Ultrasone vanille-extractie – Een niet-thermische methode
- Vanille-extract is een smaakoplossing die wordt geëxtraheerd uit vanillestokjes in een oplossing van ethanol en water.
- Om vanilline van hoge kwaliteit te produceren als geur-, smaak- en geurcomponent is een efficiënte, maar milde extractietechniek nodig om ontleding te voorkomen.
- Ultrasone extractie is een milde mechanische extractiemethode die een hoge opbrengst aan vanilline geeft in een zeer korte extractietijd.
Ultrasone techniek met hoge prestaties voor hoogwaardige vanilline-extracten
Als de op één na duurste specerij na saffraan vereist de productie van vanille een efficiënte extractiemethode die de degradatie van de waardevolle essentiële oliën voorkomt. Ultrasone extractie staat bekend als een milde, niet-thermische en toch zeer efficiënte methode om bioactieve bestanddelen uit plantaardig materiaal vrij te maken. Ultrasone extractie is gebaseerd op het fenomeen van akoestische cavitatie, wat een zuiver mechanische behandeling is. Hierdoor is ultrasone extractie de voorkeursmethode voor het isoleren van gevoelige bioactieve verbindingen zoals smaakstoffen en essentiële oliën, bijv. vanilline, polyfenolen of antioxidanten uit plantaardige stoffen.
Voordelen van ultrasone vanille-extractie
- Superieure opbrengst
- Extractie met hoge snelheid – binnen enkele minuten
- Extracten van hoge kwaliteit – Mild, niet-thermisch
- Groene oplosmiddelen (bijv. water/ethanol)
- Kosteneffectief
- Eenvoudige en veilige bediening
- Lage investerings- en operationele kosten
- 24/7 werking onder zware omstandigheden
- Groene, milieuvriendelijke methode
Ultrasone vanille-extractie – in batch- of continue flowmodus
Partij: Ultrasone extractieprocessen kunnen worden uitgevoerd als eenvoudige batchprocessen of als inline behandeling, waarbij het medium continu door een ultrasone doorstroomreactor wordt gevoerd.
Batchverwerking is een eenvoudige procedure, waarbij de extractie partij voor partij wordt uitgevoerd. Hielscher Ultrasonics biedt ultrasone processors voor kleine tot grote batches, d.w.z. van 1 liter tot 120 liter.
Voor het verwerken van batches van 5 tot 10 liter raden we de UP400St (400W, video hieronder) met sonotrode S24d22L2D.
Voor het verwerken van batches van ongeveer 120 liter raden we de UIP2000hdT (2kW, foto rechterkolom bovenaan) met sonotrode RS4d40L4.
Sonicator UIP2000hdT voor botanische extractie in een 120L batch
Ultrasone extractie van botanische middelen met ultrasoonapparaat UP400St
Voor een volume van ongeveer 8L/min. raden we de UIP4000hdT (4kW, foto rechts) met sonotrode RS4d40L3 en drukregelbare doorstroomcel FC130L4-3G0
Casestudie van ultrasone vanille-extractie
Jadhav et al. (2009) vergeleken ultrasoon ondersteunde extractie (UAE) en Soxhlet extractie. Het onderzoek bevestigde dat ultrasone extractie de afgifte van vanilline aanzienlijk intensiveert in vergelijking met Soxhlet extractie. De Soxhlet-behandeling vereiste een werktemperatuur van 95°C, een oplosmiddel/oplosmiddel-verhouding van 66,67ml/g en een extractietijd van 8 uur, waardoor ongeveer 180 ppm vanilline vrijkwam. Ultrasone extractie (UAE) vereiste slechts 1 uur om ongeveer 140 ppm vanilline vrij te maken bij gebruik van dezelfde verhouding oplosmiddel/oplosmiddel bij kamertemperatuur.
Rasoamandrary et al. (2013) vergeleken de efficiëntie van vanilline-extractie met behulp van een 100 W ultrasone sensor (bijv. UP100H), een ultrasoon bad en een warmwaterbad. De onderzoekers concludeerden dat de ultrasone sonde een krachtig extractiemiddel is vanwege de hoge intensiteit van de ultrasone trillingen. Daarom presteerde de ultrasone sonde beter dan de alternatieve extractiemethoden door vergelijkbare en/of hogere opbrengsten van geëxtraheerde vanilline te geven in een aanzienlijk kortere extractietijd en met minder verbruik van oplosmiddel (d.w.z. ethanol).
De vergelijking van de drie extractiemethoden – ultrasone sonde, ultrasoon bad, extractie in warmwaterbad – toonde aan dat vanilline-extractie het meest efficiënt was voor sonde-sonatie bij gebruik van 40% ethanol (v/v) bij een omgevingstemperatuur van 30°C en een extractietijd van 1 uur. De waterbad extractie vereiste een 50% ethanol (v/v) concentratie bij 56°C gedurende 15 uur.
UIP4000hdT – 4kW ultrasone extractor voor continue inline behandeling.
Ultrasone apparatuur voor hoogwaardige extractie
Hielscher Ultrasonics is gespecialiseerd in de productie van hoogwaardige ultrasone processors voor de productie van hoogwaardige extracten van plantaardige producten.
Het brede productassortiment van Hielscher varieert van kleine, krachtige ultrasone laboratoria tot robuuste bench-top en volledig industriële systemen, die ultrasoon geluid met hoge intensiteit leveren voor de efficiënte extractie en isolatie van bioactieve stoffen (bijv. quercetine, cafeïne, curcumine, terpenen enz.). Alle ultrasone apparaten van 200W naar 16,000W hebben een gekleurd display voor digitale bediening, een geïntegreerde SD-kaart voor automatische gegevensregistratie, browser-afstandsbediening en nog veel meer gebruiksvriendelijke functies. De sonotroden en flowcellen (de onderdelen die in contact komen met het medium) zijn autoclaveerbaar en eenvoudig te reinigen. Al onze ultrasone apparaten zijn gebouwd voor 24/7 gebruik, vereisen weinig onderhoud en zijn eenvoudig en veilig te bedienen.
Een digitaal kleurendisplay zorgt voor een gebruiksvriendelijke bediening van de ultrasoon. Onze systemen kunnen lage tot zeer hoge amplitudes leveren. Voor de extractie van polyfenolen en andere bioactieve stoffen zoals vanilline bieden we speciale ultrasone sonotrodes (ook wel ultrasone sondes of hoorns genoemd) die geoptimaliseerd zijn voor de gevoelige isolatie van hoogwaardige actieve stoffen. Dankzij de robuustheid van Hielscher's ultrasone apparatuur kan deze 24/7 worden gebruikt bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.
De nauwkeurige regeling van de ultrasone procesparameters zorgt voor reproduceerbaarheid en processtandaardisatie.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 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 |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Krachtige ultrasone processors van laboratorium- tot pilot- en industriële schaal.
Literatuur/referenties
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimalisatie van een analytische benadering op basis van hogedrukvloeistofchromatografie voor de karakterisering van een natuurlijk vanille-extract. Proefschrift, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Extractie van vanilline uit vanillestokjes: Een vergelijkende studie van conventionele soxhlet en ultrasoon ondersteunde extractie. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421-426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Improved Extraction of Vanillin 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyde from Cured Vanilla Beans using Ultrasound-Assisted Extraction: Een vergelijking tussen ultrasone en warmwaterbad-extractie.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O'Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ultrasoontechnologie voor de extractie van biologisch actieve moleculen uit plantaardige, dierlijke en mariene bronnen. TrAC Trends in Analytische Chemie, Volume 122, 2020.
Wetenswaardigheden
Het werkingsprincipe van ultrasone extractie
De toepassing van intense ultrasone geluidsgolven op een vloeibaar medium resulteert in cavitatie. Het fenomeen cavitatie leidt plaatselijk tot extreme temperaturen, drukken, verwarmings-/koelsnelheden, drukverschillen en hoge schuifkrachten in het medium. Wanneer cavitatiebellen imploderen op het oppervlak van vaste stoffen (zoals deeltjes, plantencellen, weefsels enz.), veroorzaken microstralen en botsingen tussen de partikels effecten zoals oppervlakteschilfering, erosie en afbraak van deeltjes. Bovendien veroorzaakt de implosie van cavitatiebellen in vloeibare media macroturbulenties en micro-menging.
Fig. 1: Creatie van stabiele en voorbijgaande cavitatiebellen.
(a) verplaatsing, b) cavitatie van voorbijgaande aard, c) stabiele cavitatie, d) druk
[aangepast van Santos et al. 2009].
Ultrasone bestraling van plantaardig materiaal fragmenteert de matrix van plantencellen en verbetert de hydratatie ervan. Chemat et al. (2015) concluderen dat ultrasone extractie van bioactieve stoffen uit plantaardige stoffen het resultaat is van verschillende onafhankelijke of gecombineerde mechanismen, waaronder fragmentatie, erosie, capillariteit, detexturatie en sonoporatie. Deze effecten verstoren de celwand, verbeteren de massaoverdracht door het oplosmiddel in de cel te duwen en het oplosmiddel met de fyto-verbinding eruit te zuigen, en zorgen voor vloeistofbeweging door micromenging.
Ultrasone extractie uit plantencellen: de microscopische dwarsdoorsnede (TS) toont het werkingsmechanisme tijdens ultrasone extractie uit cellen (vergroting 2000x) [bron: Vilkhu et al. 2011].
Ultrasone extractie zorgt voor een zeer snelle isolatie van verbindingen en overtreft conventionele extractiemethoden met een kortere procestijd, hogere opbrengst en lagere temperaturen. Als milde mechanische behandeling voorkomt ultrasone extractie de thermische afbraak van bioactieve componenten en blinkt het uit in vergelijking met andere technieken zoals conventionele oplosmiddelextractie, hydrodistillatieof Soxhlet extractie, waarvan bekend is dat ze warmtegevoelige moleculen vernietigen. Vanwege deze voordelen wordt de voorkeur gegeven aan ultrasone extractie voor het vrijmaken van temperatuurgevoelige bioactieve stoffen uit plantaardige stoffen.
vanilline
Vanille is een gewaardeerd aroma dat kan worden gewonnen uit orchideeën van het geslacht Vanilla, voornamelijk uit de Mexicaanse soort, de platbladige vanille (V. planifolia). De unieke smaakstoffen van de vanille-orchidee zijn te vinden in de vruchten, die het resultaat zijn van de bestuiving van de bloem. Deze zaaddozen zijn ongeveer 1/3 x 6 inch groot, met een bruinrode tot zwarte kleur wanneer ze rijp zijn. Binnenin deze peulen zit een olieachtige vloeistof vol kleine zaadjes. Zowel de peul als de zaden worden gebruikt voor de productie van vanilline.
Hoewel vanilline de belangrijkste smaakstof in de vanilleplant is, bevat puur vanille-extract honderden andere smaakstoffen die bijdragen aan de complexe, diepe smaak.
Vanille-essence komt voor in twee vormen, namelijk echte vanilline-essence uit het vanillestokje en industrieel gesynthetiseerde vanilline. Het echte zaaddodextract is een complex mengsel van honderden verschillende verbindingen. De chemische verbinding vanilline – 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyde – levert de belangrijkste bijdrage aan de karakteristieke smaak en het aroma van echte vanille en is de belangrijkste smaakcomponent van gezouten vanillebonen. Naast vanilline kunnen andere chemische verbindingen zoals acetaldehyde, azijnzuur, furfural, hexaanzuur, 4-hydroxybenzaldehyde, eugenol, methylcinnamaat en isoboterzuur bijdragen aan het complexe aroma van vanille.
Vanille Cultivars
Bourbon vanille of Bourbon-Madagaskar vanille wordt geproduceerd van V. planifolia planten, die groeien op eilanden in de Indische Oceaan zoals Madagaskar, de Comoren en Réunion, vroeger genaamd Île Bourbon. De term “Bourbon vanille” beschrijft ook het kenmerkende vanillearoma afkomstig van V. planifolia.
Mexicaanse vanille, gewonnen uit de inheemse V. planifolia, wordt in veel kleinere hoeveelheden geproduceerd. Mexicaanse vanille staat bekend en wordt op de markt gebracht als vanille van het land van herkomst, aangezien de plant V. planifolia oorspronkelijk uit Meso-Amerika komt.
Tahitiaanse vanille komt uit Frans-Polynesië en wordt geproduceerd uit de plant V. tahitiensis. Genetische analyse toont aan dat deze soort mogelijk een cultivar is van een hybride van V. planifolia en V. odorata.
West-Indische vanille wordt gemaakt van V. pompona, die wordt geteeld in het Caribisch gebied en Midden- en Zuid-Amerika.