Ultrazvuková extrakce vanilky – netermální metoda
- Vanilkový extrakt je chuťový roztok extrahovaný z vanilkových lusků v roztoku ethanolu a vody.
- Pro výrobu vysoce kvalitního vanilinu jako aromatické, chuťové a vonné složky je zapotřebí účinná, a přitom šetrná extrakční technika, která zabrání jeho rozkladu.
- Ultrazvuková extrakce je šetrná mechanická extrakční metoda, která poskytuje vysoké výtěžky vanilinu za velmi krátkou dobu extrakce.
Vysoce výkonný ultrazvuk pro vysoce kvalitní extrakty vanilinu
Vanilka je po šafránu druhým nejdražším kořením, a proto její produkce vyžaduje účinnou extrakční metodu, která zabraňuje degradaci cenných esenciálních olejů. Ultrazvuková extrakce je dobře známá a zavedená jako šetrná, netermální, a přitom vysoce účinná metoda uvolňování bioaktivních látek z rostlinného materiálu. Ultrazvuková extrakce je založena na jevu akustické kavitace, což je čistě mechanické působení. Díky tomu je sonikace preferovanou metodou pro izolaci citlivých bioaktivních látek, jako jsou chuťové látky a esenciální oleje, např. vanilin, polyfenoly nebo antioxidanty z rostlinných materiálů.
Výhody ultrazvukové extrakce vanilky
- Vynikající výtěžek
- Vysokorychlostní extrakce – během několika minut
- Vysoce kvalitní extrakty – šetrně, netermálně
- Zelená rozpouštědla (např. voda/ethanol)
- Nákladově efektivní
- Snadný a bezpečný provoz
- Nízké investiční a provozní náklady
- Nepřetržitý provoz 24/7 při vysokém zatížení
- Zelená, ekologicky šetrná metoda
Ultrazvuková extrakce vanilky – vsádkově nebo v kontinuálním průtokovém režimu
Vsádkový režim: Procesy ultrazvukové extrakce lze provozovat jako jednoduché vsádkové procesy nebo jako inline zpracování, při kterém je médium kontinuálně přiváděno průtokovým ultrazvukovým reaktorem.
Vsádkové zpracování je jednoduchý postup, při kterém se extrakce provádí po jednotlivých šaržích. Hielscher Ultrasonics nabízí ultrazvukové procesory pro malé až velké vsádky, tj. 1L až 120L.
Pro zpracování vsádek o objemu 5 až 10L doporučujeme UP400ST (400W, video níže) se sonotrodou S24d22L2D.
Pro zpracování vsádek o objemu přibl. 120L doporučujeme UIP2000hdT (2kW, obr. v pravém sloupci nahoře) se sonotrodou RS4d40L4.
Sonikátor UIP2000hdT pro extrakci z rostlinných materiálů ve vsádce 120L
Ultrazvuková extrakce rostlinných materiálů pomocí sonikátoru UP400St
Pro objem přibl. 8L/min. doporučujeme UIP4000hdT (4kW, obr. vpravo) se sonotrodou RS4d40L3 a tlakovatelnou průtokovou celou FC130L4-3G0
Případová studie ultrazvukové extrakce vanilky
Jadhav et al. (2009) porovnali ultrazvukem asistovanou extrakci (UAE) a Soxhletovu extrakci. Výzkum potvrdil, že ultrazvuková extrakce ve srovnání se Soxhletovou extrakcí výrazně intenzifikuje uvolňování vanilinu. Soxhletova extrakce vyžadovala provozní teplotu 95°C, poměr rozpouštědlo:rozpuštěná látka 66,67ml/g a dobu extrakce 8h a vedla k uvolnění přibl. 180ppm vanilinu. Ultrazvukem asistovaná extrakce (UAE) vyžadovala k uvolnění přibl. 140ppm vanilinu pouze 1h při stejném poměru rozpouštědlo:rozpuštěná látka a při pokojové teplotě.
Rasoamandrary et al. (2013) porovnali účinnost extrakce vanilinu pomocí 100W ultrazvukového přístroje sondového typu (např. UP100H), ultrazvukové lázně a horké vodní lázně. Výzkumníci dospěli k závěru, že sondový ultrazvukový přístroj je díky vysoké intenzitě ultrazvuku výkonným extrakčním nástrojem. Sondový ultrazvukový přístroj proto předčil alternativní extrakční metody, neboť poskytl podobné či vyšší výtěžky extrahovaného vanilinu za výrazně kratší dobu extrakce a s nižší spotřebou rozpouštědla (tj. ethanolu).
Srovnání tří extrakčních metod – ultrazvukové sondy, ultrazvukové lázně a extrakce v horké vodní lázni – ukázalo, že extrakce vanilinu byla nejúčinnější při sonikaci sondou s použitím 40% ethanolu (v/v) při teplotě okolí 30°C a době extrakce 1h. Extrakce ve vodní lázni vyžadovala koncentraci ethanolu 50% (v/v) při 56°C po dobu 15h.
UIP4000hdT – 4kW ultrazvukový extraktor pro kontinuální inline zpracování.
Ultrazvuková zařízení pro vysoce výkonnou extrakci
Hielscher Ultrasonics se specializuje na výrobu vysoce výkonných ultrazvukových procesorů pro výrobu vysoce kvalitních extraktů z rostlinných materiálů.
Široké produktové portfolio společnosti Hielscher sahá od malých, výkonných laboratorních ultrazvukových přístrojů až po robustní stolní a plně průmyslové systémy, které dodávají ultrazvuk o vysoké intenzitě pro účinnou extrakci a izolaci bioaktivních látek (např. kvercetin, kofein, kurkumin, terpeny atd.). Všechna ultrazvuková zařízení od 200W do 16 000W jsou vybavena barevným displejem pro digitální ovládání, integrovanou SD kartou pro automatický záznam dat, dálkovým ovládáním přes prohlížeč a mnoha dalšími uživatelsky přívětivými funkcemi. Sonotrody a průtokové cely (části, které jsou v kontaktu s médiem) lze autoklávovat a snadno se čistí. Všechny naše ultrazvukové přístroje jsou konstruovány pro nepřetržitý provoz 24/7, mají nízké nároky na údržbu a jejich obsluha je snadná a bezpečná.
Digitální barevný displej umožňuje uživatelsky přívětivé ovládání ultrazvukového přístroje. Naše systémy jsou schopny dodávat nízké až velmi vysoké amplitudy. Pro extrakci polyfenolů a dalších bioaktivních látek, jako je vanilin, nabízíme speciální ultrazvukové sonotrody (známé také jako ultrazvukové sondy nebo anglicky „horns“), které jsou optimalizovány pro šetrnou izolaci vysoce kvalitních účinných látek. Robustnost ultrazvukových zařízení společnosti Hielscher umožňuje nepřetržitý provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Přesné řízení parametrů ultrazvukového procesu zajišťuje reprodukovatelnost a standardizaci procesu.
Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:
| Objem vsádky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Vysoce výkonné ultrazvukové procesory od laboratorního přes pilotní až po průmyslové měřítko.
Literatura/Reference
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimalizace analytického přístupu založeného na vysokoúčinné kapalinové chromatografii pro charakterizaci přírodního vanilkového extraktu. Závěrečná práce, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Extrakce vanilinu z vanilkových lusků: Srovnávací studie konvenční extrakce za asistence soxhletu a ultrazvuku. Časopis potravinářského inženýrství 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Vylepšená extrakce vanilinu 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehydu z naložených vanilkových lusků pomocí ultrazvukové extrakce: Srovnání extrakce ultrazvukem a horké vodní lázně.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ultrazvuková technologie pro extrakci biologicky aktivních molekul z rostlinných, živočišných a mořských zdrojů. TrAC Trends in Analytical Chemistry, svazek 122, 2020.
Fakta, která stojí za to znát
Princip fungování ultrazvukové extrakce
Působení intenzivních ultrazvukových vln na kapalné médium vede ke vzniku kavitace. Jev kavitace vede lokálně k extrémním teplotám, tlakům, rychlostem ohřevu/ochlazování, tlakovým rozdílům a vysokým smykovým silám v médiu. Když kavitační bubliny implodují na povrchu pevných látek (jako jsou částice, rostlinné buňky, tkáně atd.), mikroproudy a mezičásticové srážky vyvolávají efekty, jako je odlupování povrchu, eroze a rozpad částic. Implozí kavitačních bublin v kapalném médiu navíc vznikají makroturbulence a mikromíchání.
Obr. 1: Vznik stabilních a tranzientních kavitačních bublin.
(a) výchylka, (b) tranzientní kavitace, (c) stabilní kavitace, (d) tlak
[adapted from Santos et al. 2009]
Ultrazvukové ozařování rostlinného materiálu fragmentuje matrici rostlinných buněk a zlepšuje jeho hydrataci. Chemat et al (2015) dospěli k závěru, že ultrazvuková extrakce bioaktivních látek z rostlinných materiálů je výsledkem různých nezávislých nebo kombinovaných mechanismů, včetně fragmentace, eroze, kapilarity, detexturace a sonoporace. Tyto efekty narušují buněčnou stěnu, zlepšují přenos hmoty tím, že vtlačují rozpouštědlo do buňky a vysávají rozpouštědlo nasycené fytolátkami ven, a zajišťují pohyb kapaliny prostřednictvím mikromíchání.
Ultrazvuková extrakce z rostlinných buněk: mikroskopický příčný řez (TS) ukazuje mechanismus působení během ultrazvukové extrakce z buněk (zvětšení 2000x) [zdroj: Vilkhu et al. 2011]
Ultrazvuková extrakce dosahuje velmi rychlé izolace látek – předčí konvenční extrakční metody kratší dobou procesu, vyšším výtěžkem a nižšími teplotami. Jako šetrné mechanické zpracování zabraňuje ultrazvukem asistovaná extrakce tepelné degradaci bioaktivních složek a vyniká ve srovnání s jinými technikami, jako je konvenční extrakce rozpouštědlem, hydrodestilace, případně Soxhletova extrakce, o nichž je známo, že ničí molekuly citlivé na teplo. Díky těmto výhodám je ultrazvuková extrakce preferovanou technikou pro uvolňování teplotně citlivých bioaktivních látek z rostlinných materiálů.
Vanilin
Vanilka je ceněná aromatická přísada, kterou lze extrahovat z orchidejí rodu Vanilla, především z mexického druhu vanilky plocholisté (V. planifolia). Jedinečně aromatické látky vanilkové orchideje se nacházejí v jejím plodu, který vzniká opylením květu. Tyto semenné lusky mají rozměry zhruba 1/3 x 6 palců a ve zralosti mají hnědočervenou až černou barvu. Uvnitř těchto lusků je olejovitá tekutina plná drobných semen. K výrobě vanilinu se používají jak lusky, tak semena.
Přestože je vanilin hlavní aromatickou látkou rostliny vanilky, čistý vanilkový extrakt obsahuje několik set dalších aromatických látek, které přispívají k jeho komplexní, hluboké chuti.
Vanilková esence se vyskytuje ve dvou formách, a to jako pravá vanilinová esence z vanilkových lusků a jako průmyslově syntetizovaný vanilin. Pravý extrakt z lusků je komplexní směs několika set různých látek. Chemická sloučenina vanilin – 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde – nejvíce přispívá k charakteristické chuti a vůni pravé vanilky a je hlavní chuťovou složkou fermentovaných vanilkových lusků. Kromě vanilinu přispívá ke komplexnímu aroma vanilky mnoho dalších chemických sloučenin, jako je acetaldehyd, kyselina octová, furfural, kyselina hexanová, 4-hydroxybenzaldehyde, eugenol, methylcinnamát a kyselina isomáselná.
Kultivary vanilky
Bourbonská vanilka neboli bourbonsko-madagaskarská vanilka se vyrábí z rostlin V. planifolia, které rostou na ostrovech v Indickém oceánu, jako je Madagaskar, Komory a Réunion, dříve nazývaný Île Bourbon. Termín „bourbonská vanilka“ označuje také charakteristické vanilkové aroma pocházející z V. planifolia.
Mexická vanilka, získávaná z původní V. planifolia, se produkuje v mnohem menších množstvích. Mexická vanilka je známá a prodávaná jako vanilka ze země svého původu, neboť rostlina V. planifolia pochází z Mezoameriky.
Tahitská vanilka pochází z Francouzské Polynésie a vyrábí se z rostliny V. tahitiensis. Genetická analýza ukazuje, že tento druh je možná kultivarem pocházejícím z hybridu V. planifolia a V. odorata.
Západoindická vanilka se vyrábí z V. pompona, která se pěstuje v Karibiku a ve Střední a Jižní Americe.