Ultrazvuková hydrodestilace esenciálních olejů
- Konvenční extrakce esenciálních olejů je nákladná a časově náročná.
- Ultrazvuková extrakce poskytuje vyšší výnosy a vynikající kvalitu extraktu.
- Ultrazvuk lze provádět jako extrakční metodu na bázi rozpouštědla nebo vody. Alternativně může být sonikace kombinována s tradičními extrakčními systémy pro zlepšení efektivity a kvality.
Hydrodestilace rostlinných extraktů
Hydrodestilace je variantou parní destilace. Při hydrodestilační extrakci se rostlinný materiál na určitou dobu namočí do vody, poté se směs zahřeje a těkavé látky se odnesou v páře, zkondenzují a oddělí se. Jedná se o běžný extrakční proces k oddělení fytochemických sloučenin z rostlinného materiálu. Parní destilace je běžnou technikou izolace esenciálních olejů, např. pro parfumérství.
Vzhledem k tomu, že mnoho organických sloučenin má tendenci se rozkládat při vysokých trvalých teplotách, průmysl postupuje vpřed a používá alternativní metody mírného zpracování, které poskytují lepší výsledky extrakce (vynikající kvalita, vyšší výtěžky). Ultrazvuková hydrodestilace je jemná, ale vysoce účinná extrakční technika, která se používá k výrobě vysoce kvalitních esenciálních olejů.
Ultrazvuková extrakce a ultrazvuková hydrodestilace výrazně zlepšují produkci éterického oleje.
Výzvy konvenční produkce esenciálních olejů
Problémy tradičních extrakčních technik, jako je parní destilace, spočívají v obrovském množství rostlinného materiálu, který je nutný k extrakci esenciálních olejů v komerčním měřítku. Na 1 kg (2 1/4 lb) levandulového esenciálního oleje je potřeba přibližně 200 kg (440 lb) čerstvých květů levandule, na 1 kg růžového oleje je potřeba 2,5 až 5 metrických tun okvětních lístků růží a na 1 kg citronového esenciálního oleje se surovina skládá z přibližně 3 000 citronů. Proto jsou esenciální oleje velmi drahé. U růžové absolue se cena pohybuje kolem 20 000 € (21 000 USD) za litr.
Aby výrobci esenciálních olejů získali výhody týkající se ziskovosti a konkurenceschopnosti, musí implementovat účinnější a efektivnější metody extrakce. Příznivé techniky ultrazvukové extrakce vynikají tradičními extrakčními metodami mírnými extrakčními podmínkami, vysokými výtěžky a vynikající kvalitou extraktu. Sonikace může být provedena jako extrakce na bázi rozpouštědel nebo bez rozpouštědel. Alternativně lze extrakci typu ultrazvukové sondy kombinovat s běžnými odsávacími systémy, např. Soxhletova extrakce, Clevengerova extrakce, superkritický CO2, ohmická hydrodestilace atd. (Sono-Soxhlet, Sono-Clevenger, Sono-scCO2, ultrazvuková ohmická hydrodestilace).
Výhody ultrazvukové extrakce a hydrodestilace
Ultrazvukem asistovaná extrakce a hydrodestilace je v dnešní době zavedenou technikou pro výrobu vysoce kvalitních esenciálních olejů. Jako technika netepelné extrakce se sonikace vyhýbá tepelné degradaci sloučenin citlivých na teplo. Současně se výrazně zvyšuje účinnost extrakce a výtěžnost esenciálních olejů. Níže naleznete výhody ultrazvukové výroby esenciálního oleje:
- Vysoká účinnost odsávání: Extrakce pomocí ultrazvuku typu sondy izoluje éterické oleje efektivněji než tradiční extrakční metody, jako je parní destilace nebo extrakce rozpouštědlem. Je to proto, že zvukové vlny způsobují kavitaci v kapalině, což pomáhá rozkládat buněčné stěny rostlinného materiálu a uvolňovat více esenciálního oleje.
- Kratší doba extrakce: Ultrazvuková extrakce může extrahovat éterické oleje za mnohem kratší dobu než tradiční metody extrakce. Je to proto, že intenzivní zvukové vlny generované ultrazvukovou sondou mohou proniknout hlouběji do rostlinného materiálu, narušit rostlinnou buňku s vynikající účinností, a proto extrahovat esenciální olej rychleji a účinněji.
- Zlepšená kvalita esenciálního oleje: Vzhledem k tomu, že ultrazvuková extrakce je netepelné ošetření, může vyrábět éterické oleje s vyšší kvalitou než tradiční metody extrakce. Je to proto, že ultrazvukové vlny mohou extrahovat esenciální olej, aniž by došlo k poškození jemných aromatických sloučenin, které dávají oleji jeho vůni a terapeutické vlastnosti.
- Energeticky úsporné: Ultrazvuková extrakce je energeticky účinná metoda extrakce ve srovnání s tradičními metodami, jako je parní destilace, která vyžaduje hodně energie k výrobě páry.
- Šetrné: Ultrazvuku je čistá a ekologická technika extrakce, protože nevyžaduje použití rozpouštědel nebo chemikálií, které mohou být škodlivé pro životní prostředí.
Tyto výhody promění ultrazvukovou extrakci esenciálního oleje ve vysoce účinnou a ekonomickou techniku, která nabízí mnoho výhod oproti tradičním metodám extrakce.
Ultrazvuková extrakce vyžaduje jen velmi krátkou dobu, která generuje nejlepší výtěžky extrakce. Srovnání superkritického oxidu uhličitého (sCO2), ultrazvukem asistované extrakce (SAE), superkritické extrakce oxidu uhličitého v kombinaci s technikou kolísání tlaku (SCE-PST) a Soxhletovy extrakce ukazuje, že SAE jsou nejúčinnější a nejrychlejší extrakční technikou.
Pracovní princip ultrazvukové extrakce éterického oleje
Bylo prokázáno, že ultrazvuková extrakce poskytuje vyšší výtěžnosti extrakce a snižuje spotřebu energie. Principem činnosti ultrazvukové extrakce je imploze bublin generovaná ultrazvukovou kavitací. Ultrazvuková / akustická kavitace vytváří kapalné mikrotrysky, které ničí žlázy obsahující lipidy v rostlinné tkáni. Tím se zlepšuje přenos hmoty mezi buňkou a rozpouštědlem a uvolňuje se éterický olej. Velkou výhodou dnešních moderních ultrazvukových extraktorů je přesná kontrola provozních parametrů (např. intenzita ultrazvuku, teplota, doba ošetření, tlak, retenční čas atd.). Vědecky dokázáno je vyšší výtěžnost esenciálních olejů, nižší tepelná degradace, vysoká kvalita a dobrý aromatický a chuťový profil (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
Zatímco jiné moderní extrakční techniky nabízejí pouze omezenou schopnost pro škálování na průmyslovou výrobu, účinnost škálování ultrazvukové extrakce na průmyslovou úroveň je již prokázána. Například výtěžnost extrakce esenciálních olejů z japonských citrusů se zvýšila o 44 % ve srovnání s tradičními metodami extrakce (Mason et al. 2011).
Ultrazvuková předúprava pro extrakci esenciálních olejů
Pro ultrazvukovou extrakci éterického oleje z rostlinného materiálu (např. lavandin, šalvěj, citrusy atd.) lze pro extrakci na stolním, pilotním a výrobním měřítku použít sonizační systém typu sondy, jako je UIP2000hdT. Odsávací systém může být nastaven jako dávkový nebo inline systém.
Pro ultrazvukovou dávkovou extrakci se doporučuje nádoba s okolní lázní se studenou vodou. Vodní lázeň umožňuje zabránit nežádoucímu nárůstu teploty a následné degradaci. Pro extrakci esenciálního oleje z levandule se květy levandule extrahují např. 2 l destilované vody po dobu extrakce 30 minut. Ultrazvuková amplituda je nastavena na 60 %. Po ultrazvukové předúpravě se květ levandule odstraní a provede se konvenční parní destilace k extrakci éterického oleje.
Pro nastavení inline extrakce je ultrazvukový procesor vybaven sonotrodou a průtokovou buňkou. Pro účely chlazení je reaktor s průtočnou buňkou vybaven chladicím pláštěm. Pro ultrazvukovou předúpravu je macerovaný rostlinný materiál čerpán přes reakční komoru, kde prochází přímo kavitační zónou. Další výhodou ultrazvukové inline extrakce je možnost natlakování reakční komory pro zvýšení extrakčního účinku.
Ultrazvuková předúprava před hydrodestilací zvyšuje výtěžnost extrahovaných éterických olejů a zlepšuje rychlost extrakce – což vede k celkově efektivnějšímu postupu.
Výhody ultrazvukové extrakce a hydrodestilace
- Rychlý & Efektivní odsávání
- Netepelný, mírný proces
- Vysoce kvalitní extrakty
- vysoký výnos
- Plné aroma spektrum
- Méně surovin
- Ekologická těžba
Sono-Clevenger s ultrazvukovou sondou UP200S: Ultrazvukem zesílené hydrodestilační zařízení pro vysoce účinnou izolaci esenciálních olejů.
(©Rasouli et al. 2021)
Případová studie: Ultrazvuková hydrodestilace esenciálního oleje ze Satureja khuzistanica
Rasouli et al. (2021) zkoumali účinnost extrakce esenciálních olejů z bylinné rostliny Satureja khuzistanica Jamzad a porovnávali tradiční hydrodestilaci a ultrazvukem zesílený Clevenger (Sono-Clevenger). Porovnávali obě extrakční techniky, hydrodestilaci a ultrazvukový Clevenger, pokud jde o dobu izolace, výtěžek a kvalitu získaných esenciálních olejů. Výsledky ukazují, že zatímco získaný chemický profil esenciálních olejů a biologické vlastnosti jsou srovnatelně vysoké kvality, metoda ultrazvukové extrakce zvyšuje účinnost výtěžnosti izolace éterických olejů až o 40%. Snímky skenovacího elektronového mikrografu (SEM) ošetřených listů Satureja odhalují účinnější narušení rostlinných buněčných stěn ultrazvukem. V důsledku toho bylo pozorováno zlepšení extrakce esenciálních olejů přibližně o 40 % ve srovnání s konvenční metodou hydrodestilace.
Tato studie podtrhuje výsledky mnoha dalších zpráv, ve kterých byla zkoumána ultrazvuková předúprava před hydrodestilací a ukázalo se, že ultrazvuková sonda zvyšuje kvalitu i množství esenciálního oleje a zároveň snižuje dobu extrakce a spotřebu energie ve srovnání s konvenčními technikami.
Porovnání výtěžnosti extrakce jako funkce času pro hydrodestilaci a metodu sono-clevenger: Ultrazvuková extrakce éterického oleje pomocí Sono-Clevenger poskytuje vyšší výtěžky esenciálního oleje v kratší době extrakce.
(©Rasouli et al. 2021)
SEM listů Satureja: (A) po hydrodestilaci po dobu 4 hodin a (B) po ošetření sono-clevenger po dobu 60 minut. Kratší ošetření Sono-Clevenger poskytuje lepší narušení buněk a tím i vyšší výnosy esenciálních olejů.
(©Rasouli et al. 2021)
Ultrazvukové extraktory pro hydrodestilaci éterického oleje
Hielscher výkon ultrazvukové extraktory jsou k dispozici pro stolní, pilotní zařízení a průmyslové instalace. Naše ultrazvukové procesory jsou přesně ovladatelné a mohou poskytovat velmi vysoké amplitudy (až 200 μm pro průmyslové ultrazvukové přístroje, vyšší amplitudy na vyžádání) pro generování intenzivního akustického pole. Všechna naše ultrazvuková zařízení, od laboratorních až po průmyslové systémy, jsou konstruována pro provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročných podmínkách.
Hielscher ultrazvukové extraktory mohou být testovány na stolním měřítku pro testy proveditelnosti a optimalizaci procesu. Poté lze všechny výsledky procesu lineárně škálovat do plné průmyslové výroby. Naše dlouholeté zkušenosti v oblasti ultrazvukového zpracování nám umožňují konzultovat a asistovat našim klientům od prvních testů a optimalizace procesů až po realizaci vysoce efektivního průmyslového provozu.
Navštivte naši technickou laboratoř a procesní centrum a prozkoumejte možnosti ultrazvukových systémů Hielscher!
Naše robustní ultrazvukové systémy lze použít pro dávkovou a inline sonikaci. Pro výrobu esenciálního oleje lze dosáhnout synergické kombinace instalací ultrazvukové sondy do konvenčního hydrodestilačního zařízení. Snadno lze provést i modernizaci stávajících výrobních linek.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
|---|---|---|
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Nastavení Sono-Soxhlet pomocí sonikátoru UP200Ht pro lepší výsledky extrakce
(©Djenni a kol., 2012)
Literatura / Reference
- Rasouli, Seyed Reza; Nejad, Ebrahimi Samad; Rezadoost, Hassan (2021): Simultaneous ultrasound-assisted hydrodistillation of essential oil from aerial parts of the Satureja khuzistanica Jamzad and its antibacterial activity. Journal Of Medicinal Plants, Vol. 20, no. 80; 2021. 47–59.
- Dent, M.; Dragović-Uzelac, V; Elez Garofulić, I.; Bosiljkov, T.; Ježek, D.; Brnčić, M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound-assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from Sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q., 29 (3), 2015. 475–484.
- Djenni, Z.; Pingret, D.; Mason, T.J.; Chemat, F. (2013): Sono–Soxhlet: In Situ Ultrasound-Assisted Extraction of Food Products. Food Anal. Methods 6, 2013. 1229-1233.
- Li, Y.; Fabiano-Tixier, A.-S.; Chemat, F. (2014): Essential Oils as Reagents in Green Chemistry, SpringerBriefs in Green Chemistry for Sustainability, 2014. p.9-20.
- Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). Int. J. Mol. Sci. 2013, 14, 5750-5764.
- Pingret, D.; Fabiano-Tixier, A.-S.; Chemat, F. (2014): An Improved Ultrasound Clevenger for Extraction of Essential Oils. Food Anal. Methods 7, 2014. 9–12.
- Sicaire, Anne-Gaëlle; Vian, Maryline Abert; Fine, Frédéric; Carré, Patrick; Tostain, Sylvain; Chemat, Farid (2016): Ultrasound induced green solvent extraction of oil from oleaginous seeds. Ultrasonics Sonochemistry (2016), Vol. 31. 319-329.
- Yoswathana, N.; Eshiaghi, M.N.; Jaturapornpanich, K. (2012): Enhancement of Essential Oil from Agarwood by Subcritical Water Extraction and Pretreatments on Hydrodistillation. International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering Vol:6, No:5, 2012. 453-459.
Fakta, která stojí za to vědět
Úspěšně extrahováno ultrazvukem
Je dokázáno, že následující rostlinný materiál a rostlinné tkáně dosahují zlepšených výsledků extrakce. Ultrazvuková extrakce poskytuje vyšší výnosy, vysoce kvalitní extrakty s kompletním profilem sloučeniny / aroma a plným chuťovým spektrem.
byliny & listy: máta klasnatá, máta, Stevia, marihuana, chmel, bazalka, tymián, pepř, oregano, šalvěj, fenykl, petržel, eukalyptus, Oliva, zelený čaj, černý čaj, Boldo, tabák, máta peprná, majoránka atd.
Květiny (attary): Růže, levandule, ylang-ylang, jasmín, pačuli, tuberóza, mimóza atd.
Ovoce: pomeranč, citrusy, citron, malina, rajče, jablko, borůvky, borůvky, mandarinka, hrozny, Oliva, jujuba atd.
Koření: šafránkoriandr zázvor, vavřín, muškátový oříšek, skořice, kurkuma, vanilka, hřebíček, muškátový oříšek, muškátový květ atd.
dřevo & kůra: agarové dřevo, dub, santalové dřevo, cedrové dřevo, borovice, skořicová kůra atd.
Botanické extrakty obsahují celé spektrum účinných látek a fytochemikálií, takže esenciální olej obsahuje lipidy, terpeny a terpenoidy, fenoly, alkaloidy, flavonoidy, karbonylové sloučeniny, antioxidanty, vitamíny, pigmenty, enzymy atd.
Příklady extrahovaných molekul: monoterpeny a monoterpenoidy, seskviterpeny, limonen, karvon, a-pinen, limonen, 1,8-cineol, cis-ocimen, trans-ocimen, 3-oktan, beta-karoten, α-pinen, kafr, kamfen, β-pinen, myrcen, para-cymen, limonen, γ-terpinen, linalool, myrtenol, myrtenal, karvon.
Esenciální oleje vykazují antioxidační a antimikrobiální účinky, díky čemuž jsou kromě své vůně a chuti prospěšnou složkou také pro potraviny a léčivé přípravky.
Esenciální oleje, např. z levandule, máty peprné a eukalyptu, se většinou vyrábějí parní destilací. Surový rostlinný materiál, jako jsou květy, listy, dřevo, kůra, kořeny, semena a slupky, se extrahuje destilací vody, zatímco se namáčí a vaří s vodou v destilačním zařízení.
Hydrodestilace
U hydrodestilace se rozlišují dvě formy: destilace vody a parní destilace.
Pro izolaci éterických olejů destilací vody se rostlinný materiál umístí do vody, která se má vařit. Při parní destilaci se pára vstřikuje do/skrz rostlinný materiál. Vlivem horké vody a páry se éterický olej uvolňuje z lipidových žláz v rostlinné tkáni. Odpařující se vodní pára odvádí olej z rostlinného materiálu. Poté je pára kondenzována v kondenzátoru nepřímým chlazením vodou. Z kondenzátoru proudí destilovaný extrakt (esenciální olej) do separátoru, kde se olej automaticky odděluje od destilované vody.
extrakce rozpouštědlem
Vzhledem k účinnosti se většina esenciálních olejů, např. pro parfémový a parfémový průmysl, vyrábí rozpouštědlovou extrakcí za použití těkavých rozpouštědel, např. hexanu, dimethylenchloridu nebo petroletheru. Hlavní výhody extrakce rozpouštědlem oproti destilaci spočívají v tom, že během procesu lze udržovat jednotnou teplotu (přibližně 50 °C). Vzhledem k tomu, že vyšší teploty vedou k degradaci sloučenin esenciálních olejů, oleje extrahované rozpouštědly se vyznačují vyšší úplností svých těkavých sloučenin a přirozenějším zápachem.
Superkritický CO2 se také osvědčil jako vynikající organické rozpouštědlo, a proto je další alternativní metodou extrakce aromatických olejů z rostlinných látek.
Extrakční rozpouštědla
Mezi tradiční organická rozpouštědla pro extrakci patří benzen, toluen, hexan, dimethylether, petrolether, dimethylenchlorid, ethylacetát, aceton nebo ethanol.
Ethanol se používá k extrakci vonných sloučenin ze suchých rostlinných materiálů, stejně jako z nečistých olejů nebo betonů, které byly vyrobeny nejprve extrakcí, expresí nebo opouštěním organických rozpouštědel. Etanolové extrakty ze suchých materiálů jsou známé jako tinktury. Tinktury by neměly být zaměňovány s etanolovými mytími, které se provádějí za účelem čištění olejů a betonů za účelem získání absolutních hodnot.
Když se jako extrakční kapalina používá voda, proces se nazývá extrakce bez rozpouštědel.
Esenciální oleje
Esenciální oleje se vyrábějí extrakcí z rostlinného materiálu. Jako surovinu lze použít různé druhy částí rostlin, např. květiny (např. růže, jasmín, karafiát, hřebíček, mimóza, rozmarýn, levandule), listy (např. máta, Ocimum spp., citronová tráva, jamrosa), listy a stonky (např. pelargónie, pačuli, petitgrain, verbena, skořice), kůra (např. skořice, kasie, canella), dřevo (např. cedr, santal, borovice), kořeny (např. andělika, sassafras, vetiver, saussurea, kozlík lékařský), semena (např. fenykl, koriandr, kmín, kopr, muškátový oříšek), ovoce (bergamot, pomeranč, citron, jalovec), oddenky (např. zázvor, puškvorec, kurkuma, kosatec) a výrony gum nebo oleoresinů (např. peruánský balzám, Myroxylon balsamum, storax, myrha, benzoin).
Betonové a absolutní
Beton je termín pro polotuhou hmotu, která se získává extrakcí rozpouštědlem z čerstvého rostlinného materiálu. Čerstvý rostlinný materiál se většinou extrahuje pomocí nepolárních rozpouštědel, jako je benzen, toluen, hexan, petrolether. Po procesu extrakce se rozpouštědlo odpaří, takže se získá polotuhý zbytek éterických olejů, vosků, pryskyřic a dalších lipofilních (hydrofobních) fytochemikálií. Jedná se o takzvaný beton.
Aby se z betonu získala absolutní hodnota, musí být beton ošetřen silným alkoholem, ve kterém mohou být rozpuštěny určité složky.
Ultrazvuková výroba nanoemulzí
Zájem o využití nanoemulzí jako transportních systémů pro lipofilní složky potravin, jako nosiče účinných látek ve farmacii a kosmetice výrazně roste díky jejich vysoké optické čistotě, dobré fyzikální stabilitě a schopnosti zvyšovat biologickou dostupnost. Ultrazvukový Emulgace Připravuje stabilní mikro- a nanoemulze, které zaručují nejlepší výsledky ve finálním produktu.
Klikněte zde a dozvíte se více o ultrazvukové emulgaci!
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.