Ultraschallgestützte Polyphenolextraktion aus Nebenprodukten der Olivenölherstellung: eine Erfolgsgeschichte

Oliventrester ist längst mehr als nur ein agroindustrielles Nebenprodukt – er ist eine wertvolle Quelle hochwirksamer natürlicher Antioxidantien. In dieser Studie optimierte Natural Phenolics die wässrige Extraktion hydroxytyrosolreicher Polyphenole mit dem Ultraschallgerät UP400St von Hielscher. Die Ergebnisse zeigen einen robusten, reproduzierbaren und skalierbaren Prozess, der unter optimierten Beschallungsbedingungen eine vorhergesagte Hydroxytyrosolkonzentration von 1609,5 mg/L erreicht. Diese Arbeit verdeutlicht, wie präzise Ultraschalltechnologie Abfälle aus der Olivenölherstellung in hochwertige biobasierte Rohstoffe für Lebensmittel, Landwirtschaft und eine nachhaltige Industrie verwandeln kann.

Oliventrester – kein bloßes Nebenprodukt, sondern eine Ressource mit hohem Antioxidantiengehalt

Oliventrester (Alperujo) ist das wichtigste Nebenprodukt der Olivenölgewinnung; seine jährliche weltweite Produktionsmenge liegt zwischen 13 und 18 Millionen Tonnen. Polyphenole sind sekundäre Metaboliten, die in diesem agroindustriellen Reststoff in hohen Konzentrationen vorliegen. Obwohl diese Verbindungen eine hervorragende antioxidative Aktivität aufweisen, stellt ihr unbehandeltes Vorkommen in der Umwelt eine erhebliche toxikologische Herausforderung dar. Als Pionier der Abfallverwertung geht Natural Phenolics dieses Problem an und verwandelt diese Umweltbelastung in eine nachhaltige wirtschaftliche Ressource. Durch die Extraktion dieser hochwertigen Metaboliten stellt das spanische Unternehmen Natural Phenolics hochwertige biobasierte Rohstoffe her. Derzeit nimmt die Forschung und Entwicklung von Natural Phenolics eine führende Rolle bei der Herstellung fortschrittlicher Pflanzenbiostimulanzien und antioxidativer Lebensmittelkonservierungsmittel für Clean-Label-Produkte ein.

Über Natural Phenolics
Natural Phenolics ist ein Unternehmen der grünen Chemie, das eine führende Rolle in der Kreislaufwirtschaft einnimmt und auf die Verwertung von Oliventrester (Alperujo) im industriellen Maßstab spezialisiert ist. Durch fortschrittliche, nachhaltige Extraktionsverfahren verwandeln wir diesen komplexen agroindustriellen Reststoff in hochwertige biobasierte chemische Rohstoffe.

Natural Phenolics, ein Unternehmen mit Sitz in Katalonien, Spanien, stellt hochwertige Biostimulanzien aus landwirtschaftlichen Nebenprodukten her

Sind Sie bereit, Ihren Oliventrester zu verwerten?
Teilen Sie uns Einzelheiten zu Ihrem Olivenölherstellungsprozess und Ihrem Tresterstrom mit. Wir helfen Ihnen, die passende Anlage zur Ultraschallextraktion zu finden, um hochwertige Polyphenole effizient und nachhaltig zurückzugewinnen.

Der Bedarf an effizienten und standardisierten Extraktionstechnologien

Vor diesem Hintergrund ist die Wahl der richtigen Extraktionstechnologie entscheidend für die Gewinnung standardisierter Extrakte. Die ultraschallgestützte Extraktion (UAE) hat sich als leistungsfähiges Verfahren etabliert, das neben weiteren betrieblichen Vorteilen reproduzierbare Ergebnisse liefert, die Extraktionszeiten verkürzt und den Lösungsmittelverbrauch senkt.
Hier stellt Natural Phenolics die Optimierungsergebnisse zur Gewinnung standardisierter wässriger Extrakte mit hohem Gehalt an Hydroxytyrosol (HT) und anderen Polyphenolen vor. Als Versuchsmodell wurde ein zentral zusammengesetzter Versuchsplan gewählt. Die untersuchten Parameter waren die Amplitude bei der Extraktion und die Extraktionsdauer; als Zielgröße wurde die Hydroxytyrosolkonzentration gemessen. Hierzu wurde das Ultraschallgerät UP400St von Hielscher Ultrasonics eingesetzt, das aufgrund seiner benutzerfreundlichen Bedienung und seiner hohen Präzision bei der Amplitudenregelung ausgewählt wurde.

Versuchsplanung für die Ultraschallextraktion: Optimierung von Amplitude und Extraktionsdauer

Diese präzise Regelung war grundlegend dafür, die Effekte der akustischen Energie von den Auswirkungen der Rohstoffvariabilität zu trennen. Sämtliche Extraktionen wurden mit getrocknetem Oliventrester (20% Feuchtegehalt, 1 mm Partikelgröße) und Wasser als Lösungsmittel durchgeführt. Die Suspension wurde mit einem Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis von 40% hergestellt, und alle Versuche erfolgten bei einer konstanten Temperatur von 35°C. Tabelle 1 fasst die Versuchsbedingungen zusammen, die anhand der CCD-Matrix mit 12 Versuchsläufen untersucht wurden.

Parameter	Maximum	Minimum	Axialpunkt	Axialpunkt
Amplitude %	70	30	78	22
Zeit min	30	10	34,1	5,9

In dieser Demonstration zeigen wir die Präzision und Effizienz der Beschallung mit einer Sonotrode zur Extraktion bioaktiver Inhaltsstoffe aus Olivenblättern. Im Video verwenden wir das Ultraschallgerät UP400St, um bioaktive Verbindungen wie Polyphenole und Flavonoide, darunter Oleuropein, Hydroxytyrosol und Luteolin, sowie zahlreiche weitere sekundäre Pflanzenstoffe zu extrahieren. Die Ultraschallbehandlung ermöglicht hohe Ausbeuten an hochwertigen bioaktiven Verbindungen mit milden, ungiftigen Lösungsmitteln wie Wasser, angesäuertem Wasser oder wässrigem Ethanol.

Tabelle 2 zeigt die Bewertungen der Modellgüte für die Optimierung. Das mathematische Modell erklärte 72,02% der Gesamtvariabilität (R2 = 0,7202), was angesichts der komplexen und naturgemäß heterogenen Beschaffenheit der Oliventrester-Matrix eine sehr zufriedenstellende Anpassung darstellt. Obwohl die Modellsignifikanz (P = 0,101) aufgrund der stark begrenzten Freiheitsgrade in der Matrix mit 12 Versuchsläufen leicht über der traditionellen Konfidenzschwelle von 95% liegt, bestätigen die stark negativen quadratischen Koeffizienten b11 = -61,61 und b22 = -71,61 eine physikalisch stimmige parabolische Extraktionskinetik.

Parameter
Amplitude b2	67,6604
Zeit b2	59,6054
Amplitude2 (b11)	-61,6139
Zeit2 (b22)	-71,6058
R2 (b11)	0,7202
Adjustiertes R2	0,4871
F-Statistik	3,0892
p-Wert	1,011179 x 10-1
Residualstandardfehler	67,05 mg/L

Ultraschallgestützte Hydroxytyrosol- und Polyphenolextraktion aus Oliventrester: optimierter Prozess mit dem Ultraschallgerät UP400St

Ultraschallgestützte Polyphenolextraktion aus Oliventrester: links – Modell der Wirkungsfläche des Verfahrens; rechts – Konturdiagramm

Robuste Hydroxytyrosolgewinnung mittels Ultraschallextraktion

Abbildung 1A zeigt die Wirkungsfläche des optimierten Modells. Der breite rote Bereich am Plateaumaximum bestätigt die Robustheit des Prozesses, da Amplitudenänderungen im Bereich von 50–60% keine größeren Schwankungen der Hydroxytyrosolkonzentration bewirken. Die Analyse der einzelnen Faktoreffekte zeigt, dass eine Erhöhung der Amplitude von 22% auf 50% einen entscheidenden Einfluss hat und zu einer deutlichen Verbesserung der Extraktionsausbeute führt. Hingegen stabilisieren Extraktionszeiten von mehr als 20 Minuten die Ausbeute, was auf eine Sättigung des Lösungsmittels in diesem Stadium hindeutet. Letztlich ließ sich mit diesem Aufbau ein eindeutiges Betriebsoptimum bei 61,5% Amplitude und 24,2 Minuten Beschallung erfolgreich bestimmen, mit einer maximalen vorhergesagten Hydroxytyrosolkonzentration von 1609,5 mg/L.

Zusammenfassend war der Einsatz der Technologie von Hielscher Ultrasonics ein Grundpfeiler für die Entwicklung eines hochgradig reproduzierbaren und energetisch optimierten Prozesses zur Hydroxytyrosolextraktion. Die herausragende Präzision der Amplitudenregelung und die robuste mechanische Leistungsfähigkeit der Sonotrode UP400St gewährleisten, dass diese im Labormaßstab erreichten Meilensteine nahtlos auf industrielle Systeme mit kontinuierlichem Durchfluss übertragen werden können. Darüber hinaus wurde der Erfolg dieser Optimierungsphase durch die außergewöhnliche technische Unterstützung und die Betreuung vor Ort durch Jover Labtech, die Vertretung von Hielscher in Katalonien, Spanien, erheblich beschleunigt. Diese Synergie aus modernster akustischer Hardware und fachkundiger ingenieurtechnischer Unterstützung vor Ort eröffnet einen eindeutigen, praktikablen Weg zur nachhaltigen kommerziellen Verwertung agroindustrieller Biomasse im industriellen Maßstab.

In diesem Video zeigen wir eine Anlage mit 2x UIP4000hdt Ultraschallgeräten zur intensivierten Extraktion von polyphenolreichem nativem Olivenöl extra. Die gezeigte Anlage wird in einer sizilianischen Ölmühle betrieben. Im Video wurden unreife Oliven der Sorte Biancolilla zur Herstellung von nativem Olivenöl extra verarbeitet. Industrielle Ultraschallgeräte von Hielscher werden in Olivenölmühlen installiert, um die Extraktionsausbeute und die Qualität von nativem Olivenöl extra zu steigern. Die durch Leistungsultraschall erzeugte Kavitation bricht Zellwände auf und erhöht die Durchlässigkeit des Fruchtgewebes der Oliven. Dies verbessert die Ölextraktion aus der Olivenpaste und führt zu höheren Ölausbeuten.

FAQ: Ultraschallgestützte Polyphenolextraktion aus Oliventrester

Was ist Oliventrester?

Oliventrester, auch als Alperujo bekannt, ist das wichtigste Nebenprodukt der Olivenölgewinnung. Er besteht aus Olivenfruchtfleisch, Schalen, Kernen sowie verbleibendem Wasser und Öl. Obwohl er häufig als Abfall behandelt wird, enthält Oliventrester wertvolle bioaktive Verbindungen, insbesondere Polyphenole wie Hydroxytyrosol.

Warum ist Oliventrester eine wertvolle Quelle für Polyphenole?

Oliventrester enthält hohe Konzentrationen phenolischer Verbindungen mit starken antioxidativen Eigenschaften. Diese Verbindungen können zurückgewonnen und in hochwertige natürliche Extrakte umgewandelt werden, die zur Lebensmittelkonservierung, in Pflanzenbiostimulanzien, als nutrazeutische Inhaltsstoffe, in Kosmetika und in weiteren biobasierten Anwendungen eingesetzt werden.

Was ist Hydroxytyrosol?

Hydroxytyrosol ist eines der wichtigsten Polyphenole in Oliven und in Nebenprodukten aus der Olivenverarbeitung. Es ist für seine starke antioxidative Aktivität bekannt und wird in funktionellen Lebensmitteln, natürlichen Konservierungsmitteln, kosmetischen Formulierungen und landwirtschaftlichen Biostimulanzienprodukten sehr geschätzt.

Warum sollten Polyphenole aus Oliventrester extrahiert werden?

Die Rückgewinnung von Polyphenolen aus Oliventrester trägt dazu bei, einen agroindustriellen Reststoff in einen wertvollen Rohstoff umzuwandeln. Dies unterstützt Strategien der Kreislaufwirtschaft, reduziert die Umweltbelastung durch die Olivenölherstellung und schafft neue Einnahmemöglichkeiten aus Nebenprodukten, die ansonsten entsorgt oder behandelt werden müssten.

Was ist ultraschallgestützte Extraktion?

Die ultraschallgestützte Extraktion ist ein fortschrittliches Extraktionsverfahren, das akustische Energie nutzt, um die Freisetzung wertvoller Verbindungen aus pflanzlichen Materialien zu intensivieren. Ultraschallkavitation verbessert den Stofftransport zwischen der festen Biomasse und dem Lösungsmittel und ermöglicht im Vergleich zu vielen konventionellen Verfahren eine schnellere, effizientere und besser reproduzierbare Extraktion.

Wie verbessert Ultraschall die Polyphenolextraktion aus Oliventrester?

Ultraschall erzeugt Kavitationskräfte im flüssigen Medium, die dazu beitragen, pflanzliche Zellstrukturen aufzubrechen und das Eindringen des Lösungsmittels in die Biomasse zu verbessern. Dies beschleunigt die Freisetzung von Polyphenolen wie Hydroxytyrosol und kann die Extraktionszeit, den Lösungsmittelverbrauch und die Prozessvariabilität reduzieren.

Kann Wasser als Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion von Oliventrester verwendet werden?

Ja. Die Studie zeigt den Einsatz von Wasser als Extraktionslösungsmittel zur Gewinnung hydroxytyrosolreicher Polyphenole aus getrocknetem Oliventrester. Dadurch ist der Prozess besonders attraktiv für umweltfreundliche Extraktionsanwendungen in Lebensmittelqualität und für Clean-Label-Produkte.

Welches Ultraschallgerät wurde in der Studie verwendet?

In der Studie wurde die Sonotrode UP400St von Hielscher Ultrasonics verwendet. Dieser Ultraschallprozessor wurde aufgrund seiner präzisen Amplitudenregelung, seiner robusten Leistungsfähigkeit und seiner Eignung für die kontrollierte Optimierung der Polyphenolextraktion aus Oliventrester im Labormaßstab ausgewählt.

Welche Prozessparameter wurden optimiert?

Die Studie optimierte zwei wesentliche Parameter der Ultraschallextraktion: die Beschallungsamplitude und die Extraktionsdauer. Diese Parameter wurden anhand eines zentral zusammengesetzten Versuchsplans untersucht, um ihren Einfluss auf die Hydroxytyrosolkonzentration im wässrigen Extrakt zu bestimmen.

Was waren die optimierten Bedingungen für die Hydroxytyrosolextraktion?

Die in der Studie ermittelten optimierten Extraktionsbedingungen waren 61,5% Amplitude und 24,2 Minuten Beschallung. Unter diesen Bedingungen sagte das Modell eine maximale Hydroxytyrosolkonzentration von 1609,5 mg/L voraus.

Warum ist die Amplitudenregelung bei der Ultraschallextraktion wichtig?

Die Amplitudenregelung ist entscheidend, weil sie die Intensität der Ultraschallkavitation bestimmt. Eine präzise Amplitudeneinstellung ermöglicht es Anwendern, die Extraktionseffizienz zu optimieren, unnötigen Energieeintrag zu vermeiden und trotz der natürlichen Variabilität von Biomasserohstoffen wie Oliventrester besser reproduzierbare Extrakte herzustellen.

Ist die Ultraschallextraktion von Oliventrester skalierbar?

Ja. Die Ultraschallextraktion ist sehr gut skalierbar, wenn Prozessparameter wie Amplitude, Energieeintrag, Volumenstrom, Temperatur und Verweilzeit angemessen kontrolliert werden. Die Studie hebt die Bedeutung der Ultraschalltechnologie von Hielscher für die Übertragung der Optimierung im Labormaßstab auf eine industrielle Verarbeitung mit kontinuierlichem Durchfluss hervor.

Welche Produkte können aus Polyphenolextrakten aus Oliventrester hergestellt werden?

Polyphenolreiche Extrakte aus Oliventrester können in einer Vielzahl hochwertiger Anwendungen eingesetzt werden, darunter natürliche antioxidative Lebensmittelkonservierungsmittel, Pflanzenbiostimulanzien, kosmetische Inhaltsstoffe, nutrazeutische Formulierungen und biobasierte Spezialinhaltsstoffe.

Wie unterstützt die Ultraschallextraktion eine nachhaltige Olivenölherstellung?

Die Ultraschallextraktion unterstützt eine nachhaltige Olivenölherstellung, indem sie Oliventrester einer wertschöpfenden Verwertung zuführt, statt ihn ausschließlich als Abfall zu behandeln. Durch die Rückgewinnung wertvoller Antioxidantien aus diesem Nebenprodukt können Hersteller die Umweltbelastung reduzieren, die Ressourceneffizienz verbessern und zusätzliche Wertschöpfungsströme schaffen.

Können Ultraschallsysteme von Hielscher zur industriellen Verwertung von Oliventrester eingesetzt werden?

Ja. Ultraschallsysteme von Hielscher eignen sich für die Prozessentwicklung, Versuche im Pilotmaßstab und die Extraktion im industriellen Maßstab. Ihre präzise Regelung der Ultraschallparameter und ihre Verfügbarkeit in skalierbaren Konfigurationen machen sie besonders geeignet für die kontinuierliche Verarbeitung von Oliventrester und anderen agroindustriellen Biomasseströmen.

Literatur / Quellen

Cánovas, Jaime; Barrajón-Catalán, Enrique; Micol, Vicente; Cárcel, J.; Garcia-Perez, Jose V. (2013): Kinetic and compositional study of phenolic extraction from olive leaves (var. Serrana) by using power ultrasound. Innovative Food Science & Emerging Technologies 17, 2013. 120–129.
M. Rashidipour and R. Heydari (2018): Ultrasonic-Assisted Matrix Solid-Phase Dispersion and High-Performance Liquid Chromatography as an Improved Methodology for Determination of Oleuropein from Olive Leaves. Analytical and Bioanalytical Chemistry Research 52, 2018. 307-316.
Rodríguez, Ó.; Bona, S.; Stäbler, A.; Rodríguez-Turienzo, L. (2022): Ultrasound-Assisted Extraction of Polyphenols from Olive Pomace: Scale Up from Laboratory to Pilot Scenario. Processes 2022, 10, 2481.
Tamborrino, A., Romaniello, R., Perone, C. et al. (2021): Development of a Pressure Control System According to Paste Rheology for Ultrasound Processing in Industrial Olive Oil Extraction. Food Bioprocess Technol 14, 1897–1908 (2021).