Extraction de la 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 éviter la décomposition.
- L'extraction par ultrasons est une méthode d'extraction mécanique douce qui permet d'obtenir des rendements élevés de vanilline dans un temps d'extraction très court.
Ultrasons à haute performance pour des extraits de vanilline de haute qualité
En tant qu'épice la plus chère après le safran, la production de vanille nécessite une méthode d'extraction efficace, qui empêche la dégradation des huiles essentielles précieuses. L'extraction par ultrasons est bien connue et reconnue comme une méthode douce, non thermique, mais très efficace pour libérer les composés bioactifs du matériel végétal. L'extraction par ultrasons est basée sur le phénomène de cavitation acoustique, qui est un traitement purement mécanique. Cela fait de la sonication la méthode préférée pour l'isolement des composés bioactifs sensibles tels que les composés aromatiques et les huiles essentielles, par exemple la vanilline, les polyphénols ou les antioxydants des plantes médicinales.
Avantages de l'extraction ultrasonique de la vanille
- Rendement supérieur
- Extraction à grande vitesse – en quelques minutes
- Extraits de haute qualité – doux, non thermique
- Solvants verts (par exemple eau/éthanol)
- Rentabilité
- Fonctionnement simple et sûr
- Faibles coûts d'investissement et d'exploitation
- Fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 dans des conditions difficiles
- Méthode verte et écologique
Extraction de la vanille par ultrasons – en mode discontinu ou continu
Lot : Les procédés d'extraction par ultrasons peuvent être utilisés comme de simples procédés discontinus ou comme des traitements en ligne, où le milieu est alimenté en continu à travers un réacteur ultrasonique à flux continu.
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 les petits et les grands lots, c'est-à-dire de 1L à 120L.
Pour le traitement de lots de 5 à 10 litres, nous recommandons l'utilisation de l'appareil UP400St (400W, vidéo ci-dessous) avec la sonotrode S24d22L2D.
Caution: Video "duration" is missing
Pour le traitement de lots d'environ 120 litres, nous recommandons l'utilisation de l'appareil de traitement des eaux usées. UIP2000hdT (2kW, photo colonne de droite en haut) avec la sonotrode RS4d40L4.
Sonicator UIP2000hdT pour l'extraction botanique dans un lot de 120L
Extraction par ultrasons de plantes médicinales avec l'ultrasonateur UP400St
Pour un volume d'environ 8L/min, nous recommandons l'option UIP4000hdT (4kW, photo de droite) avec sonotrode RS4d40L3 et cellule d'écoulement 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. La recherche a confirmé que l'extraction par ultrasons intensifie la libération de la vanilline de manière significative par rapport à l'extraction Soxhlet. Le traitement Soxhlet nécessite une température de fonctionnement de 95°C, un rapport solvant/soluté de 66,67 ml/g et une durée d'extraction de 8 heures, ce qui permet de libérer environ 180 ppm de vanilline. L'extraction assistée par ultrasons (UAE) n'a nécessité qu'une heure pour libérer environ 140 ppm de vanilline en utilisant 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 appareil à ultrasons de type sonde de 100 W (par ex. UP100H), un bain à ultrasons et un bain d'eau chaude. Les chercheurs ont conclu que l'appareil à ultrasons à sonde est un outil d'extraction puissant en raison de l'intensité élevée des ultrasons qu'il émet. Par conséquent, l'ultrasonateur à sonde a surpassé les autres méthodes d'extraction en donnant des rendements similaires ou supérieurs de vanilline extraite dans un temps d'extraction nettement plus court et en consommant moins de solvant (c'est-à-dire de l'éthanol).
Comparaison des trois méthodes d'extraction – sonde ultrasonique, bain ultrasonique, extraction par bain d'eau chaude – a montré que l'extraction à la vanilline était la plus efficace pour la sonication de la sonde en utilisant 40 % d'éthanol (v/v) à une température ambiante de 30 °C et une durée d'extraction d'une 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 4 kW pour un traitement continu en ligne.
Équipement ultrasonique pour l'extraction à haute performance
Hielscher Ultrasonics est spécialisé dans la fabrication de processeurs à ultrasons de haute performance pour la production d'extraits botaniques de haute qualité.
La vaste gamme de produits de Hielscher s’étend des petits échoisateurs de laboratoire puissants aux systèmes de paillasse robustes et entièrement industriels, qui délivrent des ultrasons de haute intensité pour l’extraction et l’isolement efficaces de substances bioactives (par ex. quercétine, caféine, curcumine, terpènes etc.) Tous les appareils à ultrasons de 200W à 16,000W sont dotés d'un écran couleur pour le contrôle 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 d'écoulement (les parties en contact avec le milieu) peuvent être stérilisées à l'autoclave et sont faciles à nettoyer. Tous nos ultrasons 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 un contrôle convivial de l’ultrasonisateur. Nos systèmes sont capables de 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 à ultrasons ou cornes) qui sont optimisées pour l’isolation sensible de substances actives de haute qualité. La robustesse de l’équipement à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 dans des environnements lourds et exigeants.
Le contrôle précis des paramètres du processus ultrasonique garantit la reproductibilité et la normalisation du processus.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs 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 |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Processeurs ultrasoniques de grande puissance, du laboratoire à l'échelle pilote et 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 : 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.
Qu'il faut savoir
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 entraîne localement des températures, des pressions, des taux de chauffage/refroidissement extrêmes, des différences de pression et des forces de cisaillement élevées dans le milieu. Lorsque les bulles de cavitation implosent à la surface des solides (tels que les particules, les cellules végétales, les tissus, etc.), les micro-jets et les collisions interparticulaires génèrent des effets tels que le décollement de la surface, l'érosion et l'éclatement des particules. En outre, l'implosion des bulles de cavitation dans les milieux liquides crée des macro-turbulences et des micro-mélanges.
Fig. 1 : Création de bulles de cavitation stables et transitoires.
L'irradiation ultrasonique du matériel végétal fragmente la matrice des cellules végétales et améliore l'hydratation de celles-ci. Chemat et al. (2015) concluent que l'extraction ultrasonique des composés bioactifs des plantes 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 de phyto-composés, et assurent le mouvement du liquide par micro-mélange.
Extraction ultrasonique de cellules végétales : la coupe transversale microscopique (TS) montre le mécanisme d'action lors de l'extraction ultrasonique de cellules (grossissement 2000x) [ressource : Vilkhu et al. 2011].
L'extraction par ultrasons permet d'isoler très rapidement les composés, surpassant les méthodes d'extraction conventionnelles par une durée de traitement plus courte, un rendement plus élevé et des températures plus basses. 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 conventionnelle par solvant, hydrodistillation ou Soxhlet qui sont connues pour détruire les molécules sensibles à la chaleur. En raison de ces avantages, l'extraction par ultrasons est la technique privilégiée pour libérer les composés bioactifs thermosensibles des plantes médicinales.
vanilline
La vanille est un arôme apprécié, qui peut être extrait des orchidées du genre Vanilla, principalement de l'espèce mexicaine, la vanille à feuilles plates (V. planifolia). Les composés aromatiques uniques de l'orchidée vanille se trouvent dans son fruit, qui résulte de la pollinisation de la fleur. Ces gousses de graines mesurent environ 1,5 x 1,5 cm et sont de couleur rouge brunâtre à noire lorsqu'elles sont mûres. 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 vanille, l'extrait de vanille pure contient plusieurs centaines de composés aromatiques supplémentaires, qui contribuent à sa saveur complexe et profonde.
L'essence de vanille se présente sous deux formes, à savoir l'essence de vanilline réelle provenant du gousse de vanille et la vanilline synthétisée industriellement. Le véritable extrait de gousse est un mélange complexe de plusieurs centaines de composés différents. Le composé chimique de la 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 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 peuvent contribuer à l’arôme complexe de la vanille.
Cultivars de vanille
La vanille Bourbon ou vanille Bourbon-Madagascar est produite à partir de plants de V. planifolia, qui poussent dans les îles de l'océan Indien telles que Madagascar, les Comores et la Réunion, anciennement appelée Île Bourbon. Le terme “Vanille Bourbon” décrit également l'arôme distinctif de vanille dérivé de V. planifolia.
La vanille mexicaine, extraite de la plante indigène V. planifolia, est produite en quantités beaucoup plus faibles. La vanille mexicaine est connue et commercialisée comme la vanille du pays d'origine, puisque la plante V. planifolia est originaire de Méso-Amérique.
La vanille de Tahiti provient de la Polynésie française et est produite à partir de la plante V. tahitiensis. L'analyse génétique montre que cette espèce est peut-être un cultivar issu d'un hybride de V. planifolia et V. odorata.
La vanille antillaise est fabriquée à partir de V. pompona, qui est cultivée dans les Caraïbes, en Amérique centrale et en Amérique du Sud.