Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Extracción ultrasónica de vainilla – Un método no térmico

  • El extracto de vainilla es una solución saborizante que se extrae de las vainas de vainilla en una solución de etanol y agua.
  • Para producir vainillina de alta calidad como componente de aroma, sabor y fragancia, se requiere una técnica de extracción eficaz y suave para evitar 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.

Ultrasonido de alto rendimiento para extractos de vainillina de alta calidad

Como la segunda especia más cara después del azafrán, la producción de vainilla requiere un método de extracción eficaz, que evita la degradación de los valiosos aceites esenciales. La extracción ultrasónica es bien conocida y establecida como un método suave, no térmico, pero altamente eficiente 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 los compuestos de sabores y los aceites esenciales, como la vainillina, los polifenoles o los antioxidantes de los productos botánicos.

Ventajas de la extracción ultrasónica de vainilla

  • Rendimiento superior
  • Extracción a alta velocidad – en cuestión de minutos
  • Extractos de alta calidad – Suave, no térmico
  • Disolventes verdes (por ejemplo, agua/etanol)
  • Rentable
  • Operación fácil y segura
  • Bajos costos de inversión y operación
  • Funcionamiento las 24 horas del día, los 7 días de la semana, bajo carga pesada
  • Método ecológico y ecológico

Extracción ultrasónica de vainilla – en modo batch o de flujo continuo

UP400St agitado 8L configuración de extracciónLote: Los procesos de extracción por ultrasonidos pueden ser operados como procesos por lotes simples o como tratamiento en línea, donde el medio es alimentado continuamente a través de un reactor de flujo continuo por ultrasonidos.
El procesamiento por lotes es un procedimiento sencillo, en el que la extracción se realiza lote por lote. Hielscher Ultrasonics ofrece procesadores ultrasónicos para lotes pequeños y grandes, es decir, de 1L a 120L.
Para el procesamiento de lotes de 5 a 10 litros, recomendamos el UP400St (400W, fig. izquierda) con sonotrodo S24d22L2D.
Para el procesamiento de lotes de aprox. 120L, recomendamos el UIP2000hdT (2kW, foto columna derecha arriba) con sonotrodo RS4d40L4.

Equipo de sonicación por lotes de 2kW para la extracción de extractos de hierbas

Extracción por lotes ultrasónica de 120L de productos botánicos con UIP2000hdT y Agitador

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Flow-through: Para volúmenes más grandes y extracción comercial a gran escala, una corriente continua de líquido es alimentada a través de un reactor ultrasónico, donde la lechada de solvente/botánico es sonada intensamente.
Para un volumen de aprox. 8L/min. recomendamos el UIP4000hdT (4kW, fig. derecha) con sonotrodo RS4d40L3 y celda de flujo presurizable FC130L4-3G0

Estudio de caso de la extracción ultrasónica de vainilla

Jadhav et al (2009) compararon la extracción asistida por ultrasonido (EAU) y la extracción con Soxhlet. La investigación confirmó que la extracción ultrasónica intensifica significativamente la liberación de vainillina en comparación con la extracción con Soxhlet. El tratamiento Soxhlet requería una temperatura de funcionamiento de 95°C, una relación disolvente:soluble de 66,67ml/g y un tiempo de extracción de 8 horas, lo que resultó en una liberación de vainillina de aproximadamente 180ppm. La extracción asistida por ultrasonido (EAU) sólo requirió 1 hora para liberar aproximadamente 140 ppm de vainillina utilizando la misma proporción de disolvente:soluble a temperatura ambiente.
Rasoamandrary et al. (2013) comparó la eficiencia de la extracción de vainillina usando un ultrasonido de 100W tipo sonda (p.ej. UP100H), un baño de ultrasonidos y un baño de agua caliente. Los investigadores concluyeron que el ultrasonido tipo sonda es una poderosa herramienta de extracción debido a su alta intensidad ultrasónica. Por lo tanto, el ultrasonido tipo sonda superó a los métodos de extracción alternativos al ofrecer rendimientos similares o superiores de vainillina extraída en un tiempo de extracción significativamente más corto y un menor consumo de disolvente (es decir, etanol).
La comparación de los tres métodos de extracción – sonda ultrasónica, baño de ultrasonidos, extracción en baño de agua caliente – mostró que la extracción de vainillina era más eficiente para la sononización por sonda utilizando un 40% de etanol (v/v) a una temperatura ambiente de 30°C y un tiempo de extracción de 1 hora. La extracción en baño de agua requirió una concentración del 50% de etanol (v/v) a 56°C durante 15 horas.

UIP4000hdT 4kW potente procesador ultrasónico para extracción

UIP4000hdT – Extractor ultrasónico de 4kW para tratamiento continuo en línea.

Equipo de ultrasonido 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 de productos botánicos.
La amplia gama de productos de Hielscher abarca desde pequeños y potentes ultrasonidos de laboratorio hasta robustos sistemas de sobremesa y completamente industriales, que proporcionan ultrasonidos de alta intensidad para la extracción y aislamiento eficientes de sustancias bioactivas (p. ej. quercetina, cafeína, curcumina, terpenos etc.). Todos los dispositivos ultrasónicos de 200W a 16,000W disponen de una pantalla a color para el control digital, una tarjeta SD integrada para el registro automático de datos, control remoto del navegador y muchas más funciones fáciles de usar. Los sonotrodos y las células de flujo (las partes que están en contacto con el medio) pueden ser esterilizadas en autoclave y son fáciles de limpiar. Todos nuestros ultrasonidos están construidos para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana, requieren poco mantenimiento y son fáciles y seguros de operar.
Colored touch display of the new hdT series of Hielscher's industrial ultrasonicatorsUna pantalla digital a color permite un control fácil del 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 ultrasónicas o cuernos) 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 de trabajo pesado y exigentes.
El control preciso de los parámetros ultrasónicos del proceso 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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Hielscher Ultrasonics fabrica ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones ecoquímicas.

Procesadores ultrasónicos de alta potencia desde laboratorio hasta escala piloto e industrial.

Literatura/Referencias

  • Jadhav D. et al. (2009): Extracción de vainillina de las vainas de vainilla: Un estudio comparativo de extracción convencional asistida por soxhlet y ultrasonido. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
  • Rasoamandrary N. et al. (2013): Extracción mejorada de 4-hidroxi-3-metoxi-benzaldehído de vainilla curada usando extracción asistida por ultrasonido: Una Comparación de la Extracción Asistida por Ultrasonido y Baño de Agua Caliente.


Información interesante

El principio de trabajo de la extracción por ultrasonidos

La aplicación de ondas de ultrasonido intensas a un medio líquido resulta en cavitación. El fenómeno de la cavitación conduce localmente a temperaturas extremas, presiones, velocidades de calentamiento/enfriamiento, diferencias de presión y altas fuerzas de cizallamiento 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 interparticlular generan efectos como el desprendimiento de la superficie, la erosión y la descomposición de las partículas. Además, la implosión de burbujas de cavitación en medios líquidos crea macro-turbulencias y micromezclas.

Las burbujas de cavitación se pueden diferenciar en burbujas estables y transitorias. (Haga clic para ampliar!)

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 a partir de productos botánicos es el resultado de diferentes mecanismos independientes o combinados, incluyendo la fragmentación, erosión, capilaridad, destexturación y sonoporación. Estos efectos alteran la pared celular, mejoran la transferencia de masa empujando el disolvente dentro de la célula y aspirando el disolvente fito-compuesto cargado, y aseguran el movimiento del líquido mediante la micromezcla.

Los disruptores ultrasónicos se utilizan para extracciones de fuentes fitotecnológicas (por ejemplo, plantas, algas, hongos).

Extracción ultrasónica de células vegetales: la sección transversal microscópica (TS) muestra el mecanismo de acción durante la extracción ultrasónica de células (aumento 2000x)[recurso: Vilkhu et al. 2011].

La extracción por ultrasonidos logra un aislamiento muy rápido de los compuestos, superando a los métodos de extracción convencionales en un tiempo de proceso más corto, 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 por solvente convencional, hidrodestilación o Soxhlet que se sabe que destruyen 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 de los productos botánicos.

Vanillina

La vainilla es un sabor muy apreciado, que puede ser extraído de orquídeas del género Vainilla, principalmente de la especie mexicana, la 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 son aproximadamente de 1/3 x 6 pulgadas, con un color rojo pardusco a negro cuando están maduras. Dentro de estas vainas hay un líquido oleoso lleno de pequeñas semillas. Tanto la vaina como las semillas se utilizan para la producción de vainillina.
Aunque la vainillina es el principal compuesto de sabor en la planta de la vainilla, el extracto de vainilla pura contiene varios cientos de compuestos de sabor adicionales, que contribuyen a su sabor complejo y profundo.
La esencia de vainilla se presenta en dos formas, a saber, esencia de vainillina real de la vaina de vainilla y vainillina sintetizada industrialmente. El extracto de auténtico seedpod es una mezcla compleja de varios cientos de compuestos diferentes. El compuesto químico vainillina – 4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído – es el mayor contribuyente al sabor y aroma característicos de la vainilla real y es el principal componente del sabor de los granos de vainilla curados. 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 las islas del Océano Índico como Madagascar, las Comoras y la Reunión, antiguamente llamada Île Bourbon. El término “vainilla Bourbon” describe también el distintivo aroma de vainilla derivado de V. planifolia.
La vainilla mexicana, extraída de la nativa V. planifolia, se produce en cantidades mucho menores. La vainilla mexicana es conocida y comercializada como vainilla desde la tierra de su origen, ya que la planta V. planifolia es nativa de Mesoamérica.
La vainilla tahitiana proviene de la Polinesia Francesa, producida a partir de la planta V. tahitiensis. El análisis genético muestra que esta especie es posiblemente un cultivar de un híbrido de V. planifolia y V. odorata.
La vainilla de las Indias Occidentales se elabora a partir de V. pompona, que se cultiva en el Caribe y en América Central y del Sur.