Extracción ultrasónica de la cafeína
El uso de ultrasonidos es un método eficaz para la extracción de cafeína y otros compuestos activos del café. Los potentes sonicadores ayudan en el proceso de extracción al tiempo que maximizan el rendimiento y acortan el tiempo de procesamiento. Descubra cómo los sonicadores Hielscher favorecen la extracción de cafeína y la preparación en frío de bebidas a base de café.
Mejorar la extracción de cafeína con ultrasonidos de potencia
El sabor del café y los efectos de la cafeína son una pasión compartida por millones de personas en todo el mundo desde hace siglos. Mientras los aficionados al café y los científicos buscan formas de mejorar la extracción de cafeína, compuestos bioactivos y aromas de los granos de café, han surgido técnicas innovadoras para revolucionar el proceso. Uno de estos métodos, el aprovechamiento del poder de los ultrasonidos, se ha revelado como una herramienta prometedora para mejorar la eficacia de la extracción de cafeína. Los sonicadores de Hielscher permiten extraer mayores rendimientos de cafeína y desbloquear nuevas dimensiones de sabores y aromas en las bebidas, aditivos alimentarios y extractos de café.
Ultrasonidos industriales UIP6000hdT para la extracción continua de cafeína de los granos de café
Ventajas de la extracción de granos de café por sonicación
La alta eficacia y la calidad superior del extracto de café son sólo dos criterios que hacen que el uso de los sonicadores tipo sonda de Hielscher sea el mejor método para la extracción de cafeína y compuestos de café de los granos de café. A continuación se enumeran las ventajas más importantes de la extracción de café por ultrasonidos:
- Eficiencia: Los sonicadores de sonda generan intensas ondas ultrasónicas que pueden penetrar eficazmente en los materiales sólidos. Esto ayuda a romper la estructura del grano de café y facilita la extracción de la cafeína.
- Control preciso: Los sonicadores de sonda permiten controlar con precisión la energía ultrasónica y el tiempo de exposición. Este control es esencial para evitar la sobreextracción, que puede dar lugar a sabores y amargor no deseados en el extracto de café.
- Velocidad: La sonicación es un proceso rápido, y los sonicadores tipo sonda pueden reducir significativamente el tiempo de extracción en comparación con los métodos tradicionales, lo que hace que el proceso sea más eficaz.
- Uniformidad: Las ondas ultrasónicas pueden proporcionar una extracción más uniforme en todo el material del grano de café, garantizando que la cafeína se extraiga de manera uniforme.
- Reducción del uso de disolventes: La extracción por ultrasonidos suele requerir menos disolvente que los métodos tradicionales. Esto puede ser respetuoso con el medio ambiente y rentable.
- Conservación de compuestos de sabor: La sonicación por sonda puede optimizarse para extraer la cafeína de forma selectiva y dejar intactos en gran medida otros compuestos aromatizantes. Esto es importante para mantener la calidad y el sabor del extracto de café.
- Escalabilidad: Con Hielscher Ultrasonics, los procesos de extracción por ultrasonidos pueden escalarse linealmente para aplicaciones industriales. Esto significa que la viabilidad y la optimización del proceso pueden realizarse a escala de laboratorio y, a continuación, escalarse fácilmente y sin riesgos al rendimiento de producción.
Sonda ultrasónica UP400St para la extracción eficaz de la cafeína de los granos de café, té y cacao.
Extracción ultrasónica de compuestos del café
La extracción asistida por ultrasonidos es un método común utilizado para aislar sustancias bioactivas del material vegetal [Dong et al. 2010]. En cuanto a los granos de café, la cafeína y los compuestos fenólicos antioxidantes podrían ser los compuestos más valiosos para la extracción debido a sus amplias aplicaciones en la industria farmacéutica y alimentaria. Pero también los flavonoides, el ácido clorogénico y el ácido protocatéquico son extractos que se utilizan como aditivos.
Con los métodos de extracción tradicionales, como la extracción líquido-líquido en disolventes, generalmente la eficacia de la extracción aumenta con el incremento de las temperaturas de extracción. Esto provoca a menudo daños y pérdida de calidad del extracto, ya que la temperatura afecta a la estabilidad de los compuestos fenólicos.
La extracción sólido-líquido asistida por ultrasonidos se ha revelado como un método de extracción eficaz y que ahorra tiempo. Las potentes fuerzas ultrasónicas proporcionan la energía necesaria para la extracción, por lo que se necesitan menos disolventes o incluso ninguno. La temperatura puede controlarse bien, ya que el reactor sonicado discontinuo o de celda de flujo puede enfriarse (o calentarse si es necesario) de forma eficaz.
Debido a las intensas fuerzas de extracción de los ultrasonidos, también el café molido ya gastado (residuos de café) sigue siendo una materia prima rica en compuestos extraíbles. Como el material de desecho de café es barato y está disponible en grandes cantidades, es una materia prima ideal para la extracción de los compuestos activos restantes. Aunque el contenido de cafeína y otros componentes en los residuos de café es menor que en el café en polvo sin utilizar, todavía queda una gran cantidad y es extraíble. Para liberar estos compuestos del café molido, la influencia total de los parámetros de procesamiento adquiere una importancia especial. Los ultrasonidos de alta potencia son capaces de extraer grandes cantidades de compuesto activo en un breve tiempo de procesamiento.
El café verde son granos de café sin tostar, muy ricos en cafeína. La extracción por ultrasonidos y la elaboración de cerveza en frío es una técnica excelente para la producción de extractos de café verde y cerveza en frío.
Extractor ultrasónico UIP2000hdT para la extracción de compuestos bioactivos de los granos de café
Sonicators de alta potencia para la extracción de café
Para facilitar la comprensión del procedimiento de extracción asistida por ultrasonidos, es necesario explicar el efecto de los ultrasonidos en los líquidos.
La extracción asistida por ultrasonidos es una alternativa barata, sencilla y eficaz en comparación con las técnicas de extracción convencionales. Las principales ventajas de los ultrasonidos en la extracción sólido-líquido incluyen el aumento del rendimiento de extracción y una cinética más rápida. La extracción por ultrasonidos es una técnica utilizada con frecuencia para la extracción de materiales vegetales con disolventes líquidos y ha demostrado ser un proceso de extracción rápido y más completo en comparación con los métodos tradicionales, ya que la superficie entre la fase sólida y líquida es significativamente mayor debido a la disrupción celular y la dispersión de partículas.
Mediante el uso de la sonicación también se puede reducir la temperatura de funcionamiento, lo que permite la extracción de componentes sensibles a la temperatura. En comparación con otras técnicas de extracción novedosas, como la extracción asistida por microondas, el aparato de ultrasonidos es más barato y su funcionamiento es más sencillo. Además, la extracción asistida por ultrasonidos puede utilizarse con cualquier disolvente, como la extracción Soxhlet, para extraer una amplia variedad de compuestos naturales. [Wang et al. 2006]
Una ventaja sustancial de los ultrasonidos es su influencia en los parámetros de procesamiento más importantes: amplitud, tiempo, temperatura, presión y viscosidad. De este modo, se puede optimizar el proceso de extracción para garantizar que no se dañe la estructura de los extractos.
Mejora de la extracción de cafeína mediante sonicación
Se puede afirmar que la cafeína es el estimulante más consumido. Como la cafeína no sólo se consume bebiendo café preparado, el extracto de cafeína se utiliza en la industria para tratar otros productos con cafeína como aditivo. De este modo es posible crear un café más fuerte o formular refrescos (por ejemplo, cola), bebidas energéticas u otros alimentos (por ejemplo, chocolate).
Pero la cafeína no sólo se utiliza como aditivo en la producción de alimentos, sino que también es un importante compuesto activo en productos farmacéuticos. Una aplicación común del extracto de cafeína es, por ejemplo, la mezcla en fármacos para el dolor de cabeza y la migraña o en analgésicos.
Para extraer la cafeína, el principal alcaloide del café, la ultrasonicación es un método adecuado. Wang y sus colegas descubrieron que sólo se necesita un breve tiempo de extracción para alcanzar un estado de saturación, si se utiliza la ultrasonicación. Esto significa que el ultrasonido es una técnica muy eficaz y que ahorra tiempo para obtener cafeína. [Wang et al. 2011]
Extracción intensificada de moléculas aromáticas y compuestos de sabor mediante sonicación
Los compuestos volátiles del café son la fracción más valiosa del grano de café tostado y confieren al café su sabor y fragancia únicos. La calidad del café soluble puede mejorarse sustancialmente añadiendo al café en polvo aceites de café absorbentes del aroma.
Un estudio comparativo, en el que se examinó la extracción de compuestos fenólicos de fresas, demostró que la extracción ultrasónica provoca una menor degradación de los fenólicos y es un proceso de extracción mucho más rápido en comparación con otros métodos de extracción, como el sólido-líquido, el agua subcrítica y el método asistido por microondas. [Herrera et al. 2005]
El estudio de Wang y sus colegas demuestra que los ultrasonidos de baja frecuencia y alta potencia son más eficaces para la extracción de aromas de café. Especialmente para la 4-Tridecanona y la 2-Metoxi-3-Metilpirazina, encontraron que la extracción ultrasónica es la técnica más fácil y eficiente obteniendo rendimientos de extracción muy altos. Además, se demuestra que la temperatura debe controlarse, ya que los componentes del aroma del café son muy volátiles a altas temperaturas. Lograron buenos resultados de extracción en el rango de temperatura entre 35~65 °C bajo irradiación ultrasónica de tiempo relativamente corto. [Wang et al. 2011]
La sonicación mejora la extracción del té
Los resultados obtenidos mediante la extracción asistida por ultrasonidos también son adecuados para la extracción de compuestos del té (por ejemplo, hojas de té verde). Un estudio de Xia et al. mostró un contenido significativamente mayor de polifenoles del té, aminoácidos y cafeína en las infusiones de té tratadas con ultrasonidos que en las obtenidas mediante extracción convencional. Esto se traduce en mejores resultados durante una evaluación organoléptica que resultó: la calidad sensorial de la infusión de té con extracción asistida por ultrasonidos era mejor que la de la infusión de té con extracción convencional. [Xia et al. 2005]
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Conclusiones: Extracción altamente eficaz de cafeína con ultrasonidos
La extracción asistida por ultrasonidos es un método eficaz, rápido y controlable para extraer compuestos activos del café. Los compuestos más interesantes y valiosos son la cafeína y los antioxidantes, como los diterpenos fenólicos (cafestol, kahweol) y los ácidos ascórbicos. Las principales ventajas de la extracción asistida por ultrasonidos son la obtención de extractos de excelente calidad con altos rendimientos. Estas ventajas de la extracción por ultrasonidos se consiguen mediante la optimización y el control preciso de los parámetros de extracción por ultrasonidos.
Sonicators de alto rendimiento para la extracción de cafeína
Cuando se trata de la extracción de cafeína a cualquier escala de procesamiento, los sonicadores Hielscher se erigen como el pináculo de la innovación y la eficiencia. Tanto si se trata de un pequeño productor artesanal como de una planta de fabricación industrial a gran escala, los sonicadores de Hielscher ofrecen una solución precisa y potente para extraer la esencia pura de la cafeína de su material de partida.
- Precisión y coherencia: Los sonicadores de sonda Hielscher están diseñados para ofrecer un control preciso del proceso de extracción. Su tecnología de vanguardia garantiza resultados uniformes lote tras lote, lo que le permite mantener la calidad y la potencia de su extracto de cafeína.
- Escalabilidad: Hielscher ofrece una gama de sonicadores adecuados para diversas escalas de procesamiento. Desde modelos compactos de sobremesa para investigación y desarrollo hasta robustos sistemas industriales capaces de manejar grandes volúmenes, Hielscher proporciona la flexibilidad necesaria para satisfacer sus requisitos de producción.
- Eficiencia: Con los sonicadores Hielscher, puede reducir significativamente los tiempos de extracción en comparación con los métodos tradicionales. Las ondas ultrasónicas generadas por estas máquinas crean intensas fuerzas de cavitación, rompiendo rápidamente las paredes celulares y liberando las moléculas de cafeína, lo que se traduce en ciclos de procesamiento más cortos.
- Versatilidad: Los sonicadores Hielscher no se limitan únicamente a la extracción de cafeína. Nuestros sonicadores se adaptan a una amplia gama de aplicaciones en las industrias alimentaria, farmacéutica y cosmética. Tanto si está extrayendo cafeína de granos de café, hojas de té u otras fuentes botánicas, los sonicadores Hielscher ofrecen versatilidad para adaptarse a sus necesidades.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter | 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min. | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Preguntas frecuentes sobre la extracción del café
¿Qué es el café y el extracto de café?
Café - elaborado con granos de café tostados – es una bebida muy popular que se consume en todo el mundo. Además de su efecto vitalizante si se consume como bebida estimulante, los compuestos del café son de interés para la industria alimentaria, farmacéutica (por ejemplo, en analgésicos) y cosmética, ya que se utilizan como valiosos aditivos en diversos productos. Esto se aplica especialmente a la cafeína (1,3,7-trimetilxantina) y a los antioxidantes, conocidos por sus efectos positivos en la salud humana. El café contiene, entre otros, diterpenos fenólicos como el cafestol y el kahweol, y ácidos ascórbicos, conocidos por su actividad antioxidante. Estudios epidemiológicos sugieren que los ingredientes del café pueden tener un efecto preventivo sobre varias enfermedades crónicas, como la diabetes mellitus de tipo 2, la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y enfermedades hepáticas como la cirrosis y el carcinoma hepatocelular.
Los ultrasonidos son una herramienta bien conocida y probada para muchas aplicaciones distintas en diversas industrias. Una de las aplicaciones más destacadas y exitosas de los ultrasonidos de potencia es la extracción de compuestos bioactivos de las plantas. La cavitación ultrasónica desorganiza las células y provoca así la liberación de la materia intracelular. Debido a estos efectos, la sonicación proporciona rendimientos de extracción mayores y más completos en un tiempo de procesamiento muy corto. Al tratarse de una técnica de procesamiento no térmica, las moléculas bioactivas no se degradan con las altas temperaturas, lo que da lugar a extractos de alta calidad.
¿El extracto de café contiene mucha cafeína?
Sí, el extracto de café suele tener un alto contenido de cafeína, aunque la cantidad exacta depende del tipo de granos y del método de extracción utilizado. El extracto de café extraído por ultrasonidos suele tener un alto contenido en cafeína, ya que este método mejora la eficacia de extracción de los compuestos, incluida la cafeína, de los granos de café.
¿Cuáles son los compuestos bioactivos del extracto de café?
Entre los compuestos bioactivos del extracto de café se encuentran la cafeína, los ácidos clorogénicos, los diterpenos (como el cafestol y el kahweol), la trigonelina y diversos antioxidantes.
¿Cuáles son los beneficios del café negro y del extracto de café verde?
El café y el extracto de café verde tienen varios beneficios potenciales, como la mejora de la agudeza mental gracias a la cafeína, los efectos antioxidantes de los ácidos clorogénicos, el posible apoyo a la pérdida de peso, la reducción del riesgo de ciertas enfermedades como la diabetes tipo 2 y la protección contra las enfermedades neurodegenerativas. El extracto de café verde, en particular, puede tener un efecto más pronunciado sobre la pérdida de peso y la actividad antioxidante debido a su mayor contenido en ácido clorogénico.
¿Cuál es la diferencia entre el café negro y el extracto de café verde?
El café negro se elabora a partir de granos de café tostados, que se muelen y se infusionan para producir la bebida. El proceso de tostado modifica la composición química de los granos, reduciendo su contenido en ácido clorogénico y potenciando su sabor y aroma. El extracto de café verde, por su parte, se obtiene de granos de café verde sin tostar, ricos en ácidos clorogénicos y otros antioxidantes. Se cree que estos compuestos ofrecen diversos beneficios para la salud, como la pérdida de peso y la reducción del riesgo de ciertas enfermedades crónicas. A diferencia del café negro, el extracto de café verde no suele consumirse como bebida, sino como suplemento dietético.
¿Cómo funciona la extracción por ultrasonidos?
ultrasonido de potencia – introducido en líquidos – provoca localmente efectos muy extremos. Al sonicar líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras que se propagan en el medio líquido dan lugar a ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), con velocidades que dependen de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o vacíos en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber energía, se colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación acústica. Durante la implosión se alcanzan localmente temperaturas (aprox. 5.000K) y presiones (aprox. 2.000atm) muy elevadas. La implosión de la burbuja de cavitación también da lugar a chorros de líquido de hasta 280 m/s de velocidad. [Suslick 1998] Debido a estas fuerzas extremas se produce sonolisis, se rompen las paredes celulares y se extrae material intracelular.
Literatura/Referencias
- 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 fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.