Extracción ultrasónica de vainilla – Un método no térmico
- El extracto de vainilla es una solución aromatizante obtenida de las vainas de vainilla mediante una solución de etanol y agua.
- Para producir vainillina de alta calidad como componente aromático, saborizante y de fragancias, se requiere una técnica de extracción eficaz y, a la vez, suave que evite su descomposición.
- La extracción ultrasónica es un método de extracción mecánico suave que proporciona altos rendimientos de vainillina en un tiempo de extracción muy breve.
Ultrasonidos de alto rendimiento para extractos de vainillina de alta calidad
La vainilla es la segunda especia más cara después del azafrán, por lo que su producción requiere un método de extracción eficaz que evite la degradación de sus valiosos aceites esenciales. La extracción ultrasónica es un método conocido y consolidado, suave, no térmico y, a la vez, muy eficaz para liberar compuestos bioactivos del material vegetal. La extracción ultrasónica se basa en el fenómeno de la cavitación acústica, que constituye un tratamiento puramente mecánico. Esto convierte a la sonicación en el método preferido para aislar de materias primas vegetales compuestos bioactivos sensibles, como compuestos aromáticos y aceites esenciales, por ejemplo, vainillina, polifenoles o antioxidantes.
Ventajas de la extracción ultrasónica de vainilla
- Rendimiento superior
- Extracción rápida – en cuestión de minutos
- Extractos de alta calidad – tratamiento suave y no térmico
- Disolventes ecológicos (p. ej., agua/etanol)
- Rentable
- Funcionamiento sencillo y seguro
- Bajos costes de inversión y funcionamiento
- Funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo
- Método ecológico y respetuoso con el medio ambiente
Extracción ultrasónica de vainilla – Por lotes o en flujo continuo
Por lotes: Los procesos de extracción ultrasónica pueden realizarse como procesos sencillos por lotes o como tratamiento en línea, en el que el medio se alimenta continuamente a través de un reactor ultrasónico de flujo continuo.
El procesamiento por lotes es un procedimiento sencillo en el que la extracción se realiza lote a lote. Hielscher Ultrasonics ofrece procesadores ultrasónicos para lotes pequeños y grandes, de 1 L a 120 L.
Para procesar lotes de 5 a 10 L, recomendamos el UP400ST (400 W, vídeo más abajo) con el sonotrodo S24d22L2D.
Para procesar lotes de aproximadamente 120 L, recomendamos el UIP2000hdT (2 kW, imagen en la parte superior de la columna derecha) con el sonotrodo RS4d40L4.
Sonicador UIP2000hdT para la extracción de compuestos vegetales en un lote de 120 L
Extracción ultrasónica de materias primas vegetales con el sonicador UP400St
Para un volumen de aproximadamente 8 L/min., recomendamos el UIP4000hdT (4 kW, imagen a la derecha) con el sonotrodo RS4d40L3 y la celda de flujo presurizable FC130L4-3G0
Estudio de caso sobre la extracción ultrasónica de vainilla
Jadhav et al. (2009) compararon la extracción asistida por ultrasonidos (UAE) y la extracción Soxhlet. La investigación confirmó que la extracción ultrasónica intensifica considerablemente la liberación de vainillina en comparación con la extracción Soxhlet. El tratamiento Soxhlet requirió una temperatura de funcionamiento de 95 °C, una relación disolvente:soluto de 66,67 ml/g y un tiempo de extracción de 8hrs, con lo que se liberaron aproximadamente 180ppm de vainillina. La extracción asistida por ultrasonidos (UAE) requirió solo 1hr para liberar aproximadamente 140ppm de vainillina utilizando la misma relación disolvente:soluto a temperatura ambiente.
Rasoamandrary et al. (2013) compararon la eficacia de la extracción de vainillina mediante un sonicador de sonda de 100 W (p. ej., UP100H), un baño ultrasónico y un baño de agua caliente. Los investigadores concluyeron que el sonicador de sonda es una potente herramienta de extracción debido a la alta intensidad de sus ultrasonidos. Por tanto, el sonicador de sonda superó a los métodos de extracción alternativos al proporcionar rendimientos similares o superiores de vainillina extraída en un tiempo de extracción considerablemente menor y con un menor consumo de disolvente (es decir, etanol).
La comparación de los tres métodos de extracción – sonda ultrasónica, baño ultrasónico y extracción en baño de agua caliente – mostró que la extracción de vainillina era más eficaz mediante sonicación con sonda utilizando etanol al 40% (v/v), a una temperatura ambiente de 30 °C y con un tiempo de extracción de 1hr. La extracción en baño de agua requirió una concentración de etanol del 50% (v/v) a 56 °C durante 15hrs.
UIP4000hdT – Extractor ultrasónico de 4 kW para tratamiento continuo en línea.
Equipos ultrasónicos para la extracción de alto rendimiento
Hielscher Ultrasonics está especializada en la fabricación de procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para producir extractos de alta calidad a partir de materias primas vegetales.
La amplia gama de productos de Hielscher abarca desde pequeños y potentes sonicadores de laboratorio hasta robustos sistemas de sobremesa y sistemas plenamente industriales, que suministran ultrasonidos de alta intensidad para la extracción y el aislamiento eficaces de sustancias bioactivas (p. ej., quercetina, cafeína, curcumina, terpenos etc.). Todos los equipos ultrasónicos desde 200 W hasta 16.000 W incorporan una pantalla en color para el control digital, una tarjeta SD integrada para el registro automático de datos, control remoto mediante navegador y muchas otras funciones que facilitan su uso. Los sonotrodos y las celdas de flujo (las piezas que están en contacto con el medio) pueden esterilizarse en autoclave y son fáciles de limpiar. Todos nuestros sonicadores están diseñados para funcionar 24/7, requieren poco mantenimiento y su funcionamiento es sencillo y seguro.
Una pantalla digital en color permite controlar el sonicador de forma sencilla. Nuestros sistemas pueden proporcionar amplitudes desde bajas hasta muy altas. Para la extracción de polifenoles y otros compuestos bioactivos, como la vainillina, ofrecemos sonotrodos ultrasónicos especiales (también conocidos como sondas o bocinas ultrasónicas), optimizados para el aislamiento cuidadoso de sustancias activas de alta calidad. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.
El control preciso de los parámetros del proceso ultrasónico garantiza la reproducibilidad y la estandarización del proceso.
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 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 |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
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Procesadores ultrasónicos de alta potencia para escalas de laboratorio, piloto e industrial.
Bibliografía/Referencias
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimización de un enfoque analítico basado en la cromatografía líquida de alto rendimiento para la caracterización de un extracto natural de vainilla. Thesis, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Extracción de vainillina de vainas de vainilla: A comparison study of conventional soxhlet and ultrasound assisted extraction. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421-426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Improved Extraction of Vanillin 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyde from Cured Vanilla Beans Using Ultrasound-Assisted Extraction: A Comparison of Ultrasound-Assisted and Hot Water Bath Extraction.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Tecnología de ultrasonidos para la extracción de moléculas biológicamente activas de fuentes vegetales, animales y marinas. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 122, 2020.
Datos de interés
Principio de funcionamiento de la extracción ultrasónica
La aplicación de ondas ultrasónicas intensas a un medio líquido provoca cavitación. El fenómeno de la cavitación genera localmente temperaturas, presiones, velocidades de calentamiento/enfriamiento y diferencias de presión extremas, así como elevadas fuerzas de cizallamiento en el medio. Cuando las burbujas de cavitación implosionan sobre la superficie de sólidos (como partículas, células vegetales, tejidos, etc.), los microchorros y las colisiones entre partículas generan efectos como el desprendimiento de capas superficiales, la erosión y la fragmentación de partículas. Además, la implosión de las burbujas de cavitación en medios líquidos genera macroturbulencias y micromezcla.
Fig. 1: Formación de burbujas de cavitación estables y transitorias.
(a) desplazamiento, (b) cavitación transitoria, (c) cavitación estable, (d) presión
[adapted from Santos et al. 2009]
La irradiación ultrasónica del material vegetal fragmenta la matriz de las células vegetales y mejora su hidratación. Chemat et al (2015) concluyen que la extracción ultrasónica de compuestos bioactivos de materias primas vegetales es el resultado de distintos mecanismos independientes o combinados, entre ellos la fragmentación, la erosión, la capilaridad, la desestructuración y la sonoporación. Estos efectos rompen la pared celular, mejoran la transferencia de masa al impulsar el disolvente hacia el interior de la célula y extraer por succión el disolvente cargado de compuestos vegetales, y garantizan el movimiento del líquido mediante micromezcla.
Extracción ultrasónica de células vegetales: la sección transversal microscópica (TS) muestra el mecanismo de acción durante la extracción ultrasónica de células (aumento de 2000x) [resource: Vilkhu et al. 2011]
La extracción ultrasónica consigue un aislamiento muy rápido de los compuestos – supera a los métodos de extracción convencionales al ofrecer un tiempo de proceso más corto, un mayor rendimiento y temperaturas más bajas. Como tratamiento mecánico suave, la extracción asistida por ultrasonidos evita la degradación térmica de los componentes bioactivos y destaca frente a otras técnicas, como la extracción convencional con disolventes, la hidrodestilación, o la extracción Soxhlet , que se caracterizan por destruir moléculas sensibles al calor. Gracias a estas ventajas, la extracción ultrasónica es la técnica preferida para liberar compuestos bioactivos sensibles a la temperatura de materias primas vegetales.
Vainillina
La vainilla es un apreciado saborizante que puede extraerse de las orquídeas del género Vanilla, principalmente de la especie mexicana, la vainilla de hoja plana (V. planifolia). Los compuestos que confieren su sabor único a la orquídea de vainilla se encuentran en su fruto, que se forma tras la polinización de la flor. Estas vainas de semillas miden aproximadamente 1/3 x 6 pulgadas y, cuando maduran, presentan un color que va del rojo parduzco al negro. En su interior hay un líquido oleoso lleno de pequeñas semillas. Tanto la vaina como las semillas se utilizan para producir vainillina.
Aunque la vainillina es el principal compuesto saborizante de la planta de vainilla, el extracto puro de vainilla contiene varios cientos de compuestos saborizantes adicionales que contribuyen a su sabor complejo y profundo.
La esencia de vainilla se presenta en dos formas: esencia de vainillina natural procedente de la vaina de vainilla y vainillina sintetizada industrialmente. El extracto natural de la vaina es una mezcla compleja de varios cientos de compuestos diferentes. El compuesto químico vainillina – 4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído – es el principal responsable del sabor y el aroma característicos de la vainilla natural y el principal componente saborizante de las vainas de vainilla curadas. Además de la vainillina, muchos otros compuestos químicos, como el acetaldehído, el ácido acético, el furfural, el ácido hexanoico, el 4-hidroxibenzaldehído, el eugenol, el cinamato de metilo y el ácido isobutírico, contribuyen al complejo aroma de la vainilla.
Cultivares de vainilla
La vainilla Bourbon o vainilla Bourbon-Madagascar se produce a partir de plantas de V. planifolia que crecen en islas del océano Índico, como Madagascar, las Comoras y Reunión, antiguamente llamada Île Bourbon. El término «vainilla Bourbon» también describe el característico aroma de vainilla obtenido de V. planifolia.
La vainilla mexicana, extraída de la especie autóctona V. planifolia, se produce en cantidades mucho menores. La vainilla mexicana se conoce y comercializa como la vainilla de su tierra de origen, ya que la planta V. planifolia es originaria de Mesoamérica.
La vainilla de Tahití procede de la Polinesia Francesa y se produce a partir de la planta V. tahitiensis. Los análisis genéticos muestran que esta especie es posiblemente un cultivar procedente de un híbrido de V. planifolia y V. odorata.
La vainilla de las Antillas se obtiene de V. pompona, que se cultiva en el Caribe y en América Central y del Sur.