Vaniļas ekstrakcija ar ultraskaņu – netermiska metode
- Vaniļas ekstrakts ir aromatizējošs šķīdums, ko iegūst no vaniļas pākstīm etanola un ūdens šķīdumā.
- Lai iegūtu augstas kvalitātes vanilīnu kā aromāta, garšas un smaržas komponentu, ir nepieciešama efektīva, taču saudzīga ekstrakcijas metode, kas novērš sadalīšanos.
- Ekstrakcija ar ultraskaņu ir saudzīga mehāniskās ekstrakcijas metode, kas nodrošina augstu vanilīna iznākumu ļoti īsā ekstrakcijas laikā.
Augstas veiktspējas ultraskaņas tehnoloģija augstas kvalitātes vanilīna ekstraktiem
Tā kā vaniļa ir otra dārgākā garšviela pēc safrāna, tās ražošanai ir nepieciešama efektīva ekstrakcijas metode, kas novērš vērtīgo ēterisko eļļu noārdīšanos. Ekstrakcija ar ultraskaņu ir labi pazīstama un praksē nostiprinājusies kā saudzīga, netermiska, tomēr ļoti efektīva metode bioaktīvo savienojumu izdalīšanai no augu materiāla. Ekstrakcijas ar ultraskaņu pamatā ir akustiskās kavitācijas parādība, un tā ir pilnībā mehāniska apstrāde. Tādēļ apstrāde ar ultraskaņu ir vēlamā metode jutīgu bioaktīvo savienojumu, piemēram, garšas savienojumu un ēterisko eļļu, tostarp vanilīna, polifenolu vai antioksidantu, izolēšanai no augu materiāla.
Vaniļas ekstrakcijas ar ultraskaņu priekšrocības
- Izcils iznākums
- Ātra ekstrakcija – dažu minūšu laikā
- Augstas kvalitātes ekstrakti – saudzīga, netermiska ekstrakcija
- Videi draudzīgi šķīdinātāji (piem., ūdens/etanols)
- Ekonomiski izdevīga
- Vienkārša un droša ekspluatācija
- Zemas ieguldījumu un ekspluatācijas izmaksas
- Darbība 24/7 lielas slodzes apstākļos
- Zaļa, videi draudzīga metode
Vaniļas ekstrakcija ar ultraskaņu – partiju vai nepārtrauktas plūsmas režīmā
Partiju režīms: Ekstrakcijas procesus ar ultraskaņu var īstenot kā vienkāršus partiju procesus vai kā apstrādi plūsmas līnijā, kurā vidi nepārtraukti padod caur ultraskaņas caurplūdes reaktoru.
Apstrāde partiju režīmā ir vienkārša procedūra, kurā ekstrakciju veic katrai partijai atsevišķi. Hielscher Ultrasonics piedāvā ultraskaņas procesorus gan mazām, gan lielām partijām, proti, no 1L līdz 120L.
5 līdz 10L partiju apstrādei iesakām UP400ST (400W, video zemāk) ar sonotrodi S24d22L2D.
Aptuveni 120L partiju apstrādei iesakām UIP2000hdT (2kW, attēls labās slejas augšpusē) ar sonotrodi RS4d40L4.
Ultraskaņas apstrādes ierīce UIP2000hdT augu materiāla ekstrakcijai 120L partijā
Augu materiāla ekstrakcija ar ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas apstrādes ierīci UP400St
Ja apstrādes apjoms ir aptuveni 8L/min., iesakām UIP4000hdT (4kW, attēls pa labi) ar sonotrodi RS4d40L3 un plūsmas šūnu FC130L4-3G0, kurā var radīt paaugstinātu spiedienu
Vaniļas ekstrakcijas ar ultraskaņu gadījuma izpēte
Jadhav et al. (2009) salīdzināja ekstrakciju ar ultraskaņas palīdzību (UAE) un Soksleta ekstrakciju. Pētījums apstiprināja, ka ekstrakcija ar ultraskaņu ievērojami pastiprina vanilīna izdalīšanos salīdzinājumā ar Soksleta ekstrakciju. Soksleta ekstrakcijai bija nepieciešama 95°C darba temperatūra, šķīdinātāja un izšķīdināmās vielas attiecība 66,67ml/g un 8 stundu ekstrakcijas laiks, iegūstot aptuveni 180ppm vanilīna. Ekstrakcijai ar ultraskaņas palīdzību (UAE) bija nepieciešama tikai 1 stunda, lai istabas temperatūrā iegūtu aptuveni 140ppm vanilīna, izmantojot tādu pašu šķīdinātāja un izšķīdināmās vielas attiecību.
Rasoamandrary et al. (2013) salīdzināja vanilīna ekstrakcijas efektivitāti, izmantojot 100W zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīci (piem., UP100H), ultraskaņas vannu un karstā ūdens vannu. Pētnieki secināja, ka zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīce ir jaudīgs ekstrakcijas rīks, jo tā nodrošina augstas intensitātes ultraskaņu. Tāpēc zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīce pārspēja alternatīvās ekstrakcijas metodes, nodrošinot līdzīgu vai lielāku ekstrahētā vanilīna iznākumu ievērojami īsākā ekstrakcijas laikā un ar mazāku šķīdinātāja (t. i., etanola) patēriņu.
Trīs ekstrakcijas metožu – ekstrakcijas ar ultraskaņas zondi, ultraskaņas vannā un karstā ūdens vannā – salīdzinājums parādīja, ka visefektīvākā vanilīna ekstrakcija tika panākta, apstrādājot ar ultraskaņas zondi un izmantojot 40% etanolu (v/v) apkārtējās vides temperatūrā 30°C ar 1 stundas ekstrakcijas laiku. Ekstrakcijai ūdens vannā bija nepieciešama 50% etanola (v/v) koncentrācija 56°C temperatūrā 15 stundas.
UIP4000hdT – 4kW ultraskaņas ekstraktors nepārtrauktai apstrādei plūsmas līnijā.
Ultraskaņas iekārtas augstas veiktspējas ekstrakcijai
Hielscher Ultrasonics specializējas augstas veiktspējas ultraskaņas procesoru ražošanā augstas kvalitātes ekstraktu iegūšanai no augu materiāla.
Hielscher plašais produktu klāsts aptver gan nelielas, jaudīgas laboratorijas ultraskaņas apstrādes ierīces, gan izturīgas galda sistēmas un pilnībā rūpnieciskas sistēmas, kas nodrošina augstas intensitātes ultraskaņu bioaktīvo vielu (piemēram, kvercetīna, kofeīna, kurkumīna, terpēnu u. c.) efektīvai ekstrakcijai un izolēšanai. Visas ultraskaņas ierīces no 200W līdz 16 000W ir aprīkotas ar krāsu displeju digitālai vadībai, integrētu SD karti automātiskai datu reģistrēšanai, attālinātu vadību pārlūkprogrammā un daudzām citām lietotājam ērtām funkcijām. Sonotrodes un plūsmas šūnas (daļas, kas saskaras ar apstrādājamo vidi) var sterilizēt autoklāvā, un tās ir viegli tīrāmas. Visas mūsu ultraskaņas apstrādes ierīces ir paredzētas darbībai 24/7, tām nepieciešama neliela apkope, un to lietošana ir vienkārša un droša.
Digitālais krāsu displejs nodrošina ērtu ultraskaņas apstrādes ierīces vadību. Mūsu sistēmas spēj nodrošināt amplitūdas no zemām līdz pat ļoti augstām. Polifenolu un citu bioaktīvo savienojumu, piemēram, vanilīna, ekstrakcijai mēs piedāvājam īpašas ultraskaņas sonotrodes (pazīstamas arī kā ultraskaņas zondes vai ragi), kas ir optimizētas augstas kvalitātes aktīvo vielu saudzīgai izolēšanai. Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj tās darbināt 24/7 lielas slodzes un sarežģītos vides apstākļos.
Precīza ultraskaņas procesa parametru kontrole nodrošina reproducējamību un procesa standartizāciju.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes ierīču aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| nav piemērojams | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| nav piemērojams | lielāks | ierīču grupa: UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Lieljaudas ultraskaņas procesori laboratorijas, pilotražošanas un rūpnieciskam mērogam.
Literatūra/atsauces
- Velez Suaza, Catalina (2016): Augstas izšķirtspējas šķidruma hromatogrāfijā balstītas analītiskās pieejas optimizācija dabīga vaniļas ekstrakta raksturošanai. Noslēguma darbs, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Vanilīna ekstrakcija no vaniļas pākstīm: tradicionālās Soksleta ekstrakcijas un ar ultraskaņu veicinātas ekstrakcijas salīdzinošs pētījums. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Uzlabota vanilīna 4-hidroksi-3-metoksibenzaldehīda ekstrakcija no pēcapstrādātām vaniļas pākstīm, izmantojot ar ultraskaņu veicinātu ekstrakciju: ar ultraskaņu veicinātas ekstrakcijas un ekstrakcijas karstā ūdens vannā salīdzinājums.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ultraskaņas tehnoloģija bioloģiski aktīvu molekulu ekstrakcijai no augu, dzīvnieku un jūras izcelsmes avotiem. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 122. sējums, 2020.
Noderīgi fakti
Ultraskaņas ekstrakcijas darbības princips
Intensīvu ultraskaņas viļņu iedarbība uz šķidru vidi izraisa kavitāciju. Kavitācijas parādība lokāli rada ekstremālas temperatūras, spiedienus, sildīšanas un dzesēšanas ātrumus, spiediena starpības un lielus bīdes spēkus vidē. Kad kavitācijas burbuļi implodē uz cietvielu (piemēram, daļiņu, augu šūnu, audu utt.) virsmas, mikrostrūklas un daļiņu savstarpējās sadursmes izraisa virsmas slāņu atdalīšanos, eroziju un daļiņu sairšanu. Turklāt kavitācijas burbuļu implozija šķidrā vidē rada makroturbulenci un mikrosajaukšanos.
1. att.: Stabilu un pārejošu kavitācijas burbuļu veidošanās.
(a) pārvietojums, (b) pārejoša kavitācija, (c) stabila kavitācija, (d) spiediens
[adapted from Santos et al. 2009]
Augu materiāla apstarošana ar ultraskaņu sadrumstalo augu šūnu matricu un uzlabo tās hidratāciju. Chemat et al (2015) secina, ka bioaktīvo savienojumu ekstrakcija no augu materiāla ar ultraskaņu ir dažādu neatkarīgu vai kombinētu mehānismu rezultāts, tostarp fragmentācijas, erozijas, kapilaritātes, struktūras noārdīšanas un sonoporācijas. Šie efekti sagrauj šūnas sieniņu, uzlabo masas pārnesi, iespiežot šķīdinātāju šūnā un izsūcot ar augu savienojumiem piesātināto šķīdinātāju no tās, un nodrošina šķidruma kustību ar mikrosajaukšanos.
Ekstrakcija no augu šūnām ar ultraskaņu: mikroskopiskajā šķērsgriezumā (TS) redzams iedarbības mehānisms ekstrakcijas laikā no šūnām ar ultraskaņu (palielinājums 2000x) [avots: Vilkhu et al. 2011]
Ekstrakcija ar ultraskaņu nodrošina ļoti ātru savienojumu izdalīšanu – pārspējot tradicionālās ekstrakcijas metodes ar īsāku procesa laiku, lielāku iznākumu un zemāku temperatūru. Kā saudzīga mehāniska apstrāde ultraskaņas veicināta ekstrakcija novērš bioaktīvo komponentu termisko noārdīšanos un pārspēj citas metodes, piemēram, tradicionālo ekstrakciju ar šķīdinātāju, hidrodestilāciju, vai Soksleta ekstrakciju, kas, kā zināms, noārda karstumjutīgas molekulas. Šo priekšrocību dēļ ekstrakcija ar ultraskaņu ir vēlamā metode temperatūrjutīgu bioaktīvo savienojumu atbrīvošanai no augu materiāla.
Vanilīns
Vaniļa ir augstu vērtēta garšviela, ko var iegūt no Vanilla ģints orhidejām, galvenokārt no Meksikas sugas – plakanlapu vaniļas (V. planifolia). Savienojumi, kas piešķir vaniļas orhidejai unikālo garšu, atrodas tās augļos, kuri veidojas pēc zieda apputeksnēšanas. Šo sēklu pākšu izmēri ir aptuveni 1/3 x 6 collas, un nogatavojušos pākšu krāsa ir no brūngani sarkanas līdz melnai. Šajās pākstīs ir eļļains šķidrums ar daudzām sīkām sēklām. Vanilīna ražošanai izmanto gan pāksti, gan sēklas.
Lai gan vanilīns ir galvenais vaniļas auga garšas savienojums, tīrs vaniļas ekstrakts satur vairākus simtus citu garšas savienojumu, kas veido tā sarežģīto, piesātināto garšu.
Vaniļas esence ir sastopama divos veidos, proti, īsta vanilīna esence no vaniļas sēklu pāksts un rūpnieciski sintezēts vanilīns. Īsts sēklu pāksts ekstrakts ir sarežģīts vairāku simtu dažādu savienojumu maisījums. Ķīmiskais savienojums vanilīns – 4-hidroksi-3-metoksibenzaldehīds – visvairāk veido īstās vaniļas raksturīgo garšu un aromātu un ir galvenais fermentētu un žāvētu vaniļas pākšu garšas komponents. Papildus vanilīnam vaniļas sarežģīto aromātu veido daudzi citi ķīmiskie savienojumi, piemēram, acetaldehīds, etiķskābe, furfurols, heksānskābe, 4-hidroksibenzaldehīds, eigenols, metilcinnamāts un izosviestskābe.
Vaniļas šķirnes
Burbona vaniļu jeb Burbona–Madagaskaras vaniļu iegūst no V. planifolia augiem, kas aug Indijas okeāna salās, piemēram, Madagaskarā, Komoru salās un Reinjonā, ko agrāk sauca par Île Bourbon. Termins “Burbona vaniļa” apzīmē arī raksturīgo vaniļas aromātu, ko iegūst no V. planifolia.
Meksikas vaniļu, ko ekstrahē no vietējās V. planifolia, ražo daudz mazākos apjomos. Meksikas vaniļa ir pazīstama un tiek tirgota kā vaniļa no tās izcelsmes zemes, jo V. planifolia auga dzimtene ir Mezoamerika.
Taiti vaniļas izcelsmes vieta ir Franču Polinēzija, un to iegūst no V. tahitiensis auga. Ģenētiskā analīze liecina, ka šī suga, iespējams, ir šķirne, kas iegūta no V. planifolia un V. odorata hibrīda.
Vestindijas vaniļu iegūst no V. pompona, ko audzē Karību reģionā, Centrālamerikā un Dienvidamerikā.