Hielscher Ultraschalltechnik

Effiziente Produktion von Hopfenextrakten durch Beschallung

Hopfen und Hopfenextrakte sind wesentliche Bestandteile für die Herstellung von Bier. Die Alphasäuren a-Caryophyllen (Humulon) und beta-Caryophyllen (Humulen) sind wichtige Geschmacksverbindungen, die dem Bier seine Bitterkeit verleihen und zu seinem Aroma, seiner Schaumstruktur und seiner mikrobiologischen Stabilität beitragen. Die Ultraschallextraktion ist eine hoch effiziente Technik zur Freisetzung der bioaktiven Verbindungen aus der Hopfenzellmatrix, um einen geschmacksreichen und vollen Hopfenextrakt herzustellen.

Ultraschall-Extraktion von Bittersäuren aus Hopfen

Hopfenbittersäuren werden in α- und β-Säuren unterschieden. Bittere α-Säuren setzen sich aus drei Hauptkomponenten 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 Bierproduktion sind α-Säuren die essentielle Säureform. Durch das Sieden von Alphasäuren unter schwach sauren Bedingungen werden die Alphasäuren isomerisiert und dadurch in iso-α-Säuren umgewandelt. Durch Isomerisierung werden die schwer wasserlöslichen Alphasäuren in eine löslichere Iso-Form umgewandelt, die die charakteristische organoleptische Bitterkeit aufweist. Die β-Säuren, die noch weniger wasserlöslich sind als die α-Säuren, sind für die Brauereiproduktion weniger wichtig, da die Beta-Säuren eine sehr geringe Isomerisierungsrate beim Würzekochen aufweisen.
Neben seiner Verwendung als Aromastoff ist Hopfen auch für seine gesundheitsfördernden Eigenschaften bekannt, zu denen antioxidative, beruhigende, entzündungshemmende, antikarzinogene und östrogene Wirkungen gehören. Zum Beispiel ist Xanthohumol, ein Prenylflavonoid, das im Hopfen vorkommt, für seine starke antioxidative Wirkung bekannt. Diese natürlichen Hopfensubstanzen werden in Nahrungsergänzungsmitteln und Arzneimitteln zur Unterstützung der Gesundheit oder zur Behandlung von Krankheiten verwendet.

Ultraschall-Terpenextraktion aus Hopfen: Die Ultraschallextraktion wird mit dem Hielscher UP100H durchgeführt, der Caryophyllen und andere Terpene aus Hopfendolden isoliert.

Ultraschall-Terpenextraktion von Hopfen mit UP100H

Ultraschall aufbereitete Hopfenextrakte sind Vollspektrum-Extrakte, die die gesamte Palette der Wirkstoffe der Hopfendolden bieten. Neben den Alphasäuren a-Caryophyllen (Humulon) und beta-Caryophyllen (Humulen) werden bei der Ultraschallextraktion auch weitere Terpene wie Linalool und Farnesen sowie andere Phytochemikalien wie Polyphenole und Flavonoide freigesetzt. Vollspektrum-Extrakte werden wegen ihres so genannten Entourage-Effekts geschätzt.
Bei der Ultraschall-Extraktion werden Pflanzenmaterialien, wie Hopfen und andere Kräuter, bei milden Temperaturen verarbeitet, wodurch die thermische Zersetzung begrenzt wird. Die Beschallung ermöglicht die Verwendung von milden, sicheren und umweltfreundlichen Lösungsmitteln – Vermeidung der Verwendung von giftigen Lösungsmitteln.
Die hohe Wirksamkeit der Ultraschall-Extraktion erlaubt es sogar, Hopfenextrakte aus verbrauchtem Hopfen herzustellen. Der intensive Ultraschall-Extraktionsprozess setzt die restlichen Fotoverbindungen aus dem verbrauchten Hopfen frei und hilft, den verbrauchten Hopfen von allen wertvollen Substanzen zu befreien, so dass keine bioaktiven Substanzen verschwendet werden.

Die bioaktiven Verbindungen des Hopfens, wie die Alphasäuren Alpha-Caryophyllen (Humulon) und Beta-Caryophyllen (Humulen), können durch Beschallung effizient extrahiert werden.

Hopfenzapfen

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Warum Hopfenextrakte verwenden?

Bei der Verwendung von Aromastoffen ermöglichen Extrakte eine sehr genaue Dosierung von Bitterkeit und Aroma, da Hopfenextrakte hinsichtlich bestimmter Mengen und Zusammensetzungen von Alphasäuren standardisiert sind. Dies ermöglicht die Herstellung des gleichen Geschmacksprofils und damit ein kontinuierlich hochwertiges Produkt, das die Kundenerwartungen erfüllt.
Als Wirkstoff in Nahrungsergänzungsmitteln und Arzneimitteln bieten Hopfenextrakte eine hochkonzentrierte Menge an bioaktiven Substanzen, z.B. Terpene, Flavonoide. Dadurch ist es möglich, eine hohe Menge der aktiven Fotomischung aufzunehmen, um die angestrebte Wirkung zu erreichen.

GC-Analyse von Ultraschall-Caryophyllenoxid-Extrakt aus Hopfenknospen

Gaschromatographische Analyse von Ultraschall-Hopfenextrakt, der mit einem Ultraschall-Homogenisator hergestellt wurde UP100H: β-Caryophyllenoxid, α-Caryophyllen, α-Pinen, Mycren, Limonen, α-Caryophylen und Caryophylenoxid und andere.

Ultraschall-Hopfenextraktion

Die ultraschallbeschleunigte Lösungsmittelextraktion ist eine einfache, schnelle und sichere Methode zur Extraktion von Bittersäuren aus Hopfen. Als Niedertemperaturbehandlung liefert die Ultraschall-Hopfenextraktion hohe Ausbeuten in kurzer Prozesszeit, was im Vergleich zur konventionellen Bittersäure-Extraktion aus Hopfen deutliche Vorteile bietet.
Niedrige Verarbeitungstemperaturen, hohe Ausbeuten, hervorragende Extraktqualität (d.h. volles Aroma / Vollspektrum-Extrakte) und eine sehr kurze Verarbeitungszeit sind die Hauptvorteile der Ultraschall-Hopfenextraktion.
Ultraschall-Hopfenextraktion – Vorteile:

  • vollständigere Extraktion
  • höhere Ausbeute
  • Vollständiges Geschmacksprofil
  • Sortenspezifisches Aroma erhalten
  • Konstante Bitterung/Aroma
  • Batch- und Inline-Verarbeitung
  • sicher und einfach zu bedienen
  • Wirtschaftlich, schnelle Rendite
Die SonoStation von Hielscher Ultrasonics ist eine einfach zu bedienende Ultraschallanlage für den Produktionsmaßstab. (Zum Vergrößern anklicken!)

SonoStation – ein Ultraschallsystem mit 2x 2kW Ultraschallgeräten, Rührtank und Pumpe – ist ein benutzerfreundliches System zur Extraktion.

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung und Lieferung von Hochleistungs-Ultraschall-Absauganlagen für kleine und große Industriebetriebe an namhafte Unternehmen und Institute weltweit. Hielscher-Ultraschallgeräte liefern Hochleistungs-Ultraschall, sind robust und können unter hoher Belastung problemlos rund um die Uhr betrieben werden. Das macht die Hielscher-Ultraschall-Extraktoren zum bewährten Arbeitspferd in der Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie.
Alle digitalen Ultraschallprozessoren sind mit einem farbigen Touch-Display ausgestattet, über das Sie die Prozessparameter einfach und präzise einstellen und kontrollieren können. Auf der eingebauten SD-Karte werden alle Prozessparameter automatisch aufgezeichnet, sobald Sie den Ultraschall-Extraktor einschalten.
UIP4000hdT Ultraschallreaktor für die Inline-Beschallung im industriellen MaßstabDas ausgeklügelte Design der Batch- und Inline-Schallgeräte von Hielscher ist ausgiebig getestet und auf Benutzerfreundlichkeit und hohe Qualität der Ergebnisse optimiert. Durchflusszellenreaktoren sind in verschiedenen Größen und mit unterschiedlichen Geometrien erhältlich. Die breite Palette an Sonotroden (Ultraschallsonden) mit verschiedenen Formen, Größen und Längen sowie weiteres Zubehör ermöglicht die ideale Konfiguration Ihres Ultraschallsystems entsprechend Ihres Extraktionsprozesses und Ihres Pflanzenmaterials.
Ein weiterer Vorteil von Hielscher Ultrasonics‘ industriellen Ultraschallprozessoren ist die Lieferung sehr hoher Amplituden von bis zu 200µm, die einfach und kontinuierlich im 24/7-Betrieb betrieben werden können. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die präzise Kontrolle über die Amplitude und die Möglichkeit, sehr niedrige bis sehr hohe Amplituden zu fahren, ermöglicht einen optimalen und effektiven Prozess. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Hielscher Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren für hervorragende Extrakte!
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur

  • Maša Knez Hrnčič; Eva Španinge; Iztok Jože Košir; Željko Knez; Urban Bre (2019): Hopfenmischungen: Extraktionstechniken, chemische Analysen, antioxidative, antimikrobielle und antikarzinogene Wirkungen. Nährstoffe 2019, 11, 257.
  • Steffen Arctander (2019): Parfüm- und Geschmacksstoffe natürlichen Ursprungs. Innovationen im Obstbau; Oktober 2019.


Wissenswertes

Bioaktive Verbindungen im Hopfen

Die gemeine Hopfenpflanze Humulus lupulus ist reich an Fotochemikalien, die als Aromastoffe in Lebensmitteln und Getränken (z.B. zur Bitterung von Bier) sowie in Parfums und Duftstoffen verwendet werden. In Nahrungsergänzungsmitteln und Arzneimitteln werden Hopfenextrakte zur Unterstützung der Gesundheit und zur Heilung oder Linderung von Krankheiten verwendet. Nachstehend finden Sie eine Beschreibung der wichtigsten Phytoverbindungen des Hopfens:

Alpha-Säuren

Alphasäuren oder Humulone sind die wichtigste chemische Verbindung im Hopfen. Beim Würzekochen werden die Humulone thermisch zu Iso-Alphasäuren oder Isohumulonen isomerisiert, die für den bitteren Geschmack des Bieres verantwortlich sind.

Beta-Säuren

Hopfen enthält so genannte Beta-Säuren oder Lupulone. Diese Verbindungen werden vor allem wegen ihres Aromabeitrags zum Bier geschätzt.

Ätherische Öle

Die Hauptbestandteile der ätherischen Hopfenöle sind Terpenkohlenwasserstoffe, die aus Myrcen, Humulen und Caryophyllen bestehen. Myrcen verleiht dem frischen Hopfen seinen stechenden Geruch. Humulen und seine oxidativen Reaktionsprodukte tragen zum markanten Hopfenaroma im Bier bei. Myrcen, Humulen und Caryophyllen machen zusammen 80 bis 90% des Gesamtgehaltes an ätherischen Hopfenölen aus.

Flavonoide

Xanthohumol ist das wichtigste Flavonoid im Hopfen. Andere gut untersuchte und wichtige Prenylflavonoide sind 8-Prenylnaringenin und Isoxanthohumol. Während die Eigenschaften und Wirkungen von Xanthohumol noch erforscht werden, ist das Prenylflavonoid 8-Prenylnaringenin bereits als ein starkes Phytoöstrogen bekannt.