Estrazione della vaniglia a ultrasuoni – 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 aromi, sapori e profumi, è necessaria una tecnica di estrazione efficiente ma delicata per evitare la decomposizione.
- L'estrazione a ultrasuoni è un metodo di estrazione meccanica delicato, che fornisce elevate rese 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 impedisca la degradazione dei preziosi oli essenziali. L'estrazione a ultrasuoni è ben nota e affermata come metodo delicato, non termico, ma altamente efficiente per rilasciare composti bioattivi da materiale vegetale. L'estrazione a ultrasuoni si basa sul fenomeno della cavitazione acustica, che è un trattamento puramente meccanico. Ciò rende la sonicazione il metodo preferito per l'isolamento di composti bioattivi sensibili come i composti aromatici e gli oli essenziali, ad esempio la vanillina, i polifenoli o gli antiossidanti dalle piante.
Vantaggi dell'estrazione a ultrasuoni della vaniglia
- Rendimento superiore
- Estrazione ad alta velocità – entro pochi minuti
- Estratti di alta qualità – Lieve, non termico
- Solventi verdi (ad es. acqua/etanolo)
- Economicamente vantaggioso
- funzionamento facile e sicuro
- Bassi costi di investimento e operativi
- Funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di impiego gravose
- Metodo verde ed ecologico
Estrazione della vaniglia a ultrasuoni – in modalità batch o flusso continuo
Lotto: I processi di estrazione a ultrasuoni possono essere utilizzati come semplici processi batch o come trattamento in linea, in cui il fluido viene alimentato continuamente attraverso un reattore a flusso continuo di ultrasuoni.
Il trattamento in lotti è una procedura semplice, in cui l'estrazione viene eseguita lotto per lotto. Hielscher Ultrasonics offre processori a ultrasuoni per lotti piccoli e grandi, da 1 litro a 120 litri.
Per l'elaborazione di lotti da 5 a 10 litri, si consiglia di utilizzare il sistema UP400St (400W, video sotto) con sonotrodo S24d22L2D.
Per l'elaborazione di lotti di circa 120L, si consiglia di utilizzare il sistema UIP2000hdT (2kW, foto colonna destra in alto) con sonotrodo RS4d40L4.

Sonicator UIP2000hdT per l'estrazione di sostanze botaniche in un lotto da 120 litri.

Estrazione a ultrasuoni di prodotti botanici con l'ultrasuonatore UP400St
Per un volume di circa 8L/min., si consiglia di utilizzare il UIP4000hdt (4kW, foto a destra) con sonotrodo RS4d40L3 e cella a flusso pressurizzabile FC130L4-3G0
Caso di studio 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 il rilascio di vanillina in modo significativo rispetto all'estrazione Soxhlet. Il trattamento Soxhlet richiedeva una temperatura operativa di 95°C, un rapporto solvente:soluto di 66,67ml/g e un tempo di estrazione di 8 ore, con un 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 utilizzando un ultrasuonatore a sonda da 100W (es. UP100H), un bagno a ultrasuoni e un bagno ad acqua calda. I ricercatori hanno concluso che l'ultrasuonatore a sonda è un potente strumento di estrazione grazie agli ultrasuoni ad alta intensità. Pertanto, l'ultrasuonatore a sonda ha superato i metodi di estrazione alternativi, fornendo rese simili e/o superiori di vanillina estratta in un tempo di estrazione significativamente più breve e con un minor consumo di solvente (cioè di etanolo).
Il confronto dei tre metodi di estrazione – sonda ad ultrasuoni, bagno ad ultrasuoni, estrazione a bagno d'acqua calda – hanno dimostrato che l'estrazione con vanillina è stata più efficiente per la sonda-sonicazione utilizzando il 40% di etanolo (v/v) a temperatura ambiente di 30°C e un tempo di estrazione di 1 ora. L'estrazione in bagno d'acqua ha richiesto una concentrazione di etanolo (v/v) del 50% a 56°C per 15 ore.

UIP4000hdt – Estrattore a ultrasuoni da 4 kW 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 botanici di alta qualità.
L'ampia gamma di prodotti Hielscher spazia da piccoli e potenti ultrasuonatori da laboratorio a robusti sistemi da banco e completamente industriali, che forniscono ultrasuoni ad alta intensità per l'estrazione e l'isolamento efficiente di sostanze bioattive (ad es. Quercetina, caffeina, curcumina, Terpeni ecc.). Tutti i dispositivi a ultrasuoni di 200W a 16,000W sono dotati di un display a colori per il controllo digitale, di una scheda SD integrata per la registrazione automatica dei dati, di un controllo remoto via browser e di molte altre caratteristiche di facile utilizzo. I sonotrodi e le celle di flusso (le parti a contatto con il fluido) possono essere sterilizzati in autoclave e sono facili da pulire. Tutti i nostri ultrasuonatori sono costruiti per funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, richiedono poca manutenzione e sono facili e sicuri da usare.
Un display digitale a colori consente un controllo semplice dell'ultrasuonatore. I nostri sistemi sono in grado di fornire 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 sensibile di sostanze attive di alta qualità. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
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 lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
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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Letteratura/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 di laurea, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Estrazione di vanillina dai baccelli di vaniglia: A comparison study of conventional soxhlet and ultrasound assisted extraction. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421-426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Miglioramento dell'estrazione della vanillina 4-idrossi-3-metossibenzaldeide dai fagioli di vaniglia stagionati mediante estrazione assistita da ultrasuoni: A Comparison of Ultrasound-Assisted and Hot Water Bath Extraction.
- 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 a ultrasuoni
L'applicazione di onde ultrasonore intense a un mezzo liquido provoca la cavitazione. Il fenomeno della cavitazione porta localmente a temperature, pressioni, tassi di riscaldamento/raffreddamento, differenziali di pressione e forze di taglio elevate nel mezzo. Quando le bolle di cavitazione implodono sulla superficie dei solidi (come particelle, cellule vegetali, tessuti, ecc.), i microgetti e la collisione interparticellare generano effetti come il peeling superficiale, l'erosione e la rottura delle particelle. Inoltre, l'implosione di bolle di cavitazione in mezzi liquidi crea macro-turbolenze e micro-miscelazione.

Fig. 1: Creazione di bolle di cavitazione stabili e transitorie.
(a) spostamento, (b) cavitazione transitoria, (c) cavitazione stabile, (d) pressione
[adattato da Santos et al. 2009].
L'irradiazione ultrasonica di materiale vegetale frammenta la matrice delle cellule vegetali e ne aumenta l'idratazione. Chemat et al. (2015) concludono che l'estrazione a ultrasuoni di composti bioattivi dalle piante è il risultato di diversi meccanismi indipendenti o combinati tra loro, tra cui la frammentazione, l'erosione, la capillarità, la detexturation e la sonoporation. Questi effetti disgregano la parete cellulare, migliorano il trasferimento di massa spingendo il solvente all'interno della cellula e aspirando il solvente carico di fitocomposti all'esterno e assicurano il movimento del liquido attraverso la micro-miscelazione.

Estrazione a ultrasuoni da cellule vegetali: la sezione trasversale microscopica (TS) mostra il meccanismo di azione durante l'estrazione a ultrasuoni dalle cellule (ingrandimento 2000x) [risorsa: Vilkhu et al. 2011].
L'estrazione a ultrasuoni consente di ottenere un isolamento molto rapido dei composti, superando i metodi di estrazione convenzionali in termini di tempi di processo più brevi, maggiore resa 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, idrodistillazione, o Soxhlet che notoriamente distruggono le molecole sensibili al calore. Grazie a questi vantaggi, l'estrazione a ultrasuoni è la tecnica preferita per il rilascio di composti bioattivi sensibili alla temperatura dalle piante.
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 aromatizzati unici dell'orchidea vaniglia si trovano nei suoi frutti, che derivano dall'impollinazione del fiore. I baccelli dei semi hanno una dimensione di circa 1,5 x 6 pollici, con un colore che va dal rosso brunastro al nero quando sono maturi. All'interno di questi baccelli si trova un liquido oleoso pieno di piccoli semi. Sia il baccello che i semi sono utilizzati per la produzione di vanillina.
Sebbene la vanillina sia 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: la vera essenza di vanillina ricavata dal seme della vaniglia e la vanillina sintetizzata industrialmente. Il vero estratto di semi 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 caratteristici della vera vaniglia ed è il principale componente aromatico dei semi di vaniglia stagionati. Oltre alla vanillina, altri composti chimici come l'acetaldeide, l'acido acetico, il furfurolo, l'acido esanoico, la 4-idrossibenzaldeide, l'eugenolo, il cinnamato di metile e l'acido isobutirrico contribuiscono al complesso aroma della vaniglia.
Cultivar di vaniglia
La vaniglia Bourbon o vaniglia Bourbon-Madagascar è prodotta da piante di V. planifolia, che crescono su isole dell'Oceano Indiano come il Madagascar, le Comore e la Réunion, un tempo chiamata Île Bourbon. Il termine “Vaniglia Bourbon” descrive anche il caratteristico aroma di vaniglia derivato dalla V. planifolia.
La vaniglia messicana, estratta dalla pianta nativa V. planifolia, è prodotta in quantità molto inferiori. La vaniglia messicana è conosciuta e commercializzata come vaniglia della terra d'origine, poiché la pianta di V. planifolia è originaria della Mesoamerica.
La vaniglia di Tahiti proviene dalla Polinesia francese, prodotta dalla pianta V. tahitiensis. L'analisi genetica dimostra che questa specie è probabilmente una cultivar derivata da un ibrido di V. planifolia e V. odorata.
La vaniglia delle Indie Occidentali si ottiene dalla V. pompona, coltivata nei Caraibi e in America centrale e meridionale.