Ultraschallextraktion von Koffein

Ultraschall ist eine effektive Methode, um Koffein und andere aktive Verbindungen aus Kaffee zu extrahieren. Leistungsstarke Ultraschallgeräte unterstützen den Extraktionsprozess, wodurch der Ertrag maximiert und die Verarbeitungszeit reduziert werden.

Verbesserte Koffeinextraktion mit Power-Ultraschall

Der Geschmack von Kaffee und die Wirkung von Koffein sind eine Leidenschaft, die seit Jahrhunderten von Millionen Menschen auf der ganzen Welt geteilt wird. Auf der Suche nach Möglichkeiten, die Extraktion von Koffein, bioaktiven Verbindungen und Aromen aus Kaffeebohnen zu verbessern, haben sich innovative Techniken entwickelt, die den Prozess revolutionieren. Eine dieser Methoden, die Nutzung der Kraft des Ultraschalls, hat sich als vielversprechendes Werkzeug zur Verbesserung der Effizienz der Koffeinextraktion erwiesen. Hielscher Sonicators ermöglichen eine höhere Ausbeute an Koffein und erschließen neue Dimensionen von Geschmack und Aroma in Kaffeegetränken, Lebensmittelzusatzstoffen und Extrakten.

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Ultraschallgerät UIP6000hdT für die industrielle Entkoffeinierung von Kaffeebohnen, Tee und Kakao. Die Ultraschallbehandlung erleichtert und intensiviert den Prozess der Swiss Water Decaffeination.

Industrie-Ultraschallgerät UIP6000hdT für die kontinuierliche Koffeinextraktion aus Kaffeebohnen

 

Die Ultraschall-Extraktion ist die überlegene Methode zur Herstellung von kalt gebrühtem Kaffee aus gemahlenem Kaffee. Durch die Beschallung werden die Geschmacksverbindungen und das Koffein innerhalb von Sekunden freigesetzt.

Ultraschall-Extraktion von Koffein und Kaltbrühkaffee

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Die Vorteile der Extraktion von Kaffeebohnen durch Sonikation

Hohe Effizienz und beste Kaffee-Extraktqualität sind nur zwei Kriterien, die den Einsatz von Hielscher Sondenschallgeräten zur besten Methode für die Extraktion von Koffein und Kaffeebestandteilen aus Kaffeebohnen machen. Nachfolgend sind die wichtigsten Vorteile der Kaffee-Extraktion mit Ultraschall aufgeführt:

  • Effizienz: Sondenschallgeräte erzeugen intensive Ultraschallwellen, die feste Materialien effektiv durchdringen können. Dadurch wird die Struktur der Kaffeebohne aufgebrochen und die Extraktion des Koffeins erleichtert.
  • Präzise Kontrolle: Sondenschallgeräte ermöglichen eine präzise Steuerung der Ultraschallenergie und der Einwirkzeit. Diese Kontrolle ist wichtig, um eine Überextraktion zu vermeiden, die zu unerwünschten Aromen und Bitterkeit im Kaffeeextrakt führen kann.
  • Geschwindigkeit: Die Beschallung ist ein schnelles Verfahren, und Sondenschallgeräte können die Extraktionszeit im Vergleich zu herkömmlichen Methoden erheblich verkürzen, was den Prozess effizienter macht.
  • Einheitlichkeit: Die Ultraschallwellen sorgen für eine gleichmäßigere Extraktion des gesamten Kaffeebohnenmaterials, wodurch sichergestellt wird, dass das Koffein gleichmäßig extrahiert wird.
  • Reduzierter Verbrauch von Lösungsmitteln: Bei der Ultraschallextraktion wird im Vergleich zu herkömmlichen Methoden oft weniger Lösungsmittel benötigt. Dies kann umweltfreundlich und kostengünstig sein.
  • Konservierung von Aromastoffen: Die Sondenbeschallung kann so optimiert werden, dass Koffein selektiv extrahiert wird, während andere Geschmacksstoffe weitgehend intakt bleiben. Dies ist wichtig, um die Qualität und den Geschmack des Kaffeeextrakts zu erhalten.
  • Skalierbarkeit: Mit Hielscher Ultrasonica lassen sich Ultraschallextraktionsprozesse für industrielle Anwendungen linear hochskalieren. Das heißt, Machbarkeit und Prozessoptimierung können im Labormaßstab erfolgen und dann risikofrei und einfach auf den Produktionsdurchsatz skaliert werden.
Ultraschallsonde UP400St für die effiziente Extraktion von Koffein aus Kaffeebohnen, Tee und Kakao. Die Ultraschallbehandlung intensiviert und verbessert den Prozess der Swiss Water Decaffeination.

Ultraschallsonde UP400ST für die effiziente Extraktion von Koffein aus Kaffeebohnen, Tee und Kakao.

 

In dieser Präsentation führen wir Sie in die Herstellung botanischer Extrakte ein. Wir erläutern die Herausforderungen bei der Herstellung hochwertiger botanischer Extrakte und wie ein Sonicator Ihnen helfen kann, diese Herausforderungen zu meistern. Diese Präsentation zeigt Ihnen, wie die Ultraschallextraktion funktioniert. Sie erfahren, welche Vorteile Sie bei der Verwendung eines Sonicators für die Extraktion erwarten können und wie Sie einen Ultraschallextraktor in Ihre Extraktproduktion integrieren können.

Botanische Ultraschallextraktion - Wie man Ultraschallgeräte zur Extraktion botanischer Substanzen verwendet

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Ultraschallextraktion von Wirkstoffen aus Kaffee

Die ultraschall-gestützte Extraktion ist eine gängige Methode, um bioaktive Substanzen aus Pflanzenmaterial zu isolieren. [Dong et al. 2010] Koffein und die antioxidativen Phenolverbindungen sind wohl die wertvollsten Extrakte aus Kaffee, da diese sowohl in der Pharma- als auch in der Lebensmittelindustrie Verwendung finden. Aber auch Flavonoide, Chlorogensäure und Protocatechusäure sind Auszüge, welche häufig als Zusatzstoffe genutzt werden.
Bei traditionellen Extraktionsmethoden wie der Flüssig-Flüssig-Extraktion in Lösungsmitteln steigt der Extraktionsertrag nrmalerweise mit zunehmender Extraktionstemperatur. Dadurch werden jedoch die Extrakte beschädigt und verlieren an Qualität, da erhöhte Temperaturen die Stabilität der Phenolverbindungen negativ beeinflussen.
Die ultraschallunterstützte Fest-Flüssig-Extraktion hat sich als effektive und zeitsparende Extraktionsmethode erwiesen. Die sehr starken Ultraschallkräfte liefern die notwendige Energie für die Extraktion, so dass weniger oder gar keine Lösungsmittel benötigt werden. Die Temperatur kann gut kontrolliert werden, da der beschallte Batch- oder Durchflusszellenreaktor effizient gekühlt (oder bei Bedarf beheizt) werden kann.
Aufgrund der intensiven Extraktionskräfte des Ultraschalls ist auch der bereits verbrauchte Kaffeemehl (Kaffeereste) immer noch ein Rohstoff, der reich an extrahierbaren Verbindungen ist. Da Kaffeemüll billig und in großen Mengen verfügbar ist, ist er ein idealer Rohstoff für die Extraktion der restlichen Wirkstoffe. Obwohl der Gehalt an Koffein und anderen Bestandteilen in Kaffeeabfällen geringer ist als in unbenutztem Kaffeepulver, bleibt dennoch eine große Menge übrig und ist extrahierbar. Um diese Verbindungen aus dem Kaffeemehl freizusetzen, wird der volle Einfluss auf die Verarbeitungsparameter besonders wichtig. Der Hochleistungsultraschall ist in der Lage, in kurzer Zeit große Mengen an Wirkstoffen zu extrahieren.

Ultraschallextraktor auf einem Reaktor für die Extraktion von bioaktiven Verbindungen aus Tee und Kaffee

Ultraschallextraktor UIP2000hdT für die Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Kaffeebohnen

Hochleistungssonicatoren für die Kaffeeextraktion

Acoustic cavitation as shown here at the Hielscher ultrasonicator UIP1500hdT is used to initiate and promote chemical reactions. Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1500hdT (1500W) ultrasonicator for sonochemical reactions.Um die ultraschall-assistierte Extraktion zu verstehen, muss man die Wirkung von Ultraschall in Flüssigkeiten kennen.
Ultraschall – in Flüssigkeiten eingetragen – verursacht lokal sehr extreme Effekte. Bei der Beschallung von Flüssigkeiten mit hohen Intensitäten führen die Schallwellen, die sich in den flüssigen Medien ausbreiten, zu abwechselnden Hochdruck- (Kompression) und Niederdruckzyklen (Verdünnung), deren Geschwindigkeit von der Frequenz abhängt. Während des Niederdruckzyklus erzeugen die hochintensiven Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine Energie mehr absorbieren können, kollabieren sie gewaltsam während eines Hochdruckzyklus. Dieses Phänomen wird als akustische Kavitation bezeichnet. Bei der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5.000K) und Drücke (ca. 2.000atm) erreicht. Durch die Implosion der Kavitationsblase entstehen zudem Flüssigkeitsstrahlen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 280m/s. (Suslick 1998) Durch diese extremen Kräfte kommt es zur Sonolyse, die Zellwände werden aufgebrochen und intrazelluläres Material wird extrahiert.
Im Vergleich zu konventionellen Extraktionstechniken ist die ultraschallgestützte Extraktion ist eine einfache, effiziente und kostengünstige Methode. Zu den wichtigsten Vorteile des Ultraschalleinsatzes in der Fest–Flüssig-Extraktion zählen die Steigerung der Extraktionsausbeute sowie der schnellere Massetransfer. Die Ultraschallextraktion ist eine häufig anwendete Technik für die Extraktion von Pflanzenmaterial in Lösungsmitteln. Es ist erwiesen, dass Ultraschall im Vergleich zu traditionellen Methoden für eine schnellere und vollständigere Extraktion liefert, da die Transferfläche zwischen der festen und flüssigen Phase aufgrund des effizienten Zellaufschlusses und der feinen Partikeldispersion deutlich größer ist.
Durch den Einsatz der Beschallung kann auch die Betriebstemperatur gesenkt werden, was die Extraktion temperaturempfindlicher Bestandteile ermöglicht. Im Vergleich zu anderen neuen Extraktionstechniken wie der mikrowellenunterstützten Extraktion ist das Ultraschallgerät billiger und einfacher zu bedienen. Außerdem kann die ultraschallunterstützte Extraktion mit jedem beliebigen Lösungsmittel, wie z. B. der Soxhlet-Extraktion, zur Extraktion einer Vielzahl von Naturstoffen verwendet werden. [Wang et al. 2006]
Der grundlegende Vorteil des Ultraschallverfahrens gegenüber anderen Methoden ist die vollständige Kontrolle der wichtigsten Parameter: Amplitude, Zeit, Temperatur, Druck und Konzentration/ Viskosität. Dadurch kann der Extraktionsprozess optimiert und somit sichergestellt werden, dass die Struktur der Extrakte nicht beschädigt wird.

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Verbesserte Koffeinextraktion durch Sonikation

Koffein ist das am häufigsten konsumierte Genussmittel mit aufputschender Wirkung. Koffein wird nicht nur als Kaffee in gebrühter Form getrunken. Häufig wird Koffeinextrakt auch anderen Produkten als Zusatzstoff beigemengt. Dadurch ist es möglich, stärkere Kaffeegetränke oder Softdrinks (z.B. Cola), Energy-Drinks oder andere Nahrungmittel (z.B. Schokolade, Bonbons) zu formulieren.
Koffein wird aber nicht nur als Zusatzstoff in der Lebensmittelherstellung verwendet, sondern ist auch ein wichtiger Wirkstoff in Arzneimitteln. Eine häufige Anwendung von Koffeinextrakt ist z.B. die Beimischung in Medikamenten gegen Kopfschmerzen und Migräne oder in Schmerzmitteln.
Für die Extraktion von Koffein, dem Hauptalkaloid im Kaffee, ist die Ultraschallbehandlung eine geeignete Methode. Wang und seine Kollegen fanden heraus, dass nur eine kurze Extraktionszeit erforderlich ist, um einen gesättigten Zustand zu erreichen, wenn Ultraschall verwendet wird. Das bedeutet, dass Ultraschall eine sehr effiziente und zeitsparende Technik zur Gewinnung von Koffein ist. [Wang et al. 2011]

Aromatische Moleküle und Aromastoffe

Koffein kann mit Hilfe von Sonicatoren extrahiert werden. Die Koffeinextraktion mit Ultraschall zeichnet sich durch höhere Ausbeuten und kürzere Verarbeitungszeiten aus.Die flüchtigen Kaffeekomponenten sind die wertvollsten Bestandteile der gerösteten Kaffeebohne und vermitteln Kaffee seinen einzigartigen Geschmack und Duft. Die Qualität von löslichem Kaffeepulver (Instant-Kaffee) kann durch die Zugabe von aromatischen Kaffeeölen erheblich verbessert werden.
In einer vergleichenden Studie zur Gewinnung von Phenolverbindungen aus Erdbeeren konnte gezeigt werden, dass bei einer ultraschall-gestützten Extraktion die Phenole weniger beschädigt und zersetzt werden und zudem die Ultraschallextraktion im Vergleich zu anderen Verfahren, wie beispielsweise der Fest-Flüssig-Extraktion, der subkritischen Wasserextraktion und der Mikrowellenextraktion, deutlich schneller abläuft. [Herrera et al. 2005]
Die Studie von Wang und seinen Kollegen zeigt, dass Ultraschall mit niedriger Frequenz und hoher Leistung für die Extraktion von Kaffeearomen effizienter ist. Insbesondere für 4-Tridecanon und 2-Methoxy-3-Methylpyrazin stellten sie fest, dass die Ultraschallextraktion eine einfachere und effizientere Technik ist, die eine sehr hohe Extraktionsausbeute ermöglicht. Außerdem zeigte sich, dass die Temperatur kontrolliert werden muss, da die Kaffeearomakomponenten bei hohen Temperaturen sehr flüchtig sind. Sie erzielten gute Extraktionsergebnisse im Temperaturbereich zwischen 35 und 65 °C unter relativ kurzzeitiger Ultraschallbestrahlung. [Wang et al. 2011]

 

In diesem Videoclip zeigen wir Ihnen, wie Sie mit einem Kaffeepad und dem UP200Ht Sonden-Ultraschallgerät schnell Ihren Cold Brew Coffee zubereiten können.

Kalt gebrühter Kaffee mit Sonicator (Hielscher UP200Ht Sonicator)

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Verbesserte Tee-Extraktion durch Sonikation

Die Ergebnisse von ultraschallgestützte Extraktion erreicht sind auch geeignet für die Extraktion von Tee-Verbindungen (z.B. grünen Teeblättern). Eine Studie von Xia et al. zeigte Teeaufgüssen behandelt als bei ultraschall durch solche mit einem deutlich höheren Gehalt an Tee-Polyphenole, Aminosäure und Koffein in konventioneller Extraktion gewonnen. Dies führt zu verbesserten Ergebnissen bei einer organoleptischen Bewertung, dass ich herausgestellt: die sensorische Qualität der Teeinfusion mit Ultraschall-unterstützte Extraktion als die mit herkömmlicher Extraktion von Teeinfusion besser war. [Xia et al. 2005]

Hielscher Ultraschallgeräte, z.B. UP200S (im Bild), werden sehr erfolgreich für die Extraktion von intrazellulären Substanzen eingesetzt.

Ultraschall-Extraktion aus Kräutern

Schlussfolgerung: Hocheffiziente Koffeinextraktion mit Ultraschall

Die ultraschallunterstützte Extraktion ist ein effizientes, zeitsparendes und kontrollierbares Verfahren zur Gewinnung von Wirkstoffen aus Kaffee. Die interessantesten und wertvollsten Verbindungen sind Koffein und Antioxidantien wie phenolische Diterpene (Caffestol, Kahweol) und Ascorbinsäuren. Die Hauptvorteile der ultraschallunterstützten Extraktion sind Extrakte von ausgezeichneter Qualität bei hoher Ausbeute. Diese Vorteile der Ultraschallextraktion werden durch die Optimierung und präzise Steuerung der Ultraschallextraktionsparameter erreicht.

Hochleistungssonicatoren für die Koffeinextraktion

Wenn es um die Extraktion von Koffein in jedem Verarbeitungsmaßstab geht, sind Hielscher Sonicators der Inbegriff von Innovation und Effizienz. Ob handwerklicher Kleinproduzent oder industrieller Großbetrieb, Hielscher Sonicators bieten eine präzise und leistungsstarke Lösung für die Extraktion der reinen Essenz von Koffein aus Ihrem Ausgangsmaterial.

  • Präzision und Konsistenz: Die Sondenschallgeräte von Hielscher sind so konzipiert, dass sie eine präzise Kontrolle des Extraktionsprozesses ermöglichen. Ihre hochmoderne Technologie sorgt für gleichbleibende Ergebnisse von Charge zu Charge und ermöglicht es Ihnen, die Qualität und Stärke Ihres Koffeinextrakts zu erhalten.
  • Skalierbarkeit: Hielscher bietet eine Reihe von Beschallungsanlagen für verschiedene Prozessgrößen an. Von kompakten Tischmodellen für Forschung und Entwicklung bis hin zu robusten Industriesystemen, die hohe Stückzahlen verarbeiten können, bietet Hielscher die nötige Flexibilität, um Ihre Produktionsanforderungen zu erfüllen.
  • Effizienz: Mit Hielscher-Sonicatoren können Sie die Extraktionszeiten im Vergleich zu herkömmlichen Methoden erheblich reduzieren. Die von diesen Maschinen erzeugten Ultraschallwellen erzeugen intensive Kavitationskräfte, die die Zellwände schnell aufbrechen und Koffeinmoleküle freisetzen, was zu kürzeren Verarbeitungszyklen führt.
  • Vielseitigkeit: Hielscher-Sonicatoren sind nicht nur auf die Extraktion von Koffein beschränkt. Unsere Sonicatoren sind für eine Vielzahl von Anwendungen in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie geeignet. Ganz gleich, ob Sie Koffein aus Kaffeebohnen, Teeblättern oder anderen pflanzlichen Quellen extrahieren, Hielscher-Sonicatoren sind vielseitig einsetzbar und erfüllen Ihre Anforderungen.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Ultraschallgeräte CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

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

Batch-VolumenDurchflussEmpfohlenes Ultraschallgerät
0,5 bis 1,5 mln.a.VialTweeter
1 bis 500ml10 bis 200ml/minUP100H
10 bis 2000ml20 bis 400ml/minUP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l0,2 bis 4l/minUIP2000hdT
10 bis 100l2 bis 10l/minUIP4000hdT
15 bis 150 Liter3 bis 15 l/minUIP6000hdT
n.a.10 bis 100l/minUIP16000
n.a.größereCluster aus UIP16000

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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist hocheffizient bei der Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen.

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



Kaffee und Kaffeeextrakte

Kaffee – aus gerösteten Kaffeebohnen gebrüht – ist ein sehr beliebtes Getränk, das weltweit konsumiert wird. Neben seiner vitalisierenden Wirkung als anregendes Getränk sind die Inhaltsstoffe des Kaffees für die Lebensmittel-, Pharma- (z.B. in Schmerzmitteln) und Kosmetikindustrie von Interesse, da sie als wertvolle Zusatzstoffe in verschiedenen Produkten verwendet werden. Dies gilt insbesondere für das Koffein (1,3,7-Trimethylxanthin) und die Antioxidantien, die für ihre positiven Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit bekannt sind. Kaffee enthält unter anderem phenolische Diterpene wie Cafestol und Kahweol sowie Ascorbinsäuren, die für ihre antioxidative Wirkung bekannt sind. Epidemiologische Studien deuten darauf hin, dass die Inhaltsstoffe des Kaffees eine präventive Wirkung auf mehrere chronische Krankheiten haben können, darunter Diabetes mellitus Typ 2, Alzheimer, Parkinson und Lebererkrankungen wie Zirrhose und Leberzellkarzinom.
Ultraschall ist ein bekanntes und bewährtes Instrument für viele verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen Branchen. Eine der bekanntesten und erfolgreichsten Anwendungen von Leistungsultraschall ist die Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Pflanzen. Die Ultraschallkavitation stört die Zellen und bewirkt dadurch die Freisetzung der intrazellulären Stoffe. Aufgrund dieser Effekte ermöglicht die Beschallung eine höhere und vollständigere Extraktionsausbeute in einer sehr kurzen Verarbeitungszeit. Da es sich um eine nicht-thermische Verarbeitungstechnik handelt, werden bioaktive Moleküle vor dem Abbau durch hohe Temperaturen geschützt, was zu hochwertigen Extrakten führt.

Literatur


Hochleistungs-Ultraschall! Die Hielscher-Produktpalette deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallhomogenisator über Benchtop-Sonicator bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.


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