Kakaoschalenextrakte durch Leistungsultraschall

Kakaoabfälle wie Kakaofruchtfleisch und Kakaoschalen lassen sich durch die Extraktion von Kakaobutter, Fruchtzucker und bioaktiven Verbindungen einfach verwerten. Die Ultraschallextraktion hat sich als hocheffizientes Verfahren zur Isolierung wertvoller Bestandteile aus Kakaoabfällen erwiesen. Ultraschallextraktoren setzen in einer schnellen, sicheren und einfachen Behandlung lebensmitteltaugliche Verbindungen aus Kakaohüllen, Kakaoschalen und Fruchtfleisch mit hoher Ausbeute frei.

Nebenprodukte der Kakaoproduktion
Kakao (Theobroma cacao L.) ist eine wertvolle Kulturpflanze, deren Bohnen hauptsächlich zur Schokoladenherstellung verwendet werden. Nach der Ernte der Kakaofrüchte werden die Bohnen entweder vor oder nach dem Rösten von den Schalen (auch als Hüllen bezeichnet) und dem Fruchtfleisch getrennt. Kakaobohnenschalen und Kakaofruchtfleisch gelten als Nebenprodukte der Kakaoindustrie. Je nach Art der Kakaofrucht machen die Bohnen etwa 25 Gewichtsprozent der Kakaofrucht aus. Weitere 25 Gewichtsprozent entfallen auf das Fruchtfleisch; der Rest besteht aus Schale beziehungsweise Hülle, die größtenteils als Abfall entsorgt wird. Nebenprodukte der Kakaoproduktion wie Schalen und Fruchtfleisch sind jedoch reich an Fasern, Antioxidantien, Polyphenolen, Aromastoffen, Zuckern und Lipiden, die als Zusätze in Lebensmitteln und Getränken verwendet werden können.

Ultraschallextraktion von Phytonährstoffen aus Kakaoschalen

Ultraschallextraktion aus Kakaoschalen: Die Ultraschallextraktion verwandelt biologische Kakaoabfälle (z. B. Kakaoschalen, Kakaofruchtschalen) in wertvolle Lebensmittelprodukte wie Kakaobutter, Aromastoffe, Phytonährstoffe, Fruchtzucker und Ballaststoffe. Für einen effizienten Ultraschallextraktionsprozess ist lediglich eine grobe Vorbehandlung der Kakaoschalenbiomasse erforderlich, das heißt das Mahlen der Kakaoschalen.

Leistungsultraschall zur Extraktion

Der extraktionsverstärkende Mechanismus von Leistungsultraschall beruht hauptsächlich auf dem Phänomen der akustischen Kavitation. Ultraschallkavitation verursacht Zusammenstöße zwischen Partikeln der Kakaoschalen beziehungsweise Kakaohüllen, wodurch die Partikel zerbrechen und ihre Größe abnimmt. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche der Kakaofeststoffe kollabieren, vergrößern Erosion und Sonoporation die Partikeloberfläche weiter. Der dadurch verstärkte Stofftransport erleichtert die Freisetzung von Molekülen wie Proteinen, Lipiden und sekundären Pflanzenstoffen. Die durch Ultraschall erzeugten Scherkräfte verbessern das Eindringen des Lösungsmittels in die Zellmatrix des Pflanzenmaterials sowie die Durchlässigkeit der Zellmembranen. Diese Mechanismen des Leistungsultraschalls sind für die erhebliche Prozessintensivierung verantwortlich, die beim Einsatz von Ultraschall zur Extraktion aus Pflanzenmaterial erzielt wird.

Ultraschallgestützte Extraktion aus Kakaoschalen durch Forschung belegt

Grillo et al. (2018) untersuchten die Gewinnung von Kakaobutter, Polyphenolen (z. B. Catechin, Epicatechin, Procyanidin-Dimeren, -Trimeren und -Tetrameren), Antioxidantien und Methylxanthinen (z. B. Koffein, Theobromin) aus Kakaobohnenschalen mittels Ultraschallextraktion. Wie die nachstehende Tabelle zeigt, erhöhte die Ultraschallbehandlung durchweg sowohl die Ausbeute an lipophilen als auch an hydrophilen Extrakten. So wurden auf einfache und unkomplizierte Weise Extrakte gewonnen, die reich an antioxidativen Flavanolen (Catechinen und Epicatechinen), Theobromin (32,7 ± 0,12 mg/g Schalen), Koffein (1,76 ± 0,08 mg/g Schalen) und Kakaobutter waren. Die besten Ergebnisse bei der Beschallung wurden mit dem ternären Gemisch erzielt, das eine etwas geringere Gesamtausbeute der hydrophilen Fraktion liefert und die Extraktionszeit um den Faktor 16 verkürzt.

Ausbeuten der ultraschallgestützten Extraktion (UAE) und des konventionellen Verfahrens aus rohen Kakaoschalen, angegeben in Gewichtsprozent (w/w). Die Ultraschallextraktion liefert deutlich höhere Ausbeuten.
Studie und Copyright: Grillo et al. 2019.

Auch Yusof et al. (2019) konnten die Effizienz der Ultraschallextraktion von Flavonoiden aus Kakaoschalen nachweisen. Sie ermittelten die effizientesten Extraktionsparameter hinsichtlich Ethanolkonzentration, Temperatur und Beschallungsdauer. Unter folgenden Bedingungen wurden die höchsten Extraktionsausbeuten erzielt: Der Höchstwert des Gesamtflavonoidgehalts (TFC; 7,47 mg RE/g Trockengewicht (DW)) wurde bei einer Ethanolkonzentration von 80%, einer Prozesstemperatur von 55ºC und einer Beschallungsdauer von 45 min erreicht.

Hochleistungs-Ultraschallextraktoren zur Verarbeitung von Kakaoabfällen

Hochleistungs-Ultraschallextraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit in Forschung und Entwicklung sowie in der Produktion vom kleinen und mittleren bis zum vollständig kommerziellen Maßstab eingesetzt. Hochleistungs-Ultraschallextraktoren intensivieren den Extraktionsprozess und steigern die Ausbeute und die Gesamteffizienz bei der Herstellung hochwertiger Extrakte. Hielscher Ultrasonics bietet Extraktionsanlagen für jedes Volumen und jede Verarbeitungskapazität. Mit mehr als 25 Jahren Erfahrung in der Extraktion aus Pflanzenmaterial ist Hielscher Ultrasonics Ihr zuverlässiger Partner für die Hochleistungs-Ultraschallextraktion!

Hochleistungs-Ultraschallgeräte nach dem neuesten Stand der Technik für die Kakaoextraktion

Die intelligenten Funktionen der Ultraschallgeräte von Hielscher sind darauf ausgelegt, einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten. Die Betriebseinstellungen lassen sich über ein intuitives Menü einfach aufrufen und anpassen. Das Menü ist über das digitale Farb-Touchdisplay und die Browser-Fernsteuerung zugänglich. Alle Prozessbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur werden dabei automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet. Dadurch können Sie frühere Beschallungsdurchläufe überprüfen und vergleichen und die Extraktion aus Kakaobohnenschalen auf höchste Effizienz optimieren.
Die Systeme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit zur Herstellung hochwertiger Pflanzenextrakte eingesetzt. Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher lassen sich problemlos mit hohen Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) betreiben. Mit Standardsonotroden (Ultraschallsonden beziehungsweise Ultraschallhörnern) lassen sich problemlos kontinuierlich Amplituden von bis zu 200µm erzeugen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsbedarfs werden unsere Ultraschallextraktionssysteme häufig für Anwendungen unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen installiert.

 
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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: