Ultrasone extractie van cafeïne
Het gebruik van ultrasoon is een effectieve methode voor het extraheren van cafeïne en andere actieve bestanddelen uit koffie. Krachtige ultrasone apparaten ondersteunen het extractieproces, terwijl ze de opbrengst maximaliseren en de verwerkingstijd verkorten.
Verbeter de cafeïne-extractie met ultrageluid
De smaak van koffie en de effecten van cafeïne zijn een passie die al eeuwenlang wordt gedeeld door miljoenen mensen over de hele wereld. Koffieliefhebbers en wetenschappers zijn op zoek naar manieren om de extractie van cafeïne, bioactieve bestanddelen en aroma's uit koffiebonen te verbeteren. Eén zo'n methode, waarbij gebruik wordt gemaakt van de kracht van ultrageluid, is naar voren gekomen als een veelbelovend hulpmiddel om de cafeïne-extractie efficiënter te maken. Hielscher sonicators maken het mogelijk om hogere rendementen cafeïne te extraheren en nieuwe dimensies van smaken en aroma's te ontsluiten in koffiedranken, voedingsadditieven en extracten.
Industriële ultrasoonreiniger UIP6000hdT voor de continue cafeïne-extractie uit koffiebonen
De voordelen van koffiebonen extraheren met Sonicatie
Hoge efficiëntie en superieure kwaliteit van het koffie-extract zijn slechts twee criteria die van het gebruik van Hielscher sonicators de beste methode maken voor de extractie van cafeïne en koffiesamenstellingen uit koffiebonen. Hieronder worden de belangrijkste voordelen van ultrasone koffie-extractie opgesomd:
- Efficiëntie: Sonicators van het sonde-type genereren intense ultrasone golven die effectief in vaste materialen kunnen doordringen. Dit helpt de structuur van de koffieboon af te breken en vergemakkelijkt de extractie van cafeïne.
- Nauwkeurige besturing: Met sonicators van het sonde-type kunnen de ultrasone energie en de blootstellingstijd nauwkeurig worden geregeld. Deze controle is essentieel om overextractie te voorkomen, wat kan leiden tot ongewenste smaken en bitterheid in het koffie-extract.
- Snelheid: Sonificatie is een snel proces en sonicatoren van het probe-type kunnen de extractietijd aanzienlijk verkorten in vergelijking met traditionele methoden, waardoor het proces efficiënter wordt.
- Uniformiteit: De ultrasone golven zorgen voor een gelijkmatigere extractie in het koffiebonenmateriaal, waardoor de cafeïne gelijkmatig wordt geëxtraheerd.
- Minder gebruik van oplosmiddelen: Voor ultrasone extractie is vaak minder oplosmiddel nodig dan voor traditionele methoden. Dit kan milieuvriendelijk en kosteneffectief zijn.
- Behoud van smaakstoffen: Sonicatie van het sonde-type kan worden geoptimaliseerd om selectief cafeïne te extraheren terwijl andere smaakcomponenten grotendeels intact blijven. Dit is belangrijk voor het behoud van de kwaliteit en smaak van het koffie-extract.
- Schaalbaarheid: Met Hielscher Ultrasonics kunnen ultrasone extractieprocessen lineair worden opgeschaald voor industriële toepassingen. Dit betekent dat haalbaarheid en procesoptimalisatie op laboratoriumschaal kunnen plaatsvinden en vervolgens risicovrij en eenvoudig kunnen worden opgeschaald naar productiecapaciteit.
Ultrasone sonde UP400St voor de efficiënte extractie van cafeïne uit koffiebonen, thee en cacao.
Ultrasone extractie van koffiesamenstellingen
Ultrasone extractie is een veelgebruikte methode om bioactieve stoffen uit plantaardig materiaal te isoleren [Dong et al. 2010]. Bij koffiebonen zijn cafeïne en antioxidant fenolverbindingen misschien wel de meest waardevolle stoffen voor extractie vanwege hun brede toepassingen in de farmaceutische en voedingsmiddelenindustrie. Maar ook flavonoïden, chlorogeenzuur en protocatechuïnezuur zijn extracten die als additieven worden gebruikt.
Bij het gebruik van traditionele extractiemethoden zoals vloeistof-vloeistof extractie in oplosmiddelen, neemt over het algemeen de extractie-efficiëntie toe met toenemende extractietemperatuur. Dit veroorzaakt vaak schade en kwaliteitsverlies van het extract, omdat de temperatuur de stabiliteit van de fenolverbindingen beïnvloedt.
De ultrasoon ondersteunde vast-vloeistof extractie is een effectieve en tijdbesparende extractiemethode gebleken. De zeer krachtige ultrasone krachten leveren de benodigde energie voor de extractie, zodat er minder of zelfs geen oplosmiddelen nodig zijn. De temperatuur kan goed worden geregeld omdat de gesoneerde batch- of flowcellreactor efficiënt kan worden gekoeld (of verwarmd indien nodig).
Door de intense extractiekrachten van ultrageluid is ook de reeds gebruikte koffiemaling (koffieafval) nog steeds een grondstof die rijk is aan extraheerbare verbindingen. Omdat koffieafval goedkoop is en in grote hoeveelheden beschikbaar, is het een ideale grondstof voor de extractie van de resterende actieve bestanddelen. Hoewel het gehalte aan cafeïne en andere bestanddelen in koffieafval lager is dan in ongebruikt koffiepoeder, blijft er toch een grote hoeveelheid over die extraheerbaar is. Om deze verbindingen uit de gemalen koffie vrij te maken, wordt de volledige invloed van de verwerkingsparameters bijzonder belangrijk. Ultrasoon geluid met een hoog vermogen is in staat om grote hoeveelheden actieve bestanddelen te extraheren binnen een korte verwerkingstijd.
Groene koffie zijn ongebrande koffiebonen, die zeer rijk zijn aan cafeïne. Ultrasone extractie en cold-brewing is een uitstekende techniek voor de productie van groene koffie-extracten en cold-brews!
Ultrasone extractor UIP2000hdT voor de extractie van bioactieve bestanddelen uit koffiebonen
Krachtige Sonicators voor koffie-extractie
Voor een beter begrip van de ultrageluid ondersteunde extractieprocedure moet het effect van ultrageluid in vloeistoffen worden uitgelegd.
Echografie – geïntroduceerd in vloeistoffen – veroorzaakt plaatselijk zeer extreme effecten. Bij het sonificeren van vloeistoffen met hoge intensiteit resulteren de geluidsgolven die zich voortplanten in het vloeibare medium in afwisselende hogedrukcycli (compressie) en lagedrukcycli (rarefactie), met snelheden die afhankelijk zijn van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de belletjes een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze heftig in elkaar tijdens een hogedrukcyclus. Dit fenomeen wordt akoestische cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden plaatselijk zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000 K) en drukken (ongeveer 2.000 atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel resulteert ook in vloeistofstralen met een snelheid tot 280m/s. [Suslick 1998] Door deze extreme krachten treedt sonolyse op, worden celwanden verstoord en wordt intracellulair materiaal geëxtraheerd.
Extractie met behulp van ultrasoon geluid is een goedkoop, eenvoudig en efficiënt alternatief in vergelijking met conventionele extractietechnieken. De belangrijkste voordelen van ultrasone trillingen bij vast-vloeistofextractie zijn onder andere een hogere extractieopbrengst en een snellere kinetiek. Ultrasone extractie is een veelgebruikte techniek voor de extractie van plantaardige materialen met vloeibare oplosmiddelen en heeft bewezen een snel en vollediger extractieproces te bieden in vergelijking met traditionele methoden, omdat het oppervlak tussen de vaste en vloeibare fase aanzienlijk groter is door de celdisruptie en de deeltjesdispersie.
Door het gebruik van sonicatie kan ook de bedrijfstemperatuur worden verlaagd, wat de extractie van temperatuurgevoelige componenten mogelijk maakt. Vergeleken met andere nieuwe extractietechnieken, zoals extractie met behulp van microgolven, is het ultrasone apparaat goedkoper en eenvoudiger te bedienen. Bovendien kan de ultrasoon geassisteerde extractie worden gebruikt met elk oplosmiddel, zoals de Soxhlet extractie, voor het extraheren van een grote variëteit aan natuurlijke verbindingen. [Wang et al. 2006]
Een groot voordeel van ultrasoon is de invloed op de belangrijkste verwerkingsparameters: amplitude, tijd, temperatuur, druk en viscositeit. Hierdoor kan het extractieproces worden geoptimaliseerd om ervoor te zorgen dat de structuur van de extracten niet wordt beschadigd.
Cafeïne-extractie verbeterd door Sonicatie
Cafeïne kan worden beschouwd als het meest geconsumeerde stimulerende middel. Omdat cafeïne niet alleen wordt geconsumeerd door het drinken van gezette koffie, wordt cafeïne-extract in de industrie gebruikt om andere producten met cafeïne als additief te behandelen. Hierdoor wordt het mogelijk om sterkere koffie te maken of frisdranken (bijv. cola), energiedranken of andere voedingsmiddelen (bijv. chocolade) te formuleren.
Maar cafeïne wordt niet alleen gebruikt als additief in de voedselproductie, het is ook een belangrijke werkzame stof in geneesmiddelen. Een veelgebruikte toepassing van cafeïne-extract is bijvoorbeeld de toevoeging aan geneesmiddelen tegen hoofdpijn en migraine of pijnstillers.
Om cafeïne, de belangrijkste alkaloïde in koffie, te extraheren is ultrasone trillingen een geschikte methode. Wang en zijn collega's ontdekten dat er slechts een korte extractietijd nodig is om een verzadigde toestand te bereiken als ultrasone trillingen worden gebruikt. Dit betekent dat ultrasone trillingen een zeer efficiënte en tijdbesparende techniek zijn om cafeïne te winnen. [Wang et al. 2011]
Intensieve extractie van aromatische moleculen en aromatische verbindingen met behulp van Sonicatie
De vluchtige koffieverbindingen zijn de meest waardevolle fractie van de gebrande koffieboon en geven koffie zijn unieke smaak en geur. De kwaliteit van oploskoffie kan aanzienlijk worden verbeterd door aroma-geabsorbeerde koffieoliën toe te voegen aan het koffiepoeder.
Een vergelijkende studie, waarin de extractie van fenolische verbindingen uit aardbeien werd onderzocht, toonde aan dat ultrasone extractie minder afbraak van fenolische stoffen veroorzaakt en een veel sneller extractieproces is vergeleken met andere extractiemethoden, waaronder vast-vloeibaar, subkritisch water en microgolf-geassisteerde methode. [Herrera et al. 2005]
Het onderzoek van Wang en zijn collega's toont aan dat ultrasoon geluid met een lage frequentie en een hoog vermogen efficiënter is voor de extractie van koffiesmaken. Vooral voor 4-Tridecanon en 2-Methoxy-3-Methylpyrazine vonden ze de ultrasone extractie een eenvoudigere en efficiëntere techniek die zeer hoge extractieopbrengsten oplevert. Verder werd aangetoond dat de temperatuur gecontroleerd moet worden omdat koffiearomacomponenten zeer vluchtig zijn bij hoge temperaturen. Ze behaalden goede extractieresultaten in het temperatuurbereik tussen 35~65 °C onder relatief kortdurende ultrasone bestraling. [Wang et al. 2011]
Thee-extractie verbeterd door Sonicatie
De resultaten van ultrasoon ondersteunde extractie zijn ook geschikt voor de extractie van theesamenstellingen (bijv. groene theebladeren). Een studie van Xia et al. toonde een significant hoger gehalte aan theepolyfenolen, aminozuren en cafeïne in ultrasonisch behandelde thee-infusies dan in infusies verkregen door conventionele extractie. Dit resulteerde in betere resultaten tijdens een organoleptische evaluatie die uitwees: de sensorische kwaliteit van theeaftreksels met ultrasoon-ondersteunde extractie was beter dan die van theeaftreksels met conventionele extractie. [Xia et al. 2005]
Lees meer over ultrasone koud brouwthee en koude thee infusies!
Ultrasone extractie van kruiden
Conclusie: Zeer efficiënte cafeïne-extractie met ultrageluid
Extractie met behulp van ultrasoon is een efficiënte, tijdbesparende en controleerbare methode voor de extractie van actieve bestanddelen uit koffie. De meest interessante en waardevolle verbindingen zijn cafeïne en antioxidanten zoals fenolische diterpenen (cafestol, kahweol) en ascorbinezuren. De belangrijkste voordelen van ultrasone extractie zijn extracten van uitstekende kwaliteit met een hoge opbrengst. Deze voordelen van ultrasone extractie worden bereikt door optimalisatie en nauwkeurige controle van de ultrasone extractieparameters.
Krachtige Sonicators voor cafeïne-extractie
Als het gaat om cafeïne-extractie op elke verwerkingsschaal, zijn Hielscher sonicators het toppunt van innovatie en efficiëntie. Of je nu een kleinschalige ambachtelijke producent bent of een grootschalige industriële productiefaciliteit, Hielscher sonicators bieden een nauwkeurige en krachtige oplossing voor het extraheren van de pure essentie van cafeïne uit je bronmateriaal.
- Precisie en consistentie: Hielscher sonicators zijn ontworpen om het extractieproces nauwkeurig te regelen. Hun ultramoderne technologie zorgt voor consistente resultaten batch na batch, zodat je de kwaliteit en potentie van je cafeïne-extract kunt behouden.
- Schaalbaarheid: Hielscher biedt een reeks sonicators die geschikt zijn voor verschillende processchalen. Van compacte benchtopmodellen voor onderzoek en ontwikkeling tot robuuste industriële systemen die grote volumes aankunnen, Hielscher biedt de flexibiliteit die nodig is om aan uw productie-eisen te voldoen.
- Efficiëntie: Met Hielscher sonicators kun je de extractietijden aanzienlijk verkorten in vergelijking met traditionele methoden. De ultrasone golven die door deze machines worden gegenereerd creëren intense cavitatiekrachten, waardoor celwanden snel worden afgebroken en cafeïnemoleculen vrijkomen, wat resulteert in kortere verwerkingscycli.
- Veelzijdigheid: Hielscher sonicators zijn niet beperkt tot het extraheren van cafeïne. Onze sonicators zijn geschikt voor een breed scala aan toepassingen in de voedingsmiddelen-, farmaceutische en cosmetische industrie. Of u nu cafeïne uit koffiebonen, theebladeren of andere plantaardige bronnen extraheert, Hielscher sonicators bieden veelzijdigheid om aan uw behoeften te voldoen.
Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0.5 tot 1.5mL | n.v.t. | VialTweeter | 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Veelgestelde vragen over koffie-extractie
Wat is koffie en koffie-extract?
Koffie - gemaakt van gebrande koffiebonen – is een zeer populaire drank die wereldwijd wordt gedronken. Naast het vitaliserende effect als stimulerende drank, zijn de bestanddelen van koffie interessant voor de voedings-, farmaceutische (bijv. in pijnstillers) en cosmetische industrie als waardevolle additieven in verschillende producten. Dit geldt vooral voor cafeïne (1,3,7-trimethylxanthine) en antioxidanten, die bekend staan om hun positieve effecten op de menselijke gezondheid. Koffie bevat onder andere fenolische diterpenen zoals cafestol en kahweol, en ascorbinezuren, die bekend staan om hun antioxidatieve werking. Epidemiologische studies suggereren dat de ingrediënten van koffie een preventief effect kunnen hebben op verschillende chronische ziekten, waaronder diabetes mellitus type 2, de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson en leverziekten zoals cirrose en hepatocellulair carcinoom.
Ultrasoon geluid is een bekend en bewezen hulpmiddel voor veel verschillende toepassingen in diverse industrieën. Een van de meest prominente en succesvolle toepassingen van ultrageluid is de extractie van bioactieve stoffen uit planten. Ultrasone cavitatie verstoort cellen en zorgt ervoor dat intracellulaire stoffen vrijkomen. Door deze effecten geeft sonicatie een hoger en completer extractierendement binnen een zeer korte verwerkingstijd. Als niet-thermische verwerkingstechniek wordt voorkomen dat bioactieve moleculen door hoge temperaturen worden afgebroken, wat resulteert in extracten van hoge kwaliteit.
Bevat koffie-extract veel cafeïne?
Ja, koffie-extract bevat over het algemeen veel cafeïne, hoewel de exacte hoeveelheid afhangt van het type bonen en de gebruikte extractiemethode. Ultrasoon geëxtraheerd koffie-extract heeft meestal een hoog cafeïnegehalte, omdat deze methode de efficiëntie van de extractie van verbindingen, waaronder cafeïne, uit de koffiebonen verbetert.
Wat zijn de bioactieve bestanddelen in koffie-extract?
De bioactieve bestanddelen in koffie-extract zijn onder andere cafeïne, chlorogeenzuren, diterpenen (zoals cafestol en kahweol), trigonelline en verschillende antioxidanten.
Wat zijn de voordelen van zwarte koffie en groene koffie-extract?
Koffie en groene koffie-extract hebben verschillende potentiële voordelen, waaronder verbeterde mentale alertheid door cafeïne, antioxiderende effecten van chlorogeenzuren, mogelijke ondersteuning bij gewichtsverlies, verminderd risico op bepaalde ziekten zoals diabetes type 2 en bescherming tegen neurodegeneratieve ziekten. Vooral extract van groene koffie heeft mogelijk een meer uitgesproken effect op gewichtsverlies en antioxidantwerking vanwege het hogere gehalte aan chlorogeenzuur.
Wat is het verschil tussen zwarte koffie en groene koffie-extract?
Zwarte koffie wordt gemaakt van gebrande koffiebonen, die worden gemalen en gebrouwen om de drank te produceren. Het brandproces verandert de chemische samenstelling van de bonen, waardoor het gehalte aan chlorogeenzuur afneemt en de smaak en het aroma toenemen. Groene koffie-extract daarentegen is afkomstig van ongebrande groene koffiebonen, die rijk zijn aan chlorogeenzuren en andere antioxidanten. Van deze verbindingen wordt aangenomen dat ze verschillende gezondheidsvoordelen bieden, waaronder gewichtsverlies en een verminderd risico op bepaalde chronische ziekten. In tegenstelling tot zwarte koffie wordt groene koffie-extract meestal niet als drank geconsumeerd, maar als voedingssupplement.
Literatuur/referenties
- Caballero Galván, Ashley; Restrepo, Daissy;Ortiz-Sánchez, Mariana; Cardona, Carlos Ariel (2018): Analysis of Extraction Kinetics of Bioactive Compounds from Spent Coffee Grounds (Coffea arábica). Waste and Biomass Valorization 9, 2018.
- Mohammad H. Zamanipoor, Bailina Yakufu, Ernest Tse, Adel Rezaeimotlagh, James M. Hook, Martin P. Bucknall, Donald S. Thomas, Francisco J. Trujillo (2020): Brewing coffee? – Ultra-sonication has clear beneficial effects on the extraction of key volatile aroma components and triglycerides. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 60, 2020.
- Huamaní-Meléndez V.J., Darros-Barbosa R. (2018): High intensity ultrasound assisted decaffeination process of coffee beans in aqueous medium. Journal of Food Science and Technology, 55(12), 2018. 4901-4908.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998. 517-541.
- Wang, Cheng-Chi; Sheu, Shane-Rong; Chou, Ya-Yen; Jang, Ming-Jyi; Yang, Li-Chen (2011): A novel optimized energy-saving extraction process on coffee. Thermal Science 15/1, 2011. 53-59.
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.