Extraction de la vanille par ultrasons – Une méthode non thermique
- L’extrait de vanille est une solution aromatique obtenue à partir de gousses de vanille dans une solution d’éthanol et d’eau.
- Pour produire de la vanilline de haute qualité destinée à être utilisée comme composant aromatique, gustatif et parfumant, une technique d’extraction efficace mais douce est nécessaire afin d’éviter sa décomposition.
- L’extraction par ultrasons est une méthode d’extraction mécanique douce qui permet d’obtenir des rendements élevés en vanilline en un temps d’extraction très court.
Des ultrasons haute performance pour des extraits de vanilline de haute qualité
La vanille étant la deuxième épice la plus chère après le safran, sa production nécessite une méthode d’extraction efficace qui préserve les précieuses huiles essentielles de la dégradation. L’extraction par ultrasons est une méthode bien connue et éprouvée, douce, non thermique et pourtant très efficace pour libérer les composés bioactifs des matières végétales. Elle repose sur le phénomène de cavitation acoustique, qui constitue un traitement purement mécanique. La sonication est ainsi la méthode privilégiée pour isoler les composés bioactifs sensibles des matières végétales, notamment les composés aromatiques et les huiles essentielles, par exemple la vanilline, les polyphénols ou les antioxydants.
Avantages de l’extraction de la vanille par ultrasons
- Rendement supérieur
- Extraction rapide – en quelques minutes
- Extraits de haute qualité – procédé doux et non thermique
- Solvants verts (p. ex. eau/éthanol)
- Économique
- Utilisation simple et sûre
- Faibles coûts d’investissement et d’exploitation
- Fonctionnement 24/7 en conditions intensives
- Méthode verte et respectueuse de l’environnement
Extraction de la vanille par ultrasons – en mode discontinu ou en flux continu
Traitement par lots : Les procédés d’extraction par ultrasons peuvent être réalisés sous forme de simples traitements par lots ou de traitements en ligne, dans lesquels le milieu traverse en continu un réacteur à ultrasons à circulation.
Le traitement par lots est une procédure simple dans laquelle l’extraction est effectuée lot par lot. Hielscher Ultrasonics propose des processeurs à ultrasons pour des lots de petite à grande taille, soit de 1L à 120L.
Pour le traitement de lots de 5 à 10L, nous recommandons le UP400ST (400W, vidéo ci-dessous) avec la sonotrode S24d22L2D.
Pour le traitement de lots d’environ 120L, nous recommandons le UIP2000hdT (2kW, photo en haut de la colonne de droite) avec la sonotrode RS4d40L4.
Sonicateur UIP2000hdT pour l’extraction de matières végétales dans un lot de 120L
Extraction de matières végétales par ultrasons avec le sonicateur UP400St
Pour un débit d’environ 8L/min., nous recommandons le UIP4000hdT (4kW, photo à droite) avec la sonotrode RS4d40L3 et la cellule à circulation pressurisable FC130L4-3G0
Étude de cas sur l’extraction de la vanille par ultrasons
Jadhav et al. (2009) ont comparé l’extraction assistée par ultrasons (UAE) et l’extraction Soxhlet. Les recherches ont confirmé que l’extraction par ultrasons intensifie considérablement la libération de vanilline par rapport à l’extraction Soxhlet. Le traitement Soxhlet nécessitait une température de fonctionnement de 95°C, un rapport solvant:soluté de 66,67ml/g et un temps d’extraction de 8hrs, permettant de libérer environ 180ppm de vanilline. L’extraction assistée par ultrasons (UAE) ne nécessitait que 1hr pour libérer environ 140ppm de vanilline avec le même rapport solvant:soluté à température ambiante.
Rasoamandrary et al. (2013) ont comparé l’efficacité de l’extraction de la vanilline à l’aide d’un sonicateur à sonde de 100W (p. ex. UP100H), d’un bain à ultrasons et d’un bain d’eau chaude. Les chercheurs ont conclu que le sonicateur à sonde est un outil d’extraction puissant grâce à ses ultrasons de forte intensité. Il a ainsi surpassé les autres méthodes d’extraction en permettant d’obtenir des rendements en vanilline similaires ou supérieurs avec un temps d’extraction nettement plus court et une consommation moindre de solvant (c’est-à-dire d’éthanol).
La comparaison des trois méthodes d’extraction – sonde à ultrasons, bain à ultrasons et extraction au bain d’eau chaude – a montré que l’extraction de la vanilline était la plus efficace avec la sonication par sonde utilisant de l’éthanol à 40% (v/v), à une température ambiante de 30°C et avec un temps d’extraction de 1hr. L’extraction au bain d’eau nécessitait une concentration d’éthanol de 50% (v/v) à 56°C pendant 15hrs.
UIP4000hdT – extracteur à ultrasons de 4kW pour le traitement continu en ligne.
Équipements à ultrasons pour une extraction haute performance
Hielscher Ultrasonics est spécialisée dans la fabrication de processeurs à ultrasons haute performance pour la production d’extraits de matières végétales de haute qualité.
La vaste gamme de produits Hielscher s’étend des petits sonicateurs de laboratoire puissants aux systèmes de paillasse robustes et aux systèmes entièrement industriels, qui fournissent des ultrasons de forte intensité pour l’extraction et l’isolement efficaces de substances bioactives (p. ex. quercétine, caféine, curcumine, terpènes etc.). Tous les appareils à ultrasons de 200W à 16 000W disposent d’un écran couleur pour la commande numérique, d’une carte SD intégrée pour l’enregistrement automatique des données, d’une commande à distance par navigateur et de nombreuses autres fonctions conviviales. Les sonotrodes et les cellules à circulation (les pièces en contact avec le milieu) peuvent être stérilisées en autoclave et sont faciles à nettoyer. Tous nos sonicateurs sont conçus pour un fonctionnement 24/7, nécessitent peu d’entretien et sont simples et sûrs à utiliser.
Un écran numérique couleur permet de commander le sonicateur de manière conviviale. Nos systèmes peuvent fournir des amplitudes allant de faibles à très élevées. Pour l’extraction de polyphénols et d’autres composés bioactifs tels que la vanilline, nous proposons des sonotrodes à ultrasons spéciales (également appelées sondes ou cornes à ultrasons), optimisées pour l’isolement en douceur de substances actives de haute qualité. La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en conditions intensives et dans des environnements exigeants.
Le contrôle précis des paramètres du procédé ultrasonore garantit la reproductibilité et la standardisation du procédé.
Le tableau ci-dessous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos sonicateurs :
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| s.o. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| s.o. | supérieur | ensemble de UIP16000 |
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Processeurs à ultrasons de forte puissance, du laboratoire à l’échelle pilote et industrielle.
Bibliographie/Références
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimisation d’une approche analytique basée sur la chromatographie liquide à haute performance pour la caractérisation d’un extrait naturel de vanille. Thesis, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009) : Extraction de la vanilline des gousses de vanille : 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): Technologie des ultrasons pour l’extraction de molécules biologiquement actives à partir de sources végétales, animales et marines. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 122, 2020.
Informations utiles
Principe de fonctionnement de l’extraction par ultrasons
L’application d’ondes ultrasonores intenses à un milieu liquide provoque la cavitation. Le phénomène de cavitation engendre localement des températures, des pressions, des vitesses de chauffage/refroidissement et des différences de pression extrêmes, ainsi que des forces de cisaillement élevées dans le milieu. Lorsque les bulles de cavitation implosent à la surface de solides (tels que des particules, des cellules végétales, des tissus, etc.), les microjets et les collisions entre particules produisent des effets tels que le décollement des couches superficielles, l’érosion et la fragmentation des particules. En outre, l’implosion des bulles de cavitation dans les milieux liquides crée des macroturbulences et un micromélange.
Fig. 1 : Formation de bulles de cavitation stables et transitoires.
(a) déplacement, (b) cavitation transitoire, (c) cavitation stable, (d) pression
[adapté de Santos et al. 2009]
L’exposition des matières végétales aux ultrasons fragmente la matrice des cellules végétales et améliore leur hydratation. Chemat et al. (2015) concluent que l’extraction par ultrasons de composés bioactifs à partir de matières végétales résulte de différents mécanismes indépendants ou combinés, notamment la fragmentation, l’érosion, la capillarité, la déstructuration et la sonoporation. Ces effets désorganisent la paroi cellulaire, améliorent le transfert de matière en poussant le solvant dans la cellule et en aspirant vers l’extérieur le solvant chargé de composés végétaux, et assurent le mouvement du liquide par micromélange.
Extraction par ultrasons à partir de cellules végétales : la coupe transversale microscopique (TS) montre les mécanismes d’action lors de l’extraction par ultrasons à partir des cellules (grossissement 2000x) [source : Vilkhu et al. 2011]
L’extraction par ultrasons permet un isolement très rapide des composés – surpassant les méthodes d’extraction conventionnelles grâce à un temps de traitement plus court, un rendement supérieur et des températures plus basses. En tant que traitement mécanique doux, l’extraction assistée par ultrasons évite la dégradation thermique des composants bioactifs et se distingue d’autres techniques telles que l’extraction conventionnelle par solvant, l’hydrodistillationou Soxhlet , une méthode d’extraction, ces techniques étant connues pour détruire les molécules thermosensibles. Grâce à ces avantages, l’extraction par ultrasons est la technique privilégiée pour libérer les composés bioactifs thermosensibles des matières végétales.
Vanilline
La vanille est un arôme apprécié qui peut être extrait d’orchidées du genre Vanilla, principalement de l’espèce mexicaine, la vanille à feuilles plates (V. planifolia). Les composés qui confèrent à l’orchidée vanille sa saveur unique se trouvent dans son fruit, issu de la pollinisation de la fleur. Ces gousses mesurent environ 1/3 x 6 pouces et présentent à maturité une couleur allant du rouge brunâtre au noir. Elles contiennent un liquide huileux rempli de minuscules graines. La gousse comme les graines sont utilisées pour produire de la vanilline.
Bien que la vanilline soit le principal composé aromatique de la plante de vanille, l’extrait de vanille pur contient plusieurs centaines de composés aromatiques supplémentaires qui contribuent à sa saveur complexe et profonde.
L’essence de vanille existe sous deux formes, à savoir l’essence de vanilline naturelle issue de la gousse de vanille et la vanilline synthétisée industriellement. L’extrait naturel de gousse est un mélange complexe de plusieurs centaines de composés différents. Le composé chimique vanilline – 4-hydroxy-3-méthoxybenzaldéhyde – contribue principalement à la saveur et à l’arôme caractéristiques de la vanille naturelle et constitue le principal composant aromatique des gousses de vanille préparées. Outre la vanilline, de nombreux autres composés chimiques, tels que l’acétaldéhyde, l’acide acétique, le furfural, l’acide hexanoïque, le 4-hydroxybenzaldéhyde, l’eugénol, le cinnamate de méthyle et l’acide isobutyrique, contribuent à l’arôme complexe de la vanille.
Cultivars de vanille
La vanille Bourbon ou vanille Bourbon-Madagascar est produite à partir de plantes V. planifolia qui poussent sur des îles de l’océan Indien telles que Madagascar, les Comores et La Réunion, autrefois appelée île Bourbon. Le terme « vanille Bourbon » désigne également l’arôme de vanille caractéristique issu de V. planifolia.
La vanille mexicaine, extraite de la plante indigène V. planifolia, est produite en quantités beaucoup plus faibles. Elle est connue et commercialisée comme la vanille de sa terre d’origine, puisque V. planifolia est originaire de Mésoamérique.
La vanille de Tahiti provient de Polynésie française et est produite à partir de V. tahitiensis. Les analyses génétiques montrent que cette espèce pourrait être un cultivar issu d’un hybride de V. planifolia et de V. odorata.
La vanille des Antilles est produite à partir de V. pompona, cultivée dans les Caraïbes ainsi qu’en Amérique centrale et en Amérique du Sud.