Estrazione ultrasonica della vaniglia – Un metodo non termico
- L'estratto di vaniglia è una soluzione aromatica estratta dai baccelli di vaniglia in una soluzione di etanolo e acqua.
- Per produrre vanillina di alta qualità come componente di aroma, sapore e fragranza, è necessaria una tecnica di estrazione efficiente ma delicata per evitare la decomposizione.
- L'estrazione ad ultrasuoni è un metodo di estrazione meccanica leggera, che fornisce alti rendimenti di vanillina in un tempo di estrazione molto breve.
Ultrasuoni ad alte prestazioni per estratti di vanillina di alta qualità
Essendo la seconda spezia più costosa dopo lo zafferano, la produzione di vaniglia richiede un metodo di estrazione efficiente, che previene la degradazione dei preziosi oli essenziali. L'estrazione ad ultrasuoni è ben nota e affermata come metodo delicato, non termico, ma altamente efficiente per rilasciare composti bioattivi dal materiale vegetale. L'estrazione ad ultrasuoni si basa sul fenomeno della cavitazione acustica, che è un trattamento puramente meccanico. Questo fa della sonicazione il metodo preferito per l'isolamento di composti bioattivi sensibili come i composti aromatici e gli oli essenziali, come la vanillina, i polifenoli o gli antiossidanti delle piante.
Vantaggi dell'estrazione ultrasonica della vaniglia
- Rendimento superiore
- Estrazione ad alta velocità – in pochi minuti
- Estratti di alta qualità – Leggero, non termico
- Solventi verdi (ad es. acqua/etanolo)
- Economico
- Funzionamento facile e sicuro
- Bassi costi di investimento e operativi
- Funzionamento 24/7 in condizioni gravose
- Metodo verde ed ecologico
Estrazione ultrasonica della vaniglia – in modalità Batch o a flusso continuo
Lotto: I processi di estrazione ad ultrasuoni possono essere utilizzati come semplici processi batch o come trattamento in linea, in cui il fluido viene continuamente alimentato attraverso un reattore a flusso ultrasonico.
L'elaborazione in lotti è una procedura semplice, in cui l'estrazione viene eseguita lotto per lotto. Hielscher Ultrasonics offre processori ad ultrasuoni per piccoli e grandi lotti, da 1L a 120L.
Per la lavorazione di lotti da 5 a 10L, si consiglia l'utilizzo di UP400St (400W, video sotto) con sonotrodo S24d22L2D.
Per la lavorazione di lotti di ca. 120L, si consiglia il UIP2000hdT (2kW, colonna di destra in alto) con sonotrodo RS4d40L4.
Sonicator UIP2000hdT per l'estrazione di sostanze botaniche in un lotto da 120 litri.
Estrazione ad ultrasuoni di piante con ultrasuoni UP400St
Per un volume di ca. 8L/min. si consiglia di utilizzare il sistema di controllo del volume. UIP4000hdT (4kW, fig. a destra) con sonotrodo RS4d40L3 e cella di flusso pressurizzabile FC130L4-3G0
Caso di studio dell'estrazione della vaniglia ad ultrasuoni
Jadhav et al. (2009) hanno confrontato l'estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) e l'estrazione Soxhlet. La ricerca ha confermato che l'estrazione ad ultrasuoni intensifica significativamente il rilascio di vanillina rispetto all'estrazione Soxhlet. Il trattamento Soxhlet richiedeva una temperatura di esercizio di 95°C, un rapporto solvente/ soluto di 66,67ml/g e un tempo di estrazione di 8 ore ha portato al rilascio di circa 180ppm di vanillina. L'estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) ha richiesto solo 1 ora per rilasciare circa 140 ppm di vanillina utilizzando lo stesso rapporto solvente/ soluto a temperatura ambiente.
Rasoamandrary et al. (2013) hanno confrontato l'efficienza dell'estrazione della vanillina con un ultrasuoni a sonda da 100W (ad es. UP100H), un bagno ad ultrasuoni e un bagno di acqua calda. I ricercatori hanno concluso che l'ultrasuoni a sonda è un potente strumento di estrazione grazie al suo ultrasuoni ad alta intensità. Pertanto, l'ultrasuoni a sonda ha superato i metodi di estrazione alternativi, fornendo rese simili o superiori di vanillina estratta in un tempo di estrazione significativamente più breve e un consumo inferiore di solvente (cioè di etanolo).
Il confronto tra i tre metodi di estrazione – sonda ad ultrasuoni, bagno ad ultrasuoni, estrazione in bagno d'acqua calda – ha dimostrato che l'estrazione della vanillina era più efficiente per la sonicazione con etanolo al 40% (v/v) a temperatura ambiente di 30°C e un tempo di estrazione di 1 ora. L'estrazione a bagnomaria ha richiesto una concentrazione di etanolo al 50% (v/v) a 56°C per 15 ore.
UIP4000hdT – Estrattore ad ultrasuoni da 4kW per il trattamento in linea continuo.
Apparecchiature ad ultrasuoni per l'estrazione ad alte prestazioni
Hielscher Ultrasonics è specializzata nella produzione di processori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di estratti vegetali di alta qualità.
L'ampia gamma di prodotti Hielscher spazia dai piccoli e potenti ultrasuoni da laboratorio ai robusti sistemi da banco e completamente industriali, che forniscono ultrasuoni ad alta intensità per l'estrazione efficiente e l'isolamento di sostanze bioattive (ad es. quercetina, caffeina, curcumina, terpeni ecc.). Tutti i dispositivi a ultrasuoni di 200W a 16,000W dispongono di un display a colori per il controllo digitale, una scheda SD integrata per la registrazione automatica dei dati, il controllo remoto del browser e molte altre funzioni di facile utilizzo. I sonotrodi e le celle a flusso (le parti a contatto con il fluido) possono essere sterilizzati in autoclave e sono facili da pulire. Tutti i nostri ultrasuoni sono costruiti per funzionare 24/7, richiedono poca manutenzione e sono facili e sicuri da usare.
Un display digitale a colori consente di controllare l'ultrasuoni in modo semplice e intuitivo. I nostri sistemi sono in grado di fornire da basse fino ad ampiezze molto elevate. Per l'estrazione di polifenoli e di altri composti bioattivi come la vanillina, offriamo speciali sonotrodi ad ultrasuoni (noti anche come sonde o corni ad ultrasuoni) che sono ottimizzati per l'isolamento sensibile di sostanze attive di alta qualità. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24/7 in ambienti gravosi e impegnativi.
Il controllo preciso dei parametri di processo ad ultrasuoni garantisce la riproducibilità e la standardizzazione del processo.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Processori ad ultrasuoni ad alta potenza da laboratorio a scala pilota e industriale.
Letteratura/riferimenti
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimization of an analytical approach based on high-performance liquid chromatography for the characterization of a natural vanilla extract. Thesis, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Estrazione della vanillina dai baccelli di vaniglia: Uno studio comparativo di estrazione convenzionale assistita da soxhlet e ultrasuoni. Rivista di ingegneria alimentare 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Miglioramento dell'estrazione di Vanillina 4-Idrossi-3-metossibenzaldeide da Fagioli di Vaniglia Cured Vanilla utilizzando l'estrazione assistita da ultrasuoni: Un confronto tra l'estrazione assistita dagli ultrasuoni e l'estrazione del bagno d'acqua calda.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O'Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Tecnologia a ultrasuoni per l'estrazione di molecole biologicamente attive da fonti vegetali, animali e marine. TrAC Trends in Analytical Chemistry, volume 122, 2020.
Particolarità / Cose da sapere
Il principio di funzionamento dell'estrazione ad ultrasuoni
L'applicazione di intense onde ultrasoniche su un mezzo liquido provoca la cavitazione. Il fenomeno della cavitazione porta localmente a temperature estreme, pressioni, velocità di riscaldamento/raffreddamento, differenziali di pressione e forze di taglio elevate nel fluido. Quando le bolle di cavitazione implodono sulla superficie dei solidi (come particelle, cellule vegetali, tessuti, ecc.), i micro-jet e la collisione interparticolare generano effetti come il peeling superficiale, l'erosione e la rottura delle particelle. Inoltre, l'implosione di bolle di cavitazione in mezzi liquidi crea macroturbolenze e micromiscelazione.
Fig. 1: Creazione di bolle di cavitazione stabile e transitoria.
a) spostamento, b) cavitazione transitoria, c) cavitazione stabile, d) pressione
[adattato da Santos et al. 2009]
L'irradiazione ultrasonica del materiale vegetale frammenta la matrice delle cellule vegetali e ne aumenta l'idratazione. Chemat et al (2015) concludono che l'estrazione ad ultrasuoni di composti bioattivi da piante è il risultato di diversi meccanismi indipendenti o combinati tra cui frammentazione, erosione, capillarità, detexturazione e sonoporazione. Questi effetti perturbano la parete cellulare, migliorano il trasferimento di massa spingendo il solvente nella cella e aspirando il solvente caricato fitocomposto e assicurano il movimento del liquido mediante micro-miscelazione.
Estrazione ultrasonica da cellule vegetali: la sezione trasversale microscopica (TS) mostra il meccanismo delle azioni durante l'estrazione ultrasonica dalle cellule (ingrandimento 2000x) [risorsa: Vilkhu et al. 2011].
L'estrazione ad ultrasuoni consente di ottenere un isolamento molto rapido dei composti - superando i metodi di estrazione convenzionali in tempi di processo più brevi, resa più elevata e a temperature più basse. Come trattamento meccanico delicato, l'estrazione assistita da ultrasuoni evita la degradazione termica dei componenti bioattivi ed eccelle rispetto ad altre tecniche come l'estrazione convenzionale con solventi, idrodistillazioneo Soxhlet che sono noti per distruggere le molecole sensibili al calore. Grazie a questi vantaggi, l'estrazione ad ultrasuoni è la tecnica preferita per il rilascio di composti bioattivi sensibili alla temperatura da piante.
Vanillina
La vaniglia è un gusto pregiato, che può essere estratto dalle orchidee del genere Vanilla, principalmente dalla specie messicana, vaniglia a foglia piatta (V. planifolia). I composti di sapore unico dell'orchidea vaniglia si trovano nel suo frutto, che risulta dall'impollinazione del fiore. Questi baccelli di semi sono circa 1/3 x 6 pollici, con un colore da rosso brunastro a nero a maturità. All'interno di questi baccelli è un liquido oleoso pieno di piccoli semi. Sia il baccello che i semi sono utilizzati per la produzione di vanillina.
Anche se la vanillina è il composto aromatico principale della pianta di vaniglia, l'estratto di vaniglia puro contiene diverse centinaia di composti aromatici aggiuntivi, che contribuiscono al suo sapore complesso e profondo.
L'essenza di vaniglia si presenta in due forme, ovvero la vera essenza di vanillina del seme di vaniglia e la vanillina sintetizzata industrialmente. L'estratto di vero seedpod è una miscela complessa di diverse centinaia di composti diversi. Il composto chimico vanillina – 4-idrossi-3-metossibenzaldeide – è il principale responsabile del sapore e dell'aroma caratteristico della vera vaniglia ed è la componente principale del sapore dei semi di vaniglia stagionati. Oltre alla vanillina, altri composti chimici come acetaldeide, acido acetico, acido furfurolo, acido esanoico, 4-idrossibenzaldeide, eugenolo, metilcinnamato e acido isobutirrico possono contribuire all'aroma complesso della vaniglia.
Cultivar Vaniglia
La vaniglia Bourbon o vaniglia Bourbon-Madagascar è prodotta da piante di V. planifolia, che crescono sulle isole dell'Oceano Indiano come il Madagascar, le Comore e la Riunione, precedentemente denominata Île Bourbon. Il termine “Vaniglia Bourbon” descrive anche il caratteristico aroma di vaniglia derivato dalla V. planifolia.
La vaniglia messicana, estratta dalla nativa V. planifolia, è prodotta in quantità molto inferiori. La vaniglia messicana è conosciuta e commercializzata come vaniglia dalla terra di origine, poiché la pianta di V. planifolia è originaria della Mesoamerica.
La vaniglia di Tahitian proviene dalla Polinesia francese, prodotta dalla pianta V. tahitiensis. L'analisi genetica dimostra che questa specie è probabilmente una cultivar da un ibrido di V. planifolia e V. odorata.
La vaniglia dell'India occidentale è fatta di V. pompona, che viene coltivata nei Caraibi e in America centrale e meridionale.