Extracción ultrasónica de vainilla – Un método no térmico
- El extracto de vainilla es una solución aromatizante extraída de las vainas de vainilla en una solución de etanol y agua.
- Para producir vainillina de alta calidad como componente de aromas, sabores y fragancias, se requiere una técnica de extracción eficaz, pero suave, que evite la descomposición.
- La extracción por ultrasonidos es un método de extracción mecánica suave, que proporciona altos rendimientos de vainillina en un tiempo de extracción muy corto.
Ultrasonidos de alto rendimiento para extractos de vainillina de alta calidad
Al ser la segunda especia más cara después del azafrán, la producción de vainilla requiere un método de extracción eficaz, que evite la degradación de los valiosos aceites esenciales. La extracción por ultrasonidos es bien conocida y se ha consolidado como un método suave, no térmico y muy eficaz para liberar compuestos bioactivos del material vegetal. La extracción por ultrasonidos se basa en el fenómeno de la cavitación acústica, que es un tratamiento puramente mecánico. Esto hace que la sonicación sea el método preferido para el aislamiento de compuestos bioactivos sensibles, como compuestos aromatizantes y aceites esenciales, por ejemplo vainillina, polifenoles o antioxidantes de productos botánicos.
Ventajas de la extracción ultrasónica de vainilla
- Rendimiento superior
- Extracción a alta velocidad – en pocos minutos
- Extractos de alta calidad – Leve, no térmico
- Disolventes ecológicos (por ejemplo, agua/etanol)
- Rentable
- Funcionamiento sencillo y seguro
- Bajos costes de inversión y explotación
- Funcionamiento 24 horas al día, 7 días a la semana
- Método ecológico
Extracción ultrasónica de vainilla – en modo de flujo continuo o discontinuo
Lote: Los procesos de extracción por ultrasonidos pueden funcionar como simples procesos por lotes o como tratamiento en línea, en los que el medio se alimenta continuamente a través de un reactor de flujo ultrasónico.
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, es decir, de 1L a 120L.
Para procesar lotes de 5 a 10L, recomendamos el UP400St (400W, vídeo abajo) con sonotrodo S24d22L2D.
Para procesar lotes de aprox. 120L, recomendamos el UIP2000hdT (2kW, fig. columna derecha arriba) con sonotrodo RS4d40L4.
Sonicator UIP2000hdT para la extracción botánica en un lote de 120L
Extracción por ultrasonidos de productos botánicos con el ultrasonicador UP400St
Para un volumen de aprox. 8L/min., recomendamos el UIP4000hdT (4kW, fig. derecha) con sonotrodo RS4d40L3 y célula de flujo presurizable FC130L4-3G0
Caso práctico de extracción ultrasónica de vainilla
Jadhav et al. (2009) compararon la extracción asistida por ultrasonidos (EAU) y la extracción Soxhlet. La investigación confirmó que la extracción ultrasónica intensifica significativamente la liberación de vainillina en comparación con la extracción Soxhlet. El tratamiento Soxhlet requería una temperatura de funcionamiento de 95 °C, una proporción disolvente:soluto de 66,67 ml/g y un tiempo de extracción de 8 horas, con lo que se liberaban aproximadamente 180 ppm de vainillina. La extracción asistida por ultrasonidos (EAU) requirió sólo 1 hora para liberar aproximadamente 140 ppm de vainillina utilizando la misma relación disolvente:soluto a temperatura ambiente.
Rasoamandrary et al. (2013) compararon la eficiencia de la extracción de vainillina utilizando un ultrasonicador tipo sonda de 100W (p. ej. UP100H), un baño de ultrasonidos y un baño de agua caliente. Los investigadores concluyeron que el ultrasonicador tipo sonda es una potente herramienta de extracción debido a su ultrasonido de alta intensidad. Por lo tanto, el ultrasonicador tipo sonda superó a los métodos de extracción alternativos al proporcionar rendimientos similares o superiores de vainillina extraída en un tiempo de extracción significativamente más corto y un menor consumo de disolvente (es decir, etanol).
Comparación de los tres métodos de extracción – sonda ultrasónica, baño ultrasónico, extracción por baño de agua caliente – mostraron que la extracción con vainillina era más eficaz para la sonda-sonicación utilizando etanol al 40% (v/v) a una temperatura ambiente de 30°C y un tiempo de extracción de 1h. La extracción en baño de agua requirió una concentración del 50% de etanol (v/v) a 56°C durante 15hrs.
UIP4000hdT – Extractor ultrasónico de 4 kW para un tratamiento continuo en línea.
Equipos de ultrasonidos para extracción de alto rendimiento
Hielscher Ultrasonics está especializada en la fabricación de procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para la producción de extractos de alta calidad a partir de productos botánicos.
La amplia cartera de productos de Hielscher abarca desde pequeños y potentes ultrasonicadores de laboratorio hasta robustos sistemas de sobremesa y totalmente industriales, que proporcionan ultrasonidos de alta intensidad para la extracción y el aislamiento eficaces de sustancias bioactivas (por ejemplo. Quercetina, cafeína, curcumina, terpenos etc.). Todos los dispositivos ultrasónicos de 200W a 16,000W disponen de una pantalla en color para el control digital, una tarjeta SD integrada para el registro automático de datos, control remoto mediante navegador y muchas más funciones de fácil manejo. 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 ultrasonicadores están diseñados para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana, requieren poco mantenimiento y son fáciles y seguros de manejar.
Una pantalla digital en color permite controlar fácilmente el ultrasonido. Nuestros sistemas son capaces de suministrar desde amplitudes 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 cuernos ultrasónicos) que están optimizados para el aislamiento sensible de sustancias activas de alta calidad. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes.
El control preciso de los parámetros del proceso ultrasónico garantiza la reproducibilidad y la estandarización del proceso.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos 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 | Grupo de UIP16000 |
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Procesadores ultrasónicos de alta potencia desde el laboratorio hasta la escala piloto e industrial.
Literatura/Referencias
- Vélez 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. Tesis, 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 Tendencias en Química Analítica, Volumen 122, 2020.
Información interesante
Principio de funcionamiento de la extracción por ultrasonidos
La aplicación de ondas ultrasónicas intensas a un medio líquido produce cavitación. El fenómeno de la cavitación conduce localmente a temperaturas, presiones, velocidades de calentamiento/enfriamiento, diferenciales de presión y elevadas fuerzas de cizallamiento extremas en el medio. Cuando las burbujas de cavitación implosionan en la superficie de los sólidos (como partículas, células vegetales, tejidos, etc.), los microchorros y la colisión interparticular generan efectos como el pelado de la superficie, la erosión y la rotura de las partículas. Además, la implosión de burbujas de cavitación en medios líquidos crea macroturbulencias y micromezclas.
Fig. 1: Creación de burbujas de cavitación estables y transitorias.
(a) desplazamiento, (b) cavitación transitoria, (c) cavitación estable, (d) presión
[adaptado de Santos et al. 2009].
La irradiación ultrasónica del material vegetal fragmenta la matriz de las células vegetales y mejora la hidratación de las mismas. Chemat et al. (2015) concluyen que la extracción ultrasónica de compuestos bioactivos de productos botánicos es el resultado de diferentes mecanismos independientes o combinados, como la fragmentación, la erosión, la capilaridad, la detexturación y la sonoporación. Estos efectos alteran la pared celular, mejoran la transferencia de masa empujando el disolvente hacia el interior de la célula y succionando el disolvente cargado de fitocompuestos hacia el exterior, y garantizan el movimiento del líquido por micromezcla.
Extracción ultrasónica de células vegetales: la sección transversal microscópica (TS) muestra el mecanismo de acciones durante la extracción ultrasónica de células (aumento 2000x) [recurso: Vilkhu et al. 2011].
La extracción por ultrasonidos consigue un aislamiento muy rápido de los compuestos, superando a los métodos de extracción convencionales en menor tiempo de proceso, mayor rendimiento y a temperaturas más bajas. Como tratamiento mecánico suave, la extracción asistida por ultrasonidos evita la degradación térmica de los componentes bioactivos y destaca en comparación con otras técnicas como la extracción convencional con disolventes, hidrodestilación o Soxhlet que se sabe que destruyen las moléculas sensibles al calor. Debido a estas ventajas, la extracción ultrasónica es la técnica preferida para la liberación de compuestos bioactivos sensibles a la temperatura a partir de productos botánicos.
vainillina
La vainilla es un apreciado aroma que puede extraerse de las orquídeas del género Vanilla, principalmente de la especie mexicana vainilla de hoja plana (V. planifolia). Los compuestos de sabor único de la orquídea vainilla se encuentran en su fruto, que resulta de la polinización de la flor. Estas vainas de semillas miden aproximadamente 1/3 x 6 pulgadas, con un color entre rojo parduzco y negro cuando están maduras. En su interior hay un líquido aceitoso lleno de pequeñas semillas. Tanto la vaina como las semillas se utilizan para la producción de vainillina.
Aunque la vainillina es el principal compuesto aromatizante de la planta de vainilla, el extracto puro de vainilla contiene varios cientos de compuestos aromatizantes adicionales, que contribuyen a su complejo y profundo sabor.
La esencia de vainilla se presenta en dos formas: la verdadera esencia de vainillina de la vaina de vainilla y la vainillina sintetizada industrialmente. El verdadero extracto de vaina es una mezcla compleja de varios cientos de compuestos diferentes. El compuesto químico vainillina – 4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído – es el principal contribuyente al sabor y aroma característicos de la vainilla auténtica y es el principal componente del sabor de las vainas de vainilla curadas. Además de la vainillina, 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 la Reunión, antiguamente llamada Île Bourbon. El término “Vainilla Bourbon” describe también el característico aroma a vainilla derivado de V. planifolia.
La vainilla mexicana, extraída de la planta autóctona V. planifolia, se produce en cantidades mucho menores. La vainilla mexicana se conoce y comercializa como 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 Indias Occidentales procede de V. pompona, que se cultiva en el Caribe y América Central y del Sur.