- Niski investicijski i pogonski troškovi
- Rad 24/7 u zahtjevnim uvjetima
- Zelena, ekološki prihvatljiva metoda
Ultrazvučna ekstrakcija vanilije – u šaržnom ili kontinuiranom protočnom načinu rada
Šaržno: Procesi ultrazvučne ekstrakcije mogu se provoditi kao jednostavni šaržni procesi ili kao inline obrada, pri kojoj se medij kontinuirano dovodi kroz ultrazvučni protočni reaktor.
Šaržna obrada je jednostavan postupak u kojem se ekstrakcija izvodi šaržu po šaržu. Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne procesore za male do velike šarže, tj. od 1L do 120L.
Za obradu šarži od 5 do 10L preporučujemo UP400ST (400W, video ispod) sa sonotrodom S24d22L2D.
Za obradu šarži od približno 120L preporučujemo UIP2000hdT (2kW, slika u desnoj koloni na vrhu) sa sonotrodom RS4d40L4.
Sonikator UIP2000hdT za ekstrakciju biljnih sirovina u šarži od 120L
Ultrazvučna ekstrakcija biljnih sirovina ultrazvučnim uređajem UP400St
Za volumen od približno 8L/min. preporučujemo UIP4000hdT (4kW, slika desno) sa sonotrodom RS4d40L3 i protočnom ćelijom FC130L4-3G0 pod tlakom
Studija slučaja ultrazvučne ekstrakcije vanilije
Jadhav i sur. (2009) usporedili su ultrazvučno potpomognutu ekstrakciju (UAE) i Soxhletovu ekstrakciju. Istraživanje je potvrdilo da ultrazvučna ekstrakcija značajno pojačava oslobađanje vanilina u usporedbi sa Soxhletovom ekstrakcijom. Soxhletov tretman zahtijevao je radnu temperaturu od 95°C, omjer otapalo:otopljena tvar od 66,67ml/g i vrijeme ekstrakcije od 8hrs, a rezultirao je oslobađanjem približno 180ppm vanilina. Ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija (UAE) zahtijevala je samo 1hr za oslobađanje približno 140ppm vanilina uz isti omjer otapalo:otopljena tvar na sobnoj temperaturi.
Rasoamandrary i sur. (2013) usporedili su efikasnost ekstrakcije vanilina primjenom sonde-ultrazvučnog uređaja snage 100W (npr. UP100H), ultrazvučne kupelji i kupelji s vrućom vodom. Istraživači su zaključili da je ultrazvučni uređaj sa sondom snažan alat za ekstrakciju zbog ultrazvuka visokog intenziteta. Stoga je ultrazvučni uređaj sa sondom nadmašio alternativne metode ekstrakcije dajući slične ili veće prinose izdvojenog vanilina u znatno kraćem vremenu ekstrakcije i uz manju potrošnju otapala (tj. etanola).
Usporedba triju metoda ekstrakcije – ultrazvučna sonda, ultrazvučna kupelj, ekstrakcija u kupelji s vrućom vodom – pokazala je da je ekstrakcija vanilina bila najefikasnija pri ultrazvučnoj obradi sondom uz 40% etanola (v/v) na temperaturi okoline od 30°C i vremenu ekstrakcije od 1hr. Ekstrakcija u vodenoj kupelji zahtijevala je koncentraciju etanola od 50% (v/v) na 56°C tokom 15hrs.
UIP4000hdT – 4kW ultrazvučni ekstraktor za kontinuiranu inline obradu.
Ultrazvučna oprema za visokoučinkovitu ekstrakciju
Hielscher Ultrasonics specijaliziran je za proizvodnju visokoučinkovitih ultrazvučnih procesora za proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata iz biljnih sirovina.
Široki asortiman proizvoda kompanije Hielscher obuhvata od malih, snažnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do robusnih stolnih i potpuno industrijskih sistema, koji isporučuju ultrazvuk visokog intenziteta za efikasnu ekstrakciju i izolaciju bioaktivnih tvari (npr. kvercetin, kofein, kurkumin, terpeni itd.). Svi ultrazvučni uređaji od 200W do 16.000W imaju u boji prikazan displej za digitalno upravljanje, integriranu SD karticu za automatsko bilježenje podataka, daljinsko upravljanje putem preglednika i mnoge druge funkcije prilagođene korisniku. Sonotrode i protočne ćelije (dijelovi koji su u kontaktu s medijem) mogu se autoklavirati i lako se čiste. Svi naši ultrazvučni uređaji izrađeni su za rad 24/7, zahtijevaju malo održavanja te su jednostavni i sigurni za rukovanje.
Digitalni displej u boji omogućuje korisniku prilagođeno upravljanje ultrazvučnim uređajem. Naši sistemi mogu isporučiti od niskih do vrlo visokih amplituda. Za ekstrakciju polifenola i drugih bioaktivnih spojeva kao što je vanilin nudimo posebne ultrazvučne sonotrode (poznate i kao ultrazvučne sonde ili rogovi) optimizirane za blagu izolaciju visokokvalitetnih aktivnih tvari. Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućuje rad 24/7 u zahtjevnim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.
Precizna kontrola parametara ultrazvučnog procesa osigurava ponovljivost i standardizaciju procesa.
Tablica ispod daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni procesori velike snage od laboratorijskog do pilot i industrijskog mjerila.
Literatura/reference
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimizacija analitičkog pristupa zasnovanog na tečnoj hromatografiji visokih performansi za karakterizaciju prirodnog ekstrakta vanile. Thesis, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Ekstrakcija vanilina iz mahuna vanilije: Uporedna studija konvencionalne soxhletove i ekstrakcije potpomognute ultrazvukom. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Poboljšana ekstrakcija vanilin 4-hidroksi-3-metoksibenzaldehida iz osušenih zrna vanilije pomoću ekstrakcije potpomognute ultrazvukom: poređenje ekstrakcije uz pomoć ultrazvuka i ekstrakcije u toploj vodenoj kupki.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O'Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ultrazvučna tehnologija za ekstrakciju biološki aktivnih molekula iz biljnih, životinjskih i morskih izvora. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 122, 2020.
Činjenice koje vrijedi znati
Princip rada ultrazvučne ekstrakcije
Primjena intenzivnih ultrazvučnih valova na tekući medij rezultira kavitacijom. Pojava kavitacije lokalno dovodi do ekstremnih temperatura, tlakova, brzina zagrijavanja/hlađenja, razlika tlaka i visokih smičnih sila u mediju. Kada kavitacijski mjehurići implodiraju na površini čvrstih tvari (kao što su čestice, biljne ćelije, tkiva itd.), mikromlazevi i međučestični sudari stvaraju učinke kao što su ljuštenje površine, erozija i razgradnja čestica. Osim toga, implozija kavitacijskih mjehurića u tekućim medijima stvara makroturbulencije i mikromiješanje.
Sl. 1: Nastanak stabilnih i prolaznih kavitacijskih mjehurića.
(a) pomak, (b) prolazna kavitacija, (c) stabilna kavitacija, (d) tlak
[adapted from Santos et al. 2009]
Ultrazvučno zračenje biljnog materijala fragmentira matriks biljnih ćelija i pojačava njegovu hidrataciju. Chemat et al (2015) zaključuju da je ultrazvučna ekstrakcija bioaktivnih spojeva iz biljnih sirovina rezultat različitih neovisnih ili kombiniranih mehanizama, uključujući fragmentaciju, eroziju, kapilarnost, deteksturaciju i sonoporaciju. Ovi učinci razaraju ćelijski zid, poboljšavaju prijenos mase potiskivanjem otapala u ćeliju i izvlačenjem otapala opterećenog fitospojevima, te osiguravaju kretanje tekućine mikromiješanjem.
Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih ćelija: mikroskopski poprečni presjek (TS) prikazuje mehanizam djelovanja tokom ultrazvučne ekstrakcije iz ćelija (uvećanje 2000x) [izvor: Vilkhu et al. 2011]
Ultrazvučna ekstrakcija postiže vrlo brzu izolaciju spojeva – nadmašuje konvencionalne metode ekstrakcije kraćim trajanjem procesa, većim prinosom i pri nižim temperaturama. Kao blagi mehanički tretman, ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija izbjegava termičku razgradnju bioaktivnih komponenti i ističe se u usporedbi s drugim tehnikama, kao što su konvencionalna ekstrakcija otapalom, hidrodestilacija, ili Soxhletova ekstrakcija, za koje je poznato da razaraju molekule osjetljive na toplinu. Zbog ovih prednosti ultrazvučna ekstrakcija je poželjna tehnika za oslobađanje bioaktivnih spojeva osjetljivih na temperaturu iz biljnih sirovina.
Vanilin
Vanilija je cijenjena aroma koja se može dobiti iz orhideja roda Vanilla, prvenstveno iz meksičke vrste, vanilije plosnatih listova (V. planifolia). Jedinstveni aromatični spojevi orhideje vanilije nalaze se u njenom plodu, koji nastaje oprašivanjem cvijeta. Ove sjemene mahune dugačke su otprilike 1/3 x 6 inča, a kad sazriju, smećkastocrvene su do crne boje. Unutar tih mahuna nalazi se uljasta tekućina puna sitnih sjemenki. I mahuna i sjemenke koriste se za proizvodnju vanilina.
Iako je vanilin primarni aromatični spoj u biljci vanilije, čisti ekstrakt vanilije sadrži nekoliko stotina dodatnih aromatičnih spojeva, koji doprinose njegovoj složenoj, dubokoj aromi.
Esencija vanilije javlja se u dva oblika, naime kao prava esencija vanilina iz sjemene mahune vanilije i kao industrijski sintetizirani vanilin. Pravi ekstrakt sjemene mahune složena je smjesa nekoliko stotina različitih spojeva. Kemijski spoj vanilin – 4-hidroksi-3-metoksibenzaldehid – glavni je nosilac karakteristične arome i mirisa prave vanilije te je glavna aromatična komponenta fermentiranih mahuna vanilije. Osim vanilina, mnogi drugi kemijski spojevi kao što su acetaldehid, octena kiselina, furfural, heksanska kiselina, 4-hidroksibenzaldehid, eugenol, metil-cinamat i izomaslačna kiselina doprinose složenoj aromi vanilije.
Sorte vanilije
Bourbonska vanilija ili bourbon-madagaskarska vanilija proizvodi se od biljaka V. planifolia, koje rastu na otocima Indijskog oceana kao što su Madagaskar, Komori i Réunion, nekadašnji Île Bourbon. Izraz “bourbonska vanilija” opisuje i karakterističnu aromu vanilije dobivenu iz V. planifolia.
Meksička vanilija, dobivena iz autohtone V. planifolia, proizvodi se u mnogo manjim količinama. Meksička vanilija poznata je i prodaje se kao vanilija iz zemlje svog porijekla, budući da je biljka V. planifolia autohtona u Mezoamerici.
Tahićanska vanilija potječe iz Francuske Polinezije, a proizvodi se od biljke V. tahitiensis. Genetska analiza pokazuje da je ova vrsta vjerojatno kultivar nastao od hibrida V. planifolia i V. odorata.
Zapadnoindijska vanilija proizvodi se od V. pompona, koja se uzgaja na Karibima te u Srednjoj i Južnoj Americi.