Effiziente Herstellung von Hopfenextrakten durch Ultraschallbehandlung

Hopfen und Hopfenextrakte sind wesentliche Zutaten für die Bierherstellung. Die Alpha-Säuren a-Caryophyllen (Humulon) und beta-Caryophyllen (Humulen) sind wichtige Aromastoffe, die dem Bier seine Bitterkeit verleihen und zu seinem Aroma, seiner Schaumstruktur und seiner mikrobiologischen Stabilität beitragen. Die Ultraschallextraktion ist ein hocheffizientes Verfahren zur Freisetzung bioaktiver Verbindungen aus der Zellmatrix des Hopfens, um einen aromareichen, vollständigen Hopfenextrakt herzustellen.

Ultraschallextraktion von Bittersäuren aus Hopfen

Die Ultraschallextraktion von Bittersäuren aus Hopfen ist ein hocheffizientes und zuverlässiges Verfahren, das in der Brauindustrie, bei der Herstellung von Aroma- und Duftstoffen sowie in Forschungseinrichtungen eingesetzt wird, um bitterkeitsgebende Verbindungen und Aromastoffe effizient und wirksam aus Hopfendolden zu extrahieren.

Die Ultraschallextraktion nutzt das Wirkprinzip der akustischen Kavitation. Akustische oder Ultraschallkavitation entsteht durch niederfrequente Ultraschallwellen in Flüssigkeiten. Die wechselnden Hochdruck- und Niederdruckzyklen der Ultraschallwellen erzeugen winzige Kavitationsblasen in einem Lösungsmittel. Durch die schnelle Bildung und den Kollaps dieser Blasen entstehen starke lokale Kräfte, die Zellwände aufbrechen und Zielverbindungen wie Bittersäuren aus dem Hopfenmaterial freisetzen. Ultraschallkavitation eignet sich sehr gut zur Freisetzung von Bittersäuren wie Humulon, Cohumulon und Adhumulon aus Hopfen. Diese Verbindungen sind vor allem als geschmacksgebende Stoffe im Bier bekannt, wo sie zur Bitterkeit und zum unverwechselbaren Geschmacksprofil beitragen.
Ein wesentlicher Vorteil der Ultraschallextraktion ist ihre Effizienz und Geschwindigkeit. Die Beschallung verkürzt die Extraktionszeiten gegenüber herkömmlichen Verfahren erheblich und ist daher eine attraktive Option für Brauereien und Aromenhersteller.
Da sich die Ultraschallextraktion durch die Anpassung verschiedener Parameter optimieren lässt, darunter Beschallungszeit, Temperatur, Lösungsmittelkonzentration und das Verhältnis von Hopfenmaterial zu Lösungsmittel, kann der Prozess auf das angestrebte Geschmacksprofil des Hopfenextrakts abgestimmt werden. Die Optimierung gewährleistet eine maximale Extraktion der Bittersäuren bei gleichzeitiger Erhaltung des gewünschten Biergeschmacks.
Eine geeignete Temperaturregelung während der Ultraschallextraktion ist unerlässlich. Erhöhte Temperaturen können zum Abbau von Bittersäuren und zur Bildung unerwünschter Fehlaromen führen.

Vollspektrum-Hopfenextrakte durch Ultraschall

Mittels Ultraschall hergestellte Hopfenextrakte sind Vollspektrumextrakte, die das gesamte Spektrum der Wirkstoffe der Hopfendolden enthalten. Neben den Alpha-Säuren a-Caryophyllen (Humulon) und beta-Caryophyllen (Humulen) setzt die Ultraschallextraktion auch weitere Terpene wie Linalool und Farnesen sowie andere sekundäre Pflanzenstoffe wie Polyphenole und Flavonoide frei. Vollspektrumextrakte werden wegen ihres sogenannten Entourage-Effekts geschätzt.
Bei der Ultraschallextraktion werden Pflanzenmaterialien wie Hopfen und andere Kräuter bei milden Temperaturen verarbeitet, wodurch der thermische Abbau begrenzt wird. Die Beschallung ermöglicht den Einsatz milder, sicherer und umweltfreundlicher Lösungsmittel – der Einsatz toxischer Lösungsmittel wird dadurch vermieden.
Die hohe Wirksamkeit der Ultraschallextraktion ermöglicht sogar die Herstellung von Hopfenextrakten aus bereits extrahiertem Hopfen. Der intensive Ultraschallextraktionsprozess setzt die verbleibenden Photoverbindungen aus dem bereits extrahierten Hopfen frei und hilft dabei, ihm sämtliche wertvollen Stoffe zu entziehen, sodass keine bioaktiven Substanzen verloren gehen.

Bittersäuren im Hopfen

Hopfenbittersäuren werden in α- und β-Säuren unterteilt. Die bitteren α-Säuren setzen sich aus drei Hauptbestandteilen zusammen: n-Humulon, ad-Humulon und co-Humulon. Ebenso bestehen die bitteren β-Säuren aus n-Lupulon, ad-Lupulon und co-Lupulon. Für Brauereien und die Bierherstellung sind α-Säuren die wesentliche Säureform. Beim Kochen unter schwach sauren Bedingungen werden die Alpha-Säuren isomerisiert und dadurch in Iso-α-Säuren umgewandelt. Durch die Isomerisierung gehen die schlecht wasserlöslichen Alpha-Säuren in eine besser lösliche Iso-Form über, die die charakteristische organoleptische Bitterkeit aufweist. Die β-Säuren, die noch schlechter wasserlöslich sind als die α-Säuren, sind für die Bierherstellung weniger wichtig, da die Beta-Säuren beim Würzekochen eine sehr geringe Isomerisierungsrate aufweisen.
Neben seiner Verwendung als geschmacksgebende Zutat ist Hopfen auch für seine gesundheitsfördernden Eigenschaften bekannt, zu denen antioxidative, beruhigende, entzündungshemmende, antikarzinogene und östrogene Wirkungen zählen. Beispielsweise ist Xanthohumol, ein im Hopfen vorkommendes Prenylflavonoid, für seine starke antioxidative Wirkung bekannt. Diese natürlichen Hopfeninhaltsstoffe werden in Nahrungsergänzungsmitteln und Arzneimitteln zur Förderung der Gesundheit oder zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt.

Warum Hopfenextrakte verwenden?

Bei der Verwendung als geschmacksgebende Zutat ermöglichen Extrakte eine sehr präzise Dosierung von Bitterkeit und Aroma, da Hopfenextrakte hinsichtlich bestimmter Mengen und Zusammensetzungen der Alpha-Säuren standardisiert sind. Dadurch lässt sich ein gleichbleibendes Geschmacksprofil erzielen und somit ein Produkt von konstant hoher Qualität herstellen, das die Erwartungen der Kunden erfüllt.
Bei der Verwendung als Wirkstoff in Nahrungsergänzungsmitteln und Arzneimitteln liefern Hopfenextrakte bioaktive Substanzen in hochkonzentrierter Form, z. B. Terpene und Flavonoide. Dadurch ist es möglich, eine große Menge der aktiven Photoverbindung aufzunehmen, um die angestrebte Wirkung zu erzielen.

Gaschromatographische Analyse eines Hopfenextrakts, der mit dem Ultraschallhomogenisator UP100H hergestellt wurde: β-Caryophyllenoxid, α-Caryophyllen, α-Pinen, Mycren, Limonen, α-Caryophylen und Caryophylenoxid sowie weitere Verbindungen.

Ultraschallextraktion von Hopfen

Die ultraschallbeschleunigte Lösungsmittelextraktion ist eine einfache, schnelle und sichere Methode zur Extraktion von Bittersäuren aus Hopfen. Als Behandlung bei niedriger Temperatur liefert die Ultraschallextraktion von Hopfen hohe Ausbeuten in kurzer Prozesszeit. Dies sind wesentliche Vorteile gegenüber der konventionellen Extraktion von Bittersäuren aus Hopfen.
Niedrige Verarbeitungstemperaturen, hohe Ausbeuten, eine hervorragende Extraktqualität (d. h. volles Aroma / Vollspektrumextrakte) und eine sehr kurze Verarbeitungszeit sind die wichtigsten Vorteile der Ultraschallextraktion von Hopfen.
Ultraschallextraktion von Hopfen – Vorteile:

• Vollständigere Extraktion
• Höhere Ausbeute
• Vollständiges Geschmacksprofil
• Erhaltung des sortenspezifischen Aromas
• Gleichbleibende Bitterung / Aromatisierung
• Chargen- und Inline-Verarbeitung
• Sicher und einfach zu bedienen
• Wirtschaftlich, schnelle Amortisation

Hochleistungs-Ultraschallextraktoren

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung und Lieferung von Hochleistungs-Ultraschallextraktoren für industrielle Anwendungen vom kleinen bis zum großen Maßstab an renommierte Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit. Die Ultraschallextraktion lässt sich in jedem Maßstab durchführen, von kleinen Laboraufbauten bis hin zu industriellen Großanlagen. Dadurch können Hersteller ihren Hopfenextraktionsprozess an ihre Produktionsanforderungen anpassen.
Ultraschallgeräte von Hielscher liefern Hochleistungsultraschall, sind robust und können problemlos 24/7 unter hoher Belastung betrieben werden. Das macht Ultraschallextraktoren von Hielscher zu zuverlässigen Arbeitspferden in der Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie.
Alle digitalen Ultraschallprozessoren sind mit einem farbigen Touchdisplay ausgestattet, über das Sie die Prozessparameter einfach und präzise einstellen und steuern können. Auf der integrierten SD-Karte werden alle Prozessparameter automatisch aufgezeichnet, sobald Sie den Ultraschallextraktor einschalten.
Die durchdachte Konstruktion der Anlagen zur Chargen- und Inline-Beschallung von Hielscher ist umfassend erprobt und auf Benutzerfreundlichkeit sowie hochwertige Ergebnisse optimiert. Durchflusszellenreaktoren sind in verschiedenen Größen und mit unterschiedlichen Geometrien erhältlich. Das breite Angebot an Sonotroden (Ultraschallsonden) mit unterschiedlichen Formen, Größen und Längen sowie weiteres Zubehör ermöglichen die ideale Konfiguration Ihres Ultraschallsystems entsprechend Ihrem Extraktionsprozess und Pflanzenmaterial.
Ein weiterer Vorteil der industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics ist die Bereitstellung sehr hoher Amplituden von bis zu 200µm, die problemlos und kontinuierlich im 24/7-Betrieb gefahren werden können. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die präzise Amplitudenregelung und die Möglichkeit, mit sehr niedrigen bis sehr hohen Amplituden zu arbeiten, ermöglichen einen optimalen und wirksamen Prozess. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: