Ultrazvučna ekstrakcija vanilije – netoplinska metoda
- Ekstrakt vanilije aromatična je otopina dobivena ekstrakcijom iz mahuna vanilije u otopini etanola i vode.
- Za proizvodnju visokokvalitetnog vanilina kao sastojka koji daje aromu, okus i miris potrebna je učinkovita, ali blaga tehnika ekstrakcije kako bi se spriječila razgradnja.
- Ultrazvučna ekstrakcija blaga je mehanička metoda ekstrakcije koja daje visoke prinose vanilina u vrlo kratkom vremenu ekstrakcije.
Ultrazvuk visokih performansi za visokokvalitetne ekstrakte vanilina
Budući da je vanilija drugi najskuplji začin nakon šafrana, njezina proizvodnja zahtijeva učinkovitu metodu ekstrakcije koja sprječava razgradnju vrijednih eteričnih ulja. Ultrazvučna ekstrakcija dobro je poznata i etablirana kao blaga, netoplinska, ali vrlo učinkovita metoda oslobađanja bioaktivnih spojeva iz biljnog materijala. Ultrazvučna ekstrakcija temelji se na pojavi akustične kavitacije, koja predstavlja potpuno mehaničku obradu. Zbog toga je sonikacija preferirana metoda za izolaciju osjetljivih bioaktivnih spojeva iz biljnog materijala, kao što su spojevi koji daju aromu i eterična ulja, primjerice vanilin, polifenoli ili antioksidansi.
Prednosti ultrazvučne ekstrakcije vanilije
- Vrhunski prinos
- Brza ekstrakcija – u roku od nekoliko minuta
- Visokokvalitetni ekstrakti – blaga, netoplinska ekstrakcija
- Zelena otapala (npr. voda/etanol)
- Isplativost
- Jednostavan i siguran rad
- Niski investicijski i operativni troškovi
- Rad 24/7 pod velikim opterećenjem
- Zelena, ekološki prihvatljiva metoda
Ultrazvučna ekstrakcija vanilije – u šaržnom ili kontinuiranom protočnom načinu rada
Šaržna obrada: Procesi ultrazvučne ekstrakcije mogu se provoditi kao jednostavni šaržni procesi ili kao obrada u liniji, pri kojoj se medij kontinuirano dovodi kroz ultrazvučni protočni reaktor.
Šaržna obrada jednostavan je postupak u kojem se ekstrakcija provodi šaržu po šaržu. Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne procesore za male i velike šarže, odnosno od 1L do 120L.
Za obradu šarži od 5 do 10L preporučujemo UP400ST (400W, videozapis u nastavku) sa sonotrodom S24d22L2D.
Za obradu šarži od približno 120L preporučujemo UIP2000hdT (2kW, slika na vrhu desnog stupca) sa sonotrodom RS4d40L4.
Sonikator UIP2000hdT za ekstrakciju biljnog materijala u šarži od 120L
Ultrazvučna ekstrakcija biljnog materijala ultrazvučnim uređajem UP400St
Za volumen od približno 8L/min. preporučujemo UIP4000hdT (4kW, slika desno) sa sonotrodom RS4d40L3 i protočnom ćelijom FC130L4-3G0 koja se može staviti pod tlak
Studija slučaja ultrazvučne ekstrakcije vanilije
Jadhav i sur. (2009) usporedili su ekstrakciju potpomognutu ultrazvukom (UAE) i Soxhletovu ekstrakciju. Istraživanje je potvrdilo da ultrazvučna ekstrakcija znatno intenzivira oslobađanje vanilina u usporedbi sa Soxhletovom ekstrakcijom. Soxhletova obrada zahtijevala je radnu temperaturu od 95°C, omjer otapala i otopljene tvari od 66,67ml/g te vrijeme ekstrakcije od 8hrs, što je rezultiralo oslobađanjem približno 180ppm vanilina. Ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom (UAE) zahtijevala je samo 1hr za oslobađanje približno 140ppm vanilina uz isti omjer otapala i otopljene tvari pri sobnoj temperaturi.
Rasoamandrary i sur. (2013) usporedili su učinkovitost ekstrakcije vanilina primjenom ultrazvučnog uređaja sa sondom snage 100W (npr. UP100H), ultrazvučne kupelji i kupelji s vrućom vodom. Istraživači su zaključili da je ultrazvučni uređaj sa sondom moćan alat za ekstrakciju zbog ultrazvuka visokog intenziteta koji proizvodi. Stoga je ultrazvučni uređaj sa sondom nadmašio alternativne metode ekstrakcije ostvarujući slične ili veće prinose ekstrahiranog vanilina uz znatno kraće vrijeme ekstrakcije i manju potrošnju otapala (tj. etanola).
Usporedba triju metoda ekstrakcije – ultrazvučnom sondom, ultrazvučnom kupelji i kupelji s vrućom vodom – pokazala je da je ekstrakcija vanilina bila najučinkovitija pri sonikaciji sondom uz uporabu 40% etanola (v/v), pri temperaturi okoline od 30°C i vremenu ekstrakcije od 1hr. Ekstrakcija u vodenoj kupelji zahtijevala je koncentraciju etanola od 50% (v/v) pri 56°C tijekom 15hrs.
UIP4000hdT – ultrazvučni ekstraktor snage 4kW za kontinuiranu obradu u liniji.
Ultrazvučna oprema za visokoučinkovitu ekstrakciju
Hielscher Ultrasonics specijaliziran je za proizvodnju visokoučinkovitih ultrazvučnih procesora za proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata iz biljnog materijala.
Širok asortiman proizvoda tvrtke Hielscher obuhvaća male, snažne laboratorijske ultrazvučne uređaje, robusne stolne sustave i potpuno industrijske sustave koji proizvode ultrazvuk visokog intenziteta za učinkovitu ekstrakciju i izolaciju bioaktivnih tvari (npr. kvercetina, kofeina, kurkumina, terpena itd.). Svi ultrazvučni uređaji od 200W do 16.000W imaju zaslon u boji za digitalno upravljanje, ugrađenu SD karticu za automatsko bilježenje podataka, daljinsko upravljanje putem preglednika i brojne druge značajke koje olakšavaju uporabu. Sonotrode i protočne ćelije (dijelovi koji su u dodiru s medijem) mogu se sterilizirati u autoklavu i lako se čiste. Svi naši ultrazvučni uređaji konstruirani su za rad 24/7, zahtijevaju malo održavanja te su jednostavni i sigurni za uporabu.
Digitalni zaslon u boji omogućuje jednostavno upravljanje ultrazvučnim uređajem. Naši sustavi mogu postići amplitude od niskih do vrlo visokih. Za ekstrakciju polifenola i drugih bioaktivnih spojeva kao što je vanilin nudimo posebne ultrazvučne sonotrode (poznate i kao ultrazvučne sonde ili rogovi) koje su optimizirane za blagu izolaciju visokokvalitetnih aktivnih tvari. Robusnost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima.
Precizno upravljanje parametrima ultrazvučnog procesa osigurava ponovljivost i standardizaciju procesa.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni procesori velike snage za laboratorijsko, pilotno i industrijsko mjerilo.
Literatura/Reference
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimizacija analitičkog pristupa temeljenog na tekućinskoj kromatografiji visoke djelotvornosti za karakterizaciju prirodnog ekstrakta vanilije. Završni rad, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. i sur. (2009): Ekstrakcija vanilina iz mahuna vanilije: usporedno istraživanje konvencionalne ekstrakcije po Soxhletu i ekstrakcije potpomognute ultrazvukom. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. i sur. (2013): Poboljšana ekstrakcija vanilina 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyde iz obrađenih mahuna vanilije ekstrakcijom potpomognutom ultrazvukom: usporedba ekstrakcije potpomognute ultrazvukom i ekstrakcije u kupelji s vrućom vodom.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ultrazvučna tehnologija za ekstrakciju biološki aktivnih molekula iz biljnih, životinjskih i morskih izvora. TrAC Trends in Analytical Chemistry, svezak 122, 2020.
Korisne činjenice
Načelo rada ultrazvučne ekstrakcije
Primjena intenzivnih ultrazvučnih valova na tekući medij uzrokuje kavitaciju. Pojava kavitacije lokalno dovodi do ekstremnih temperatura, tlakova, brzina zagrijavanja/hlađenja, razlika u tlaku i velikih smičnih sila u mediju. Kada kavitacijski mjehurići implodiraju na površini krutih tvari (kao što su čestice, biljne stanice, tkiva itd.), mikromlazovi i sudari među česticama uzrokuju učinke poput ljuštenja površine, erozije i usitnjavanja čestica. Osim toga, implozija kavitacijskih mjehurića u tekućim medijima stvara makroturbulencije i mikromiješanje.
Sl. 1: Nastanak stabilnih i prolaznih kavitacijskih mjehurića.
(a) pomak, (b) prolazna kavitacija, (c) stabilna kavitacija, (d) tlak
[adapted from Santos et al. 2009]
Izlaganje biljnog materijala ultrazvuku usitnjava matriks biljnih stanica i poboljšava njegovu hidrataciju. Chemat i sur. (2015) zaključuju da je ultrazvučna ekstrakcija bioaktivnih spojeva iz biljnog materijala rezultat različitih neovisnih ili kombiniranih mehanizama, uključujući fragmentaciju, eroziju, kapilarnost, razgradnju teksture i sonoporaciju. Ti učinci razaraju staničnu stijenku, poboljšavaju prijenos tvari potiskivanjem otapala u stanicu i izvlačenjem otapala koje sadrži biljne spojeve iz nje te osiguravaju kretanje tekućine mikromiješanjem.
Ultrazvučna ekstrakcija iz biljnih stanica: mikroskopski poprečni presjek (TS) prikazuje mehanizam djelovanja tijekom ultrazvučne ekstrakcije iz stanica (povećanje 2000x) [izvor: Vilkhu i sur. 2011]
Ultrazvučna ekstrakcija omogućuje vrlo brzo izdvajanje spojeva – nadmašuje konvencionalne metode ekstrakcije kraćim vremenom obrade, većim prinosom i nižim temperaturama. Kao blagi mehanički postupak, ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom izbjegava toplinsku razgradnju bioaktivnih sastojaka i ističe se u usporedbi s drugim tehnikama poput konvencionalne ekstrakcije otapalom, hidrodestilacije, ili Soxhletove ekstrakcije, za koje je poznato da uništavaju molekule osjetljive na toplinu. Zbog tih je prednosti ultrazvučna ekstrakcija preferirana tehnika za oslobađanje bioaktivnih spojeva osjetljivih na temperaturu iz biljnog materijala.
Vanilin
Vanilija je cijenjena aroma koja se može ekstrahirati iz orhideja roda Vanilla, prvenstveno iz meksičke vrste, plosnatolisne vanilije (V. planifolia). Spojevi jedinstvenog okusa orhideje vanilije nalaze se u njezinu plodu, koji nastaje nakon oprašivanja cvijeta. Te su mahune sa sjemenkama dimenzija približno 1/3 x 6 inča, a kada su zrele, boja im je od smeđocrvene do crne. Unutar tih mahuna nalazi se uljasta tekućina puna sitnih sjemenki. I mahuna i sjemenke upotrebljavaju se za proizvodnju vanilina.
Iako je vanilin glavni spoj odgovoran za okus biljke vanilije, čisti ekstrakt vanilije sadrži nekoliko stotina dodatnih spojeva koji pridonose njezinu složenom, dubokom okusu.
Esencija vanilije pojavljuje se u dva oblika, odnosno kao prava esencija vanilina iz mahune vanilije sa sjemenkama i kao industrijski sintetizirani vanilin. Pravi ekstrakt mahune sa sjemenkama složena je smjesa nekoliko stotina različitih spojeva. Kemijski spoj vanilin – 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde – najviše pridonosi karakterističnom okusu i aromi prave vanilije te je glavna komponenta okusa obrađenih mahuna vanilije. Osim vanilina, mnogi drugi kemijski spojevi poput acetaldehida, octene kiseline, furfurala, heksanske kiseline, spoja 4-hydroxybenzaldehyde, eugenola, metil-cinamata i izomaslačne kiseline pridonose složenoj aromi vanilije.
Kultivari vanilije
Burbonska vanilija ili burbonsko-madagaskarska vanilija proizvodi se od biljaka V. planifolia, koje rastu na otocima Indijskog oceana kao što su Madagaskar, Komori i Réunion, nekada zvan Île Bourbon. Izraz „burbonska vanilija” opisuje i prepoznatljivu aromu vanilije dobivenu iz V. planifolia.
Meksička vanilija, ekstrahirana iz autohtone V. planifolia, proizvodi se u mnogo manjim količinama. Meksička vanilija poznata je i prodaje se kao vanilija iz zemlje svojeg podrijetla, budući da biljka V. planifolia potječe iz Mezoamerike.
Tahićanska vanilija dolazi iz Francuske Polinezije, a proizvodi se od biljke V. tahitiensis. Genetička analiza pokazuje da je ta vrsta možda kultivar nastao iz hibrida V. planifolia i V. odorata.
Zapadnoindijska vanilija proizvodi se od V. pompona, koja se uzgaja na Karibima te u Srednjoj i Južnoj Americi.