Ultrazvučna ekstrakcija vanile – Netermalna metoda
- Ekstrakt vanilije je rastvor ukusa ekstrahovan iz mahuna vanile u rastvoru etanola i vode.
- Za proizvodnju visokokvalitetnog vanilina kao komponente arome, okusa i mirisa, potrebna je efikasna, ali blaga tehnika ekstrakcije kako bi se spriječilo raspadanje.
- Ultrazvučna ekstrakcija je blaga mehanička metoda ekstrakcije koja daje visoke prinose vanilina u vrlo kratkom vremenu ekstrakcije.
Ultrazvuk visokih performansi za visokokvalitetne ekstrakte vanilina
Kao drugi najskuplji začin nakon šafrana, proizvodnja vanilije zahtijeva efikasnu metodu ekstrakcije, koja sprječava razgradnju vrijednih eteričnih ulja. Ultrazvučna ekstrakcija je dobro poznata i uspostavljena kao blaga, netermalna, ali vrlo efikasna metoda za oslobađanje bioaktivnih jedinjenja iz biljnog materijala. Ultrazvučna ekstrakcija se zasniva na fenomenu akustične kavitacije, koja je čisto mehanički tretman. Ovo čini sonikaciju poželjnom metodom za izolaciju osjetljivih bioaktivnih spojeva kao što su spojevi okusa i eterična ulja, npr. vanilin, polifenoli ili antioksidansi iz biljaka.
Prednosti ultrazvučne ekstrakcije vanile
- Vrhunski prinos
- Ekstrakcija velike brzine – u roku od nekoliko minuta
- Ekstrakti visokog kvaliteta – blage, netermalne
- Zeleni rastvarači (npr. voda/etanol)
- Isplativo
- Jednostavan i siguran rad
- Niski investicijski i operativni troškovi
- 24/7 rad u teškim uslovima
- Zelena, ekološki prihvatljiva metoda
Ultrazvučna ekstrakcija vanile – u Batch ili Continuous Flow modu
serija: Ultrazvučni procesi ekstrakcije mogu se izvoditi kao jednostavni serijski procesi ili kao inline tretman, gdje se medij kontinuirano dovodi kroz ultrazvučni protočni reaktor.
Serijska obrada je laka procedura, gdje se vađenje vrši partija po partija. Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne procesore za male do velike serije, tj. od 1L do 120L.
Za preradu serija od 5 do 10L preporučujemo UP400St (400W, video ispod) sa sonotrodom S24d22L2D.
Za obradu serija od cca. 120L, preporučujemo UIP2000hdT (2kW, slika desna kolona na vrhu) sa sonotrodom RS4d40L4.
sonicator UIP2000hdT za botaničku ekstrakciju u šarži od 120L
Ultrazvučna ekstrakcija biljaka sa ultrazvučnim aparatom UP400St
Za zapreminu od cca. 8L/min., preporučujemo UIP4000hdT (4kW, slika desno) sa sonotrodom RS4d40L3 i protočnom ćelijom pod pritiskom FC130L4-3G0
Studija slučaja ultrazvučne ekstrakcije vanile
Jadhav et al. (2009) uporedili su ultrazvučno potpomognutu ekstrakciju (UAE) i Soxhletovu ekstrakciju. Istraživanje je potvrdilo da ultrazvučna ekstrakcija značajno intenzivira oslobađanje vanilina u poređenju sa Soxhlet ekstrakcijom. Soxhletov tretman zahtijevao je radnu temperaturu od 95°C, omjer otapala:otvoren od 66,67ml/g i vrijeme ekstrakcije od 8 sati rezultiralo je oslobađanjem pribl. 180ppm vanilin. Ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom (UAE) zahtijevala je samo 1 sat za oslobađanje pribl. 140ppm vanilina koristeći isti omjer otapalo:otvoren na sobnoj temperaturi.
Rasoamandrary et al. (2013) upoređivali su efikasnost ekstrakcije vanilina pomoću ultrazvučnog aparata tipa sonde od 100 W (npr. UP100H), ultrazvučna kupka i kupka s toplom vodom. Istraživači su zaključili da je ultrasonikator tipa sonde moćan alat za ekstrakciju zbog ultrazvučnog visokog intenziteta. Stoga je ultrazvučni uređaj tipa sonde nadmašio alternativne metode ekstrakcije dajući slične/ili veće prinose vanilina ekstrahovanog u značajno kraćem vremenu ekstrakcije i manjoj potrošnji rastvarača (tj. etanola).
Poređenje tri metode ekstrakcije – ultrazvučna sonda, ultrazvučna kupka, ekstrakcija vodene kupke – pokazalo je da je ekstrakcija vanilina najefikasnija za sonikaciju sondom koristeći 40% etanola (v/v) na temperaturi okoline od 30°C i vremenu ekstrakcije od 1 sat. Ekstrakcija u vodenom kupatilu zahtijevala je koncentraciju etanola od 50% (v/v) na 56°C tokom 15 sati.
UIP4000hdT – Ultrazvučni ekstraktor od 4kW za kontinuirani inline tretman.
Ultrazvučna oprema za ekstrakciju visokih performansi
Hielscher Ultrasonics je specijaliziran za proizvodnju ultrazvučnih procesora visokih performansi za proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata iz biljaka.
Hielscherov široki portfelj proizvoda kreće se od malih, moćnih laboratorijskih ultrazvučnih aparata do robusnih stonih i potpuno industrijskih sistema, koji isporučuju ultrazvuk visokog intenziteta za efikasnu ekstrakciju i izolaciju bioaktivnih supstanci (npr. kvercetin, kofein, kurkumin, terpeni itd.). Svi ultrazvučni uređaji iz 200W to 16.000W imaju displej u boji za digitalnu kontrolu, integrisanu SD karticu za automatsko snimanje podataka, daljinsko upravljanje pretraživačem i mnoge druge funkcije prilagođene korisniku. Sonotrode i protočne ćelije (dijelovi koji su u kontaktu sa medijumom) mogu se autoklavirati i lako se čiste. Svi naši ultrasonikatori su napravljeni za rad 24 sata dnevno, 7 dana u nedelji, zahtevaju nisko održavanje i laki su i sigurni za rad.
Digitalni displej u boji omogućava laku kontrolu ultrazvučnog aparata. Naši sistemi su u stanju da isporuče od malih do veoma velikih amplituda. Za ekstrakciju polifenola i drugih bioaktivnih spojeva kao što je vanilin, nudimo posebne ultrazvučne sonotrode (poznate i kao ultrazvučne sonde ili rogovi) koje su optimizirane za razumnu izolaciju visokokvalitetnih aktivnih tvari. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima.
Precizna kontrola parametara ultrazvučnog procesa osigurava ponovljivost i standardizaciju procesa.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni procesori velike snage od laboratorijskih do pilotskih i industrijskih razmjera.
Literatura/Reference
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimizacija analitičkog pristupa zasnovanog na tečnoj hromatografiji visokih performansi za karakterizaciju prirodnog ekstrakta vanile. Teza, 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 trendovi u analitičkoj hemiji, svezak 122, 2020.
Činjenice koje vrijedi znati
Princip rada ultrazvučne ekstrakcije
Primjena intenzivnih ultrazvučnih valova na tečni medij dovodi do kavitacije. Fenomen kavitacije lokalno dovodi do ekstremnih temperatura, pritisaka, brzina grijanja/hlađenja, razlika tlaka i visokih sila smicanja u mediju. Kada kavitacijski mjehurići implodiraju na površini čvrstih tvari (kao što su čestice, biljne ćelije, tkiva itd.), mikro-mlaznice i međučestični sudar stvaraju efekte kao što su površinsko ljuštenje, erozija i razbijanje čestica. Dodatno, implozija kavitacijskih mjehurića u tekućim medijima stvara makro-turbulencije i mikro-miješanje.
Slika 1: Stvaranje stabilnih i prolaznih kavitacionih mehurića.
(a) pomak, (b) prolazna kavitacija, (c) stabilna kavitacija, (d) pritisak
[prilagođeno iz Santos et al. 2009]
Ultrazvučno zračenje biljnog materijala fragmentira matriks biljnih ćelija i pojačava hidrataciju istih. Chemat i ostali (2015) zaključuju da je ultrazvučna ekstrakcija bioaktivnih spojeva iz biljaka rezultat različitih neovisnih ili kombiniranih mehanizama uključujući fragmentaciju, eroziju, kapilarnost, deteksturaciju i sonoporaciju. Ovi efekti remete ćelijski zid, poboljšavaju prijenos mase guranjem rastvarača u ćeliju i isisavanjem otapala napunjenog fito-spojem, te osiguravaju kretanje tekućine mikro-miješanjem.
Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih ćelija: mikroskopski poprečni presek (TS) pokazuje mehanizam delovanja tokom ultrazvučne ekstrakcije iz ćelija (uvećanje 2000x) [izvor: Vilkhu et al. 2011]
Ultrazvučna ekstrakcija postiže vrlo brzu izolaciju spojeva – nadmašujući konvencionalne metode ekstrakcije u kraćem vremenu procesa, većem prinosu i na nižim temperaturama. Kao blagi mehanički tretman, ekstrakcija uz pomoć ultrazvuka izbjegava termičku degradaciju bioaktivnih komponenti i ističe se u usporedbi s drugim tehnikama kao što je konvencionalna ekstrakcija rastvaračem, hidrodestilacija, ili Soxhlet ekstrakcija, za koje je poznato da uništavaju molekule osjetljive na toplinu. Zbog ovih prednosti, ultrazvučna ekstrakcija je poželjna tehnika za oslobađanje temperaturno osjetljivih bioaktivnih spojeva iz biljaka.
vanilin
Vanilija je cijenjena aroma, koja se može dobiti iz orhideja roda Vanilla, prvenstveno iz meksičke vrste, vanile ravnog lista (V. planifolia). Jedinjenja jedinstvene arome vanile orhideje nalaze se u njenom plodu, što je rezultat oprašivanja cvijeta. Ove mahune su otprilike 1/3 x 6 inča, sa smeđkastocrvenom do crnom bojom kada su zrele. Unutar ovih mahuna nalazi se uljasta tečnost puna sitnih sjemenki. I mahuna i sjemenke se koriste za proizvodnju vanilina.
Iako je vanilin primarno jedinjenje arome u biljci vanile, čisti ekstrakt vanile sadrži nekoliko stotina dodatnih jedinjenja ukusa, koji doprinose njenom kompleksnom, dubokom ukusu.
Esencija vanilije se javlja u dva oblika, a to su prava esencija vanilije iz mahune sjemena vanilije i industrijski sintetizirani vanilin. Pravi ekstrakt mahune je složena mješavina nekoliko stotina različitih spojeva. Hemijsko jedinjenje vanilin – 4-hidroksi-3-metoksibenzaldehid – je glavni doprinos karakterističnom okusu i mirisu prave vanilije i glavna je komponenta okusa sušenih mahuna vanilije. Osim vanilina, kompleksnoj aromi vanilije mogu doprinijeti i druga hemijska jedinjenja kao što su acetaldehid, sirćetna kiselina, furfural, heksanska kiselina, 4-hidroksibenzaldehid, eugenol, metil cinamat i izobutirna kiselina.
Vanilla Cultivars
Burbonska vanilija ili Bourbon-madagaskarska vanilija proizvodi se od biljaka V. planifolia, koje rastu na ostrvima u Indijskom okeanu kao što su Madagaskar, Komori i Reunion, koji se ranije zvao Île Bourbon. Pojam “Burbon vanila” opisuje i prepoznatljivu aromu vanile koja potiče od V. planifolia.
Meksička vanilija, ekstrahirana iz izvorne V. planifolia, proizvodi se u mnogo manjim količinama. Meksička vanilija je poznata i plasirana na tržište kao vanilija iz zemlje svog porijekla, budući da je biljka V. planifolia porijeklom iz Mezoamerike.
Tahićanska vanilija dolazi iz Francuske Polinezije, proizvedena iz biljke V. tahitiensis. Genetska analiza pokazuje da je ova vrsta moguće sorta od hibrida V. planifolia i V. odorata.
Zapadnoindijska vanilija se proizvodi od V. pompona, koja se uzgaja na Karibima i u Srednjoj i Južnoj Americi.