Bezrozpuszczalnikowa ekstrakcja stewii za pomocą ultradźwięków

Konwencjonalna ekstrakcja słodkich składników, takich jak glikozydy stewiolowe, ze Stevia rebaudiana wykorzystuje toksyczne rozpuszczalniki. Aby uzyskać zdrowy produkt spożywczy wysokiej jakości, konieczna jest bezrozpuszczalnikowa metoda ekstrakcji. Technika ekstrakcji ultradźwiękowej pozwala uniknąć stosowania rozpuszczalników, zapewniając bardzo wysoką wydajność ekstrakcji przy krótkim czasie przetwarzania. Dzięki temu ultradźwiękowa ekstrakcja stewii wyróżnia się wyjątkową efektywnością i przyjaznością dla środowiska.

Zdrowe ekstrakty dzięki ekstrakcji ultradźwiękowej

Substancje słodzące ze stewii mają być produktem korzystnym dla zdrowia, wytwarzanym z liści rośliny zielnej Stevia rebaudiana Bertoni, i są stosowane jako bezkaloryczny słodzik. Za słodki smak odpowiadają glikozydy diterpenowe, które są około 300 razy słodsze od sacharozy.
Na zawartość glikozydów w Stevia rebaudiana Bertoni składają się stewiozyd (5–10%), rebaudiozyd A (2–4%), rebaudiozyd C (1–2%), dulkozyd A (0,5–1%), rebaudiozyd B, rebaudiozyd D i rebaudiozyd E. W przeciwieństwie do pozostałych glikozydów rebaudiana A charakteryzuje się brakiem goryczy. Dlatego rebaudiana A jest najbardziej pożądanym związkiem pozyskiwanym z liści stewii. Ekstrakcja ultradźwiękowa wspomaga pozyskiwanie stewiozydów i rebaudiozydów o wysokiej czystości. Ekstrakcję ultradźwiękową glikozydów stewiolowych można łatwo przeprowadzić w wodzie, uzyskując wysoką wydajność przy bardzo dużej szybkości ekstrakcji. Stosunkowo niska temperatura ekstrakcji w zakresie od 60°C do 80°C zapewnia łagodne warunki, zapobiegając degradacji ekstraktów.

Od czasu dopuszczenia stewii do stosowania jako substancji słodzącej znacznie wzrósł popyt na ten naturalny, bezkaloryczny zamiennik cukru. Aby dostarczać produkty ze stewii w ilościach odpowiadających zapotrzebowaniu, konieczne jest zwiększenie zdolności produkcyjnych na skalę komercyjną. Ultradźwięki są sprawdzoną metodą intensyfikacji ekstrakcji.

Zalety ekstrakcji ultradźwiękowej:

• bez rozpuszczalników, np. w wodzie
• wyższa wydajność
• duża szybkość ekstrakcji
• oszczędność czasu
• oszczędność kosztów
• bezpieczeństwo
• przyjazność dla środowiska
• przetwarzanie okresowe lub w linii procesowej

Ultradźwiękowa ekstrakcja stewii: wyniki badań

Carbonell-Capella i wsp. (2016) porównali różne techniki ekstrakcji stewiozydów i rebaudiozydów. Najwyższy odzysk stewiozydu uzyskano, stosując ekstrakcję ultradźwiękową za pomocą UP400S (zob. zdjęcie po lewej) z wodą jako rozpuszczalnikiem. Był on 3,5 raza wyższy niż w przypadku tradycyjnej metody dyfuzyjnej i 1,5 raza wyższy niż w przypadku zmielonych próbek stewii. W tym badaniu liście stewii (6 g) zawieszono w wodzie (180 g) w temperaturze 208C przy stosunku fazy stałej do ciekłej wynoszącym 1:30 (w/w). Ekstrakcję ultradźwiękową przeprowadzono za pomocą procesora ultradźwiękowego UP400S (Hielscher GmbH, Niemcy), pracującego z mocą 400 W i częstotliwością 24 kHz. Na potrzeby doświadczeń zespół badawczy Carbonell-Capella ustawił amplitudę na 100% i zastosował tryb sonikacji ciągłej. Zamontowano tytanową sonotrodę H22 o średnicy 22 mm i długości 100 mm, aby wprowadzać fale ultradźwiękowe do próbki. Sondę zanurzono w mieszaninie zawierającej 6 g liści stewii zawieszonych w 180 g wody lub mieszaniny etanolu i wody (50%), znajdującej się w szklanej kolbie z wąską szyjką (pojemność 1 000 mL). Próbki zanurzono w kąpieli chłodzącej, aby uniknąć nagrzewania wywołanego sonikacją, a temperaturę zawsze utrzymywano poniżej 50ºC). Całkowitą energię właściwą dostarczoną do próbki (W_spec, w kJ/kg) obliczono, mnożąc moc generatora (400 J/s) (moc) przez całkowity czas przetwarzania (s) i dzieląc wynik przez masę produktu (kg). Energia ultradźwiękowa wynosiła 178 kJ/kg (dla t_US = 80 s.)
(por. Carbonell-Capella i wsp. 2016)
Sic-Zlabur i wsp. (2015) badali ekstrakcję glikozydów stewiolowych wraz z innymi składnikami funkcjonalnymi z liści stewii i stwierdzili, że ekstrakcja ultradźwiękowa jest technologią przyjazną dla środowiska, która może być stosowana do pozyskiwania związków funkcjonalnych z liści stewii przy znacznie krótszym czasie przetwarzania i mniejszym zużyciu energii w porównaniu z ekstrakcją konwencjonalną.

Liu i wsp. (2010) badali ultradźwiękową ekstrakcję węglowodanów ogółem ze Stevia rebaudiana Bertoni. Aby zmaksymalizować wydajność pozyskiwania węglowodanów ogółem ze Stevia rebaudiana Bertoni, jako próbki wykorzystano stewię typu LUYU-131. Do optymalizacji warunków ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami zastosowano metodologię powierzchni odpowiedzi (RSM). Wyniki wskazały, że optymalne warunki ekstrakcji obejmowały temperaturę ekstrakcji 68°C, moc ultradźwięków 60 W i czas ekstrakcji 32 min. Przy zastosowaniu ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami wydajność pozyskiwania ekstraktów wzrosła 1,5 raza przy niższej temperaturze ekstrakcji (68°C), a czas ekstrakcji (32 min.) uległ znacznemu skróceniu w porównaniu z ekstrakcją klasyczną. Analiza składników surowych ekstraktów wykazała, że względna zawartość rebaudiozydu A wzrosła w ekstraktach uzyskanych przy wspomaganiu ultradźwiękami w porównaniu z ekstraktami otrzymanymi w procesie klasycznym, a ekstrakty uzyskane przy wspomaganiu ultradźwiękami miały lepszą jakość.
Alupului i Lavric (2008) potwierdzają w swoim badaniu wyższą efektywność ultradźwiękowej ekstrakcji stewii, stwierdzając, że indukowana ultradźwiękami ekstrakcja stewiozydu ze Stevia rebaudiana zapewnia dwustukrotnie większą produktywność niż konwencjonalne moczenie, a także krótszy czas przetwarzania. (por. Alupului A., Lavric V., 2008)

Dalsze przetwarzanie stewiozydów za pomocą ultradźwięków

Ultradźwięki są niezawodną metodą mieszania, łączenia składników i homogenizacji, dlatego często stosuje się je podczas opracowywania receptury i sporządzania produktu końcowego. Gdy ekstrakt ze stewii trzeba rozpuścić w cieczy, ultradźwięki stanowią szybką i efektywną technikę przygotowania jednorodnej mieszaniny – niezależnie od lepkości. Ultradźwiękowe rozpuszczanie umożliwia przygotowanie roztworów o wysokim stopniu nasycenia, a nawet roztworów przesyconych.

Systemy do ekstrakcji ultradźwiękowej

Oferta produktów Hielscher zaspokaja potrzeby zarówno w zakresie ekstrakcji małych i średnich objętości do analiz i badań, jak i ekstrakcji na dużą skalę produkcji komercyjnej. Nasza oferta sonikatorów obejmuje laboratoryjne urządzenia ultradźwiękowe, systemy stołowe do prac badawczo-rozwojowych i instalacji pilotażowych, a także przemysłowe ultradźwiękowe systemy dużej mocy o mocy do 16 000 watów na pojedyncze urządzenie, które można łatwo łączyć w zespoły i zabudowywać w kontenerach. Nasz szeroki wybór akcesoriów ultradźwiękowych , takich jak sonotrody, komory przepływowe, reaktory i wzmacniacze amplitudy, umożliwia optymalną konfigurację systemu idealnie dopasowanego do potrzeb klienta.

Inwestycja

Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są przystosowane do pracy 24/7 , co oznacza, że nasz sprzęt umożliwia szybki zwrot z inwestycji (RoI). Alupului i wsp. (2009) stwierdzili w swoich badaniach, że nie należy pomijać ekonomicznego uzasadnienia stosowania ultradźwięków o wysokiej intensywności jako stosunkowo niskokosztowej metody. Ponadto ekstrakcja ultradźwiękowa jest przekonującą techniką ze względu na prostotę użytkowania i znaczną efektywność.