Ultralydsekstraktion af polyphenoler fra biprodukter fra olivenolieproduktion: En succeshistorie

Olivenpresserester er ikke længere blot et agroindustrielt biprodukt – de er en værdifuld kilde til højeffektive naturlige antioxidanter. I dette studie optimerede Natural Phenolics den vandige ekstraktion af hydroxytyrosolrige polyphenoler ved hjælp af sonikatoren UP400St fra Hielscher. Resultaterne viser en robust, reproducerbar og skalerbar proces, der opnår en forudsagt hydroxytyrosolkoncentration på 1609,5 mg/L under optimerede sonikeringsbetingelser. Dette arbejde fremhæver, hvordan præcis ultralydsteknologi kan omdanne affald fra olivenolieproduktion til biobaserede råmaterialer af førsteklasses kvalitet til fødevarer, landbrug og bæredygtig industri.

Olivenpresserester – ikke et biprodukt, men en ressource rig på antioxidanter

Olivenpresserester (alperujo) er det primære biprodukt ved udvinding af olivenolie; den årlige globale produktion når op på mellem 13 og 18 millioner ton. Polyphenoler er sekundære metabolitter, der findes i høje koncentrationer i dette agroindustrielle restmateriale. Selvom disse forbindelser udviser enestående antioxidantaktivitet, udgør deres tilstedeværelse i miljøet i ubehandlet form en betydelig toksikologisk udfordring. Som en pioner inden for værdiskabende udnyttelse af affald tager Natural Phenolics hånd om dette problem og omdanner denne miljømæssige belastning til et bæredygtigt økonomisk aktiv. Ved at ekstrahere disse værdifulde metabolitter fremstiller den spanske virksomhed Natural Phenolics biobaserede råmaterialer af førsteklasses kvalitet. Natural Phenolics’ forskning og udvikling er i øjeblikket førende inden for fremstilling af avancerede plantebiostimulanter og antioxiderende konserveringsmidler til fødevarer med enkel og gennemskuelig ingrediensdeklaration.

Om Natural Phenolics
Natural Phenolics er en virksomhed inden for grøn kemi, som er førende inden for cirkulær økonomi og specialiseret i værdiskabende udnyttelse af olivenpresserester (alperujo) i fuld skala. Gennem avancerede, bæredygtige ekstraktionsprocesser omdanner vi dette komplekse agroindustrielle restmateriale til biobaserede kemiske råmaterialer af førsteklasses kvalitet.

Natural Phenolics, en virksomhed med base i Catalonien, Spanien, fremstiller biostimulanter af høj kvalitet fra landbrugets biprodukter

Klar til at skabe værdi af dine olivenpresserester?
Del oplysninger om din olivenolieproduktionsproces og din strøm af presserester med os. Vi hjælper dig med at finde den rette opsætning til ultralydsekstraktion, så du effektivt og bæredygtigt kan genvinde værdifulde polyphenoler.

Behovet for effektive og standardiserede ekstraktionsteknologier

På denne baggrund er valget af den rette ekstraktionsteknologi afgørende for at opnå standardiserede ekstrakter. Ultralydsassisteret ekstraktion (UAE) har vist sig at være en effektiv teknik, der giver reproducerbare resultater, reducerer ekstraktionstiderne og sænker forbruget af opløsningsmiddel, foruden andre driftsmæssige fordele.
Her præsenterer Natural Phenolics optimeringsresultaterne for fremstilling af standardiserede vandige ekstrakter, der er rige på hydroxytyrosol (HT) og andre polyphenoler. Et centralt sammensat forsøgsdesign blev valgt som forsøgsmodel. De evaluerede parametre var ekstraktionsamplitude og ekstraktionstid, mens responsen blev målt som hydroxytyrosolkoncentration. Til dette formål anvendte de sonikatoren UP400St fra Hielscher Ultrasonics, som blev valgt på grund af dens brugervenlige betjening og høje præcision i amplitudestyringen.

Forsøgsdesign for ultralydsekstraktion: Optimering af amplitude og ekstraktionstid

Denne præcise styring var afgørende for at adskille virkningerne af den akustiske energi fra variationen i råmaterialet. Alle ekstraktioner blev udført med tørrede olivenpresserester (20% fugtindhold, 1 mm partikelstørrelse) og vand som opløsningsmiddel. Suspensionen blev fremstillet med et faststof-væske-forhold på 40%, og alle forsøg blev udført ved en konstant temperatur på 35°C. Tabel 1 opsummerer de forsøgsbetingelser, der blev evalueret ved hjælp af CCD-matricen med 12 forsøg.

Parameter	Maksimum	Minimum	Aksialpunkt	Aksialpunkt
Amplitude %	70	30	78	22
Tid min	30	10	34,1	5,9

I denne demonstration viser vi præcisionen og effektiviteten ved ultralydsbehandling med sonde til ekstraktion af bioaktive indholdsstoffer fra olivenblade. I videoen bruger vi ultralydsapparatet UP400St til at ekstrahere bioaktive forbindelser såsom polyfenoler og flavonoider, herunder oleuropein, hydroxytyrosol og luteolin, blandt talrige andre fytokemiske stoffer. Ultralydsbehandling giver høje udbytter af bioaktive forbindelser af høj kvalitet ved brug af milde, ugiftige opløsningsmidler såsom vand, syrnet vand eller vandig ethanol.

Tabel 2 viser vurderingerne af modellens kvalitet i forbindelse med optimeringen. Den matematiske model forklarede 72,02% af den samlede variation (R2 = 0,7202), hvilket repræsenterer en yderst tilfredsstillende tilpasning i betragtning af olivenpresserestmatricens komplekse og iboende heterogene karakter. Selvom modellens signifikans (P = 0,101) ligger lidt over den traditionelle tærskel for et konfidensniveau på 95% på grund af det stærkt begrænsede antal frihedsgrader i matricen med 12 forsøg, bekræfter de stærkt negative kvadratiske koefficienter b11 = -61,61 og b22 = -71,61 en fysisk velfunderet parabolsk ekstraktionskinetik.

Parameter
Amplitude b2	67,6604
Tid b2	59,6054
Amplitude2 (b11)	-61,6139
Tid2 (b22)	-71,6058
R2 (b11)	0,7202
Justeret R2	0,4871
F-statistik	3,0892
p-værdi	1,011179 x 10-1
Residualstandardfejl	67,05 mg/L

Ultralydsekstraktion af hydroxytyrosol og polyphenoler fra olivenpresserester: optimeret proces med sonikatoren UP400St

Ultralydsekstraktion af polyphenoler fra olivenpresserester: til venstre – metodens responsoverflademodel; til højre – konturplot

Robust genvinding af hydroxytyrosol med ultralydsekstraktion

Figur 1A viser responsoverfladeplottet for den optimerede model. Det brede røde område ved plateauets maksimum bekræfter processens robusthed, da variationer i amplituden inden for intervallet 50– 60% ikke medfører større udsving i hydroxytyrosolkoncentrationen. Ved analyse af de enkelte faktorers virkninger har en forøgelse af amplituden fra 22% til 50% en afgørende indvirkning, som medfører en markant forbedring af ekstraktionsudbyttet. Omvendt stabiliserer ekstraktionstider på over 20 minutter udbyttet, hvilket tyder på mætning af opløsningsmidlet på dette trin. I sidste ende identificerede denne opbygning med succes et entydigt driftsoptimum ved 61,5% amplitude og 24,2 minutters sonikering, hvilket gav en maksimal forudsagt hydroxytyrosolkoncentration på 1609,5 mg/L.

Afslutningsvis var anvendelsen af teknologi fra Hielscher Ultrasonics en hjørnesten i opnåelsen af en yderst reproducerbar og energioptimeret proces til ekstraktion af hydroxytyrosol. Den enestående præcision i amplitudestyringen og den robuste mekaniske ydeevne af sonotroden UP400St garanterer, at disse milepæle i laboratorieskala uden problemer kan overføres til industrielle systemer med kontinuerligt flow. Desuden blev denne optimeringsfases succes fremskyndet betydeligt af den fremragende tekniske assistance og lokale støtte fra Jover Labtech, som repræsenterer Hielscher i Catalonien, Spanien. Denne synergi mellem avanceret akustisk hardware og lokal teknisk ekspertstøtte etablerer en entydig, gennemførlig vej til bæredygtig, kommerciel udnyttelse af agroindustriel biomasse i fuld skala.

I dette videoklip viser vi en installation med 2x UIP4000hdt-ultralydsapparater til intensiveret ekstraktion af polyfenolrig ekstra jomfruolivenolie. Den viste installation er i drift på en siciliansk oliemølle. I videoen blev umodne oliven af sorten Biancolilla forarbejdet til fremstilling af ekstra jomfruolivenolie. Industrielle ultralydsapparater fra Hielscher installeres i olivenoliemøller for at øge ekstraktionsudbyttet og kvaliteten af ekstra jomfruolivenolie. Kavitation frembragt af højintensiv ultralyd nedbryder cellevægge og øger olivenfrugtvævets permeabilitet. Dette forbedrer ekstraktionen af olie fra olivenpastaen og giver dermed et højere olieudbytte.

Relaterede emner

FAQ: Ultralydsekstraktion af polyphenoler fra olivenpresserester

Hvad er olivenpresserester?

Olivenpresserester, også kendt som alperujo, er det primære biprodukt, der dannes under udvinding af olivenolie. De består af olivenfrugtkød, skaller, sten samt rester af vand og olie. Selvom de ofte behandles som affald, indeholder olivenpresserester værdifulde bioaktive forbindelser, især polyphenoler som hydroxytyrosol.

Hvorfor er olivenpresserester en værdifuld kilde til polyphenoler?

Olivenpresserester indeholder høje koncentrationer af phenolforbindelser med stærke antioxidative egenskaber. Disse forbindelser kan genvindes og omdannes til værdifulde naturlige ekstrakter til brug i fødevarekonservering, plantebiostimulanter, nutraceutiske ingredienser, kosmetik og andre biobaserede anvendelser.

Hvad er hydroxytyrosol?

Hydroxytyrosol er en af de vigtigste polyphenoler, der findes i oliven og biprodukter fra oliven. Det er kendt for sin kraftige antioxidantaktivitet og er højt værdsat i funktionelle fødevarer, naturlige konserveringsmidler, kosmetiske formuleringer og biostimulerende produkter til landbruget.

Hvorfor bør polyphenoler ekstraheres fra olivenpresserester?

Genvinding af polyphenoler fra olivenpresserester bidrager til at omdanne et agroindustrielt restmateriale til et værdifuldt råmateriale. Dette understøtter strategier for cirkulær økonomi, reducerer miljøbelastningen fra olivenolieproduktion og skaber nye indtjeningsmuligheder fra biprodukter, som ellers ville kræve bortskaffelse eller behandling.

Hvad er ultralydsassisteret ekstraktion?

Ultralydsassisteret ekstraktion er en avanceret ekstraktionsteknik, der bruger akustisk energi til at intensivere frigivelsen af værdifulde forbindelser fra plantematerialer. Ultralydskavitation forbedrer masseoverførslen mellem den faste biomasse og opløsningsmidlet, hvilket muliggør hurtigere, mere effektiv og mere reproducerbar ekstraktion sammenlignet med mange konventionelle metoder.

Hvordan forbedrer ultralyd ekstraktionen af polyphenoler fra olivenpresserester?

Ultralyd genererer kavitationskræfter i det flydende medium, som bidrager til at nedbryde plantecellestrukturer og forbedre opløsningsmidlets indtrængning i biomassen. Dette fremskynder frigivelsen af polyphenoler som hydroxytyrosol og kan reducere ekstraktionstiden, forbruget af opløsningsmiddel og procesvariationen.

Kan vand bruges som opløsningsmiddel til ultralydsekstraktion af olivenpresserester?

Ja. Studiet demonstrerer anvendelsen af vand som ekstraktionsopløsningsmiddel til genvinding af hydroxytyrosolrige polyphenoler fra tørrede olivenpresserester. Dette gør processen særligt attraktiv til miljøvenlige ekstraktionsanvendelser og anvendelser, der kræver fødevarekvalitet og en enkel og gennemskuelig ingrediensdeklaration.

Hvilket ultralydsudstyr blev anvendt i studiet?

Studiet anvendte sonotroden UP400St fra Hielscher Ultrasonics. Denne ultralydsprocessor blev valgt på grund af sin præcise amplitudestyring, robuste ydeevne og egnethed til kontrolleret optimering af polyphenolekstraktion fra olivenpresserester i laboratorieskala.

Hvilke procesparametre blev optimeret?

Studiet optimerede to centrale parametre for ultralydsekstraktion: sonikeringsamplitude og ekstraktionstid. Disse parametre blev evalueret ved hjælp af et centralt sammensat forsøgsdesign for at bestemme deres virkning på hydroxytyrosolkoncentrationen i det vandige ekstrakt.

Hvad var de optimerede betingelser for ekstraktion af hydroxytyrosol?

De optimerede ekstraktionsbetingelser, som blev identificeret i studiet, var 61,5% amplitude og 24,2 minutters sonikering. Under disse betingelser forudsagde modellen en maksimal hydroxytyrosolkoncentration på 1609,5 mg/L.

Hvorfor er amplitudestyring vigtig ved ultralydsekstraktion?

Amplitudestyring er afgørende, fordi den bestemmer intensiteten af ultralydskavitationen. Præcis amplitudejustering giver brugerne mulighed for at optimere ekstraktionseffektiviteten, undgå unødvendig energitilførsel og fremstille mere reproducerbare ekstrakter trods naturlig variation i biomasseråmaterialer som olivenpresserester.

Er ultralydsekstraktion af olivenpresserester skalerbar?

Ja. Ultralydsekstraktion er yderst skalerbar, når procesparametre som amplitude, energitilførsel, flowhastighed, temperatur og opholdstid styres korrekt. Studiet fremhæver relevansen af Hielschers ultralydsteknologi for overførsel af optimering i laboratorieskala til industriel behandling med kontinuerligt flow.

Hvilke produkter kan fremstilles af polyphenolekstrakter fra olivenpresserester?

Polyphenolrige ekstrakter fra olivenpresserester kan bruges til en række værdifulde anvendelser, herunder naturlige antioxiderende konserveringsmidler til fødevarer, plantebiostimulanter, kosmetiske ingredienser, nutraceutiske formuleringer og biobaserede specialingredienser.

Hvordan understøtter ultralydsekstraktion bæredygtig olivenolieproduktion?

Ultralydsekstraktion understøtter bæredygtig olivenolieproduktion ved at skabe værdi af olivenpresserester i stedet for udelukkende at behandle dem som affald. Ved at genvinde værdifulde antioxidanter fra dette biprodukt kan producenter reducere miljøpåvirkningen, forbedre ressourceeffektiviteten og skabe yderligere værdistrømme.

Kan Hielschers ultralydssystemer bruges til industriel værdiskabende udnyttelse af olivenpresserester?

Ja. Hielschers ultralydssystemer er velegnede til procesudvikling, pilotforsøg og ekstraktion i industriel skala. Deres præcise styring af ultralydsparametre og tilgængelighed i skalerbare konfigurationer gør dem velegnede til kontinuerlig behandling af olivenpresserester og andre agroindustrielle biomassestrømme.

Litteratur / referencer

Cánovas, Jaime; Barrajón-Catalán, Enrique; Micol, Vicente; Cárcel, J.; Garcia-Perez, Jose V. (2013): Kinetic and compositional study of phenolic extraction from olive leaves (var. Serrana) by using power ultrasound. Innovative Food Science & Emerging Technologies 17, 2013. 120–129.
M. Rashidipour and R. Heydari (2018): Ultrasonic-Assisted Matrix Solid-Phase Dispersion and High-Performance Liquid Chromatography as an Improved Methodology for Determination of Oleuropein from Olive Leaves. Analytical and Bioanalytical Chemistry Research 52, 2018. 307-316.
Rodríguez, Ó.; Bona, S.; Stäbler, A.; Rodríguez-Turienzo, L. (2022): Ultrasound-Assisted Extraction of Polyphenols from Olive Pomace: Scale Up from Laboratory to Pilot Scenario. Processes 2022, 10, 2481.
Tamborrino, A., Romaniello, R., Perone, C. et al. (2021): Development of a Pressure Control System According to Paste Rheology for Ultrasound Processing in Industrial Olive Oil Extraction. Food Bioprocess Technol 14, 1897–1908 (2021).