Turboekstrakcja cynamonu za pomocą ultradźwięków

Tradycyjna ekstrakcja cynamonu jest czasochłonna i stosunkowo mało wydajna. Ekstrakcja ultradźwiękowa to prosta, a jednocześnie wysoce wydajna technika intensyfikacji procesu, która skraca czas ekstrakcji do kilku godzin i jednocześnie zwiększa uzysk olejku eterycznego z cynamonu.

Usprawniona ekstrakcja cynamonu za pomocą ultradźwięków

Tradycyjna ekstrakcja olejku eterycznego z cynamonu polega na destylacji kory i liści cynamonowca z parą wodną. Tradycyjna destylacja z parą wodną jest bardzo powolna i czasochłonna. Im większy docelowy uzysk olejku cynamonowego, tym dłuższa destylacja z parą wodną, co oznacza, że destylacja zawartości kotła z liśćmi cynamonowca może trwać do 12 godzin, podczas gdy destylacja kory cynamonowca może trwać ponad 24 godziny. Ekstrakcja ultradźwiękowa rozbija struktury komórkowe kory i liści cynamonowca, dzięki czemu olejek cynamonowy uwalnia się szybko i całkowicie. Ekstrakcja ultradźwiękowa znacznie przyspiesza destylację z parą wodną, skracając czas przetwarzania z całego dnia do kilku godzin, a jednocześnie zwiększając uzysk olejku eterycznego z cynamonu.
Ekstrakcja ultradźwiękowa uwalnia pełne spektrum związków aromatycznych cynamonu, w tym aldehyd cynamonowy, linalol, eugenol i kwas cynamonowy. Uzyskanie ekstraktu zawierającego pełne spektrum wysokiej jakości związków olejku eterycznego jest przyczyną doskonałej jakości olejków cynamonowych otrzymywanych za pomocą ekstrakcji ultradźwiękowej. W szczególności aldehyd cynamonowy, będący głównym związkiem organicznym, nadaje cynamonowi charakterystyczny smak i zapach. Ponieważ sonikacja jest obróbką nietermiczną, związki olejku eterycznego są chronione przed degradacją termiczną. Dlatego ekstrakcja ultradźwiękowa pozwala uzyskać olejki eteryczne o intensywnym aromacie, spełniające najwyższe standardy jakości.
Ekstrakcję ultradźwiękową można stosować do kory i liści cynamonowca. Olejek z liści cynamonowca ma silniejszy zapach niż olejek z kory. Liście cynamonowca zawierają duże ilości eugenolu.

Dlaczego ekstrakcja ultradźwiękowa przewyższa destylację z parą wodną

Aby wytwarzać olejki eteryczne z cynamonu przez destylację z parą wodną, należy najpierw uwolnić je z matrycy roślinnej (tj. komórek roślinnych w liściach lub korze cynamonowca). Podczas destylacji z parą wodną materiał roślinny cynamonowca gotuje się w kotłach przez maksymalnie 24 godziny. Samo ciepło jest stosunkowo mało skuteczne w rozbijaniu struktur komórkowych i uwalnianiu uwięzionych olejków eterycznych. Na ogół gotowanie nie uwalnia całkowicie uwięzionych olejków eterycznych, a znaczne ilości pozostałych olejków są marnowane, ponieważ nie zostały wyekstrahowane. Po procesie ekstrakcji termicznej następuje destylacja z parą wodną. W tym celu doprowadza się do wrzenia mieszaninę dwóch niemieszających się cieczy (tj. olejku eterycznego i wody). Mieszanina zaczyna wrzeć, gdy ich łączne ciśnienie pary wynosi 760 mm Hg. Temperatura wrzenia mieszaniny wody i olejku eterycznego będzie zatem niższa niż temperatura wrzenia każdego ze składników osobno. Tradycyjna hydrodestylacja ma istotne wady: długi proces gotowania i obróbki parą jest bardzo czasochłonny i energochłonny.
Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej. Kawitacja akustyczna zachodzi, gdy fale ultradźwiękowe dużej mocy są wprowadzane do cieczy (np. zawiesiny składającej się z materiału roślinnego w rozpuszczalniku lub wodzie). Fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz, powodując naprzemienne cykle wysokiego / niskiego ciśnienia. Podczas cykli niskiego ciśnienia powstają maleńkie pęcherzyki próżniowe (tak zwane pęcherzyki kawitacyjne), które rosną przez kilka cykli ciśnienia. Po osiągnięciu określonego rozmiaru, gdy pęcherzyki nie mogą już pochłonąć więcej energii, gwałtownie implodują podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Implozja pęcherzyków charakteryzuje się intensywnymi siłami kawitacyjnymi, w tym mikroturbulencjami i strumieniami cieczy o prędkościach do 100m/s. Te kawitacyjne efekty ścinania są również znane jako efekty sonomechaniczne. Ultradźwiękowa ekstrakcja cząsteczek bioaktywnych jest wywoływana głównie przez efekty sonomechaniczne: mieszanie i turbulencje rozbijają komórki i wspomagają przenoszenie masy. Oznacza to, że cząsteczki bioaktywne, takie jak olejki eteryczne, polifenole, terpeny i kannabinoidy, są uwalniane z matrycy komórek roślinnych do rozpuszczalnika.
Przewagą ekstrakcji ultradźwiękowej nad tradycyjną metodą gotowania i destylacji z parą wodną jest uzyskanie stosunkowo większej ilości olejków eterycznych i innych związków organicznych w znacznie krótszym czasie. Wyższy uzysk ekstrakcji zapobiega marnowaniu surowca i zwiększa opłacalność ekstrakcji. Oszczędności czasu i energii osiągane dzięki ekstrakcji ultradźwiękowej są znaczne. Jako metoda nietermiczna ekstrakcja ultradźwiękowa chroni związki wrażliwe na temperaturę przed degradacją wywołaną ciepłem.
Umiarkowane temperatury i krótki czas przetwarzania to główne zalety ekstrakcji ultradźwiękowej, ponieważ zapobiegają rozkładowi termicznemu naturalnych ekstraktów. Dzięki temu ekstrakcja ultradźwiękowa jest wysoce wydajna, a sonikacja pozwala uzyskać olejki eteryczne o doskonałej jakości.

Studia przypadków ultradźwiękowej ekstrakcji cynamonu

W badaniach naukowych i przemyśle wdrożono już ekstrakcję ultradźwiękową do produkcji wysokiej jakości olejków eterycznych z wielu surowców roślinnych, w tym liści i kory cynamonowca.

Ultradźwiękowa hydrodestylacja cynamonu

Chen i wsp. (2020) badali hydrodestylację wspomaganą ultradźwiękami i stwierdzili, że sonikacja znacznie usprawniła proces destylacji. Ultradźwiękowa destylacja z parą wodną zapewniła wyższy uzysk olejku cynamonowego przy radykalnie skróconym czasie ekstrakcji. Korzystając z analizy GC-MS, wykazali, że hydrodestylacja wspomagana ultradźwiękami pozwala uzyskać bardziej wartościowy olejek eteryczny o wysokiej zawartości głównego związku, aldehydu trans-cynamonowego, w porównaniu z tradycyjną hydrodestylacją. Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) potwierdził skuteczność sonikacji w ekstrakcji olejku cynamonowego. Ponadto analiza zużycia energii elektrycznej i emisji CO2 pokazuje, że proces hydrodestylacji wspomaganej ultradźwiękami jest bardziej ekonomicznym i przyjaznym dla środowiska rozwiązaniem. Dlatego Chen i wsp. podsumowują, że hydrodestylacja wspomagana ultradźwiękami jest wydajną i ekologiczną technologią ekstrakcji olejku eterycznego z cynamonu, która może poprawić ilość i jakość olejków cynamonowych.

Ultradźwiękowa ekstrakcja cynamonu z użyciem rozpuszczalników głęboko eutektycznych

Wykazano, że ekstrakcja ultradźwiękowa z użyciem rozpuszczalników głęboko eutektycznych jest doskonalszą techniką uzyskiwania dużych ilości aldehydu trans-cynamonowego i kumaryny z kory cynamonowca.
Metoda ta w optymalnych warunkach zapewniła wyższą zawartość aldehydu trans-cynamonowego i kumaryny niż metody konwencjonalne (ekstrakcja pod chłodnicą zwrotną, ekstrakcja Soxhleta i maceracja) z użyciem rozpuszczalników organicznych (96% etanol). Stwierdzono, że optymalne warunki ekstrakcji ultradźwiękowej z użyciem naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych obejmują zastosowanie układu chlorek choliny–kwas cytrynowy (ChCl-CA) z dodatkiem 40% wody oraz 30-minutowy czas ekstrakcji w celu uzyskania aldehydu trans-cynamonowego (9,24 ± 0,01 mg/g) i kumaryny (11,6 ± 0,11 mg/g) z kory cynamonowca (C. burmannii Blume). Należy przeprowadzić dalsze badania aktywności farmakologicznej aldehydu trans-cynamonowego i kumaryny z kory cynamonowca. (por. Aryati i wsp. 2020)

Obraz powierzchni kory cynamonowca uzyskany za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej przy powiększeniu 1000x; wysuszony proszek (a); po ekstrakcji przez macerację (b); po ekstrakcji pod chłodnicą zwrotną (c); po ekstrakcji Soxhleta (d); po ekstrakcji z użyciem NADES-UAE ChCl-CA (e).
badanie i obraz autorstwa Aryati i wsp. 2020

Wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe

Ekstrakcja ultradźwiękowa to niezawodna technologia przetwarzania, która ułatwia i przyspiesza produkcję wysokiej jakości olejków eterycznych. Oferta Hielscher Ultrasonics obejmuje pełen zakres urządzeń, od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych po przemysłowe systemy ekstrakcji. Dzięki temu w Hielscher możemy zaoferować sonikator najlepiej dopasowany do planowanej wydajności procesu. Nasi pracownicy z wieloletnim doświadczeniem zapewnią wsparcie od testów wykonalności i optymalizacji procesu aż po instalację systemu ultradźwiękowego na docelową skalę produkcyjną.
Niewielka powierzchnia zajmowana przez nasze ekstraktory ultradźwiękowe oraz różnorodne możliwości instalacji sprawiają, że mieszczą się one nawet w zakładach przetwórczych o ograniczonej przestrzeni. Procesory ultradźwiękowe są instalowane na całym świecie w zakładach produkujących żywność, produkty farmaceutyczne i suplementy diety.

Hielscher Ultrasonics – zaawansowany sprzęt do ekstrakcji

Oferta produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełen zakres wysokowydajnych ekstraktorów ultradźwiękowych do zastosowań od małej do dużej skali. Dodatkowe akcesoria umożliwiają łatwe złożenie konfiguracji urządzenia ultradźwiękowego najlepiej dopasowanej do danego procesu ekstrakcji. Optymalna konfiguracja ultradźwiękowa zależy od planowanej wydajności, objętości, surowca, procesu wsadowego lub liniowego oraz harmonogramu.

Przetwarzanie wsadowe i liniowe

Sonikatory Hielscher można stosować do przetwarzania wsadowego i ciągłego przetwarzania przepływowego. Ultradźwiękowe przetwarzanie wsadowe idealnie nadaje się do testowania i optymalizacji procesu oraz produkcji na małą i średnią skalę. Przy przetwarzaniu dużych ilości surowców roślinnych (np. liści i kory cynamonowca) przetwarzanie liniowe może być korzystniejsze. Chociaż przetwarzanie wsadowe wymaga jedynie bardzo prostej konfiguracji, jest bardziej czasochłonne i pracochłonne. Ciągły proces ekstrakcji liniowej wymaga zaawansowanej konfiguracji – składającej się z pompy, węży lub rur oraz zbiorników – ale jest wydajniejszy, szybszy i wymaga znacznie mniej pracy. Hielscher Ultrasonics dysponuje konfiguracją do ekstrakcji najlepiej dopasowaną do objętości poddawanej ekstrakcji i celów procesu.

Ekstraktory ultradźwiękowe do każdej wydajności produkcyjnej

Asortyment Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych, przez systemy stołowe i pilotażowe, po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe zdolne przetwarzać ładunki całych ciężarówek na godzinę. Pełen asortyment produktów pozwala nam zaoferować ekstraktor ultradźwiękowy najlepiej dopasowany do surowca, wydajności procesu i celów produkcyjnych.
Stołowe systemy ultradźwiękowe idealnie nadają się do testów wykonalności i optymalizacji procesu. Liniowe zwiększanie skali na podstawie ustalonych parametrów procesu znacznie ułatwia zwiększanie zdolności przetwarzania od mniejszych partii do produkcji na pełną skalę komercyjną. Skalę można zwiększyć przez zainstalowanie ekstraktora ultradźwiękowego o większej mocy lub równoległe połączenie kilku sonikatorów w zespół. Dzięki UIP16000 Hielscher oferuje najpotężniejszy ekstraktor ultradźwiękowy na świecie.

Precyzyjnie regulowane amplitudy dla optymalnych rezultatów

Wszystkie sonikatory Hielscher umożliwiają precyzyjne sterowanie i dzięki temu stanowią niezawodne urządzenia do intensywnej pracy produkcyjnej. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu wpływających na wydajność i skuteczność ultradźwiękowej ekstrakcji olejków eterycznych z cynamonu.
Wszystkie procesory Hielscher Ultrasonics umożliwiają precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i wzmacniacze amplitudy to akcesoria pozwalające zmieniać amplitudę w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą osiągać bardzo wysokie amplitudy i zapewniać natężenie ultradźwięków wymagane w trudnych zastosowaniach. Amplitudy do 200µm można bez problemu utrzymywać podczas ciągłej pracy w trybie 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania umożliwiają obróbkę liści i kory cynamonowca w najskuteczniejszych warunkach ultradźwiękowych. Optymalna sonikacja zapewniająca najlepsze wyniki ekstrakcji!
Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających warunkach. Dzięki temu sprzęt ultradźwiękowy Hielscher jest niezawodnym narzędziem pracy spełniającym wymagania dotyczące ekstrakcji.

Łatwe testowanie bez ryzyka

Procesy ultradźwiękowe można skalować w sposób całkowicie liniowy. Oznacza to, że każdy rezultat uzyskany za pomocą sonikatora laboratoryjnego lub stołowego można przenieść na większą skalę, uzyskując dokładnie ten sam wynik przy zastosowaniu dokładnie tych samych parametrów procesu. Dzięki temu sonikacja idealnie nadaje się do testów wykonalności bez ryzyka, optymalizacji procesu i późniejszego wdrożenia do produkcji komercyjnej. Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się, jak sonikacja może zwiększyć produkcję ekstraktu z cynamonu.

Najwyższa jakość – zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech

Jako przedsiębiorstwo rodzinne należące do rodziny i przez nią zarządzane, Hielscher nadaje priorytet najwyższym standardom jakości swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie sonikatory są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Wytrzymałość i niezawodność sprzętu ultradźwiękowego Hielscher sprawiają, że stanowi on urządzenie do intensywnej pracy w zakładzie produkcyjnym. Praca w trybie 24/7 przy pełnym obciążeniu i w wymagających warunkach jest naturalną cechą wysokowydajnych mieszalników Hielscher.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: