Extraction de vanille par ultrasons – Une méthode non thermique
- L'extrait de vanille est une solution aromatique extraite des gousses de vanille dans une solution d'éthanol et d'eau.
- Pour produire de la vanilline de haute qualité en tant que composant d'arôme, de saveur et de parfum, une technique d'extraction efficace, mais douce, est nécessaire pour empêcher la décomposition.
- L'extraction par ultrasons est une méthode d'extraction mécanique douce, qui donne des rendements élevés de vanilline dans un temps d'extraction très court.
Ultrasons haute performance pour des extraits de vanilline de haute qualité
Deuxième épice la plus chère après le safran, la vanille nécessite une méthode d'extraction efficace, qui empêche la dégradation des précieuses huiles essentielles. L'extraction par ultrasons est bien connue et reconnue comme une méthode douce, non thermique, mais très efficace pour libérer les composés bioactifs des matières végétales. L'extraction par ultrasons est basée sur le phénomène de cavitation acoustique, qui est un traitement purement mécanique. La sonication est donc la méthode privilégiée pour isoler les composés bioactifs sensibles tels que les arômes et les huiles essentielles, par exemple la vanilline, les polyphénols ou les antioxydants des plantes médicinales.
Avantages de l'extraction ultrasonique à la vanille
- Rendement supérieur
- Extraction à grande vitesse – en quelques minutes
- extraits de haute qualité – Doux, non thermique
- Solvants verts (p. ex. eau/éthanol)
- rentable
- Facile à utiliser et sûr
- Faibles coûts d'investissement et d'exploitation
- Fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, sous charge lourde
- Une méthode verte et respectueuse de l'environnement
Extraction de vanille par ultrasons – en mode batch ou débit continu
Batch : Les procédés d'extraction par ultrasons peuvent être utilisés comme de simples procédés par lots ou comme traitement en ligne, où le milieu est alimenté en continu à travers un réacteur à écoulement ultrasonore.
Le traitement par lots est une procédure simple, où l'extraction est effectuée lot par lot. Hielscher Ultrasons propose des processeurs ultrasoniques pour les petites et grandes séries, c'est-à-dire de 1L à 120L.
Pour le traitement de lots de 5 à 10L, nous recommandons l'utilisation de la fonction UP400St (400W, vidéo ci-dessous) avec la sonotrode S24d22L2D.
Pour le traitement de lots d'environ 120L, nous recommandons l'utilisation de l'outil UIP2000hdT (2kW, photo colonne de droite en haut) avec sonotrode RS4d40L4.
Sonicator UIP2000hdT pour l'extraction botanique dans un lot de 120L
Extraction par ultrasons de plantes médicinales à l'aide de l'ultrasoniseur UP400St
Pour un volume d'env. 8 l/min, nous recommandons l'utilisation de l'outil UIP4000hdT (4kW, photo de droite) avec sonotrode RS4d40L3 et cellule FC130L4-3G0 pressurisable.
Étude de cas de l'extraction à la vanille par ultrasons
Jadhav et ses collaborateurs (2009) ont comparé l'extraction assistée par ultrasons (EAU) et l'extraction Soxhlet. La recherche a confirmé que l'extraction par ultrasons intensifie significativement la libération de vanilline par rapport à l'extraction Soxhlet. Le traitement Soxhlet a nécessité une température de fonctionnement de 95°C, un rapport solvant:soluté de 66,67ml/g et un temps d'extraction de 8 heures a permis de libérer environ 180ppm de vanilline. L'extraction assistée par ultrasons (UAE) n'a pris qu'une heure pour libérer environ 140 ppm de vanilline en utilisant le même rapport solvant:soluté à température ambiante.
Rasoamandrary et ses collaborateurs (2013) ont comparé l'efficacité de l'extraction de la vanilline à l'aide d'un ultrasoniseur à sonde de 100 W (p. ex. UP100H), un bain à ultrasons et un bain d'eau chaude. Les chercheurs ont conclu que l'ultrasoniseur à sonde est un outil d'extraction puissant en raison de sa haute intensité ultrasonore. Par conséquent, l'ultrasoniseur à sonde a surpassé les autres méthodes d'extraction en donnant des rendements similaires ou supérieurs de vanilline extraite dans un temps d'extraction beaucoup plus court et une consommation moindre de solvant (c.-à-d. d'éthanol).
La comparaison des trois méthodes d'extraction – sonde à ultrasons, bain à ultrasons, extraction par bain d'eau chaude – a montré que l'extraction de la vanilline était la plus efficace pour la saponification par sonde avec 40% d'éthanol (v/v) à une température ambiante de 30°C et un temps d'extraction de 1 heure. L'extraction au bain-marie a nécessité une concentration de 50 % d'éthanol (v/v) à 56 °C pendant 15 heures.
UIP4000hdT – Extracteur à ultrasons de 4kW pour le traitement en ligne en continu.
Équipement ultrasonique pour l'extraction à haute performance
Hielscher Ultrasons est spécialisée dans la fabrication de processeurs à ultrasons de haute performance pour la production d'extraits de plantes de haute qualité.
La vaste gamme de produits Hielscher s'étend des petits et puissants ultrasoniseurs de laboratoire aux systèmes de laboratoire robustes et entièrement industriels, qui fournissent des ultrasons de haute intensité pour l'extraction et l'isolation efficaces de substances bioactives (par 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 télécommande du navigateur et de nombreuses autres fonctions plus conviviales. Les sonotrodes et les cellules d'écoulement (les pièces en contact avec le fluide) sont autoclavables et faciles à nettoyer. Tous nos ultrasoniseurs sont conçus pour fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, nécessitent peu d'entretien et sont faciles et sûrs à utiliser.
Un écran couleur numérique permet une commande conviviale de l'ultrasoniseur. Nos systèmes sont capables de fournir de faibles à très grandes amplitudes. Pour l'extraction de polyphénols et d'autres composés bioactifs tels que la vanilline, nous proposons des sonotrodes ultrasoniques spéciales (également appelées sondes ultrasoniques ou cornes) qui sont optimisées pour l'isolation sensible de substances actives de haute qualité. La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des environnements difficiles et exigeants.
Le contrôle précis des paramètres du processus ultrasonique assure la reproductibilité et la standardisation du processus.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:
| lot Volume | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500 ml | 10 à 200 ml / min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 20L | 00,2 à 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 à 100l | 2 à 10 L / min | UIP4000hdT |
| n / a. | 10 à 100 litres / min | UIP16000 |
| n / a. | plus grand | groupe de UIP16000 |
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Des processeurs à ultrasons de haute puissance, du laboratoire au pilote et à l'échelle industrielle.
Littérature / 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. Thèse, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al (2009) : Extraction de la vanilline des gousses de vanille : Une étude comparative de l'extraction conventionnelle assistée par soxhlet et par ultrasons. Journal of Food Engineering 93, 2009 : 421–426.
- Rasoamandrary N. et al (2013) : Extraction améliorée du 4-hydroxy-4-méthoxy-3-méthoxybenzaldéhyde de la vanilline à partir de gousses de vanille traitées par extraction assistée par ultrasons : Comparaison de l'extraction assistée par ultrasons et de l'extraction par bain d'eau chaude.
- 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.
Qu'il faut savoir
Le principe de fonctionnement de l'extraction par ultrasons
L'application d'ondes ultrasonores intenses à un milieu liquide entraîne la cavitation. Le phénomène de cavitation conduit localement à des températures extrêmes, des pressions, des vitesses de chauffage/refroidissement, des différences de pression et des forces de cisaillement élevées dans le milieu. Lorsque les bulles de cavitation implosent à la surface des solides (particules, cellules végétales, tissus, etc.), les micro-jets et les collisions interparticulaires produisent des effets tels que l'écaillage de surface, l'érosion et la dégradation des particules. De plus, l'implosion des bulles de cavitation dans les milieux liquides crée des macro-turbulences et des micro-mixages.
Fig. 1 : Création de bulles de cavitation stables et transitoires.
(a) déplacement, (b) cavitation transitoire, (c) cavitation stable, (d) pression
[adapté de Santos et al. 2009]
L'irraditation ultrasonique du matériel végétal fragmente la matrice des cellules végétales et améliore l'hydratation de celles-ci. Chemat et ses collaborateurs (2015) concluent que l'extraction par ultrasons de composés bioactifs à partir de plantes médicinales est le résultat de différents mécanismes indépendants ou combinés, notamment la fragmentation, l'érosion, la capillarité, la détexturation et la sonoporation. Ces effets perturbent la paroi cellulaire, améliorent le transfert de masse en poussant le solvant dans la cellule et en aspirant le solvant chargé en phyto-composant, et assurent le mouvement du liquide par micromélange.
Extraction ultrasonore à partir de cellules végétales : la coupe transversale microscopique (TS) montre le mécanisme d'action lors de l'extraction ultrasonore à partir de cellules (grossissement 2000x)[ressource : Vilkhu et al. 2011].
L'extraction par ultrasons permet d'isoler très rapidement les composés, ce qui surpasse les méthodes d'extraction conventionnelles en réduisant le temps de traitement, en augmentant le rendement et en abaissant la température. En tant que traitement mécanique doux, l'extraction assistée par ultrasons évite la dégradation thermique des composants bioactifs et excelle par rapport à d'autres techniques telles que l'extraction par solvant classique, hydrodistillation ou Soxhlet dont on sait qu'elles détruisent les molécules sensibles à la chaleur. En raison de ces avantages, l'extraction par ultrasons est la technique préférée pour la libération de composés bioactifs sensibles à la température des plantes.
Vanilline
La vanille est un arôme apprécié, qui peut être extrait des orchidées du genre Vanille, principalement de l'espèce mexicaine, la vanille à feuilles plates (V. planifolia). Les composés aromatisés uniques de l'orchidée vanille se trouvent dans son fruit, qui résulte de la pollinisation de la fleur. Ces gousses de graines mesurent environ 1/3 x 6 pouces, et sont de couleur rouge brunâtre à noire à maturité. À l'intérieur de ces gousses se trouve un liquide huileux rempli de minuscules graines. La gousse et les graines sont utilisées pour la production de vanilline.
Bien que la vanilline soit le principal composé aromatique de la plante de vanille, l'extrait pur de vanille contient plusieurs centaines de composés aromatiques supplémentaires, qui contribuent à son goût complexe et profond.
L'essence de vanille se présente sous deux formes, à savoir l'essence de vanilline véritable de la gousse de vanille et la vanilline de synthèse industrielle. L'extrait réel de gousse est un mélange complexe de plusieurs centaines de composés différents. Le composé chimique vanilline – 4-hydroxy-3-méthoxybenzaldéhyde – est le principal contributeur à la saveur et à l'arôme caractéristiques de la vraie vanille et est le principal composant aromatique des gousses de vanille séchées. Outre la vanilline, d'autres composés chimiques comme l'acétaldéhyde, l'acide acétique, le furfural, l'acide hexanoïque, le 4-hydroxybenzaldéhyde, l'eugénol, le cinnamate de méthyle et l'acide isobutyrique peuvent contribuer à l'arôme complexe de la vanille.
Cultivars de vanille
La vanille Bourbon ou vanille Bourbon-Madagascar est produite à partir de plantes de V. planifolia, qui poussent sur les îles de l'océan Indien comme Madagascar, les Comores et la Réunion, anciennement appelée île Bourbon. Le terme “vanille Bourbon” décrit également l'arôme caractéristique de vanille dérivé de V. planifolia.
La vanille mexicaine, extraite du V. planifolia indigène, est produite en quantités beaucoup plus faibles. La vanille mexicaine est connue et commercialisée sous le nom de vanille de son pays d'origine, car la plante V. planifolia est originaire de Méso-Amérique.
La vanille de Tahiti provient de Polynésie française, produite à partir de la plante V. tahitiensis. L'analyse génétique montre que cette espèce est probablement un cultivar d'un hybride de V. planifolia et V. odorata.
La vanille des Antilles est fabriquée à partir de V. pompona, qui est cultivée dans les Caraïbes et en Amérique centrale et du Sud.