Ultralyd vanilje ekstraktion – En ikke-termisk metode
- Vaniljeekstrakt er en smagsopløsning udvundet af vaniljestænger i en opløsning af ethanol og vand.
- For at producere vanillin af høj kvalitet som aroma-, smags- og duftkomponent kræves en effektiv, men mild ekstraktionsteknik for at forhindre nedbrydning.
- Ultralydsekstraktion er en mild mekanisk ekstraktionsmetode, som giver høje udbytter af vanillin på meget kort ekstraktionstid.
Højtydende ultralyd til vanillinekstrakter af høj kvalitet
Som 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 mild, ikke-termisk, men alligevel meget effektiv metode til frigivelse af 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 botaniske stoffer.
Fordele ved ultralyd vaniljeekstraktion
- Overlegent udbytte
- Udsugning med høj hastighed – inden for få minutter
- Ekstrakter af høj kvalitet – Mild, ikke-termisk
- Grønne opløsningsmidler (f.eks. vand/ethanol)
- Omkostningseffektiv
- Nem og sikker betjening
- Lave investerings- og driftsomkostninger
- 24/7 drift under tung belastning
- Grøn, miljøvenlig metode
Ultralyd vanilje ekstraktion – i batch- eller kontinuerlig flowtilstand
Batch: Ultralydsekstraktionsprocesser kan drives som simple batchprocesser eller som inline-behandling, hvor mediet kontinuerligt føres gennem en ultralydsgennemstrømningsreaktor.
Batchbehandling er en nem procedure, hvor ekstraktionen udføres parti for parti. Hielscher Ultrasonics tilbyder ultralydsprocessorer til små til store partier, dvs. 1L til 120L.
Til behandling af batcher på 5 til 10L anbefaler vi UP400St (400W, video nedenfor) med sonotrode S24d22L2D.
Til behandling af batcher på ca. 120L anbefaler vi UIP2000hdT (2kW, billede højre søjle øverst) med sonotrode RS4d40L4.
Soniker UIP2000hdT til botanisk ekstraktion i en 120L batch
Ultralydsekstraktion af botaniske stoffer med ultralydsapparat UP400St
Ved en volumen på ca. 8L/min. anbefaler vi UIP4000hdT (4kW, billede til højre) med sonotrode RS4d40L3 og tryksat flowcelle FC130L4-3G0
Casestudie af ultralyd vaniljeekstraktion
Jadhav et al. (2009) sammenlignede ultralydassisteret ekstraktion (UAE) og Soxhlet-ekstraktion. Forskningen 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 66,67 ml/g og en ekstraktionstid på 8 timer resulterede i frigivelse af ca. 180 ppm vanillin. Ultralydsassisteret ekstraktion (UAE) krævede kun 1 time at frigive ca. 140 ppm vanillin ved hjælp af det samme opløsningsmiddel:opløst stofforhold ved stuetemperatur.
Rasoamandrary et al. (2013) sammenlignede effektiviteten af vanillinekstraktion ved hjælp af en 100W sonde-type ultralydsapparat (f.eks. UP100H), et ultralydsbad og et varmtvandsbad. Forskerne konkluderede, at sonde-type ultralydsapparat er et kraftfuldt ekstraktionsværktøj på grund af dets ultralyd med høj intensitet. Derfor overgik sonde-type ultralydsapparat de alternative ekstraktionsmetoder ved at give lignende / eller højere udbytter af vanillin ekstraheret i en signifikant kortere ekstraktionstid og mindre opløsningsmiddel (dvs. ethanol) forbrug.
Sammenligningen af de tre ekstraktionsmetoder – Ultralydssonde, ultralydsbad, varmtvandsbad ekstraktion – viste, at vanillinekstraktion var mest effektiv til sondesonikering ved hjælp af 40% ethanol (v / v) ved omgivelsestemperatur på 30 °C og en ekstraktionstid på 1 time. Vandbadsekstraktionen krævede en 50 % ethanol (v/v) koncentration ved 56 °C i 15 timer.
UIP4000hdT – 4kW ultralydsudsugning til kontinuerlig inline-behandling.
Ultralydsudstyr til højtydende ekstraktion
Hielscher Ultrasonics er specialiseret i fremstilling af højtydende ultralydsprocessorer til fremstilling af ekstrakter af høj kvalitet fra botaniske stoffer.
Hielschers brede produktportefølje spænder fra små, kraftfulde laboratorieultralydapparater til robuste bord- 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 ultralydsenheder fra 200W til 16.000W har et farvet display til digital styring, et integreret SD-kort til automatisk dataoptagelse, browserfjernbetjening og mange flere brugervenlige funktioner. Sonotroderne og flowcellerne (de dele, der er i kontakt med mediet) kan autoklaveres og er nemme at rengøre. Alle vores ultralydapparater er bygget til 24/7 drift, kræver lav vedligeholdelse og er nemme og sikre at betjene.
Et digitalt farvedisplay giver mulighed for en brugervenlig kontrol af ultralydsapparatet. Vores systemer er i stand til at levere fra lave op til meget høje amplituder. Til ekstraktion af polyfenoler og andre bioaktive forbindelser såsom vanillin tilbyder vi specielle ultralydssonotroder (også kendt som ultralydssonder eller horn), der er optimeret til fornuftig isolering af aktive stoffer af høj kvalitet. Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tunge og krævende miljøer.
Den præcise kontrol af ultralydsprocesparametrene sikrer reproducerbarhed og processtandardisering.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 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 |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Ultralydsprocessorer med høj effekt fra laboratorie til pilot og industriel skala.
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 sammenligningsundersøgelse af konventionel soxhlet og ultralydassisteret ekstraktion. Tidsskrift for fødevareteknik 93, 2009: 421-426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Forbedret ekstraktion af vanillin 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyd fra hærdede vaniljebønner ved hjælp af ultralydsassisteret ekstraktion: En sammenligning af ultralydsassisteret og varmtvandsbadekstraktion.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O'Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ultralydsteknologi til udvinding af biologisk aktive molekyler fra plante-, dyre- og marine kilder. TrAC-tendenser inden for analytisk kemi, bind 122, 2020.
Fakta, der er værd at vide
Arbejdsprincippet for ultralydsekstraktion
Anvendelsen af intense ultralydsbølger på et flydende medium resulterer i kavitation. Fænomenet kavitation fører lokalt til ekstreme temperaturer, tryk, opvarmnings-/kølehastigheder, trykforskelle og høje forskydningskræfter i mediet. Når kavitationsbobler imploderer på overfladen af faste stoffer (såsom partikler, planteceller, væv osv.), genererer mikrostråler og interpartiklulær kollision effekter såsom overfladeafskalning, erosion og partikelnedbrydning. Derudover skaber implosionen af kavitationsbobler i flydende medier makroturbulenser og mikroblanding.
Fig. 1: Dannelse af stabile og forbigående kavitationsbobler.
a) forskydning, b) forbigående kavitation, c) stabil kavitation, d) tryk
[tilpasset fra Santos et al. 2009]
Ultralydsbestråling af plantemateriale fragmenterer matrixen af planteceller og forbedrer hydreringen af samme. Chemat et al (2015) konkluderer, at ultralydsekstraktion af bioaktive forbindelser fra botaniske stoffer er resultatet af forskellige uafhængige eller kombinerede mekanismer, herunder fragmentering, erosion, kapillaritet, deteksturering og sonoporation. Disse virkninger forstyrrer cellevæggen, forbedrer masseoverførslen ved at skubbe opløsningsmiddel ind i cellen og suge fytoforbindelsesfyldt opløsningsmiddel ud og sikre væskebevægelse ved mikroblanding.
Ultralydsekstraktion fra planteceller: det mikroskopiske tværsnit (TS) viser virkningsmekanismen under ultralydsekstraktion fra celler (forstørrelse 2000x) [ressource: Vilkhu et al. 2011]
Ultralydsekstraktion opnår en meget hurtig isolering af forbindelser - overgår konventionelle ekstraktionsmetoder i kortere procestid, højere udbytte og ved lavere temperaturer. Som en mild mekanisk behandling undgår ultralydassisteret ekstraktion termisk nedbrydning af bioaktive komponenter og udmærker sig i sammenligning med andre teknikker såsom konventionel opløsningsmiddelekstraktion, Hydrodestillationeller 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 botaniske stoffer.
Vanillin
Vanilje er en værdsat smag, som kan udvindes fra orkideer af slægten Vanilje, primært fra den mexicanske art, fladbladet vanilje (V. planifolia). De unikt aromatiserede forbindelser af vaniljeorkideen findes i dens frugt, som skyldes bestøvning af blomsten. Disse frøbælge er omtrent 1/3 x 6 tommer med en brunlig rød til sort farve, når de er modne. Inde i disse bælg er en olieagtig væske fuld af små frø. Både bælgen og frøene bruges til produktion af vanillin.
Selvom vanillin er den primære smagsforbindelse i vaniljeplanten, indeholder ren vaniljeekstrakt flere hundrede ekstra smagsforbindelser, som bidrager til dens komplekse, dybe smag.
Vaniljeessens forekommer i to former, nemlig ægte vanillinessens fra vaniljefrøstangen og industrielt syntetiseret vanillin. Ægte frøbælgeekstrakt er en kompleks blanding af flere hundrede forskellige forbindelser. Den kemiske forbindelse vanillin – 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyd – er den største bidragyder til den karakteristiske smag og aroma af ægte vanilje og er den vigtigste smagskomponent i hærdede vaniljebønner. Udover vanillin kan andre kemiske forbindelser såsom acetaldehyd, eddikesyre, furfural, hexansyre, 4-hydroxybenzaldehyd, eugenol, methylcinnamat og isosmørsyre bidrage til vaniljens komplekse aroma.
Vanilje sorter
Bourbon vanilje eller Bourbon-Madagaskar vanilje produceres af V. planifolia-planter, der vokser på øer i Det Indiske Ocean som Madagaskar, Comorerne og Réunion, tidligere kaldet Île Bourbon. Udtrykket “Bourbon vanilje” beskriver også den karakteristiske vaniljearoma, der stammer fra V. planifolia.
Mexicansk vanilje, udvundet af den indfødte V. planifolia, produceres i meget mindre mængder. Mexicansk vanilje er kendt og markedsført som vanilje fra oprindelseslandet, da V. planifolia-planten er hjemmehørende i Mesoamerika.
Tahitisk vanilje kommer fra Fransk Polynesien, produceret 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 er lavet af V. pompona, som dyrkes i Caribien og Mellem- og Sydamerika.