Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-Extraktion von Capsaicin aus Chili

  • Capsaicin ist der wichtigste Geschmacks- und Gewürzstoff in Pfefferschoten, welche als Chili bekannt sind.
  • Um hochwertiges Capsaicin als aromatischen Geschmack- und Arzneistoff herzustellen, ist eine effiziente, aber gleichzeitig schonende Extraktionsmethode erforderlich, um eine Schädigung des Capsaicins zu vermeiden.
  • Die Ultraschallextraktion ist eine milde mechanische Extraktionsmethode, die eine hohe Ausbeute an Capsaicin in einer sehr kurzen Extraktionsdauer ermöglicht.

 

Leistungsstarke Ultraschallgeräte für hochwertige Capsaicin-Extrakte

Die Ultraschallextraktion von Capsaicinoiden aus scharfem Chilipfeffer (z.B. Capsicum frutescens) verbessert die Extraktionsausbeute deutlich. Der Leistungsultraschall fördert den Aufschluß der Zellwände sowie die Hydratation, indem intensive Ultrascahallwellen das Lösungsmittel in die Pflanzenzellen drücken. Dies führt zu einem erhöhten Stoffaustausch, bei dem die intrazellulären Substanzen (einschließlich der Capsaicinoide) aus der Pflanzenzelle in das Lösungsmittel herausgeschwemmt werden.
Als rein mechanische, nicht-thermische Verarbeitungsmethode verhindert die Ultraschallextraktion die thermischen Schädigung von thermo-labilen Verbindungen. Die Ultraschallkavitation intensiviert den Extraktionsprozess und führt zu hohen Ausbeuten bei höchster Extraktqualität. Die Investitions- und Betriebskosten von Ultraschallextraktionsgeräten sind relativ gering und ermöglichen einen schnellen Return on Investment (RoI).

Die Ultraschall-Extraktion wird zur Herstellung von Isolaten aus pflanzlichen Stoffen verwendet. Das Video zeigt die effiziente Extraktion von Aromastoffen aus Chili-Flocken mit dem UP100H.

Ultraschall-Extraktion von Chili-Flocken mit dem UP100H

Vorteile der Ultraschall-gestützten Capsaicin-Extraktion

  • Höhere Ausbeute
  • Schnelle Extraktion – innerhalb weniger Minuten
  • Hochwertige Extrakte – Mild, nicht-thermisch
  • Grüne Lösungsmittel (z.B. Wasser/Ethanol)
  • kostengünstig
  • einfache und sichere Bedienung
  • geringe Investitions- und Betriebskosten
  • 24/7 Betrieb unter hoher Last
  • grüne, umweltfreundliche Methode
2kW Batch-Ultraschallsanlage zur Herstellung von Kräuterextrakten

120L Ultraschall-Batch-Extraktion von pflanzlichen Wirkstoffen mit dem Ultraschallprozessor UIP2000hdT und einem Rührwerk

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Ultraschall-gestützte Capsaicinoid-Extraktion – im Batch oder im kontinuierlichen Durchfluss

UP400St mit Rührwerk im 8L-ExtraktionsbatchBatch: Ultraschallextraktionsprozesse können als einfache Batchprozesse oder im Inline-Verfahren betrieben werden. Im Inline- bzw. Durchflussverfahren wird Medium kontinuierlich durch einen Ultraschall-Durchflussreaktor geführt.
Die Beschallung im Batch ist ein einfaches Verfahren, bei dem die Extraktion chargenweise durchgeführt wird. Hielscher Ultrasonics bietet Ultraschallprozessoren für die Verarbeitung kleiner bis großer Chargen im Batch, d.h. 1L bis 120L.
Für die Verarbeitung von Volumina von 5 bis 10L empfehlen wir den UP400ST mit Sonotrode S24d22L2D. (siehe Bild links)
Für die Verarbeitung von Volumina mit bis zu ca. 120L empfehlen wir den UIP2000hdT mit Sonotrode RS4d40L4. (siehe Bild oben rechts)

Durchfluss: Für größere Mengen und die kommerzielle Capsaicin-Extraktion wird ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom mit Chiliflocken durch einen Ultraschallreaktor geleitet, in dem die Lösungsmittel-/Pflanzen-Slurry intensiv beschallt wird.
Für ein Volumen von ca. 8L/min. empfehlen wir den UIP4000hdT mit Sonotrode RS4d40L3 und druckbeaufschlagbarer Durchflusszelle FC130L4-3G0.

Fallstudie zur Capsaicin-Extraktion mit Ultraschall

Olguín-Rojas et al. (2019) berichten über die Extraktion und Isolierung von Capsaicinoiden miz einer Ausbeute von mehr als 96% aus drei Capsicum chinense Jacq Sorten (‘Bode’, ‘Habanero’ und ‘Habanero Roxo’ Chilis). Sie benutzten das Hielscher Ultraschallgerät UP200S (200 W, 24 kHz) . Das Chili-Probenmaterial wurde in ein temperaturkontrolliertes Wasserbad getaucht. 0,25 g der Capsicum chinense-Probe wurden 10 Minuten lang mit 25 ml Methanol eingeweicht und dann bei 50ºC, 200 W Amplitude und 0,5 Sekunden Pulsmodus beschallt. Danach wurden die Extrakte durch einen Nylon-Spritzenfilter gefiltert und mittels Chromoatographie analysiert. Bei der Analyse wurden alle fünf Hauptcapsaicinoide (n-DHC, C, DHC, h-C und h-DHC) gefunden. Die Ultraschall-Extraktion liefert einen Vollspektrum-Extrakt mit einem breiten Geschmacksprofil.

Sganzerla et al. (2014) fanden heraus, dass die Ultraschallextraktion eine ausgezeichnete Methode zur quantitativen und reproduzierbaren Extraktion von Capsaicinoiden aus Chilipfeffer mit Methanol als Lösungsmittel ist. Aufgrund der Einfachheit und Effizienz kann die Ultraschallextraktion auch für die schnelle Routineanalyse von Capsaicinoiden in Chili-Paprika eingesetzt werden.

Ultraschall-Extraktionssysteme

Hielscher Ultrasonics ist auf die Herstellung von Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für die Produktion hochwertiger Extrakte aus pflanzlichen Stoffen spezialisiert.
Das breite Produktportfolio von Hielscher reicht von kleinen, leistungsstarken Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu robusten Technikums- und Industrie-Ultraschallsystemen, welche hochintensiven Ultraschall zur effizienten Extraktion und Isolierung bioaktiver Substanzen liefern (z.B. Quercetin, Koffein, Curcumin, Terpene etc.) erzeugen. Alle Ultraschallgeräte von 200W bis 16.000W verfügen über ein farbiges Display zur digitalen Steuerung, eine integrierte SD-Karte zur automatischen Datenaufzeichnung, eine Browser-Fernsteuerung und viele weitere komfortable Funktionen. Die Sonotroden und Durchflusszellen (die mit dem Medium in Berührung kommenden Teile) sind autoklavierbar und leicht zu reinigen. Alle unsere Ultraschallgeräte sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt, wartungsarm sowie einfach und sicher zu bedienen.
Ein digitales Farbdisplay ermöglicht eine benutzerfreundliche Steuerung des Ultraschallgeräts. Unsere Systeme sind in der Lage, das volle Spektrum von niedrigen bis sehr hohen Amplituden zu liefern. Für die Extraktion von Polyphenolen und anderen bioaktiven Phytochemikalien wie Capsaicinoiden bieten wir spezielle Ultraschallsonotroden (auch bekannt als Ultraschallstab, -finger oder -horn) an, welche für die effiziente Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die präzise Kontrolle der Ultraschallprozessparameter sichern Reproduzierbarkeit und Prozessstandardisierung.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
0,5 bis 1,5 ml n.a. VialTweeter
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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Literatur

  • Barbero G.F., Liazid A., Palma M., Barroso C.G. (2008): Ultraschallunterstützte Extraktion von Capsaicinoiden aus Paprika. Talanta 75, 2008. 1332-1337.
  • Boonkird S.; Phisalaphong C.; Phisalaphong M. (2008): Ultraschallunterstützte Extraktion von Capsaicinoiden aus Capsicum frutescens im Labor- und Technikumsmaßstab. Ultraschallsonochemie, 15, 2008. 1075-1079.
  • Lu M.; Ho Ch.-T.; Huang Q. (2017): Extraktion, Bioverfügbarkeit und Biowirksamkeit von Capsaicinoiden. Journal of Food and Drug Analysis Vol. 25, Ausgabe 1, Jan. 2017. 27-36.
  • Olguín-Rojas J.A.; Fayos O.; Vázquez-León L.A.; Ferreiro-González M.; del Carmen Rodríguez-Jimenes G.; Palma M.; Garcés-Claver A.; Barbero G.F. (2019): Progression des gesamten und individuellen Capsaicinoidgehalts in den Früchten von drei verschiedenen Sorten von Capsicum chinense Jacq. Agronomie 2019, 9, 141.
  • Sganzerla M.; Pereira Coutinho J.; Tavaresde Melo A.M.; Teixeira Godoy H. (2014): Schnelle Methode zur Capsaicinoidanalyse aus Capsicum chinense Früchten. Food Research International, Vol. 64, Oktober 2014. 718-725.


Wissenswertes

Capsaicinoide

Chilischoten ist auf der ganzen Welt beliebt und werden oft als Gewürz verwendet, um einen scharfen und scharfen Geschmack zu erzielen. Capsaicinoide sind Geschmacksverbindungen in rotem Paprika und Chilis, welche hauptsächlich aus Capsaicin (trans-8 Methyl-N-Vanillyl-6-nonenamid) und Dihydrocapsaicin (8-Methyl-N-Vanillylnonanamid), Nordihydrocapsaicin, Homocapsaicin und Homodihydrocapsaicin bestehen. Capsaicin und Dihydrocapsaicin sind die am häufigsten vorkommenden Capsaicinoide, welche für ca. 90% der Schärfe und Würze verantwortlich sind. Insgesamt wurden mehr als 20 Capsaicinoide in verschiedenen Pfefferarten unterschieden.
Capsaicinoide sind die bekanntesten Phytochemikalien in Paprika und Chili. Es handelt sich um nichtflüchtige Alkaloide, d.h. chemisch saure Amide der C9-C11 verzweigtkettigen Fettsäuren und Vanillylamin. Capsaicinoide sind für den scharfen und würzigen Geschmack in Chilis und Paprika verantwortlich und sind eine beliebte Gewürzzutat. Neben ihrer Verwendung als Lebensmittelzutat sind Capsaicinoide bekannt für ihre pharmakologischen Eigenschaften, zu denen u.A. ihre Funktion als Chemoschutz gegen Mutagenese oder Tumorentstehung, als Antimikrobika, als Antioxidantien, für ihre krebshemmende Wirkung, ihre schmerzstillende Wirkung und ihre Wirkung auf die für die Schmerzübertragung und neurogene Entzündung verantwortliche Neuronale gehören. Eine weitere häufige Anwendung von Capsaicinoiden ist in topischen Schmerzmitteln, z.B. in antiarthritischen und entzündungshemmenden Salben sowie als natürlicher Inhibitor von pathogenen Mikroorganismen.
In der Lebensmittelindustrie werden Capsaicinoide aufgrund ihrer antimikrobiellen Eigenschaften manchmal als natürliches Konservierungsmittel zugesetzt.

Die Chilisorten Capsicum annuum L., Capsicum frutescens L., Capsicum baccatum L., Capsicum pubescens Ruiz & Pav., und Capsicum chinense werden weltweit angebaut und sind dadurch sehr bekannt.