Estrazione della vaniglia a ultrasuoni – Un metodo non termico
- L’estratto di vaniglia è una soluzione aromatica ottenuta dai baccelli di vaniglia mediante una soluzione di etanolo e acqua.
- Per produrre vanillina di alta qualità come componente aromatizzante, gustativo e profumante, è necessaria una tecnica di estrazione efficiente ma delicata, che ne prevenga la decomposizione.
- L’estrazione a ultrasuoni è un metodo di estrazione meccanica delicato, che consente di ottenere rese elevate di vanillina in tempi di estrazione molto brevi.
Ultrasuoni ad alte prestazioni per estratti di vanillina di alta qualità
Essendo la vaniglia la seconda spezia più costosa dopo lo zafferano, la sua produzione richiede un metodo di estrazione efficiente che prevenga la degradazione dei preziosi oli essenziali. L’estrazione a ultrasuoni è un metodo noto e consolidato, delicato, non termico e al contempo altamente efficiente per liberare composti bioattivi dal materiale vegetale. L’estrazione a ultrasuoni si basa sul fenomeno della cavitazione acustica, un trattamento puramente meccanico. Ciò rende la sonicazione il metodo preferito per isolare dai vegetali composti bioattivi sensibili, come composti aromatici e oli essenziali, ad esempio vanillina, polifenoli o antiossidanti.
Vantaggi dell’estrazione della vaniglia a ultrasuoni
- Resa superiore
- Estrazione rapida – in pochi minuti
- Estratti di alta qualità – trattamento delicato e non termico
- Solventi ecologici (ad es. acqua/etanolo)
- Convenienza economica
- Funzionamento semplice e sicuro
- Bassi costi di investimento e di esercizio
- Funzionamento 24/7 in condizioni gravose
- Metodo ecologico e rispettoso dell’ambiente
Estrazione della vaniglia a ultrasuoni – In modalità batch o a flusso continuo
Batch: I processi di estrazione a ultrasuoni possono essere eseguiti come semplici processi batch oppure come trattamento in linea, in cui il mezzo viene alimentato continuamente attraverso un reattore a ultrasuoni a flusso continuo.
Il trattamento batch è una procedura semplice, in cui l’estrazione viene eseguita lotto per lotto. Hielscher Ultrasonics offre processori a ultrasuoni per lotti di piccole e grandi dimensioni, da 1L a 120L.
Per trattare lotti da 5 a 10L, consigliamo il UP400ST (400W, video qui sotto) con sonotrodo S24d22L2D.
Per trattare lotti di circa 120L, consigliamo il UIP2000hdT (2kW, immagine in alto nella colonna di destra) con sonotrodo RS4d40L4.
Sonicatore UIP2000hdT per l’estrazione da materiale vegetale in un lotto da 120L
Estrazione a ultrasuoni da materiale vegetale con il sonicatore UP400St
Per una portata di circa 8L/min., consigliamo il UIP4000hdT (4kW, immagine a destra) con sonotrodo RS4d40L3 e cella di flusso pressurizzabile FC130L4-3G0
Studio di caso sull’estrazione della vaniglia a ultrasuoni
Jadhav et al. (2009) hanno confrontato l’estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) e l’estrazione Soxhlet. La ricerca ha confermato che l’estrazione a ultrasuoni intensifica significativamente il rilascio di vanillina rispetto all’estrazione Soxhlet. Il trattamento Soxhlet ha richiesto una temperatura operativa di 95°C, un rapporto solvente:soluto di 66,67ml/g e un tempo di estrazione di 8hrs, con un rilascio di circa 180ppm di vanillina. L’estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) ha richiesto solo 1hr per liberare circa 140ppm di vanillina, utilizzando lo stesso rapporto solvente:soluto a temperatura ambiente.
Rasoamandrary et al. (2013) hanno confrontato l’efficienza dell’estrazione di vanillina utilizzando un sonicatore a sonda da 100W (ad es. UP100H), un bagno a ultrasuoni e un bagno di acqua calda. I ricercatori hanno concluso che il sonicatore a sonda è un potente strumento di estrazione grazie agli ultrasuoni ad alta intensità che produce. Il sonicatore a sonda ha quindi superato i metodi di estrazione alternativi, fornendo rese di vanillina estratta simili o superiori in tempi di estrazione significativamente più brevi e con un minore consumo di solvente (ossia etanolo).
Il confronto dei tre metodi di estrazione – sonda a ultrasuoni, bagno a ultrasuoni ed estrazione in bagno di acqua calda – ha mostrato che l’estrazione della vanillina era più efficiente con la sonicazione a sonda, utilizzando etanolo al 40% (v/v) a una temperatura ambiente di 30°C e con un tempo di estrazione di 1hr. L’estrazione in bagno d’acqua ha richiesto una concentrazione di etanolo del 50% (v/v) a 56°C per 15hrs.
UIP4000hdT – Estrattore a ultrasuoni da 4kW per il trattamento continuo in linea.
Apparecchiature a ultrasuoni per l’estrazione ad alte prestazioni
Hielscher Ultrasonics è specializzata nella produzione di processori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di estratti di alta qualità da materiale vegetale.
L’ampia gamma di prodotti Hielscher comprende piccoli e potenti sonicatori da laboratorio, robusti sistemi da banco e sistemi completamente industriali, che erogano ultrasuoni ad alta intensità per l’estrazione e l’isolamento efficienti di sostanze bioattive (ad es. quercetina, caffeina, curcumina, terpeni ecc.). Tutti i dispositivi a ultrasuoni da 200W a 16.000W sono dotati di un display a colori per il controllo digitale, una scheda SD integrata per la registrazione automatica dei dati, controllo remoto tramite browser e molte altre funzionalità di facile utilizzo. I sonotrodi e le celle di flusso (le parti a contatto con il mezzo) possono essere sterilizzati in autoclave e sono facili da pulire. Tutti i nostri sonicatori sono progettati per il funzionamento 24/7, richiedono poca manutenzione e sono semplici e sicuri da utilizzare.
Un display digitale a colori consente di controllare facilmente il sonicatore. I nostri sistemi sono in grado di erogare ampiezze da basse a molto elevate. Per l’estrazione di polifenoli e altri composti bioattivi, come la vanillina, offriamo speciali sonotrodi a ultrasuoni (noti anche come sonde o corni a ultrasuoni), ottimizzati per l’isolamento delicato di sostanze attive di alta qualità. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni gravose e in ambienti impegnativi.
Il controllo preciso dei parametri del processo a ultrasuoni garantisce la riproducibilità e la standardizzazione del processo.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| Da 1 a 500mL | Da 10 a 200mL/min | UP100H |
| Da 10 a 2000mL | Da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| Da 0,1 a 20L | Da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| Da 10 a 100L | Da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | Da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superiore | gruppo di UIP16000 |
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Processori a ultrasuoni ad alta potenza dalla scala di laboratorio alla scala pilota e industriale.
Bibliografia/Riferimenti
- Velez Suaza, Catalina (2016): Ottimizzazione di un approccio analitico basato sulla cromatografia liquida ad alte prestazioni per la caratterizzazione di un estratto naturale di vaniglia. Tesi, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Estrazione della vanillina dai baccelli di vaniglia: studio comparativo dell’estrazione Soxhlet convenzionale e dell’estrazione assistita da ultrasuoni. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Miglioramento dell’estrazione della vanillina, 4-idrossi-3-metossibenzaldeide, dai baccelli di vaniglia sottoposti a concia mediante estrazione assistita da ultrasuoni: confronto tra estrazione assistita da ultrasuoni ed estrazione in bagno di 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.
Informazioni utili
Il principio di funzionamento dell’estrazione a ultrasuoni
L’applicazione di onde ultrasoniche intense a un mezzo liquido provoca cavitazione. Il fenomeno della cavitazione determina localmente temperature, pressioni, velocità di riscaldamento/raffreddamento e differenziali di pressione estremi, nonché elevate forze di taglio nel mezzo. Quando le bolle di cavitazione implodono sulla superficie di solidi (come particelle, cellule vegetali, tessuti ecc.), i microgetti e le collisioni tra particelle generano effetti quali distacco di strati superficiali, erosione e frammentazione delle particelle. Inoltre, l’implosione delle bolle di cavitazione nei mezzi liquidi crea macroturbolenze e micromiscelazione.
Fig. 1: Formazione di bolle di cavitazione stabili e transitorie.
(a) spostamento, (b) cavitazione transitoria, (c) cavitazione stabile, (d) pressione
[adapted from Santos et al. 2009]
L’irradiazione ultrasonica del materiale vegetale frammenta la matrice delle cellule vegetali e ne migliora l’idratazione. Chemat et al (2015) concludono che l’estrazione a ultrasuoni di composti bioattivi da materiale vegetale è il risultato di diversi meccanismi indipendenti o combinati, tra cui frammentazione, erosione, capillarità, destrutturazione e sonoporazione. Questi effetti disgregano la parete cellulare, migliorano il trasferimento di massa spingendo il solvente all’interno della cellula e aspirando all’esterno il solvente carico di fitocomposti, e garantiscono il movimento del liquido mediante micromiscelazione.
Estrazione a ultrasuoni da cellule vegetali: la sezione trasversale microscopica (TS) mostra il meccanismo d’azione durante l’estrazione a ultrasuoni dalle cellule (ingrandimento 2000x) [fonte: Vilkhu et al. 2011]
L’estrazione a ultrasuoni consente un isolamento molto rapido dei composti – superando i metodi di estrazione convenzionali grazie a tempi di processo più brevi, rese più elevate e temperature inferiori. Essendo un trattamento meccanico delicato, l’estrazione assistita da ultrasuoni evita la degradazione termica dei componenti bioattivi e offre prestazioni superiori rispetto ad altre tecniche, come l’estrazione convenzionale con solvente, l’ idrodistillazione o l’estrazione Soxhlet , che sono note per distruggere le molecole sensibili al calore. Grazie a questi vantaggi, l’estrazione a ultrasuoni è la tecnica preferita per liberare composti bioattivi sensibili alla temperatura dal materiale vegetale.
Vanillina
La vaniglia è un aroma pregiato che può essere estratto dalle orchidee del genere Vanilla, principalmente dalla specie messicana, la vaniglia a foglie piatte (V. planifolia). I composti dal sapore unico dell’orchidea di vaniglia si trovano nel suo frutto, che deriva dall’impollinazione del fiore. Questi baccelli contenenti semi misurano circa 1/3 x 6 pollici e, quando sono maturi, hanno un colore che va dal rosso brunastro al nero. All’interno di questi baccelli si trova un liquido oleoso ricco di minuscoli semi. Sia il baccello sia i semi vengono utilizzati per la produzione di vanillina.
Sebbene la vanillina sia il principale composto aromatico della pianta di vaniglia, l’estratto puro di vaniglia contiene diverse centinaia di altri composti aromatici, che contribuiscono al suo sapore complesso e intenso.
L’essenza di vaniglia si presenta in due forme: l’autentica essenza di vanillina ricavata dal baccello di vaniglia e la vanillina sintetizzata industrialmente. L’estratto autentico del baccello è una miscela complessa di diverse centinaia di composti differenti. Il composto chimico vanillina – 4-idrossi-3-metossibenzaldeide – contribuisce maggiormente al sapore e all’aroma caratteristici della vaniglia autentica ed è il principale componente aromatico dei baccelli di vaniglia sottoposti a concia. Oltre alla vanillina, molti altri composti chimici, come acetaldeide, acido acetico, furfurale, acido esanoico, 4-idrossibenzaldeide, eugenolo, cinnamato di metile e acido isobutirrico, contribuiscono all’aroma complesso della vaniglia.
Cultivar di vaniglia
La vaniglia Bourbon o vaniglia Bourbon-Madagascar è prodotta da piante di V. planifolia che crescono sulle isole dell’Oceano Indiano, come Madagascar, Comore e Réunion, precedentemente chiamata Île Bourbon. Il termine “vaniglia Bourbon” descrive anche il caratteristico aroma di vaniglia derivato da V. planifolia.
La vaniglia messicana, estratta dalla specie autoctona V. planifolia, viene prodotta in quantità molto inferiori. La vaniglia messicana è conosciuta e commercializzata come vaniglia proveniente dalla sua terra d’origine, poiché la pianta V. planifolia è originaria della Mesoamerica.
La vaniglia tahitiana proviene dalla Polinesia francese ed è prodotta dalla pianta V. tahitiensis. L’analisi genetica mostra che questa specie potrebbe essere una cultivar derivata da un ibrido di V. planifolia e V. odorata.
La vaniglia delle Indie Occidentali è ottenuta da V. pompona, coltivata nei Caraibi e nell’America centrale e meridionale.