Ultraschallgestützte Polyphenolextraktion aus Nebenprodukten der Olivenölgewinnung: Eine Erfolgsgeschichte

Olivenpressrückstände sind nicht mehr nur ein Nebenprodukt der Agrarindustrie – sie sind eine wertvolle Quelle für hochwirksame natürliche Antioxidantien. In dieser Studie optimierte Natural Phenolics die wässrige Extraktion von Hydroxytyrosol-reichen Polyphenolen unter Verwendung des Hielscher-Ultraschallgeräts UP400St. Die Ergebnisse zeigen einen robusten, reproduzierbaren und skalierbaren Prozess, der unter optimierten Ultraschallbedingungen eine prognostizierte Hydroxytyrosol-Konzentration von 1609,5 mg/l erreicht. Diese Arbeit verdeutlicht, wie Präzisions-Ultraschalltechnologie Olivenölabfälle in hochwertige biobasierte Rohstoffe für die Lebensmittelindustrie, die Landwirtschaft und die nachhaltige Industrie verwandeln kann.

Olivenpressrückstände – Kein Nebenprodukt, sondern eine Ressource, die reich an Antioxidantien ist

Olivenpressrückstände (Alperujo) sind das wichtigste Nebenprodukt der Olivenölgewinnung; ihre weltweite Jahresproduktion beläuft sich auf 13 bis 18 Millionen Tonnen. Polyphenole sind Sekundärmetaboliten, die in diesem agroindustriellen Rückstand in hohen Konzentrationen vorkommen. Obwohl diese Verbindungen eine herausragende antioxidative Wirkung aufweisen, stellt ihr unbehandeltes Vorhandensein in der Umwelt eine erhebliche toxikologische Herausforderung dar. Als Vorreiter in der Abfallverwertung greift Natural Phenolics dieses Problem auf und verwandelt diese Umweltbelastung in einen nachhaltigen wirtschaftlichen Vorteil. Durch die Extraktion dieser hochwertigen Metaboliten stellt das spanische Unternehmen Natural Phenolics hochwertige biobasierte Rohstoffe her. Derzeit ist das R&D of Natural Phenolics ist führend in der Herstellung fortschrittlicher pflanzlicher Biostimulanzien und Clean-Label-Antioxidantien als Lebensmittelkonservierungsmittel.

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

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Der Bedarf an effizienten und standardisierten Extraktionstechnologien

Vor diesem Hintergrund ist die Wahl der richtigen Extraktionstechnologie entscheidend für die Gewinnung standardisierter Extrakte. Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) hat sich als leistungsstarke Technik etabliert, die unter anderem reproduzierbare Ergebnisse liefert, die Extraktionszeiten verkürzt und den Lösungsmittelverbrauch senkt.
Hier präsentiert Natural Phenolics die Optimierungsergebnisse zur Gewinnung standardisierter wässriger Extrakte, die reich an Hydroxytyrosol (HT) und anderen Polyphenolen sind. Als Versuchsmodell wurde ein zentrales Kompositdesign gewählt. Die untersuchten Parameter waren die Amplitude und die Dauer der Extraktion, während die Reaktion anhand der Hydroxytyrosol-Konzentration gemessen wurde. Zu diesem Zweck wurde der Ultraschallapparat UP400St von Hielscher Ultrasonics verwendet, der aufgrund seiner benutzerfreundlichen Bedienung und der hohen Präzision bei der Amplitudensteuerung ausgewählt wurde.

Versuchsaufbau zur Ultraschallextraktion: Optimierung von Amplitude und Extraktionszeit

Diese präzise Steuerung war entscheidend, um die Auswirkungen der akustischen Energie von den Schwankungen des Ausgangsmaterials zu trennen. Alle Extraktionen wurden unter Verwendung von getrocknetem Oliventrester (20 % Feuchtigkeitsgehalt, 1 mm Partikelgröße) und Wasser als Lösungsmittel durchgeführt. Die Aufschlämmung wurde mit einem Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis von 40 % hergestellt, und alle Versuche wurden bei einer konstanten Temperatur von 35 °C durchgeführt. Tabelle 1 fasst die Versuchsbedingungen zusammen, die anhand der 12-fachen CCD-Matrix ausgewertet wurden.

Parameter	Maximal	Mindestens	Axialpunkt	Axialpunkt
Amplitude %	70	30	78	22
Stunde min	30	10	34.1	5,9

In dieser Demonstration zeigen wir die Präzision und Effizienz der Sondenbeschallung zur Extraktion bioaktiver Inhaltsstoffe aus Olivenblättern. In dem Video verwenden wir den Sonicator UP400St zur Extraktion bioaktiver Verbindungen wie Polyphenole und Flavonoide, darunter Oleuropein, Hydroxytyrosol, Luteolin und zahlreiche andere Phytochemikalien. Die Sonikation extrahiert mit milden, ungiftigen Lösungsmitteln wie Wasser, angesäuertem Wasser oder wässrigem Ethanol eine hohe Ausbeute an hochwertigen bioaktiven Verbindungen.

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

Parameter
Amplitude b2	67,6604
Zeit b2	59,6054
Amplitude2 (b11)	-61,6139
Zeit für	-71,6058
R2 (b11)	0.7202
R2 (bereinigt)	0.4871
F-Statistik	3,0892
p-Wert	1,011179 × 10^(-1)
Standardfehler der Residuen	67,05 mg/l

Ultraschallgestützte Extraktion von Hydroxytyrosol und Polyphenolen aus Oliventrester: optimiertes Verfahren mit dem Ultraschallgerät UP400St

Ultraschallgestützte Polyphenolextraktion aus Oliventrester: links – Response-Surface-Modell der Methode; rechts – Konturdiagramm

Effiziente Gewinnung von Hydroxytyrosol mittels Ultraschallextraktion

Abbildung 1A zeigt das Response-Surface-Diagramm des optimierten Modells. Der breite rote Bereich am Plateumaximum bestätigt die Robustheit des Prozesses, da Schwankungen der Amplitude im Bereich von 50–60 % keine größeren Schwankungen der Hydroxytyrosol-Konzentration hervorrufen. Bei der Analyse der einzelnen Faktoreffekte zeigt sich, dass eine Erhöhung der Amplitude von 22 % auf 50 % einen entscheidenden Einfluss hat und zu einer deutlichen Verbesserung der Extraktionsausbeute führt. Umgekehrt stabilisieren Extraktionszeiten von mehr als 20 Minuten die Ausbeute, was auf eine Sättigung des Lösungsmittels in dieser Phase hindeutet. Letztendlich konnte mit dieser Architektur ein definitives Betriebsoptimum bei einer Amplitude von 61,5 % und einer Ultraschallbehandlung von 24,2 Minuten ermittelt werden, was zu einer maximalen vorhergesagten Hydroxytyrosol-Konzentration von 1609,5 mg/l führt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz der Technologie von Hielscher Ultrasonics ein Meilenstein bei der Entwicklung eines hochgradig reproduzierbaren und energetisch optimierten Verfahrens zur Hydroxytyrosol-Extraktion war. Die herausragende Präzision bei der Amplitudensteuerung und die robuste mechanische Leistung der UP400St-Sonotrode garantieren, dass diese Meilensteine im Labormaßstab nahtlos auf industrielle Durchflusssysteme übertragen werden können. Darüber hinaus wurde der Erfolg dieser Optimierungsphase durch die außergewöhnliche technische Unterstützung und den lokalen Support von Jover Labtech, dem Vertreter von Hielscher in Katalonien, Spanien, erheblich beschleunigt. Diese Synergie zwischen modernster akustischer Hardware und fachkundiger technischer Unterstützung vor Ort ebnet einen definitiven, gangbaren Weg hin zur nachhaltigen, kommerziellen Verwertung von agroindustrieller Biomasse im industriellen Maßstab.

In diesem Videoclip zeigen wir Ihnen eine Installation von 2x UIP4000hdt Sonicatoren zur verstärkten Extraktion von polyphenolreichem nativem Olivenöl extra. Die gezeigte Anlage wird in einem sizilianischen Frantoio betrieben. Im Video werden unreife Oliven der Sorte Biancolilla für die Produktion von nativem Olivenöl extra verarbeitet. Hielscher Industrie-Sonicatoren werden in Olivenölmühlen installiert, um die Ausbeute und Qualität von nativem Olivenöl extra zu erhöhen. Die durch Leistungsultraschall erzeugte Kavitation bricht die Zellwände auf und erhöht die Durchlässigkeit des Olivenfruchtgewebes. Dies führt zu einer besseren Extraktion des Öls aus dem Olivenbrei und damit zu einer höheren Ausbeute an Öl.

FAQ: Ultraschallgestützte Polyphenolextraktion aus Oliventrester

Was ist Oliventrester?

Olivenpressrückstände, auch als „Alperujo“ bekannt, sind das wichtigste Nebenprodukt, das bei der Olivenölgewinnung anfällt. Sie bestehen aus Olivenfruchtfleisch, Schalen, Kernen sowie Restwasser und -öl. Obwohl sie oft als Abfall betrachtet werden, enthalten Olivenpressrückstände wertvolle bioaktive Verbindungen, insbesondere Polyphenole wie Hydroxytyrosol.

Warum ist Oliventrester eine wertvolle Quelle für Polyphenole?

Olivenpressrückstände enthalten hohe Konzentrationen an Phenolverbindungen mit starken antioxidativen Eigenschaften. Diese Verbindungen können gewonnen und zu hochwertigen natürlichen Extrakten verarbeitet werden, die in der Lebensmittelkonservierung, als Pflanzenbiostimulanzien, in nutrazeutischen Inhaltsstoffen, in Kosmetika und in anderen biobasierten Anwendungen zum Einsatz kommen.

Was ist Hydroxytyrosol?

Hydroxytyrosol ist eines der wichtigsten Polyphenole, die in Oliven und aus Oliven gewonnenen Nebenprodukten vorkommen. Es ist für seine starke antioxidative Wirkung bekannt und wird in funktionellen Lebensmitteln, natürlichen Konservierungsstoffen, Kosmetikformulierungen und landwirtschaftlichen Biostimulanzien sehr geschätzt.

Warum sollten Polyphenole aus Oliventrester gewonnen werden?

Die Gewinnung von Polyphenolen aus Oliventrester trägt dazu bei, einen agroindustriellen Reststoff in einen wertvollen Rohstoff umzuwandeln. Dies unterstützt Strategien der Kreislaufwirtschaft, verringert die Umweltbelastung durch die Olivenölproduktion und schafft neue Einnahmequellen aus Nebenprodukten, die andernfalls entsorgt oder aufbereitet werden müssten.

Was ist eine ultraschallunterstützte Extraktion?

Die ultraschallunterstützte Extraktion ist eine fortschrittliche Extraktionstechnik, bei der akustische Energie genutzt wird, um die Freisetzung wertvoller Inhaltsstoffe aus pflanzlichen Materialien zu verstärken. Die Ultraschallkavitation verbessert den Stoffaustausch zwischen der festen Biomasse und dem Lösungsmittel und ermöglicht so eine schnellere, effizientere und besser reproduzierbare Extraktion im Vergleich zu vielen herkömmlichen Verfahren.

Inwiefern verbessert Ultraschall die Extraktion von Polyphenolen aus Oliventrester?

Ultraschall erzeugt im flüssigen Medium Kavitationskräfte, die dazu beitragen, die Zellstrukturen der Pflanzen 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 Prozessschwankungen verringern.

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

Ja. Die Studie zeigt, wie Wasser als Extraktionslösungsmittel zur Gewinnung von Hydroxytyrosol-reichen Polyphenolen aus getrocknetem Oliventrester eingesetzt werden kann. Dies macht das Verfahren besonders attraktiv für „Clean-Label“-Anwendungen, Anwendungen in Lebensmittelqualität sowie umweltfreundliche Extraktionsverfahren.

Welches Ultraschallgerät wurde in der Studie verwendet?

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

Welche Prozessparameter wurden optimiert?

In der Studie wurden zwei wesentliche Parameter der Ultraschallextraktion optimiert: die Ultraschallamplitude und die Extraktionszeit. Diese Parameter wurden anhand eines zentralen Kompositdesigns untersucht, um ihren Einfluss auf die Hydroxytyrosol-Konzentration im wässrigen Extrakt zu bestimmen.

Unter welchen Bedingungen wurde die Hydroxytyrosol-Extraktion optimiert?

Die in der Studie ermittelten optimierten Extraktionsbedingungen waren eine Amplitude von 61,5 % und eine Ultraschallbehandlung von 24,2 Minuten. Unter diesen Bedingungen sagte das Modell eine maximale Hydroxytyrosol-Konzentration von 1609,5 mg/l voraus.

Warum ist die Amplitudenregelung bei der Ultraschallextraktion wichtig?

Die Amplitudenregelung ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Intensität der Ultraschallkavitation bestimmt. Durch eine präzise Einstellung der Amplitude können Anwender die Extraktionseffizienz optimieren, unnötigen Energieaufwand vermeiden und trotz natürlicher Schwankungen bei Biomasse-Ausgangsmaterialien wie Oliventrester reproduzierbarere Extrakte erzielen.

Ist die Ultraschallextraktion von Oliventrester skalierbar?

Ja. Die Ultraschallextraktion ist in hohem Maße skalierbar, wenn Prozessparameter wie Amplitude, Energiezufuhr, Durchflussrate, Temperatur und Verweilzeit angemessen gesteuert werden. Die Studie unterstreicht die Bedeutung der Ultraschalltechnologie von Hielscher für die Übertragung von Optimierungen im Labormaßstab auf die industrielle Durchflussverarbeitung.

Welche Produkte lassen sich aus Polyphenolextrakten aus Oliventrester herstellen?

Polyphenolreiche Extrakte aus Oliventrester können in einer Vielzahl hochwertiger Anwendungen eingesetzt werden, darunter natürliche antioxidative Lebensmittelkonservierungsmittel, pflanzliche Biostimulanzien, Kosmetikwirkstoffe, nutrazeutische Formulierungen und biobasierte Spezialzutaten.

Inwiefern trägt die Ultraschallextraktion zu einer nachhaltigen Olivenölproduktion bei?

Die Ultraschallextraktion trägt zu einer nachhaltigen Olivenölproduktion bei, indem sie Oliventrester verwertet, anstatt ihn lediglich als Abfall zu betrachten. Durch die Rückgewinnung wertvoller Antioxidantien aus diesem Nebenprodukt können Produzenten die Umweltbelastung verringern, die Ressourceneffizienz verbessern und zusätzliche Wertschöpfungsketten schaffen.

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

Ja. Die Ultraschallsysteme von Hielscher eignen sich für die Prozessentwicklung, Pilotversuche und die Extraktion im industriellen Maßstab. Dank ihrer präzisen Steuerung der Ultraschallparameter und ihrer Verfügbarkeit in skalierbaren Konfigurationen sind sie bestens für die kontinuierliche Verarbeitung von Oliventrester und anderen agroindustriellen Biomasse-Strömen geeignet.

Literatur / Literaturhinweise

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).