Ultradźwiękowa ekstrakcja wanilii – A Metoda nietermiczna
- Ekstrakt waniliowy to roztwór smakowy ekstrahowany ze strąków wanilii w roztworze etanolu i wody.
- Aby wyprodukować wysokiej jakości wanilinę jako składnik zapachowy, smakowy i zapachowy, wymagana jest skuteczna, a jednocześnie łagodna technika ekstrakcyjna zapobiegająca rozkładowi.
- Ekstrakcja ultradźwiękowa to łagodna metoda ekstrakcji mechanicznej, która zapewnia wysoką wydajność waniliny w bardzo krótkim czasie ekstrakcji.
Wysokowydajna ultrasonika do ekstraktów wanilinowych wysokiej jakości
Jako druga najdroższa przyprawa po szafranie, produkcja wanilii wymaga efektywnej metody ekstrakcji, która zapobiega degradacji cennych olejków eterycznych. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest znaną i uznaną, łagodną, nietermiczną, ale wysoce skuteczną metodą uwalniania związków bioaktywnych z materiału roślinnego. Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na zjawisku kawitacji akustycznej, która jest zabiegiem czysto mechanicznym. Dzięki temu sonizacja jest preferowaną metodą izolacji wrażliwych związków bioaktywnych, takich jak związki aromatyczne i olejki eteryczne, np. wanilina, polifenole lub antyoksydanty z roślin.
Zalety Ultradźwiękowej Ekstrakcji Wanilii (Ultrasonic Vanilla Extraction)
- Najwyższa wydajność
- Szybki odciąg – w ciągu kilku minut
- Ekstrakty wysokiej jakości – Łagodne nietermicznej
- Zielone rozpuszczalniki (np. woda/etanol)
- opłacalny
- Łatwa i bezpieczna obsługa
- Niskie koszty inwestycyjne i operacyjne
- Praca 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu przy dużych obciążeniach
- Zielona, przyjazna dla środowiska metoda
Ultradźwiękowa ekstrakcja wanilii – w trybie wsadowym lub ciągłym przepływie (Continuous Flow Mode)
Partia: Procesy ekstrakcji ultradźwiękowej mogą być realizowane w formie prostych procesów wsadowych lub obróbki w linii produkcyjnej, gdzie medium jest stale podawane przez reaktor przepływowy ultradźwiękowy.
Przetwarzanie partii jest prostą procedurą, w której ekstrakcja odbywa się partiami. Hielscher Ultrasonics oferuje procesory ultradźwiękowe dla małych i dużych partii, tj. od 1L do 120L.
Do przetwarzania partii od 5 do 10L zalecamy UP400St (400W, film poniżej) z sonotrodą S24d22L2D.
Do obróbki partii o objętości ok. 120 l zalecamy UIP2000hdT (2kW, zdjęcie prawej kolumny na górze) z sonotrodem RS4d40L4.
Sonicator UIP2000hdT do ekstrakcji składników botanicznych w partii 120 l
Ultradźwiękowa ekstrakcja roślin za pomocą ultradźwiękownika UP400St
W przypadku objętości ok. 8L/min. zalecamy, aby UIP4000hdT (4kW, zdjęcie po prawej) z sonotrodem RS4d40L3 i ciśnieniową komorą przepływową FC130L4-3G0
Studium przypadku Ultradźwiękowej Ekstrakcji Wanilii (Ultrasonic Vanilla Extraction)
Jadhav i wsp. (2009) porównali ekstrakcję wspomaganą ultradźwiękami (ZEA) i ekstrakcję Soxhleta. Badania potwierdziły, że ekstrakcja ultradźwiękowa znacznie zwiększa uwalnianie waniliny w porównaniu z ekstrakcją Soxhleta. Obróbka Soxhleta wymagała temperatury pracy 95°C, stosunku rozpuszczalnikowo-rozpuszczalnikowego 66,67ml/g i czasu ekstrakcji wynoszącego 8 godzin, co spowodowało uwolnienie ok. 180ppm waniliny. Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (UAE) wymagała tylko 1 godziny, aby uwolnić ok. 140ppm waniliny przy użyciu tego samego stosunku rozpuszczalnika do rozpuszczalnika w temperaturze pokojowej.
Rasoamandrary i in. (2013) porównali wydajność ekstrakcji waniliny przy użyciu sondy 100W (np. UP100H), ultradźwiękami i gorącą wodą. Naukowcy doszli do wniosku, że ultrasonikator typu sonda jest potężnym narzędziem do ekstrakcji ze względu na jego wysoką intensywność ultradźwiękową. Dlatego też sonda ultradźwiękowa przewyższała alternatywne metody ekstrakcji, dając podobne lub wyższe plony waniliny ekstrahowanej w znacznie krótszym czasie ekstrakcji i mniejsze zużycie rozpuszczalnika (np. etanolu).
Porównanie trzech metod ekstrakcji – sonda ultradźwiękowa, kąpiel ultradźwiękowa, ekstrakcja w kąpieli gorącej wody – Wykazano, że ekstrakcja waniliny była najbardziej efektywna w przypadku sonizacji z użyciem 40% etanolu (v/v) w temperaturze otoczenia 30°C i czasie ekstrakcji 1h. Ekstrakcja w łaźni wodnej wymagała 50% stężenia etanolu (v/v) w temperaturze 56°C przez 15 godzin.
UIP4000hdT – Ekstraktor ultradźwiękowy 4kW do ciągłego leczenia w linii produkcyjnej.
Sprzęt ultradźwiękowy do ekstrakcji o wysokiej wydajności
Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w produkcji wysokowydajnych procesorów ultradźwiękowych do produkcji wysokiej jakości ekstraktów z roślin.
Szeroki asortyment produktów firmy Hielscher obejmuje zarówno małe, wydajne ultradźwięki laboratoryjne, jak i solidne systemy stacjonarne i w pełni przemysłowe, które dostarczają wysokiej intensywności ultradźwięków do wydajnej ekstrakcji i izolacji substancji bioaktywnych (np. kwercetyna, kofeina, Kurkumina, terpeny itp.). Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe od 200W do 16,000W posiadają kolorowy wyświetlacz do sterowania cyfrowego, zintegrowaną kartę SD do automatycznego zapisu danych, pilot zdalnego sterowania w przeglądarce i wiele innych przyjaznych dla użytkownika funkcji. Sonotrody i komórki przepływowe (części, które mają kontakt z medium) mogą być autoklawowane i są łatwe do czyszczenia. Wszystkie nasze ultradźwięki są zbudowane do pracy w trybie 24/7, wymagają niewielkiej konserwacji oraz są łatwe i bezpieczne w obsłudze.
Cyfrowy kolorowy wyświetlacz pozwala na łatwą obsługę ultradźwiękowca. Nasze systemy są w stanie dostarczyć energię od niskich do bardzo wysokich amplitud. Do ekstrakcji polifenoli i innych związków bioaktywnych, takich jak wanilina, oferujemy specjalne sonotrody ultradźwiękowe (znane również jako sondy ultradźwiękowe lub rogi), które są zoptymalizowane pod kątem sensownej izolacji wysokiej jakości substancji czynnych. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Precyzyjna kontrola parametrów procesu ultradźwiękowego zapewnia powtarzalność i standaryzację procesu.
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Wysokowydajne procesory ultradźwiękowe od laboratorium do skali pilotażowej i przemysłowej.
Literatura / Referencje
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimization of an analytical approach based on high-performance liquid chromatography for the characterization of a natural vanilla extract. Thesis, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Ekstrakcja waniliny ze strąków wanilii: Badanie porównawcze konwencjonalnej ekstrakcji metodą soxhleta i ultradźwiękową. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Lepsza ekstrakcja 4-hydroksy-3-metoksybenzaldehydu wanilii z utwardzonych ziaren wanilii przy użyciu ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami: Porównanie ekstrakcji w kąpieli ultradźwiękowej i gorącej wody.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O'Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Technologia ultradźwiękowa do ekstrakcji biologicznie aktywnych cząsteczek ze źródeł roślinnych, zwierzęcych i morskich. TrAC Trends in Analytical Chemistry, tom 122, 2020.
Fakty Warto wiedzieć
Zasada działania ekstrakcji ultradźwiękowej
Zastosowanie intensywnych fal ultradźwiękowych na płynnym podłożu powoduje kawitację. Zjawisko kawitacji prowadzi lokalnie do ekstremalnych temperatur, ciśnień, szybkości nagrzewania/chłodzenia, różnic ciśnień i dużych sił ścinających w medium. Kiedy pęcherzyki kawitacyjne implodują na powierzchni ciał stałych (takich jak cząstki, komórki roślinne, tkanki itp.), mikrostrumienie i zderzenie międzycząsteczkowe generują efekty takie jak złuszczanie powierzchni, erozja i rozpad cząstek. Dodatkowo, implozja pęcherzyków kawitacyjnych w mediach ciekłych tworzy makro-turbulencje i mikromieszanie.
Rys. 1: Tworzenie stabilnych i przejściowych pęcherzyków kawitacyjnych.
a) przemieszczenie, b) kawitacja przejściowa, c) kawitacja stabilna, d) ciśnienie
[zaadaptowane z Santos et al. 2009]
Ultradźwiękowe napromienianie fragmentów materiału roślinnego fragmentuje matrycę komórek roślinnych i wspomaga ich uwodnienie. Chemat et al (2015) stwierdzają, że ultradźwiękowa ekstrakcja związków bioaktywnych z roślin jest wynikiem różnych niezależnych lub połączonych mechanizmów, w tym fragmentacji, erozji, kapilarności, wykrywania i sonoporacji. Te efekty zakłócają ścianę komórkową, poprawiają przenoszenie masy poprzez wpychanie rozpuszczalnika do komórki i odsysanie obciążonego związku fitoskładnikowego rozpuszczalnika oraz zapewniają ruch cieczy poprzez mikromieszanie.
Ekstrakcja ultradźwiękowa z komórek roślinnych: mikroskopijny przekrój poprzeczny (TS) pokazuje mechanizm działania podczas ekstrakcji ultradźwiękowej z komórek (powiększenie 2000x) [źródło: Vilkhu et al. 2011].
Ekstrakcja ultradźwiękowa pozwala na bardzo szybką izolację związków - przewyższającą konwencjonalne metody ekstrakcji w krótszym czasie procesu, wyższej wydajności i przy niższych temperaturach. Jako łagodna obróbka mechaniczna, ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami pozwala uniknąć termicznej degradacji składników bioaktywnych i wyróżnia się w porównaniu z innymi technikami, takimi jak konwencjonalna ekstrakcja rozpuszczalnikowa, hydrodestylacja. Soxhleta które niszczą wrażliwe na ciepło molekuły. Ze względu na te zalety, ekstrakcja ultradźwiękowa jest preferowaną techniką uwalniania wrażliwych na temperaturę związków bioaktywnych z roślin.
Vanillin
Wanilia jest cenionym smakiem, który może być wydobywany z orchidei z rodzaju Vanilla, głównie z gatunku meksykańskiego, wanilii płaskolistnej (V. planifolia). W owocach storczyków waniliowych znajdują się unikalne związki smakowe, które powstają w wyniku zapylenia kwiatu. Te strąki nasienne mają rozmiar około 1/3 x 6 cali, a po osiągnięciu dojrzałości mają kolor od brązowawoczerwonego do czarnego. Wewnątrz tych strąków znajduje się oleista ciecz, pełna maleńkich nasion. Zarówno strąk jak i nasiona wykorzystywane są do produkcji waniliny.
Chociaż wanilina jest głównym składnikiem smakowym w roślinie wanilii, czysty ekstrakt wanilii zawiera kilkaset dodatkowych składników smakowych, które przyczyniają się do jej złożonego, głębokiego smaku.
Esencja waniliowa występuje w dwóch formach, a mianowicie prawdziwej esencji waniliowej z pestki wanilii i przemysłowo syntetycznej waniliny. Prawdziwy ekstrakt z pestkowca jest złożoną mieszanką kilkuset różnych związków. Związek chemiczny wanilina – 4-hydroksy-3-metoksybenzaldehyd 4-hydroksy-3-metoksybenzaldehyd – jest głównym składnikiem charakterystycznego smaku i aromatu prawdziwej wanilii i jest głównym składnikiem smakowym suszonych ziaren wanilii. Oprócz waniliny, inne związki chemiczne, takie jak aldehyd octowy, kwas octowy, furfural, kwas heksanowy, aldehydroksybenzaldehyd, eugenol, cynaman metylu i kwas izomasłowy mogą mieć wpływ na złożony aromat wanilii.
Odmiany wanilii
Wanilia Bourbon lub wanilia Bourbon-Madagascar jest produkowana z roślin V. planifolia, które rosną na wyspach Oceanu Indyjskiego, takich jak Madagaskar, Komory i Reunion, wcześniej nazywanych Île Bourbon. Termin “Bourbon vanilla” opisuje również charakterystyczny aromat wanilii wywodzący się z V. planifolia.
Wanilia meksykańska, pozyskiwana z rodzimej V. planifolia, jest produkowana w znacznie mniejszych ilościach. Wanilia meksykańska jest znana i wprowadzana do obrotu jako wanilia z ziemi, z której pochodzi, ponieważ roślina V. planifolia pochodzi z Mesoamerica.
Wanilia tahitańska pochodzi z Polinezji Francuskiej, produkowana z zakładu V. tahitiensis. Analiza genetyczna wykazuje, że gatunek ten jest prawdopodobnie odmianą z hybrydy V. planifolia i V. odorata.
Zachodnio-indyjska wanilia produkowana jest z V. pompona, uprawianej na Karaibach oraz w Ameryce Środkowej i Południowej.