استخراج فراصوتی وانیل – روشی غیرحرارتی
- عصارهٔ وانیل محلولی طعم‌دهنده است که با استخراج از غلاف‌های وانیل در محلولی از اتانول و آب به دست می‌آید.
- برای تولید وانیلین باکیفیت به‌عنوان ترکیب ایجادکنندهٔ عطر، طعم و رایحه، به روشی کارآمد و در عین حال ملایم برای استخراج نیاز است تا از تجزیه جلوگیری شود.
- استخراج فراصوتی روشی مکانیکی و ملایم برای استخراج است که در زمانی بسیار کوتاه، بازده بالایی از وانیلین به دست می‌دهد.
فناوری فراصوت با عملکرد بالا برای عصاره‌های وانیلین باکیفیت
وانیل پس از زعفران دومین ادویهٔ گران‌قیمت است؛ ازاین‌رو، تولید آن به روش استخراج کارآمدی نیاز دارد که از تخریب اسانس‌های ارزشمند جلوگیری کند. استخراج فراصوتی به‌عنوان روشی ملایم، غیرحرارتی و در عین حال بسیار کارآمد برای آزادسازی ترکیبات زیست‌فعال از مواد گیاهی، شناخته‌شده و تثبیت‌شده است. استخراج فراصوتی بر پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی متکی است که فرایندی کاملاً مکانیکی است. به همین دلیل، فراصوت‌دهی روش ترجیحی برای جداسازی ترکیبات زیست‌فعال حساس، مانند ترکیبات طعم‌دهنده و اسانس‌ها، از جمله وانیلین، پلی‌فنول‌ها یا آنتی‌اکسیدان‌ها از مواد گیاهی است.
مزایای استخراج فراصوتی وانیل
- بازده برتر
- استخراج سریع – ظرف چند دقیقه
- عصاره‌های باکیفیت – فرایندی ملایم و غیرحرارتی
- حلال‌های سبز (مانند آب/اتانول)
- مقرون‌به‌صرفه
- بهره‌برداری آسان و ایمن
- هزینه‌های پایین سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری
- کارکرد 24/7 در شرایط کاری سنگین
- روشی سبز و سازگار با محیط‌زیست
استخراج فراصوتی وانیل – در حالت ناپیوسته یا جریان پیوسته
ناپیوسته: فرایندهای استخراج فراصوتی را می‌توان به‌صورت فرایندهای سادهٔ ناپیوسته یا به‌شکل تیمار درون‌خطی اجرا کرد؛ در حالت دوم، محیط به‌طور پیوسته از یک راکتور فراصوتی عبور جریان داده می‌شود.
پردازش ناپیوسته روشی آسان است که در آن استخراج به‌صورت بچ‌به‌بچ انجام می‌شود. Hielscher Ultrasonics پردازشگرهای فراصوتی برای بچ‌های کوچک تا بزرگ، یعنی از 1L تا 120L، عرضه می‌کند.
برای پردازش بچ‌های 5 تا 10L، دستگاه پیشنهادی ما UP400ST (400W، ویدئوی زیر) با سونوتْرود S24d22L2D است.
برای پردازش بچ‌های حدود 120L، دستگاه پیشنهادی ما UIP2000hdT (2kW، تصویر بالای ستون سمت راست) با سونوتْرود RS4d40L4 است.
سونیکاتور UIP2000hdT برای استخراج مواد گیاهی در یک بچ 120L
استخراج فراصوتی مواد گیاهی با دستگاه فراصوتی UP400St
برای حجم عبوری حدود 8L/min.، دستگاه پیشنهادی ما UIP4000hdT (4kW، تصویر سمت راست) با سونوتْرود RS4d40L3 و سلول جریان قابل‌فشارگذاری FC130L4-3G0 است
مطالعهٔ موردی استخراج فراصوتی وانیل
Jadhav et al. (2009) استخراج به کمک فراصوت (UAE) را با استخراج سوکسله مقایسه کردند. این پژوهش تأیید کرد که استخراج فراصوتی در مقایسه با استخراج سوکسله، آزادسازی وانیلین را به‌طور چشمگیری تشدید می‌کند. فرایند سوکسله به دمای عملیاتی 95°C، نسبت حلال به مادهٔ حل‌شوندهٔ 66٫67ml/g و زمان استخراج 8hrs نیاز داشت و به آزادسازی حدود 180ppm وانیلین منجر شد. استخراج به کمک فراصوت (UAE) با همان نسبت حلال به مادهٔ حل‌شونده در دمای اتاق، برای آزادسازی حدود 140ppm وانیلین تنها به 1hr نیاز داشت.
Rasoamandrary et al. (2013) کارایی استخراج وانیلین را با استفاده از یک دستگاه فراصوتی پروبی 100W (مانند UP100H)، یک حمام فراصوتی و یک حمام آب گرم مقایسه کردند. پژوهشگران نتیجه گرفتند که دستگاه فراصوتی پروبی به‌دلیل فراصوت با شدت بالای خود، ابزاری قدرتمند برای استخراج است. بنابراین، دستگاه فراصوتی پروبی با دستیابی به بازده مشابه یا بالاتر وانیلین استخراج‌شده، در زمان استخراج به‌مراتب کوتاه‌تر و با مصرف حلال (یعنی اتانول) کمتر، از روش‌های استخراج جایگزین بهتر عمل کرد.
مقایسهٔ سه روش استخراج – پروب فراصوتی، حمام فراصوتی و استخراج با حمام آب گرم – نشان داد که استخراج وانیلین با فراصوت‌دهی پروبی، با استفاده از اتانول 40% (v/v) در دمای محیط 30°C و زمان استخراج 1hr، بیشترین کارایی را داشت. استخراج با حمام آب به غلظت اتانول 50% (v/v) در دمای 56°C به‌مدت 15hrs نیاز داشت.
UIP4000hdT – استخراج‌گر فراصوتی 4kW برای تیمار درون‌خطی پیوسته.
تجهیزات فراصوتی برای استخراج با عملکرد بالا
Hielscher Ultrasonics در ساخت پردازشگرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای تولید عصاره‌های باکیفیت از مواد گیاهی تخصص دارد.
سبد گستردهٔ محصولات Hielscher از دستگاه‌های فراصوتی آزمایشگاهی کوچک و قدرتمند تا سامانه‌های رومیزی مستحکم و کاملاً صنعتی را در بر می‌گیرد که فراصوت با شدت بالا را برای استخراج و جداسازی کارآمد مواد زیست‌فعال (مانند کوئرستین, کافئین, کورکومین, ترپن‌ها و غیره) فراهم می‌کنند. همهٔ دستگاه‌های فراصوتی از 200W تا 16٬000W به نمایشگر رنگی برای کنترل دیجیتال، کارت SD داخلی برای ثبت خودکار داده‌ها، کنترل از راه دور از طریق مرورگر و بسیاری امکانات کاربرپسند دیگر مجهز هستند. سونوتْرودها و سلول‌های جریان (قطعاتی که با محیط در تماس هستند) قابلیت اتوکلاو شدن دارند و به‌آسانی تمیز می‌شوند. همهٔ دستگاه‌های فراصوتی ما برای کارکرد 24/7 ساخته شده‌اند، به نگهداری کمی نیاز دارند و بهره‌برداری از آن‌ها آسان و ایمن است.
نمایشگر رنگی دیجیتال، کنترل کاربرپسند دستگاه فراصوتی را امکان‌پذیر می‌کند. سامانه‌های ما قادر به تأمین دامنه‌های ارتعاش از کم تا بسیار زیاد هستند. برای استخراج پلی‌فنول‌ها و دیگر ترکیبات زیست‌فعال مانند وانیلین، سونوتْرودهای فراصوتی ویژه‌ای (که با نام پروب یا هورن فراصوتی نیز شناخته می‌شوند) عرضه می‌کنیم که برای جداسازی ملایم مواد فعال باکیفیت بهینه شده‌اند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 را در شرایط کاری سنگین و محیط‌های دشوار فراهم می‌کند.
کنترل دقیق پارامترهای فرایند فراصوتی، تکرارپذیری و استانداردسازی فرایند را تضمین می‌کند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
پردازشگرهای فراصوتی پرتوان از مقیاس آزمایشگاهی تا پایلوت و صنعتی.
منابع/مراجع
- Velez Suaza, Catalina (2016): بهینه‌سازی یک رویکرد تحلیلی مبتنی بر کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا برای مشخصه‌یابی عصاره طبیعی وانیل. Thesis, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. و همکاران (2009): استخراج وانیلین از غلاف های وانیل: مطالعه مقایسه ای استخراج معمولی سوکسله و سونوگرافی به کمک آن. مجله مهندسی صنایع غذایی 93 ، 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. و همکاران (2013): بهبود استخراج وانیلین 4-هیدروکسی-3-متوکسی بنزآلدئید از دانه های وانیل پخته شده با استفاده از استخراج به کمک سونوگرافی: مقایسه استخراج حمام با کمک سونوگرافی و آب گرم.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): فناوری سونوگرافی برای استخراج مولکول های فعال بیولوژیکی از منابع گیاهی، حیوانی و دریایی. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 122, 2020.
نکات دانستنی
اصل عملکرد استخراج فراصوتی
اعمال امواج فراصوت شدید به محیط مایع موجب کاویتاسیون می‌شود. پدیدهٔ کاویتاسیون به‌صورت موضعی دماها، فشارها، نرخ‌های گرمایش/سرمایش و اختلاف فشارهای بسیار شدید و نیروهای برشی بالایی در محیط ایجاد می‌کند. هنگامی که حباب‌های کاویتاسیون روی سطح جامدات (مانند ذرات، سلول‌های گیاهی، بافت‌ها و غیره) به درون فرو می‌پاشند، ریزجت‌ها و برخوردهای بین‌ذره‌ای اثراتی مانند لایه‌برداری سطحی، فرسایش و خردشدن ذرات ایجاد می‌کنند. افزون بر این، فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون در محیط‌های مایع باعث ایجاد آشفتگی‌های کلان‌مقیاس و اختلاط ریزمقیاس می‌شود.
شکل 1: تشکیل حباب‌های کاویتاسیون پایدار و گذرا.
(a) جابه‌جایی، (b) کاویتاسیون گذرا، (c) کاویتاسیون پایدار، (d) فشار
[adapted from Santos et al. 2009]
تابش فراصوت به مواد گیاهی، ماتریس سلول‌های گیاهی را قطعه‌قطعه می‌کند و آب‌گیری آن‌ها را افزایش می‌دهد. Chemat et al (2015) نتیجه می‌گیرند که استخراج فراصوتی ترکیبات زیست‌فعال از مواد گیاهی حاصل سازوکارهای مختلف مستقل یا ترکیبی، شامل قطعه‌قطعه‌شدن، فرسایش، مویینگی، ازهم‌گسیختگی بافت و منفذزایی فراصوتی است. این اثرات دیوارهٔ سلولی را تخریب می‌کنند، با راندن حلال به درون سلول و مکش حلال حاوی ترکیبات گیاهی به بیرون، انتقال جرم را بهبود می‌دهند و از طریق اختلاط ریزمقیاس، حرکت مایع را تضمین می‌کنند.
استخراج فراصوتی از سلول‌های گیاهی: مقطع عرضی میکروسکوپی (TS)، سازوکار اثرات حین استخراج فراصوتی از سلول‌ها را نشان می‌دهد (بزرگ‌نمایی 2000x) [resource: Vilkhu et al. 2011]
استخراج فراصوتی، جداسازی بسیار سریع ترکیبات را امکان‌پذیر می‌کند – و با زمان فرایند کوتاه‌تر، بازده بالاتر و دماهای پایین‌تر، از روش‌های متداول استخراج بهتر عمل می‌کند. استخراج به کمک فراصوت، به‌عنوان فرایندی مکانیکی و ملایم، از تخریب حرارتی اجزای زیست‌فعال جلوگیری می‌کند و در مقایسه با روش‌های دیگر مانند استخراج متداول با حلال، تقطیر با آب، یا روش سوکسله در استخراج، که به تخریب مولکول‌های حساس به گرما شناخته می‌شوند، برتری دارد. به‌دلیل این مزایا، استخراج فراصوتی روش ترجیحی برای آزادسازی ترکیبات زیست‌فعال حساس به دما از مواد گیاهی است.
وانیلین
وانیل طعم‌دهنده‌ای ارزشمند است که می‌توان آن را از ارکیده‌های سردهٔ Vanilla، عمدتاً از گونهٔ مکزیکی وانیل برگ‌تخت (V. planifolia)، استخراج کرد. ترکیبات دارای طعم منحصربه‌فرد ارکیدهٔ وانیل در میوهٔ آن یافت می‌شوند که حاصل گرده‌افشانی گل است. این غلاف‌های بذر تقریباً 1/3 x 6 اینچ اندازه دارند و هنگام رسیدن، رنگ آن‌ها از قرمز مایل به قهوه‌ای تا سیاه متغیر است. درون این غلاف‌ها مایعی روغنی سرشار از بذرهای ریز وجود دارد. هم غلاف و هم بذرها برای تولید وانیلین استفاده می‌شوند.
اگرچه وانیلین ترکیب اصلی طعم‌دهنده در گیاه وانیل است، عصارهٔ خالص وانیل حاوی چند صد ترکیب طعم‌دهندهٔ دیگر است که در ایجاد طعم پیچیده و عمیق آن نقش دارند.
اسانس وانیل به دو شکل وجود دارد: اسانس واقعی وانیلین از غلاف بذر وانیل و وانیلین سنتزشده به روش صنعتی. عصارهٔ واقعی غلاف بذر، مخلوطی پیچیده از چند صد ترکیب مختلف است. ترکیب شیمیایی وانیلین – 4-هیدروکسی-3-متوکسی‌بنزآلدهید – بیشترین نقش را در طعم و عطر مشخصهٔ وانیل واقعی دارد و جزء اصلی طعم‌دهندهٔ غلاف‌های عمل‌آوری‌شدهٔ وانیل است. علاوه بر وانیلین، بسیاری از ترکیبات شیمیایی دیگر مانند استالدهید، اسید استیک، فورفورال، اسید هگزانوئیک، 4-هیدروکسی‌بنزآلدهید، اوژنول، متیل سینامات و اسید ایزوبوتیریک در عطر پیچیدهٔ وانیل نقش دارند.
ارقام وانیل
وانیل بوربون یا وانیل بوربون ماداگاسکار از گیاهان V. planifolia تولید می‌شود که در جزایر اقیانوس هند مانند ماداگاسکار، کومور و رئونیون، با نام پیشین ایل بوربون، رشد می‌کنند. اصطلاح «وانیل بوربون» همچنین عطر متمایز وانیل حاصل از V. planifolia را توصیف می‌کند.
وانیل مکزیکی که از گیاه بومی V. planifolia استخراج می‌شود، در مقادیر بسیار کمتری تولید می‌شود. وانیل مکزیکی به‌عنوان وانیل سرزمین خاستگاه خود شناخته و عرضه می‌شود، زیرا گیاه V. planifolia بومی آمریکای میانه است.
وانیل تاهیتی از پلی‌نزی فرانسه می‌آید و از گیاه V. tahitiensis تولید می‌شود. بررسی ژنتیکی نشان می‌دهد که این گونه احتمالاً رقمی حاصل از دورگهٔ V. planifolia و V. odorata است.
وانیل هند غربی از V. pompona تهیه می‌شود که در کارائیب و آمریکای مرکزی و جنوبی کشت می‌شود.