Extraktion von Koffein mit Ultraschall
Der Einsatz von Ultraschall ist eine wirksame Methode zur Extraktion von Koffein und anderen aktiven Verbindungen aus Kaffee. Leistungsstarke Sonikatoren unterstützen den Extraktionsprozess, maximieren die Ausbeute und verkürzen die Verarbeitungszeit. Erfahren Sie, wie Hielscher Ultraschallgeräte die Koffeinextraktion und die Kaltbrühung von Kaffeegetränken unterstützen!
Verbesserte Koffeinextraktion mit Leistungsultraschall
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 Methode zur Verbesserung der Effizienz der Koffeinextraktion erwiesen. Hielscher Sonikatoren ermöglichen eine höhere Ausbeute an Koffein und erschließen neue Dimensionen von Geschmack und Aroma in Kaffeegetränken, Lebensmittelzusatzstoffen und Extrakten.

Industrie-Ultraschallgerät UIP6000hdT für die kontinuierliche Koffeinextraktion aus Kaffeebohnen
Die Vorteile der Extraktion von Kaffeebohnen durch Ultraschall
Hohe Effizienz und beste Kaffee-Extraktqualität sind nur zwei Kriterien, die den Einsatz von Hielscher Ultraschallgeräten 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: Ultraschallstabschwinger erzeugen intensive Ultraschallwellen, die feste Materialien effektiv durchdringen können. Dadurch wird die Struktur der Kaffeebohne aufgebrochen und die Extraktion des Koffeins erleichtert.
- Präzise Kontrolle: Ultraschallstabschwinger 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 Sonikatoren können die Extraktionszeit im Vergleich zu herkömmlichen Methoden erheblich verkürzen, was den Prozess effizienter macht.
- Homogenität: 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 Beschallung 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 Ultrasonics 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.

Sonicator UP400St für die effiziente Extraktion von Koffein aus Kaffeebohnen, Tee und Kakao.
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 sogar 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 Kaffeesatz (Kaffeeabfall) noch ein Rohstoff, der reich an extrahierbaren Verbindungen ist. Da Kaffeeabfälle billig und in großen Mengen verfügbar sind, sind sie ein ideales Rohmaterial für die Extraktion der verbleibenden Wirkstoffe. Obwohl der Gehalt an Koffein und anderen Bestandteilen in Kaffeeabfällen geringer ist als in ungebrauchtem Kaffeepulver, bleibt immer noch eine große Menge übrig, die extrahierbar ist. Um diese Verbindungen aus dem Kaffeemehl freizusetzen, ist der volle Einfluss der Verarbeitungsparameter besonders wichtig. Hochleistungs-Ultraschall ist in der Lage, große Mengen an Wirkstoffen innerhalb einer kurzen Verarbeitungszeit zu extrahieren.
Grüner Kaffee sind ungeröstete Kaffeebohnen, die sehr koffeinhaltig sind. Die Ultraschall-Extraktion und -Kaltbrühung sind eine hervorragende Techniken für die Herstellung von Rohkaffee-Extrakten und Cold Brews!

Ultraschallextraktor UIP2000hdT für die Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Kaffeebohnen
Hochleistungssonicatoren für die Kaffeeextraktion
Um die ultraschall-assistierte Extraktion zu verstehen, muss man die Wirkung von Ultraschall in Flüssigkeiten kennen.
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.
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]
Verstärkte Extraktion von aromatischen Molekülen und Aromastoffen durch Sonikation
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]
Verbesserte Tee-Extraktion durch Ultarschall
Die mit der ultraschallunterstützten Extraktion erzielten Ergebnisse eignen sich auch für die Extraktion von Teebestandteilen (z. B. Grünteeblätter). Eine Studie von Xia et al. zeigte einen deutlich höheren Gehalt an Teepolyphenolen, Aminosäuren und Koffein in ultraschallbehandelten Teeaufgüssen als in solchen, die durch konventionelle Extraktion gewonnen wurden. Dies führte zu besseren Ergebnissen bei einer organoleptischen Bewertung, die ergab, dass die sensorische Qualität von Teeaufguss mit ultraschallunterstützter Extraktion besser war als die von Teeaufguss mit konventioneller Extraktion. (Xia et al. 2005)
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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 ultraschallgestützten Extraktion sind Extrakte von hervorragender 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 Sonikatoren der Inbegriff von Innovation und Effizienz. Ob handwerklicher Kleinproduzent oder industrieller Großbetrieb, Hielscher Sonikatoren bieten eine präzise und leistungsstarke Lösung für die Extraktion der reinen Essenz von Koffein aus dem Rohstoff.
- Präzision und Konsistenz: Hielscher Ultraschallgeräte 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 Sonikatoren 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 Sonikatoren 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 Sonikatoren sind nicht nur auf die Extraktion von Koffein beschränkt. Unsere Sonikatoren 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 Sonikatoren sind vielseitig einsetzbar und lassen sich Ihren Bedürfnissen anpassen.
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 Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
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 |
15 bis 150 Liter | 3 bis 15 l/min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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Häufig gestellte Fragen zur Kaffee-Extraktion
Was ist Kaffee und Kaffee-Extrakt?
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 könnten, 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 innerhalb 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.
Enthält Kaffee-Extrakt viel Koffein?
Ja, Kaffee-Extrakt hat im Allgemeinen einen hohen Koffeingehalt, wobei die genaue Menge von der Art der Bohnen und der verwendeten Extraktionsmethode abhängt. Mit Ultraschall extrahierter Kaffee-Extrakt hat in der Regel einen hohen Koffeingehalt, da diese Methode die Effizienz der Extraktion von Verbindungen, einschließlich Koffein, aus den Kaffeebohnen erhöht.
Was sind die bioaktiven Substanzen im Kaffee-Extrakt?
Zu den bioaktiven Verbindungen im Kaffeeextrakt gehören Koffein, Chlorogensäuren, Diterpene (wie Cafestol und Kahweol), Trigonellin und verschiedene Antioxidantien.
Was sind die Vorteile von schwarzem Kaffee und grünem Kaffee-Extrakt?
Kaffee und Rohkaffee-Extrakt haben mehrere potenzielle Vorteile, darunter verbesserte geistige Wachheit durch Koffein, antioxidative Wirkung durch Chlorogensäuren, potenzielle Unterstützung bei der Gewichtsabnahme, Verringerung des Risikos für bestimmte Krankheiten wie Typ-2-Diabetes und Schutz vor neurodegenerativen Erkrankungen. Insbesondere grüner Kaffee-Extrakt könnte aufgrund des höheren Gehalts an Chlorogensäure eine stärkere Wirkung auf die Gewichtsabnahme und die antioxidative Aktivität haben.
Was ist der Unterschied zwischen schwarzem Kaffee und grünem Kaffee-Extrakt?
Schwarzer Kaffee wird aus gerösteten Kaffeebohnen hergestellt, die gemahlen und aufgebrüht werden, um das Getränk herzustellen. Durch das Rösten verändert sich die chemische Zusammensetzung der Bohnen, wodurch sich ihr Gehalt an Chlorogensäure verringert, während Geschmack und Aroma verstärkt werden. Grüner Kaffee-Extrakt hingegen wird aus ungerösteten grünen Kaffeebohnen gewonnen, die reich an Chlorogensäuren und anderen Antioxidantien sind. Diesen Verbindungen werden verschiedene gesundheitliche Vorteile zugeschrieben, darunter Gewichtsverlust und ein geringeres Risiko für bestimmte chronische Krankheiten. Im Gegensatz zu schwarzem Kaffee wird Rohkaffee-Extrakt normalerweise nicht als Getränk, sondern als Nahrungsergänzungsmittel konsumiert.
Wie funktioniert die Ultraschallextraktion?
Hochleistungs-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.
Literatur
- Caballero Galván, Ashley; Restrepo, Daissy;Ortiz-Sánchez, Mariana; Cardona, Carlos Ariel (2018): Analysis of Extraction Kinetics of Bioactive Compounds from Spent Coffee Grounds (Coffea arábica). Waste and Biomass Valorization 9, 2018.
- Mohammad H. Zamanipoor, Bailina Yakufu, Ernest Tse, Adel Rezaeimotlagh, James M. Hook, Martin P. Bucknall, Donald S. Thomas, Francisco J. Trujillo (2020): Brewing coffee? – Ultra-sonication has clear beneficial effects on the extraction of key volatile aroma components and triglycerides. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 60, 2020.
- Huamaní-Meléndez V.J., Darros-Barbosa R. (2018): High intensity ultrasound assisted decaffeination process of coffee beans in aqueous medium. Journal of Food Science and Technology, 55(12), 2018. 4901-4908.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998. 517-541.
- Wang, Cheng-Chi; Sheu, Shane-Rong; Chou, Ya-Yen; Jang, Ming-Jyi; Yang, Li-Chen (2011): A novel optimized energy-saving extraction process on coffee. Thermal Science 15/1, 2011. 53-59.

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