Εκχύλιση βανίλιας με υπερήχους – Μια μη θερμική μέθοδος
- Το εκχύλισμα βανίλιας είναι ένα αρωματικό διάλυμα που λαμβάνεται από λοβούς βανίλιας με εκχύλιση σε διάλυμα αιθανόλης και νερού.
- Για την παραγωγή βανιλίνης υψηλής ποιότητας ως συστατικού αρώματος, γεύσης και ευωδίας, απαιτείται μια αποτελεσματική αλλά ήπια τεχνική εκχύλισης, ώστε να αποτρέπεται η αποσύνθεση.
- Η εκχύλιση με υπερήχους είναι μια ήπια μηχανική μέθοδος εκχύλισης, η οποία παρέχει υψηλές αποδόσεις βανιλίνης σε πολύ σύντομο χρόνο εκχύλισης.
Υπέρηχοι υψηλής απόδοσης για εκχυλίσματα βανιλίνης υψηλής ποιότητας
Καθώς η βανίλια είναι το δεύτερο ακριβότερο μπαχαρικό μετά τον κρόκο, η παραγωγή της απαιτεί μια αποτελεσματική μέθοδο εκχύλισης, η οποία αποτρέπει την αποδόμηση των πολύτιμων αιθέριων ελαίων. Η εκχύλιση με υπερήχους είναι ευρέως γνωστή και καθιερωμένη ως μια ήπια, μη θερμική, αλλά εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος απελευθέρωσης βιοδραστικών ενώσεων από φυτικό υλικό. Η εκχύλιση με υπερήχους βασίζεται στο φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης, η οποία αποτελεί αμιγώς μηχανική κατεργασία. Αυτό καθιστά την κατεργασία με υπερήχους την προτιμώμενη μέθοδο για την απομόνωση ευαίσθητων βιοδραστικών ενώσεων, όπως γευστικές ενώσεις και αιθέρια έλαια, π.χ. βανιλίνη, πολυφαινόλες ή αντιοξειδωτικά από φυτικές πρώτες ύλες.
Πλεονεκτήματα της εκχύλισης βανίλιας με υπερήχους
- Ανώτερη απόδοση
- Εκχύλιση υψηλής ταχύτητας – μέσα σε λίγα λεπτά
- Εκχυλίσματα υψηλής ποιότητας – ήπια, μη θερμική εκχύλιση
- Πράσινοι διαλύτες (π.χ. νερό/αιθανόλη)
- Οικονομικά αποδοτική
- Εύκολη και ασφαλής λειτουργία
- Χαμηλό κόστος επένδυσης και λειτουργίας
- Λειτουργία 24/7 υπό συνθήκες βαριάς χρήσης
- Πράσινη, φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος
Εκχύλιση βανίλιας με υπερήχους – Σε παρτίδες ή σε λειτουργία συνεχούς ροής
Παρτίδες: Οι διεργασίες εκχύλισης με υπερήχους μπορούν να εκτελούνται ως απλές διεργασίες παρτίδας ή ως κατεργασία εντός γραμμής, κατά την οποία το μέσο τροφοδοτείται συνεχώς μέσω ενός αντιδραστήρα υπερήχων συνεχούς ροής.
Η επεξεργασία σε παρτίδες είναι μια εύκολη διαδικασία, κατά την οποία η εκχύλιση πραγματοποιείται ανά παρτίδα. Η Hielscher Ultrasonics προσφέρει επεξεργαστές υπερήχων για μικρές έως μεγάλες παρτίδες, δηλαδή από 1L έως 120L.
Για την επεξεργασία παρτίδων από 5 έως 10L, συνιστούμε το UP400ST (400W, βίντεο παρακάτω) με ηχοτρόδιο S24d22L2D.
Για την επεξεργασία παρτίδων περίπου 120L, συνιστούμε το UIP2000hdT (2kW, εικόνα στην κορυφή της δεξιάς στήλης) με ηχοτρόδιο RS4d40L4.
Συσκευή υπερήχων UIP2000hdT για εκχύλιση φυτικών πρώτων υλών σε παρτίδα 120L
Εκχύλιση φυτικών πρώτων υλών με υπερήχους με τη συσκευή υπερήχων UP400St
Για όγκο περίπου 8L/min., συνιστούμε το UIP4000hdT (4kW, εικόνα δεξιά) με ηχοτρόδιο RS4d40L3 και κυψελίδα ροής FC130L4-3G0 που μπορεί να τεθεί υπό πίεση
Μελέτη περίπτωσης εκχύλισης βανίλιας με υπερήχους
Οι Jadhav et al. (2009) συνέκριναν την υποβοηθούμενη με υπερήχους εκχύλιση (UAE) και την εκχύλιση Soxhlet. Η έρευνα επιβεβαίωσε ότι η εκχύλιση με υπερήχους ενισχύει σημαντικά την απελευθέρωση βανιλίνης σε σύγκριση με την εκχύλιση Soxhlet. Η κατεργασία Soxhlet απαιτούσε θερμοκρασία λειτουργίας 95°C, αναλογία διαλύτη:διαλυμένης ουσίας 66,67ml/g και χρόνο εκχύλισης 8hrs, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση περίπου 180ppm βανιλίνης. Η υποβοηθούμενη με υπερήχους εκχύλιση (UAE) απαιτούσε μόνο 1hr για την απελευθέρωση περίπου 140ppm βανιλίνης, χρησιμοποιώντας την ίδια αναλογία διαλύτη:διαλυμένης ουσίας σε θερμοκρασία δωματίου.
Οι Rasoamandrary et al. (2013) συνέκριναν την αποτελεσματικότητα της εκχύλισης βανιλίνης χρησιμοποιώντας μια συσκευή υπερήχων τύπου καθετήρα ισχύος 100W (π.χ. UP100H), ένα λουτρό υπερήχων και ένα λουτρό θερμού νερού. Οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η συσκευή υπερήχων με εμβαπτιζόμενο ηχοτρόδιο αποτελεί ισχυρό εργαλείο εκχύλισης χάρη στους υπερήχους υψηλής έντασης που παράγει. Επομένως, η συσκευή υπερήχων με εμβαπτιζόμενο ηχοτρόδιο υπερείχε των εναλλακτικών μεθόδων εκχύλισης, παρέχοντας παρόμοιες ή υψηλότερες αποδόσεις εκχυλισμένης βανιλίνης σε σημαντικά μικρότερο χρόνο εκχύλισης και με μικρότερη κατανάλωση διαλύτη (δηλ. αιθανόλης).
Η σύγκριση των τριών μεθόδων εκχύλισης – εκχύλιση με εμβαπτιζόμενο ηχοτρόδιο υπερήχων, λουτρό υπερήχων και λουτρό θερμού νερού – έδειξε ότι η εκχύλιση βανιλίνης ήταν αποδοτικότερη με κατεργασία με υπερήχους μέσω εμβαπτιζόμενου ηχοτροδίου, χρησιμοποιώντας αιθανόλη 40% (v/v) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 30°C και με χρόνο εκχύλισης 1hr. Η εκχύλιση σε υδατόλουτρο απαιτούσε συγκέντρωση αιθανόλης 50% (v/v) στους 56°C για 15hrs.
UIP4000hdT – εκχυλιστής υπερήχων 4kW για συνεχή επεξεργασία εντός γραμμής.
Εξοπλισμός υπερήχων για εκχύλιση υψηλής απόδοσης
Η Hielscher Ultrasonics ειδικεύεται στην κατασκευή επεξεργαστών υπερήχων υψηλής απόδοσης για την παραγωγή εκχυλισμάτων υψηλής ποιότητας από φυτικές πρώτες ύλες.
Το ευρύ χαρτοφυλάκιο προϊόντων της Hielscher εκτείνεται από μικρές, ισχυρές εργαστηριακές συσκευές υπερήχων έως ανθεκτικά επιτραπέζια και πλήρως βιομηχανικά συστήματα, τα οποία παρέχουν υπερήχους υψηλής έντασης για την αποδοτική εκχύλιση και απομόνωση βιοδραστικών ουσιών (π.χ. κερκετίνη, καφεΐνη, κουρκουμίνη, τερπένια κ.λπ.). Όλες οι συσκευές υπερήχων από 200W έως 16.000W διαθέτουν έγχρωμη οθόνη για ψηφιακό έλεγχο, ενσωματωμένη κάρτα SD για αυτόματη καταγραφή δεδομένων, απομακρυσμένο έλεγχο μέσω προγράμματος περιήγησης και πολλές ακόμη φιλικές προς τον χρήστη λειτουργίες. Τα ηχοτρόδια και οι κυψελίδες ροής (τα μέρη που έρχονται σε επαφή με το μέσο) μπορούν να αποστειρωθούν σε αυτόκαυστο και καθαρίζονται εύκολα. Όλες οι συσκευές υπερήχων μας είναι κατασκευασμένες για λειτουργία 24/7, απαιτούν ελάχιστη συντήρηση και ο χειρισμός τους είναι εύκολος και ασφαλής.
Μια ψηφιακή έγχρωμη οθόνη επιτρέπει τον φιλικό προς τον χρήστη έλεγχο της συσκευής υπερήχων. Τα συστήματά μας μπορούν να παρέχουν πλάτη ταλάντωσης από χαμηλά έως πολύ υψηλά. Για την εκχύλιση πολυφαινολών και άλλων βιοδραστικών ενώσεων, όπως η βανιλίνη, προσφέρουμε ειδικά ηχοτρόδια υπερήχων (γνωστά και ως εμβαπτιζόμενοι καθετήρες ή κέρατα υπερήχων), τα οποία είναι βελτιστοποιημένα για την ήπια απομόνωση δραστικών ουσιών υψηλής ποιότητας. Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό βαριά καταπόνηση και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Ο ακριβής έλεγχος των παραμέτρων της διεργασίας υπερήχων διασφαλίζει την αναπαραγωγιμότητα και την τυποποίηση της διεργασίας.
Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Επεξεργαστές υπερήχων υψηλής ισχύος από εργαστηριακή έως πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία/Αναφορές
- Velez Suaza, Catalina (2016): Βελτιστοποίηση αναλυτικής προσέγγισης με βάση την υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης για τον χαρακτηρισμό φυσικού εκχυλίσματος βανίλιας. Διατριβή, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Εκχύλιση βανιλίνης από λοβούς βανίλιας: Συγκριτική μελέτη συμβατικής εκχύλισης Soxhlet και εκχύλισης υποβοηθούμενης από υπερήχους. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Βελτιωμένη εκχύλιση βανιλίνης, 4-υδροξυ-3-μεθοξυβενζαλδεΰδης, από λοβούς βανίλιας που έχουν υποστεί μεθωρίμανση με χρήση εκχύλισης υποβοηθούμενης από υπερήχους: Σύγκριση της εκχύλισης υποβοηθούμενης από υπερήχους με την εκχύλιση σε λουτρό θερμού νερού.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Τεχνολογία υπερήχων για την εκχύλιση βιολογικά δραστικών μορίων από φυτικές, ζωικές και θαλάσσιες πηγές. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Τόμος 122, 2020.
Χρήσιμες πληροφορίες
Η αρχή λειτουργίας της εκχύλισης με υπερήχους
Η εφαρμογή έντονων υπερηχητικών κυμάτων σε ένα υγρό μέσο προκαλεί σπηλαίωση. Το φαινόμενο της σπηλαίωσης οδηγεί τοπικά σε ακραίες θερμοκρασίες, πιέσεις, ρυθμούς θέρμανσης/ψύξης, διαφορές πίεσης και υψηλές δυνάμεις διάτμησης στο μέσο. Όταν οι φυσαλίδες σπηλαίωσης καταρρέουν στην επιφάνεια στερεών (όπως σωματίδια, φυτικά κύτταρα, ιστοί κ.λπ.), οι μικροπίδακες και οι συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων προκαλούν φαινόμενα όπως επιφανειακή απολέπιση, διάβρωση και κατακερματισμό των σωματιδίων. Επιπλέον, η κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης σε υγρά μέσα δημιουργεί μακροσκοπικούς στροβιλισμούς και μικροανάμειξη.
Εικ. 1: Δημιουργία σταθερών και παροδικών φυσαλίδων σπηλαίωσης.
(a) μετατόπιση, (b) παροδική σπηλαίωση, (c) σταθερή σπηλαίωση, (d) πίεση
[adapted from Santos et al. 2009]
Η ακτινοβόληση φυτικού υλικού με υπερήχους κατακερματίζει τη μήτρα των φυτικών κυττάρων και ενισχύει την ενυδάτωσή τους. Οι Chemat et al (2015) καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η εκχύλιση βιοδραστικών ενώσεων από φυτικές πρώτες ύλες με υπερήχους είναι αποτέλεσμα διαφορετικών ανεξάρτητων ή συνδυασμένων μηχανισμών, στους οποίους περιλαμβάνονται ο κατακερματισμός, η διάβρωση, η τριχοειδής δράση, η αποδόμηση της υφής και ο σχηματισμός πόρων με υπερήχους. Αυτές οι επιδράσεις διαρρηγνύουν το κυτταρικό τοίχωμα, βελτιώνουν τη μεταφορά μάζας ωθώντας τον διαλύτη μέσα στο κύτταρο και αναρροφώντας προς τα έξω τον διαλύτη που περιέχει φυτικές ενώσεις, και εξασφαλίζουν την κίνηση του υγρού μέσω μικροανάμειξης.
Εκχύλιση από φυτικά κύτταρα με υπερήχους: η μικροσκοπική εγκάρσια τομή (TS) δείχνει τον μηχανισμό δράσης κατά την εκχύλιση από κύτταρα με υπερήχους (μεγέθυνση 2000x) [πηγή: Vilkhu et al. 2011]
Η εκχύλιση με υπερήχους επιτυγχάνει πολύ γρήγορη απομόνωση ενώσεων – υπερέχοντας έναντι των συμβατικών μεθόδων εκχύλισης ως προς τον μικρότερο χρόνο διεργασίας, την υψηλότερη απόδοση και τις χαμηλότερες θερμοκρασίες. Ως ήπια μηχανική κατεργασία, η εκχύλιση με υποβοήθηση υπερήχων αποφεύγει τη θερμική αποδόμηση των βιοδραστικών συστατικών και υπερέχει σε σύγκριση με άλλες τεχνικές, όπως η συμβατική εκχύλιση με διαλύτη, η υδροαπόσταξη, ή η εκχύλιση Soxhlet , οι οποίες είναι γνωστό ότι καταστρέφουν τα θερμοευαίσθητα μόρια. Χάρη σε αυτά τα πλεονεκτήματα, η εκχύλιση με υπερήχους είναι η προτιμώμενη τεχνική για την απελευθέρωση θερμοευαίσθητων βιοδραστικών ενώσεων από φυτικές πρώτες ύλες.
Βανιλίνη
Η βανίλια είναι μια πολύτιμη αρωματική ύλη, η οποία μπορεί να εκχυλιστεί από ορχιδέες του γένους Vanilla, κυρίως από το μεξικανικό είδος βανίλιας με επίπεδα φύλλα (V. planifolia). Οι ενώσεις με τη μοναδική γεύση της ορχιδέας βανίλιας βρίσκονται στον καρπό της, ο οποίος προκύπτει από την επικονίαση του άνθους. Αυτοί οι λοβοί σπόρων έχουν διαστάσεις περίπου 1/3 x 6 inches και χρώμα από καστανοκόκκινο έως μαύρο όταν είναι ώριμοι. Στο εσωτερικό αυτών των λοβών υπάρχει ένα ελαιώδες υγρό γεμάτο μικροσκοπικούς σπόρους. Τόσο ο λοβός όσο και οι σπόροι χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βανιλίνης.
Παρότι η βανιλίνη είναι η κύρια γευστική ένωση στο φυτό της βανίλιας, το καθαρό εκχύλισμα βανίλιας περιέχει αρκετές εκατοντάδες επιπλέον γευστικές ενώσεις, οι οποίες συμβάλλουν στη σύνθετη, βαθιά γεύση του.
Η εσάνς βανίλιας απαντά σε δύο μορφές, δηλαδή ως εσάνς φυσικής βανιλίνης από τον λοβό σπόρων της βανίλιας και ως βιομηχανικά συντιθέμενη βανιλίνη. Το εκχύλισμα φυσικών λοβών σπόρων είναι ένα σύνθετο μείγμα αρκετών εκατοντάδων διαφορετικών ενώσεων. Η χημική ένωση βανιλίνη – 4-υδροξυ-3-μεθοξυβενζαλδεΰδη – συμβάλλει περισσότερο από κάθε άλλη στη χαρακτηριστική γεύση και στο άρωμα της φυσικής βανίλιας και είναι το κύριο γευστικό συστατικό των επεξεργασμένων λοβών βανίλιας. Εκτός από τη βανιλίνη, πολλές άλλες χημικές ενώσεις, όπως η ακεταλδεΰδη, το οξικό οξύ, η φουρφουράλη, το εξανοϊκό οξύ, η 4-υδροξυβενζαλδεΰδη, η ευγενόλη, ο κινναμωμικός μεθυλεστέρας και το ισοβουτυρικό οξύ, συμβάλλουν στο σύνθετο άρωμα της βανίλιας.
Καλλιεργούμενες ποικιλίες βανίλιας
Η βανίλια Bourbon ή βανίλια Bourbon-Madagascar παράγεται από φυτά V. planifolia, τα οποία αναπτύσσονται σε νησιά του Ινδικού Ωκεανού όπως η Μαδαγασκάρη, οι Κομόρες και η Ρεϊνιόν, η οποία παλαιότερα ονομαζόταν Île Bourbon. Ο όρος «βανίλια Bourbon» περιγράφει επίσης το χαρακτηριστικό άρωμα βανίλιας που προέρχεται από τη V. planifolia.
Η μεξικανική βανίλια, που εκχυλίζεται από την αυτόχθονη V. planifolia, παράγεται σε πολύ μικρότερες ποσότητες. Η μεξικανική βανίλια είναι γνωστή και διατίθεται στην αγορά ως βανίλια από τον τόπο καταγωγής της, καθώς το φυτό V. planifolia είναι αυτόχθονο στη Μεσοαμερική.
Η βανίλια Ταϊτής προέρχεται από τη Γαλλική Πολυνησία και παράγεται από το φυτό V. tahitiensis. Η γενετική ανάλυση δείχνει ότι αυτό το είδος είναι πιθανώς μια καλλιεργούμενη ποικιλία που προέρχεται από υβρίδιο των V. planifolia και V. odorata.
Η βανίλια των Δυτικών Ινδιών παράγεται από τη V. pompona, η οποία καλλιεργείται στην Καραϊβική και στην Κεντρική και Νότια Αμερική.