Lösungsmittelfreie Stevia-Extraktion mit Ultraschall

Bei der konventionellen Extraktion der süßenden Bestandteile wie Steviolglykoside aus Stevia rebaudiana werden giftige Lösungsmittel eingesetzt. Um ein gesundes, hochwertiges Lebensmittel zu erhalten, ist ein lösungsmittelfreies Extraktionsverfahren erforderlich. Die Ultraschallextraktion vermeidet den Einsatz von Lösungsmitteln und erzielt in kurzer Verarbeitungszeit sehr hohe Extraktionsausbeuten. Damit zeichnet sich die Stevia-Extraktion mit Ultraschall durch herausragende Effizienz und Umweltfreundlichkeit aus.

Gesunde Extrakte durch Ultraschallextraktion

Stevia-Süßungsmittel sollen ein gesundheitsförderndes Produkt aus den Blättern der Pflanze Stevia rebaudiana Bertoni sein und werden als kalorienfreies Süßungsmittel verwendet. Die Süße beruht auf Diterpenglykosiden, die etwa 300-mal süßer als Saccharose sind.
Der Glykosidgehalt von Stevia rebaudiana Bertoni setzt sich aus Steviosid (5–10%), Rebaudiosid A (2–4%), Rebaudiosid C (1–2%), Dulcosid A (0,5–1%), Rebaudiosid B, Rebaudiosid D und Rebaudiosid E zusammen. Im Gegensatz zu den anderen Glykosiden zeichnet sich Rebaudiana A dadurch aus, dass es nicht bitter schmeckt. Daher ist Rebaudiana A der Stoff, der vorrangig aus den Stevia-Blättern extrahiert wird. Die Ultraschallextraktion unterstützt die Gewinnung hochreiner Stevioside und Rebaudioside. Die Ultraschallextraktion von Steviolglykosiden lässt sich problemlos in Wasser durchführen und liefert hohe Ausbeuten bei einer sehr hohen Extraktionsrate. Die relativ niedrige Extraktionstemperatur zwischen 60°C und 80°C ist schonend, sodass ein Abbau der Extrakte verhindert wird.

Seit Stevia als Süßungsmittel zugelassen ist, ist die Nachfrage nach dem natürlichen, kalorienfreien Zuckerersatz deutlich gestiegen. Um die nachgefragten Stevia-Produkte bereitzustellen, müssen die Kapazitäten der kommerziellen Produktion erweitert werden. Ultraschall ist eine bewährte Methode zur Intensivierung der Extraktion.

Vorteile der Ultraschallextraktion:

• lösungsmittelfrei, z.B. in Wasser
• höhere Ausbeuten
• hohe Extraktionsraten
• zeitsparend
• kostensparend
• sicher
• umweltfreundlich
• Chargen- oder Inline-Verarbeitung

Stevia-Extraktion mit Ultraschall: Forschungsergebnisse

Carbonell-Capella et al. (2016) verglichen verschiedene Extraktionsverfahren zur Gewinnung von Steviosiden und Rebaudiosiden. Die höchste Steviosid-Ausbeute wurde durch Ultraschallextraktion mit dem UP400S (siehe Abbildung links) unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel erzielt. Sie war 3,5-mal höher als bei der traditionellen Diffusionsmethode und 1,5-mal höher als bei gemahlenen Stevia-Proben. In dieser Studie wurden Stevia-Blätter (6 g) bei 208C in Wasser (180 g) mit einem Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis von 1:30 (w/w) suspendiert. Die Ultraschallextraktion wurde mit einem Ultraschallprozessor UP400S (Hielscher GmbH, Deutschland), der mit 400 W und einer Frequenz von 24 kHz betrieben wurde, durchgeführt. Für die Experimente stellte das Forschungsteam von Carbonell-Capella die Amplitude auf 100% ein und verwendete einen kontinuierlichen Beschallungsmodus. Eine Titansonotrode H22 mit einem Durchmesser von 22 mm und einer Länge von 100 mm wurde montiert, um die Ultraschallwellen in die Probe einzukoppeln. Die Sonotrode wurde in eine Mischung eingetaucht, die 6 g Stevia-Blätter enthielt, suspendiert in 180 g Wasser oder Ethanol/Wasser (50%) in einem Enghals-Glaskolben (Fassungsvermögen 1.000 mL). Die Proben wurden in ein Kühlbad eingetaucht, um eine durch die Beschallung verursachte Erwärmung zu vermeiden, und die Temperatur wurde stets unter 50ºC gehalten. Der gesamte spezifische Energieeintrag (W_spec, in kJ/kg) wurde berechnet, indem die Generatorleistung (400 J/s) (Leistung) mit der gesamten Behandlungsdauer (sec) multipliziert und durch die Produktmasse (kg) dividiert wurde. Die Ultraschallenergie betrug 178 kJ/kg (für t_US = 80 sec.)
(vgl. Carbonell-Capella et al. 2016)
Sic-Zlabur et al. (2015) untersuchten die Extraktion von Steviolglykosiden zusammen mit anderen funktionellen Inhaltsstoffen aus Stevia-Blättern und kamen zu dem Schluss, dass die Ultraschallextraktion eine umweltfreundliche Technologie ist, die zur Gewinnung funktioneller Verbindungen aus Stevia-Blättern eingesetzt werden kann und im Vergleich zur konventionellen Extraktion eine deutlich kürzere Behandlungszeit und einen geringeren Energieverbrauch ermöglicht.

Liu et al. (2010) untersuchten die Ultraschallextraktion der Gesamtkohlenhydrate aus Stevia rebaudiana Bertoni. Um die Ausbeute an Gesamtkohlenhydraten aus Stevia rebaudiana Bertoni zu maximieren, wurde Stevia der Sorte LUYU-131 als Probenmaterial verwendet. Zur Optimierung der Bedingungen für die ultraschallunterstützte Extraktion wurde die Response-Surface-Methodik (RSM) eingesetzt. Die Ergebnisse zeigten, dass die optimalen Extraktionsbedingungen eine Extraktionstemperatur von 68°C, eine Ultraschallleistung von 60 W und eine Extraktionszeit von 32 min waren. Durch die ultraschallunterstützte Extraktion stieg die Extraktionsausbeute um den Faktor 1,5 bei der niedrigeren Extraktionstemperatur (68°C), und die Extraktionszeit (32 min.) verkürzte sich gegenüber der klassischen Extraktion erheblich. Die Analyse der Bestandteile der Rohextrakte zeigte, dass der relative Anteil an Rebaudiosid A in den ultraschallunterstützt gewonnenen Extrakten gegenüber den mit dem klassischen Verfahren gewonnenen Extrakten zunahm und die ultraschallunterstützt gewonnenen Extrakte eine bessere Qualität aufwiesen.
Alupului und Lavric (2008) bestätigen in ihrer Studie die überlegene Effizienz der Stevia-Extraktion mit Ultraschall. Sie stellen fest, dass die ultraschallinduzierte Steviosid-Extraktion aus Stevia rebaudiana gegenüber dem konventionellen Einweichen eine um das Zweihundertfache gesteigerte Produktivität und zudem eine kürzere Behandlungszeit ermöglicht. (vgl. Alupului A., Lavric V., 2008)

Ultraschallnachbehandlung von Steviosiden

Ultraschall ist eine zuverlässige Methode zum Mischen, Vermengen und Homogenisieren, daher wird Ultraschall häufig bei der Formulierung und Compoundierung des Endprodukts eingesetzt. Wenn der Stevia-Extrakt in einer Flüssigkeit gelöst werden muss, ist Ultraschall eine schnelle und effiziente Technik zur Herstellung einer homogenen Mischung – unabhängig von der Viskosität. Das ultraschallunterstützte Auflösen ermöglicht die Herstellung hochgesättigter und sogar übersättigter Lösungen.

Ultraschallextraktionssysteme

Das Produktsortiment von Hielscher bietet Ihnen die passende Lösung – ob Sie kleinere und mittlere Volumina für Analysen und Forschung extrahieren möchten oder eine Extraktion im großtechnischen Produktionsmaßstab durchführen wollen. Unser Sortiment an Ultraschallgeräten umfasst Ultraschalllaborgeräte, Tischsysteme für Forschung und Entwicklung sowie Pilotanlagen und industrielle Hochleistungsultraschallsysteme mit bis zu 16.000 Watt pro Einzelgerät, die sich problemlos zu Gruppen zusammenfassen und in Containern unterbringen lassen. Unsere breite Auswahl an Ultraschall-Zubehör wie Sonotroden, Durchflusszellen, Reaktoren und Boostern ermöglicht die optimale Konfiguration eines Systems, das genau auf die Anforderungen unserer Kunden abgestimmt ist.

Investition

Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den 24/7 Betrieb ausgelegt. Damit ermöglichen unsere Geräte einen schnellen Return on Investment (RoI). Alupului et al. (2009) stellten bei ihren Untersuchungen fest, dass die wirtschaftliche Rechtfertigung des Einsatzes von hochintensivem Ultraschall als relativ kostengünstige Methode nicht außer Acht gelassen werden darf. Darüber hinaus überzeugt die Ultraschallextraktion durch ihre einfache Anwendung und ausgeprägte Effizienz.