Ultralydsekstraktion af vanilje – en ikke-termisk metode
- Vaniljeekstrakt er en smagsopløsning, der udvindes fra vaniljestænger i en opløsning af ethanol og vand.
- For at fremstille vanillin af høj kvalitet som aroma-, smags- og duftkomponent kræves en effektiv, men skånsom ekstraktionsteknik for at forhindre nedbrydning.
- Ultralydsekstraktion er en skånsom mekanisk ekstraktionsmetode, der giver høje udbytter af vanillin på meget kort ekstraktionstid.
Højtydende ultralyd til vanillinekstrakter af høj kvalitet
Da vanilje er det næstdyreste krydderi efter safran, kræver vaniljeproduktion en effektiv ekstraktionsmetode, som forhindrer nedbrydning af de værdifulde æteriske olier. Ultralydsekstraktion er velkendt og etableret som en skånsom, ikke-termisk, men meget effektiv metode til at frigive bioaktive forbindelser fra plantemateriale. Ultralydsekstraktion er baseret på fænomenet akustisk kavitation, som er en rent mekanisk behandling. Dette gør sonikering til den foretrukne metode til isolering af følsomme bioaktive forbindelser såsom smagsstoffer og æteriske olier, f.eks. vanillin, polyfenoler eller antioxidanter fra plantemateriale.
Fordele ved ultralydsekstraktion af vanilje
- Overlegent udbytte
- Hurtig ekstraktion – inden for få minutter
- Ekstrakter af høj kvalitet – skånsom, ikke-termisk behandling
- Grønne opløsningsmidler (f.eks. vand/ethanol)
- Omkostningseffektiv
- Nem og sikker betjening
- Lave investerings- og driftsomkostninger
- 24/7-drift under høj belastning
- Grøn, miljøvenlig metode
Ultralydsekstraktion af vanilje – batchvis eller med kontinuerlig gennemstrømning
Batch: Ultralydsekstraktionsprocesser kan udføres som simple batchprocesser eller som inlinebehandling, hvor mediet kontinuerligt føres gennem en ultralydsgennemstrømningsreaktor.
Batchbehandling er en enkel procedure, hvor ekstraktionen udføres batch for batch. Hielscher Ultrasonics tilbyder ultralydsprocessorer til små og store batchvolumener, dvs. 1L til 120L.
Til behandling af batchvolumener på 5 til 10L anbefaler vi UP400ST (400W, video nedenfor) med sonotrode S24d22L2D.
Til behandling af batchvolumener på ca. 120L anbefaler vi UIP2000hdT (2kW, billede øverst i højre kolonne) med sonotrode RS4d40L4.
Sonikeringsapparat UIP2000hdT til ekstraktion af plantemateriale i en batch på 120L
Ultralydsekstraktion af plantemateriale med ultralydsapparatet UP400St
Til et volumen på ca. 8L/min. anbefaler vi UIP4000hdT (4kW, billede til højre) med sonotrode RS4d40L3 og gennemstrømningscelle FC130L4-3G0, som kan tryksættes
Casestudie af ultralydsekstraktion af vanilje
Jadhav et al. (2009) sammenlignede ultralydsassisteret ekstraktion (UAE) og Soxhlet-ekstraktion. Undersøgelsen bekræftede, at ultralydsekstraktion intensiverer frigivelsen af vanillin betydeligt sammenlignet med Soxhlet-ekstraktion. Soxhlet-behandlingen krævede en driftstemperatur på 95°C, et forhold mellem opløsningsmiddel og opløst stof på 66,67ml/g og en ekstraktionstid på 8hrs, hvilket resulterede i frigivelse af ca. 180ppm vanillin. Ultralydsassisteret ekstraktion (UAE) krævede kun 1hr for at frigive ca. 140ppm vanillin med det samme forhold mellem opløsningsmiddel og opløst stof ved stuetemperatur.
Rasoamandrary et al. (2013) sammenlignede effektiviteten af vanillinekstraktion med et 100W ultralydsapparat af sondetypen (f.eks. UP100H), et ultralydsbad og et varmt vandbad. Forskerne konkluderede, at ultralydsapparatet af sondetypen er et kraftfuldt ekstraktionsværktøj på grund af dets ultralyd med høj intensitet. Derfor overgik ultralydsapparatet af sondetypen de alternative ekstraktionsmetoder ved at give tilsvarende/eller højere udbytter af ekstraheret vanillin på betydeligt kortere ekstraktionstid og med et lavere forbrug af opløsningsmiddel (dvs. ethanol).
Sammenligningen af de tre ekstraktionsmetoder – ultralydssonde, ultralydsbad og ekstraktion i varmt vandbad – viste, at vanillinekstraktion var mest effektiv ved sonikering med sonde med 40% ethanol (v/v) ved en omgivelsestemperatur på 30°C og en ekstraktionstid på 1hr. Ekstraktionen i vandbad krævede en ethanolkoncentration på 50% (v/v) ved 56°C i 15hrs.
UIP4000hdT – 4kW ultralydsekstraktor til kontinuerlig inlinebehandling.
Ultralydsudstyr til højtydende ekstraktion
Hielscher Ultrasonics er specialiseret i fremstilling af højtydende ultralydsprocessorer til produktion af ekstrakter af høj kvalitet fra plantemateriale.
Hielschers brede produktportefølje spænder fra små, kraftfulde ultralydsapparater til laboratorier til robuste bordmodeller og fuldt industrielle systemer, som leverer ultralyd med høj intensitet til effektiv ekstraktion og isolering af bioaktive stoffer (f.eks. quercetin, koffein, curcumin, terpener osv.). Alle ultralydsapparater fra 200W til 16.000W har et farvedisplay til digital styring, et integreret SD-kort til automatisk dataregistrering, fjernstyring via browser og mange flere brugervenlige funktioner. Sonotroderne og gennemstrømningscellerne (de dele, der er i kontakt med mediet) kan autoklaveres og er nemme at rengøre. Alle vores ultralydsapparater er bygget til 24/7-drift, kræver kun lidt vedligeholdelse og er nemme og sikre at betjene.
Et digitalt farvedisplay giver mulighed for brugervenlig styring af ultralydsapparatet. Vores systemer kan levere fra lave og op til meget høje amplituder. Til ekstraktion af polyfenoler og andre bioaktive forbindelser såsom vanillin tilbyder vi særlige ultralydssonotroder (også kendt som ultralydssonder eller -horn), som er optimeret til skånsom isolering af aktive stoffer af høj kvalitet. Hielschers robuste ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift under høj belastning og i krævende miljøer.
Den præcise styring af ultralydsprocessens parametre sikrer reproducerbarhed og processtandardisering.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:
| Batchvolumen | Volumenstrøm | Anbefalede apparater |
|---|---|---|
| 1 til 500mL | 10 til 200mL/min | UP100H |
| 10 til 2000mL | 20 til 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 til 20L | 0,2 til 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Ultralydsprocessorer med høj effekt fra laboratorie- til pilot- og industriskala.
Litteratur/Referencer
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimering af en analytisk tilgang baseret på højtydende væskekromatografi til karakterisering af et naturligt vaniljeekstrakt. Afhandling, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Ekstraktion af vanillin fra vaniljestænger: En sammenlignende undersøgelse af konventionel Soxhlet-ekstraktion og ultralydsassisteret ekstraktion. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Forbedret ekstraktion af vanillin 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyd fra forarbejdede vaniljestænger ved hjælp af ultralydsassisteret ekstraktion: En sammenligning af ultralydsassisteret ekstraktion og ekstraktion i varmt vandbad.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ultralydsteknologi til ekstraktion af biologisk aktive molekyler fra plantebaserede, animalske og marine kilder. TrAC Trends in Analytical Chemistry, bind 122, 2020.
Fakta, der er værd at kende
Funktionsprincippet for ultralydsekstraktion
Anvendelse af intense ultralydsbølger i et flydende medium resulterer i kavitation. Kavitationsfænomenet fører lokalt til ekstreme temperaturer, tryk, opvarmnings-/afkølingshastigheder, trykforskelle og høje forskydningskræfter i mediet. Når kavitationsbobler imploderer på overfladen af faste stoffer (såsom partikler, planteceller, væv osv.), skaber mikrostråler og kollisioner mellem partikler effekter såsom afskalning af overfladen, erosion og nedbrydning af partikler. Desuden skaber implosionen af kavitationsbobler i flydende medier makroturbulens og mikroblanding.
Fig. 1: Dannelse af stabile og transiente kavitationsbobler.
(a) forskydning, (b) transient kavitation, (c) stabil kavitation, (d) tryk
[adapted from Santos et al. 2009]
Ultralydsbestråling af plantemateriale fragmenterer plantecellernes matrix og øger deres hydrering. Chemat et al (2015) konkluderer, at ultralydsekstraktion af bioaktive forbindelser fra plantemateriale er resultatet af forskellige uafhængige eller kombinerede mekanismer, herunder fragmentering, erosion, kapillaritet, nedbrydning af vævsstrukturen og sonoporation. Disse effekter bryder cellevæggen op, forbedrer masseoverførslen ved at presse opløsningsmiddel ind i cellen og suge opløsningsmiddel med planteforbindelser ud samt sikrer væskebevægelse gennem mikroblanding.
Ultralydsekstraktion fra planteceller: Det mikroskopiske tværsnit (TS) viser virkningsmekanismen under ultralydsekstraktion fra celler (forstørrelse 2000x) [kilde: Vilkhu et al. 2011]
Ultralydsekstraktion giver meget hurtig isolering af forbindelser – og overgår konventionelle ekstraktionsmetoder med kortere procestid, højere udbytte og lavere temperaturer. Som en skånsom mekanisk behandling undgår ultralydsassisteret ekstraktion termisk nedbrydning af bioaktive komponenter og udmærker sig i sammenligning med andre teknikker såsom konventionel ekstraktion med opløsningsmidler, hydrodestillation eller Soxhlet-ekstraktion, som er kendt for at ødelægge varmefølsomme molekyler. På grund af disse fordele er ultralydsekstraktion den foretrukne teknik til frigivelse af temperaturfølsomme bioaktive forbindelser fra plantemateriale.
Vanillin
Vanilje er en værdsat smag, som kan udvindes fra orkidéer af slægten Vanilla, primært fra den mexicanske art, fladbladet vanilje (V. planifolia). Vaniljeorkidéens forbindelser med den særlige smag findes i dens frugt, som dannes efter bestøvning af blomsten. Disse frøbælge er omtrent 1/3 x 6 tommer og har en brunrød til sort farve, når de er modne. Inde i disse bælge findes en olieagtig væske fuld af bittesmå frø. Både bælgen og frøene bruges til produktion af vanillin.
Selvom vanillin er den primære smagsforbindelse i vaniljeplanten, indeholder rent vaniljeekstrakt flere hundrede yderligere smagsforbindelser, som bidrager til dets komplekse, dybe smag.
Vaniljeessens forekommer i to former, nemlig ægte vanillinessens fra vaniljens frøbælg og industrielt syntetiseret vanillin. Ægte frøbælgsekstrakt er en kompleks blanding af flere hundrede forskellige forbindelser. Den kemiske forbindelse vanillin – 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyd – er den vigtigste bidragyder til ægte vaniljes karakteristiske smag og aroma og er den primære smagskomponent i forarbejdede vaniljestænger. Ud over vanillin bidrager mange andre kemiske forbindelser såsom acetaldehyd, eddikesyre, furfural, hexansyre, 4-hydroxybenzaldehyd, eugenol, methylcinnamat og isosmørsyre til vaniljens komplekse aroma.
Vaniljesorter
Bourbonvanilje eller Bourbon-Madagaskar-vanilje fremstilles af V. planifolia-planter, som vokser på øer i Det Indiske Ocean såsom Madagaskar, Comorerne og Réunion, der tidligere hed Île Bourbon. Betegnelsen “Bourbonvanilje” beskriver også den karakteristiske vaniljearoma fra V. planifolia.
Mexicansk vanilje, som udvindes fra den hjemmehørende V. planifolia, produceres i langt mindre mængder. Mexicansk vanilje er kendt og markedsføres som vanilje fra sit oprindelsesland, da V. planifolia-planten er hjemmehørende i Mesoamerika.
Tahitisk vanilje kommer fra Fransk Polynesien og fremstilles af V. tahitiensis-planten. Genetisk analyse viser, at denne art muligvis er en kultivar fra en hybrid af V. planifolia og V. odorata.
Vestindisk vanilje fremstilles af V. pompona, som dyrkes i Caribien samt i Central- og Sydamerika.