Ultralydsekstraktion af koffein
Brug af ultralyd er en effektiv metode til ekstraktion af koffein og andre aktive forbindelser fra kaffe. Kraftige ultralydsenheder hjælper ekstraktionsprocessen, samtidig med at udbyttet maksimeres og forkortes behandlingstiden.
Forbedre koffeinekstraktion med Power Ultrasound
Smagen af kaffe og virkningerne af koffein er en lidenskab, der deles af millioner over hele verden i århundreder. Da både kaffeelskere og forskere søger måder at forbedre udvindingen af koffein, bioaktive forbindelser og smagsstoffer fra kaffebønner, er der opstået innovative teknikker til at revolutionere processen. En sådan metode, der udnytter ultralydens kraft, er dukket op som et lovende værktøj til at forbedre koffeinekstraktionseffektiviteten. Hielscher sonicators gør det muligt at udvinde højere udbytter af koffein og låse op for nye dimensioner af smag og aroma i kaffedrikke, fødevaretilsætningsstoffer og ekstrakter.
Fordelene ved ekstraktion af kaffebønner ved hjælp af sonikering
Høj effektivitet og overlegen kaffeekstraktkvalitet er kun to kriterier, som gør brugen af Hielscher sonde-type sondeapparater til den bedste metode til ekstraktion af koffein og kaffeforbindelser fra kaffebønner. Nedenfor er de vigtigste fordele ved ultralydskaffeekstraktion opført:
- Effektivitet: Sonde-type sonikere genererer intense ultralydsbølger, der effektivt kan trænge ind i faste materialer. Dette hjælper med at nedbryde kaffebønnestrukturen og letter udvindingen af koffein.
- Præcis kontrol: Sonde-type sonikere giver mulighed for præcis kontrol af ultralydsenergien og eksponeringstiden. Denne kontrol er afgørende for at undgå overekstraktion, som kan føre til uønskede smage og bitterhed i kaffeekstraktet.
- Fart: Sonikering er en hurtig proces, og sonde-type sondeapparater kan reducere ekstraktionstiden betydeligt sammenlignet med traditionelle metoder, hvilket gør processen mere effektiv.
- Ensartethed: Ultralydsbølgerne kan give mere ensartet ekstraktion i hele kaffebønnematerialet, hvilket sikrer, at koffein ekstraheres jævnt.
- Reduceret brug af opløsningsmiddel: Ultralydsekstraktion kræver ofte mindre opløsningsmiddel sammenlignet med traditionelle metoder. Dette kan være miljøvenligt og omkostningseffektivt.
- Bevarelse af smagsforbindelser: Sonde-type sonikering kan optimeres til selektivt at udvinde koffein, mens andre smagsforbindelser stort set er intakte. Dette er vigtigt for at bevare kaffeekstraktets kvalitet og smag.
- Skalerbarhed: Med Hielscher Ultrasonics kan ultralydsekstraktionsprocesser skaleres lineært op til industrielle applikationer. Det betyder, at gennemførlighed og procesoptimering kan ske i laboratorieskala og derefter risikofrit og nemt skaleres til produktionsgennemløb.
Ultralydsekstraktion af kaffeforbindelser
Ultralydsassisteret ekstraktion er en almindelig metode, der bruges til at isolere bioaktive stoffer fra plantemateriale [Dong et al. 2010]. Med hensyn til kaffebønner kan koffein og antioxidant phenolforbindelser være de mest værdifulde forbindelser til ekstraktion på grund af deres brede anvendelser i medicinal- og fødevareindustrien. Men også flavonoider, chlorogensyre og protocatechuic acid er ekstrakter, der bruges som tilsætningsstoffer.
Ved hjælp af traditionelle ekstraktionsmetoder såsom væske-væske-ekstraktion i opløsningsmidler øges ekstraktionseffektiviteten generelt med stigende ekstraktionstemperaturer. Dette forårsager ofte skader og kvalitetstab af ekstraktet, da temperaturen påvirker stabiliteten af phenolforbindelserne.
Den ultralydsassisterede fast-væske-ekstraktion har vist sig at være en effektiv og tidsbesparende ekstraktionsmetode. De meget kraftige ultralydskræfter giver den nødvendige energi til ekstraktionen, så der er behov for mindre eller endda ingen opløsningsmidler. Temperaturen kan kontrolleres godt, da den sonikerede batch eller flowcellereaktor kan afkøles effektivt (eller opvarmes om nødvendigt).
På grund af ultralydens intense ekstraktionskræfter er også den allerede brugte kaffemalet (kaffeaffald) stadig et råmateriale, der er rigt på ekstraherbare forbindelser. Da kaffeaffaldsmateriale er billigt og tilgængeligt i store mængder, er det et ideelt råmateriale til udvinding af de resterende aktive forbindelser. Selvom indholdet af koffein og andre komponenter i kaffeaffald er lavere end i ubrugt kaffepulver, forbliver der stadig en stor mængde og kan ekstraheres. For at frigive disse forbindelser fra kaffegrumset bliver den fulde indflydelse på forarbejdningsparametrene særlig betydningsfuld. Ultralyd med høj effekt er i stand til at udtrække store mængder aktiv forbindelse inden for en kort behandlingstid.
Grøn kaffe er uristede kaffebønner, som er meget rige på koffein. Ultralydsekstraktion og koldbrygning er en fremragende teknik til fremstilling af grøn kaffeekstrakt og koldbrygning!
Højeffekts sonikere til kaffeekstraktion
For at sikre en lettere forståelse af ultralydsassisteret ekstraktionsprocedure skal effekten af ultralyd i væsker forklares.
Ultralyd – indført i væsker – forårsager lokalt meget ekstreme virkninger. Ved sonikering af væsker ved høje intensiteter resulterer lydbølgerne, der forplanter sig ind i det flydende medie, i skiftende højtryk (kompression) og lavtryk (sjældenhed) cyklusser, med hastigheder afhængigt af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne opnår et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes akustisk kavitation. Under implosionen nås meget høje temperaturer (ca. 5.000 K) og tryk (ca. 2.000 atm) lokalt. Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i væskestråler med en hastighed på op til 280 m/s. [Suslick 1998] Ved disse ekstreme kræfter opstår sonolyse, cellevægge forstyrres, og intracellulært materiale ekstraheres.
Den ultralydassisterede ekstraktion er et billigt, enkelt og effektivt alternativ sammenlignet med konventionelle ekstraktionsteknikker. De vigtigste fordele ved ultralyd i fast-væske-ekstraktion inkluderer stigningen i ekstraktionsudbyttet og hurtigere kinetik. Ultralydsekstraktion er en ofte anvendt teknik til ekstraktion af plantematerialer ved hjælp af flydende opløsningsmidler og er bevist for en hurtig og mere komplet ekstraktionsproces sammenlignet med traditionelle metoder, fordi overfladearealet mellem den faste og flydende fase er betydeligt større på grund af celleforstyrrelsen og partikeldispersionen.
Ved brug af sonikering kan driftstemperaturen også reduceres, hvilket tillader ekstraktion af temperaturfølsomme komponenter. Sammenlignet med andre nye ekstraktionsteknikker såsom mikrobølgeassisteret ekstraktion er ultralydsapparatet billigere, og dets betjening er lettere. Desuden kan den ultralydassisterede ekstraktion bruges med ethvert opløsningsmiddel, såsom Soxhlet-ekstraktionen, til ekstraktion af en lang række naturlige forbindelser. [Wang et al. 2006]
En væsentlig fordel ved ultralyd er indflydelsen på de vigtigste behandlingsparametre: amplitude, tid, temperatur, tryk og viskositet. Derved kan ekstraktionsprocessen optimeres for at sikre, at ekstrakternes struktur ikke bliver beskadiget.
Koffeinekstraktion forbedret ved sonikering
Koffein kan hævdes at være det mest almindeligt forbrugte stimulerende middel. Da koffein ikke kun indtages ved at drikke brygget kaffe, bruges koffeinekstrakt i industrien til at behandle andre produkter med koffein som tilsætningsstof. Derved bliver det muligt at skabe stærkere kaffe eller at formulere læskedrikke (f.eks. cola), energidrikke eller andre fødevarer (f.eks. chokolade).
Men koffein bruges ikke kun som tilsætningsstof i fødevareproduktion, det er også et vigtigt aktivt stof i lægemidler. En almindelig anvendelse af koffeinekstrakt er f.eks. blanding i medicin mod hovedpine og migræne eller i smertestillende midler.
For at udvinde koffein, det vigtigste alkaloid i kaffe, er ultralydbehandling en passende metode. Wang og hans kolleger fandt ud af, at der kun er behov for en kort ekstraktionstid for at nå en mættet tilstand, hvis ultralydbehandling anvendes. Det betyder, at ultralyd en meget effektiv og tidsbesparende teknik til at få koffein. [Wang et al. 2011]
Intensiveret ekstraktion af aromatiske molekyler og smagsforbindelser ved hjælp af sonikering
De flygtige kaffeforbindelser er den mest værdifulde fraktion af den ristede kaffebønne og giver kaffen sin unikke smag og duft. Kvaliteten af opløselig kaffe kan forbedres væsentligt ved tilsætning af aromaabsorberede kaffeolier til kaffepulveret.
En sammenligningsundersøgelse, der undersøgte ekstraktionen af phenolforbindelser fra jordbær, viste, at ultralydsekstraktion forårsager mindre nedbrydning af phenoler og er en meget hurtigere ekstraktionsproces sammenlignet med andre ekstraktionsmetoder, herunder fast-væske, subkritisk vand og mikrobølgeassisteret metode. [Herrera et al. 2005]
Undersøgelsen af Wang og hans kolleger viser, at lavfrekvent ultralyd med høj effekt er mere effektiv til udvinding af kaffesmag. Især for 4-Tridecanone og 2-Methoxy-3-Methylpyrazin fandt de ultralydsekstraktionen lettere og mere effektiv teknik opnåede meget høje ekstraktionsudbytter. Yderligere er det vist, at temperaturen skal kontrolleres, da kaffesmagskomponenter er meget flygtige ved høje temperaturer. De opnåede gode ekstraktionsresultater i temperaturområdet mellem 35 ~ 65 °C under relativt kort tid ultralydsbestråling. [Wang et al. 2011]
Teekstraktion forbedret ved sonikering
De resultater, der opnås ved ultralydassisteret ekstraktion, er også velegnede til ekstraktion af teforbindelser (f.eks. grønne teblade). En undersøgelse af Xia et al. viste et signifikant højere indhold af tepolyfenoler, aminosyrer og koffein i ultralydsbehandlede teinfusioner end i dem, der opnås ved konventionel ekstraktion. Dette resulterer i forbedrede resultater under en organoleptisk evaluering, der viste sig: den sensoriske kvalitet af teinfusion med ultralydassisteret ekstraktion var bedre end teinfusion med konventionel ekstraktion. [Xia et al. 2005]
Læs mere om ultralyd koldbrygget te og infusioner af kold te!
Konklusion: Meget effektiv koffeinekstraktion med ultralyd
Ultralydassisteret ekstraktion er en effektiv, tidsbesparende og kontrollerbar metode til ekstraktion af aktive forbindelser fra kaffe. De mest interessante og værdifulde forbindelser er koffein og antioxidanter såsom phenolditermer (cafestol, kahweol) og ascorbinsyrer. De vigtigste fordele ved ultralydsassisteret ekstraktion er ekstrakt af fremragende kvalitet ved høje udbytter. Disse fordele ved ultralydsekstraktion opnås ved optimering og præcis kontrol af ultralydsekstraktionsparametrene.
Højtydende sonikere til koffeinekstraktion
Når det kommer til koffeinekstraktion i enhver forarbejdningsskala, står Hielscher Sonicators som toppen af innovation og effektivitet. Uanset om du er en lille håndværksproducent eller en storstilet industriel produktionsfacilitet, tilbyder Hielscher sonikere en præcis og kraftfuld løsning til udvinding af den rene essens af koffein fra dit kildemateriale.
- Præcision og konsistens: Hielscher sonde-type sondeapparater er designet til at levere præcis kontrol over ekstraktionsprocessen. Deres avancerede teknologi sikrer ensartede resultater batch efter batch, så du kan opretholde kvaliteten og styrken af dit koffeinekstrakt.
- Skalerbarhed: Hielscher tilbyder en række sonikere, der er velegnede til forskellige behandlingsskalaer. Fra kompakte bordmodeller til forskning og udvikling til robuste industrielle systemer, der er i stand til at håndtere store mængder, giver Hielscher den fleksibilitet, der er nødvendig for at opfylde dine produktionskrav.
- Effektivitet: Med Hielscher sonikere kan du reducere ekstraktionstiderne betydeligt sammenlignet med traditionelle metoder. Ultralydsbølgerne, der genereres af disse maskiner, skaber intense kavitationskræfter, der hurtigt nedbryder cellevægge og frigiver koffeinmolekyler, hvilket resulterer i kortere behandlingscyklusser.
- Alsidighed: Hielscher sonikere er ikke begrænset til koffeinekstraktion alene. Vores sonikere kan tilpasses en bred vifte af anvendelser inden for fødevare-, farmaceutiske og kosmetiske industrier. Uanset om du udvinder koffein fra kaffebønner, teblade eller andre botaniske kilder, tilbyder Hielscher sonikere alsidighed, der passer til dine behov.
Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
---|---|---|
0.5 til 1,5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
15 til 150L | 3 til 15 l/min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Ofte stillede spørgsmål om kaffeekstraktion
Hvad er kaffe og kaffeekstrakt?
Kaffe – lavet af ristede kaffebønner – er en meget populær drik, der indtages over hele verden. Ud over dens vitaliserende virkning, hvis den indtages som en stimulerende drik, er kaffeforbindelserne af interesse for fødevare-, farmaceutiske (f.eks. i smertestillende midler) og kosmetikindustrien, da de bruges som værdifulde tilsætningsstoffer i forskellige produkter. Det gælder især koffein (1,3,7-trimethylxanthin) og antioxidanterne, som er kendt for deres positive effekter på menneskers sundhed. Kaffe indeholder blandt andet phenoliske diterpener som cafestol og kahweol og ascorbinsyrer, som er kendt for deres antioxidative aktivitet. Epidemiologiske undersøgelser tyder på, at kaffens ingredienser kan have en forebyggende effekt på flere kroniske sygdomme, herunder type 2-diabetes mellitus, Alzheimers sygdom, Parkinsons sygdom og leversygdomme som skrumpelever og hepatocellulært karcinom.
Ultralyd er et velkendt og gennemprøvet værktøj til mange forskellige applikationer i forskellige brancher. En af de mest fremtrædende og succesrige anvendelser af ultralyd er ekstraktion af bioaktive forbindelser fra planter. Ultralydkavitation forstyrrer celler og forårsager derved frigivelse af det intracellulære stof. På grund af disse virkninger giver sonikering højere og mere fuldstændige ekstraktionsudbytter inden for en meget kort behandlingstid. Som en ikke-termisk behandlingsteknik forhindres bioaktive molekyler mod nedbrydning ved høje temperaturer, hvilket resulterer i ekstrakter af høj kvalitet.
Er kaffeekstrakt højt i koffein?
Ja, kaffeekstrakt har generelt et højt indhold af koffein, selvom den nøjagtige mængde afhænger af typen af bønner og den anvendte ekstraktionsmetode. Ultralydekstraheret kaffeekstrakt har en tendens til at have et højt koffeinindhold, da denne metode forbedrer ekstraktionseffektiviteten af forbindelser, herunder koffein, fra kaffebønnerne.
Hvad er de bioaktive forbindelser i kaffeekstrakt?
De bioaktive forbindelser i kaffeekstrakt omfatter koffein, chlorogensyrer, diterpener (såsom cafestol og kahweol), trigonellin og forskellige antioxidanter.
Hvad er fordelene ved sort kaffe og grøn kaffeekstrakt?
Kaffe og grøn kaffeekstrakt har flere potentielle fordele, herunder forbedret mental årvågenhed på grund af koffein, antioxidantvirkninger fra chlorogensyrer, potentiel vægttabsstøtte, reduceret risiko for visse sygdomme som type 2-diabetes og beskyttelse mod neurodegenerative sygdomme. Især grøn kaffeekstrakt kan have en mere udtalt effekt på vægttab og antioxidantaktivitet på grund af højere indhold af chlorogensyre.
Hvad er forskellen mellem sort kaffe og grøn kaffeekstrakt?
Sort kaffe er lavet af ristede kaffebønner, som males og brygges for at producere drikken. Ristningsprocessen ændrer bønnernes kemiske sammensætning, reducerer deres indhold af chlorogensyre og forbedrer samtidig smag og aroma. Grøn kaffeekstrakt er på den anden side afledt af ikke-ristede grønne kaffebønner, som er rige på chlorogensyrer og andre antioxidanter. Disse forbindelser menes at give forskellige sundhedsmæssige fordele, herunder vægttab og reduceret risiko for visse kroniske sygdomme. I modsætning til sort kaffe indtages grøn kaffeekstrakt typisk ikke som en drik, men som et kosttilskud.
Litteratur/Referencer
- Caballero Galván, Ashley; Restrepo, Daissy;Ortiz-Sánchez, Mariana; Cardona, Carlos Ariel (2018): Analysis of Extraction Kinetics of Bioactive Compounds from Spent Coffee Grounds (Coffea arábica). Waste and Biomass Valorization 9, 2018.
- Mohammad H. Zamanipoor, Bailina Yakufu, Ernest Tse, Adel Rezaeimotlagh, James M. Hook, Martin P. Bucknall, Donald S. Thomas, Francisco J. Trujillo (2020): Brewing coffee? – Ultra-sonication has clear beneficial effects on the extraction of key volatile aroma components and triglycerides. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 60, 2020.
- Huamaní-Meléndez V.J., Darros-Barbosa R. (2018): High intensity ultrasound assisted decaffeination process of coffee beans in aqueous medium. Journal of Food Science and Technology, 55(12), 2018. 4901-4908.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998. 517-541.
- Wang, Cheng-Chi; Sheu, Shane-Rong; Chou, Ya-Yen; Jang, Ming-Jyi; Yang, Li-Chen (2011): A novel optimized energy-saving extraction process on coffee. Thermal Science 15/1, 2011. 53-59.