Turbo-Extraktion von Zimt mittels Ultraschall

Die traditionelle Zimtextraktion ist zeitaufwendig und relativ ineffizient. Die Ultraschall-Extraktion ist eine einfache, aber hocheffiziente Prozessintensivierungstechnik, welche die Extraktionszeit auf wenige Stunden verkürzt und gleichzeitig die Ausbeute an ätherischem Zimtöl deutlich erhöht.

Verbesserte Zimtextraktion durch Ultraschall

Cinnamon bark and powder for ultrasonic extraction of cinnamon essential oil.Die traditionelle Extraktion von ätherischem Zimtöl erfolgt durch Wasserdampfdestillation von Zimtrinde und Zimtblättern. Die traditionelle Wasserdampfdestillation ist sehr langsam und zeitaufwendig. Je höher die angestrebte Ausbeute an Zimtöl ist, desto länger dauert die Wasserdampfdestillation. Im Durchschnitt dauert die Wasserdampfdestillation eines Kessels mit Zimtblättern bis zu 12 Stunden, während die Wasserdampfdestillation von Zimtrinde oftmals mehr als 24 Stunden dauern kann. Die Ultraschall-Extraktion bricht die Zellstrukturen der Zimtrinde und der Blätter auf, so dass das Zimtöl schnell und vollständig freigesetzt wird. Die Ultraschallextraktion beschleunigt die Wasserdampfdestillation erheblich, verkürzt die Verarbeitungszeit von einem ganzen Tag auf wenige Stunden und erhöht gleichzeitig die Ausbeute an ätherischem Zimtöl.
Die Ultraschallextraktion setzt das gesamte Spektrum aromatischer Zimtverbindungen frei, einschließlich Zimtaldehyd, Linalool, Eugenol und Zimtsäure. Die Erzielung eines Vollspektrum-Extrakts aus hochwertigen ätherischen Ölverbindungen ist der Grund für die überlegene Qualität der ultraschall-extrahierten Zimtöle. Insbesondere Zimtaldehyd, die wichtigste organische Verbindung, verleiht dem Zimt seinen charakteristischen Geschmack und Duft. Da es sich bei der Ultraschallbehandlung um eine nicht-thermische Behandlung handelt, wird der thermische Abbau der ätherischen Ölverbindungen verhindert. Daher entstehen durch die Ultraschall-Extraktion aroma-intensive ätherische Öle, die höchsten Qualitätsstandards entsprechen.
Die Ultraschallextraktion kann bei Zimtrinde und Zimtblättern angewendet werden. Zimtblattöl hat im Vergleich zu Rindenöl einen intensiveren Geruch. Zimtblätter enthalten hohe Mengen an Eugenol.

Vorteile der Zimtextraktion mittels Ultraschall

  • Höhere Erträge
  • hohe Qualität
  • schnelle Extraktion
  • Niedrigere Temperatur
  • Kosteneffizient
Ultrasonic extraction gives superior cinnamon essential oil yields in a rapid process

Ultraschall-Extraktor UIP4000hdT für die kontinuierliche Zimtextraktion

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Weshalb die Ultraschall-Extraktion die traditionelle Dampfdestillation übertrifft

Um aus Zimt mittels Wasserdampfdestillation ätherische Öle herzustellen, müssen die ätherischen Öle zunächst aus der pflanzlichen Matrix (d.h. aus den Pflanzenzellen in den Zimtblättern oder der Rinde) freigesetzt werden. Bei der Wasserdampfdestillation wird das Zimtpflanzenmaterial bis zu 24 Stunden in Kesseln gekocht. Hitze allein ist relativ ineffizient, um die Zellstrukturen aufzubrechen und die eingeschlossenen ätherischen Öle freizusetzen. Im Allgemeinen werden durch das Kochen die eingeschlossenen ätherischen Öle nicht vollständig freigesetzt, und größere Mengen an zurückgebliebenen Ölen gehen verloren, da sie nicht extrahiert wurden. Nach der hitze-basierten Extraktion findet die eigentliche Wasserdampfdestillation statt. Dazu wird ein Gemisch aus zwei nicht-mischbaren Flüssigkeiten (d.h. ätherisches Öl und Wasser) zum Sieden gebracht. Diese Mixtur siedet, wenn ihr kombinierter Dampfdruck 760 mm Hg beträgt. Der Siedepunkt eines Gemisches aus Wasser und ätherischem Öl ist daher niedriger als der Siedepunkt der beiden Komponenten getrennt voneinander. Die traditionelle Wasserdampfdestillation hat größere Nachteile: Der lange Siede- und Dampfprozess während der Hydrodestillation ist sehr zeit- und energieaufwendig.
Die Ultraschallextraktion basiert auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation. Akustische Kavitation entsteht, wenn Hochleistungs-Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit (z.B. eine Suspension aus pflanzlichem Material in einem Lösungsmittel oder Wasser) eingekoppelt werden. Die Ultraschallwellen durchlaufen die Flüssigkeit und verursachen abwechselnd Hoch- und Niederdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen (sogenannte Kavitationsblasen), die über mehrere Druckzyklen wachsen. Ab einer bestimmten Grösse, wenn die Blasen keine zusätzliche Energie mehr absorbieren können, implodieren sie während eines Hochdruckzyklus heftig. Die Blasenimplosion ist gekennzeichnet durch intensive Kavitationskräfte, einschließlich Mikroturbulenzen und Flüssigkeitsströmungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 m/s. Diese kavitativen Schereffekte sind auch als sonomechanische Effekte bekannt. Die Ultraschall-Extraktion bioaktiver Moleküle wird hauptsächlich durch sonomechanische Effekte hervorgerufen: Die Bewegung und Turbulenzen schließen die Zellen auf und fördern den Stoffaustausch. Das bedeutet, dass die bioaktiven Moleküle wie ätherische Öle, Polyphenole, Terpene, Cannabinoide etc. aus der pflanzlichen Zellmatrix in das Lösungsmittel freigesetzt werden.
Der Vorteil der Ultraschall-Extraktion gegenüber dem traditionellen Auskochen und der Dampfdestillationsmethode liegt in der vergleichsweise höheren Extraktionausbeute an ätherischen Ölen und anderen organischen Verbindungen in einer wesentlich kürzeren Zeit. Durch eine komplette Extraktionsausbeute wird die Verschwendung von Rohmaterialien vermieden und macht die Extraktion lukrativer. Die durch Ultraschallextraktion erzielten Zeit- und Energieeinsparungen sind beträchtlich. Als nicht-thermische Methode verhindert die Ultraschall-Extraktion außerdem die hitze-bedingte Zersetzung der wärmeempfindlichen Verbindungen.
Die milden Temperaturen und die kurze Verarbeitungszeit sind wesentliche Vorteile der Ultraschallextraktion, da eine thermische Zersetzung der natürlichen Extrakte verhindert wird. Dies macht die Ultraschall-Extraktion hocheffizient, so dass durch die Ultraschall-Extraktion ätherische Öle von höchster Qualität entstehen.

Fallstudien zur Ultraschall-Extraktion von Zimt

Forschung und Industrie haben die Ultraschall-Extraktion bereits für die Herstellung hochwertiger ätherischer Öle aus vielen pflanzlichen Stoffen wie u.a. aus Zimtblättern und Rinde übernommen.

Ultraschall-Hydrodestillation von Zimt

Chen et al. (2020) untersuchten die ultraschall-gestützte Hydrodestillation und kamen zu dem Schluss, dass die Beschallung den Destillationsprozess signifikant verbessert. Die Ultraschall-Dampfdestillation lieferte höhere Ausbeuten an Zimtöl innerhalb einer drastisch verkürzten Extraktionszeit. Mit Hilfe der GC-MS-Analyse zeigten sie, dass die ultraschall-gerstützte Hydrodestillation im Vergleich zur traditionellen Hydrodestillation wertvolleres, hochwertigeres ätherisches Öl mit einem hohen Gehalt der Hauptverbindung Trans-Zimtaldehyd lieferte. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) bestätigten die Effizienz der Beschallung für die Zimtöl-Extraktion. Darüber hinaus zeigt die Analyse des Stromverbrauchs und der CO2-Emission, dass das ultraschall-gestützte Hydrodestillationsverfahren der wirtschaftlichere und umweltfreundlichere Ansatz ist. Daher fassen Chen et al. zusammen, dass die ultraschall-gestützte Hydrodestillation eine effiziente und umweltfreundliche Technologie für die Extraktion von ätherischem Zimtöl ist, welche die Menge und Qualität von Zimtölen verbessert.

Ultraschall-Zimtextraktion mit stark eutektischen Lösungsmitteln

Die Ultraschall-Extraktion mit tiefen eutektischen Lösungsmitteln hat sich als überlegene Extraktionsmethode erwiesen, um hohe Ausbeuten an trans-Zimtaldehyd und Cumarin aus Zimtrinde zu gewinnen.
Die Anwendung der ultraschall-gestützten Methode unter optimalen Bedingungen ergab einen höheren Gehalt an trans-Zimtaldehyd und Kumarin als diejenigen Versuchsergebnisse, die mittels konventioneller Methoden (Reflux, Soxhlet und Mazeration) unter Verwendung organischer Lösungsmittel (96% Ethanol) extrahiert wurden. Die optimalen Bedingungen für die Ultraschallextraktion mit natürlichen tiefen eutektischen Lösungsmitteln waren folgende: Mit Cholinchlorid Zitronensäure (ChCl-CA) bei 40% Wasserzugabe und einer 30-minütigen Extraktionszeit wurden hohe Ausbeuten an trans-Zimtaldehyd (9,24 ± 0,01 mg/g) und Cumarin (11,6 ± 0,11 mg/g) aus Zimtrinde (C. burmannii Blume) extrahiert. Weitere Untersuchungen sind geplant, welche die pharmakologische Aktivität des trans-Zimtaldehyds und des Cumarins aus Zimtrinde untersuchen. (vgl. Aryati et al. 2020)

Ultrasonic extraction of essential oils from cinnamon results in exceptional high yields.

Das die Rasterelektronenmikroskopie-Bilder zeigen die Obrfläche der Zimtrinde mit in 1000facher Vergrößerung; getrocknetes Pulver (a); nach Mazerationsextraktion (b); nach Refluxextraktion (c); nach Soxhlet-Extraktion (d); nach Ultraschall-Extraktion mit tiefen eutektischen Lösungsmitteln (e).
Studie und Bild von Aryati et al. 2020

Ultrasonic batch extraction of cinnamon essential oils

Der UIP2000hdT ist ein 2kW starkes Ultraschallgerät für die Zimtextraktion

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Leistungsstarke Ultraschall-Extraktoren

Die Ultraschall-Extraktion ist eine zuverlässige Verarbeitungstechnologie, welche die Herstellung hochwertiger ätherischer Öle vereinfacht und beschleunigt. Das Portfolio von Hielscher Ultrasonics deckt die gesamte Bandbreite vom kompakten Labor-Ultraschallgerät bis zum industriellen Extraktionssystem ab. Dadurch können wir Ihnen das für Ihre geplante Prozessleistung am besten geeignete Ultraschallgerät anbieten. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeiter begleiten Sie von der Machbarkeitsprüfung über die Prozessoptimierung bis hin zur Installation der Ultraschallanlage in Ihrer Fertigungslinie.
Dank der geringen Stellfläche unserer Ultraschallextraktoren sowie ihrer vielseitigen Installationsmöglichkeiten finde sie selbst in beengten Produktionslinien Platz. Ultraschallprozessoren werden weltweit in Produktionsanlagen für Lebensmittel, Pharmazeutika und Nahrungsergänzungsmittel eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics – Hochentwickelte Extraktionssysteme

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics umfasst die gesamte Palette von Hochleistungs-Ultraschallextraktoren - von handlichen und kompakten bis hin zu großen industriellen Geräten. Zusätzliches Zubehör ermöglicht die einfache Zusammenstellung der am besten geeigneten Ultraschallgerätekonfiguration für Ihren Insektenproteinprozess. Die optimale Ultraschallkonfiguration hängt von der geplanten Kapazität, dem Volumen, dem Rohmaterial, der Charge oder dem Inline-Prozess und dem Zeitlimit ab.

Batch und Inline

Hielscher Ultraschallgeräte können für Batch- und kontinuierliche Durchflussverarbeitung eingesetzt werden. Die Ultraschall-Batch-Verarbeitung eignet sich ideal für die Prozessprüfung und -optimierung sowie für kleine bis mittlere Produktionsgrößen. Für die Produktion großer Extraktmengen (z.B. ätherische Öle aus Zimtblättern und Zimtrinde) ist die Inline-Verarbeitung vorteilhafter. Während die Batch-Verarbeitung sehr einfach zu implementieren ist, ist sie jedoch zeit- und arbeitsintensiver. Ein kontinuierlicher Inline-Extraktionsprozess erfordert ein ausgeklügelten Aufbau – bestehend aus einer Pumpe, Schläuchen oder Rohren und Tanks. Dafür ist die kontinuierliche Ultraschallverarbeitung effizienter, schneller und erfordert wesentlich weniger Arbeit. Hielscher Ultrasonics hat die am besten geeignete Extraktionsanlage für Ihr Extraktionsvolumen und Ihre Prozessziele.

Ultraschall-Extraktoren für jede Produktkapazität

UIP4000hdT Ultraschallreaktor für die Inline-Beschallung im industriellen MaßstabDie Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum der Ultraschallprozessoren ab, von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tisch- und Pilotsysteme bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit der Kapazität zur Bearbeitung von LKW-Ladungen pro Stunde. Die umfassende Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen den für Ihr Rohmaterial, Ihre Prozesskapazität und Ihre Produktionsziele das am besten geeigneten Ultraschall-Extraktionssystem anzubieten.
Ultraschall-Bechtop-Systeme sind ideal für Machbarkeitstests und Prozessoptimierung. Das lineare Scale-up auf der Grundlage etablierter Prozessparameter macht es sehr einfach, die Verarbeitungskapazitäten von kleineren Losen auf die vollständig kommerzielle Produktion zu erhöhen. Das Sclae-up kann entweder durch die Installation eines leistungsstärkeren Ultraschall-Extraktionssystems oder durch den parallelen Cluster-Aufbau mehrerer Ultraschallgeräte erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschall-Extraktor an.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Hielscher Ultraschallgeräte sind präzise steuerbar und damit zuverlässige Arbeitstiere in der Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, die die Effizienz und Effektivität der Ultraschall-Extraktion von ätherischen Ölen aus Zimt beeinflussen.
Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.Alle Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, welche es erlauben, die Amplitude in einem noch größeren Spektrum zu verändern. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschall-Prozessparameter durch eine intelligente Software geben Ihnen die Möglichkeit, Ihre Zimtblätter und Zimtrinde unter den effektivsten Ultraschallbedingungen zu verarbeiten. Optimale Beschallung für beste Extraktionsergebnisse!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7/365-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Das macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitsgerät, das Ihre Extraktionsanforderungen erfüllt.

Einfache, risikofreie Erprobung

Ultraschallprozesse können vollständig linear skaliert werden. Das bedeutet, dass jedes Ergebnis, das Sie mit einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät erzielt haben, auf exakt die gleiche Effizienz in größeren Volumina unter Beibehaltung der linear angepassten Prozessparametern skaliert werden kann. Dies macht Ultraschall ideal für risikofreie Machbarkeitsprüfungen, Prozessoptimierung und die anschließende Implementierung in die kommerzielle Fertigung. Kontaktieren Sie uns, um zu erfahren, wie die Ultraschall Ihre Zimtextraktproduktion steigern kann.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher auf höchste Qualitätsstandards für seine Ultraschallprozessoren. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, hergestellt und gründlich getestet. Robustheit und Zuverlässigkeit machen Hielscher Ultraschallgeräte zu einer zuverlässigen Technologie in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Merkmal der Hielscher Hochleistungsmischer.

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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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.

Literatur / Literaturhinweise



Wissenswertes

Zimt

Ceylon-Zimt, auch als "echter Zimt" oder Cinnamomum zeylanicum bekannt, wird wegen seines intensiven Geschmacks geschätzt, der als zimt-typisch betrachtet wird. Ceylon-Zimt stammt aus der krümeligen inneren Rinde des Zimtbaums Cinnamomum zeylanicum und hat einen süßen und delikaten Geschmack. Seine Farbe ist hellbraun.
Cassia, oder Cinnamomum aromaticum, hat einen herberen, intensiveren Geschmack mit einer weniger stark ausgeprägten Süße und intensiveren anderen Geschmacksverbindungen. Daher wird Cassia-Zimt häufig in Backwaren und Rezepten verwendet, die auch andere Gewürze enthalten. Die Farbe des Cassia-Zimtes ist ein dunkleres Rotbraun. Cassia-Zimtstangen sind eher hart und holzig. Kassia ist billiger in der Herstellung und hat einen günstigeren Marktpreis als Ceylon.
Saigon-Zimt, oder Zimt loureiroi, ist das wertvollste Mitglied der Cassia-Familie. Er hat einen vollen, komplexen Geschmack mit sehr wenig Süße. Da es sich bei Saigon-Zimt um eine Spezialität handelt, ist er ziemlich teuer.

Ätherische Öle

Ätherische Öle sind konzentrierte flüchtige aromatische Verbindungen, die in Pflanzen vorkommen und diesen ihre einzigartigen Düfte verleihen. Im Gegensatz zu Fettsäuren sind ätherische Öle flüchtige, hochkonzentrierte ölige Substanzen, welche in Blüten, Blättern, Stängeln, Wurzeln, Samen, Rinde, Harz oder Fruchtschalen enthalten sind. Ätherische Öle sind hydrophob, sind aber im Gegensatz zu tierischen und pflanzlichen Ölen nicht aus Fettsäuretriglyceriden (d.h. gesättigten, einfach ungesättigten und mehrfach ungesättigten Fettsäuren) zusammengesetzt. Hauptbestandteile der ätherischen Öle sind z.B. hydrophobe Terpene, die sich von Fettsäuren unterscheiden, da sie keine Triglyceride der Fettsäuren enthalten.