Ultradźwiękowa ekstrakcja wanilii – metoda nietermiczna
- Ekstrakt waniliowy to roztwór substancji smakowo-zapachowych uzyskiwany ze strąków wanilii przez ekstrakcję w roztworze etanolu i wody.
- Aby uzyskać wysokiej jakości wanilinę jako składnik nadający aromat, smak i zapach, potrzebna jest wydajna, a zarazem łagodna technika ekstrakcji zapobiegająca rozkładowi.
- Ekstrakcja ultradźwiękowa jest łagodną mechaniczną metodą ekstrakcji, która zapewnia wysoką wydajność pozyskiwania waniliny w bardzo krótkim czasie ekstrakcji.
Ultradźwięki o wysokiej wydajności do uzyskiwania wysokiej jakości ekstraktów waniliny
Produkcja wanilii – drugiej najdroższej przyprawy po szafranie – wymaga wydajnej metody ekstrakcji, która zapobiega degradacji cennych olejków eterycznych. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest dobrze znaną i ugruntowaną metodą uwalniania związków bioaktywnych z materiału roślinnego, która jest łagodna, nietermiczna, a zarazem wysoce wydajna. Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na zjawisku kawitacji akustycznej, stanowiącej oddziaływanie czysto mechaniczne. Dzięki temu sonikacja jest preferowaną metodą izolacji wrażliwych związków bioaktywnych z surowców roślinnych, takich jak związki smakowo-zapachowe i olejki eteryczne, np. wanilina, polifenole lub przeciwutleniacze.
Zalety ultradźwiękowej ekstrakcji wanilii
- Wyższa wydajność
- Szybka ekstrakcja – w ciągu kilku minut
- Wysokiej jakości ekstrakty – łagodna, nietermiczna metoda
- Ekologiczne rozpuszczalniki (np. woda/etanol)
- Opłacalność
- Łatwa i bezpieczna obsługa
- Niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne
- Praca 24/7 przy dużym obciążeniu
- Ekologiczna metoda przyjazna dla środowiska
Ultradźwiękowa ekstrakcja wanilii – w trybie wsadowym lub ciągłego przepływu
Tryb wsadowy: Procesy ekstrakcji ultradźwiękowej można prowadzić jako proste procesy wsadowe lub jako obróbkę w linii, w której medium jest stale podawane przez ultradźwiękowy reaktor przepływowy.
Przetwarzanie wsadowe jest prostą procedurą, w której ekstrakcję prowadzi się kolejno dla poszczególnych partii. Hielscher Ultrasonics oferuje procesory ultradźwiękowe do małych i dużych partii, tj. od 1L do 120L.
Do przetwarzania partii o objętości od 5 do 10L zalecamy UP400ST (400W, film poniżej) z sonotrodą S24d22L2D.
Do przetwarzania partii o objętości ok. 120L zalecamy UIP2000hdT (2kW, zdjęcie u góry prawej kolumny) z sonotrodą RS4d40L4.
Sonikator UIP2000hdT do ekstrakcji surowców roślinnych w partii o objętości 120L
Ultradźwiękowa ekstrakcja surowców roślinnych za pomocą sonikatora UP400St
Dla objętości ok. 8L/min. zalecamy UIP4000hdT (4kW, zdjęcie po prawej) z sonotrodą RS4d40L3 i komorą przepływową FC130L4-3G0, którą można poddawać działaniu ciśnienia
Studium przypadku ultradźwiękowej ekstrakcji wanilii
Jadhav i wsp. (2009) porównali ekstrakcję wspomaganą ultradźwiękami (UAE) z ekstrakcją metodą Soxhleta. Badania potwierdziły, że ekstrakcja ultradźwiękowa znacznie intensyfikuje uwalnianie waniliny w porównaniu z ekstrakcją metodą Soxhleta. Ekstrakcja metodą Soxhleta wymagała temperatury roboczej 95°C, stosunku rozpuszczalnika do substancji rozpuszczanej wynoszącego 66,67ml/g oraz czasu ekstrakcji 8hrs, co pozwoliło uwolnić ok. 180ppm waniliny. Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (UAE) wymagała jedynie 1hr, aby uwolnić ok. 140ppm waniliny przy takim samym stosunku rozpuszczalnika do substancji rozpuszczanej w temperaturze pokojowej.
Rasoamandrary i wsp. (2013) porównali wydajność ekstrakcji waniliny z użyciem sonikatora sondowego o mocy 100W (np. UP100H), łaźni ultradźwiękowej i łaźni z gorącą wodą. Badacze stwierdzili, że sonikator sondowy jest skutecznym narzędziem do ekstrakcji dzięki ultradźwiękom o wysokiej intensywności. Sonikator sondowy przewyższał zatem alternatywne metody ekstrakcji, zapewniając podobną lub wyższą wydajność pozyskiwania waniliny przy znacznie krótszym czasie ekstrakcji i mniejszym zużyciu rozpuszczalnika (tj. etanolu).
Porównanie trzech metod ekstrakcji – z użyciem sondy ultradźwiękowej, łaźni ultradźwiękowej i łaźni z gorącą wodą – wykazało, że ekstrakcja waniliny była najbardziej wydajna przy sonikacji sondowej z użyciem 40% etanolu (v/v), w temperaturze otoczenia 30°C i przy czasie ekstrakcji 1hr. Ekstrakcja w łaźni wodnej wymagała etanolu o stężeniu 50% (v/v), temperatury 56°C i czasu 15hrs.
UIP4000hdT – ekstraktor ultradźwiękowy o mocy 4kW do ciągłej obróbki w linii.
Urządzenia ultradźwiękowe do ekstrakcji o wysokiej wydajności
Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w produkcji procesorów ultradźwiękowych o wysokiej wydajności do wytwarzania wysokiej jakości ekstraktów z surowców roślinnych.
Szeroka oferta produktów Hielscher obejmuje zarówno małe, wydajne sonikatory laboratoryjne, jak i wytrzymałe systemy stołowe oraz w pełni przemysłowe, które dostarczają ultradźwięki o wysokiej intensywności do wydajnej ekstrakcji i izolacji substancji bioaktywnych (np. kwercetyny, kofeiny, kurkuminy, terpenów itp.). Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe o mocy od 200W do 16 000W są wyposażone w kolorowy wyświetlacz do sterowania cyfrowego, zintegrowaną kartę SD do automatycznego zapisu danych, zdalne sterowanie przez przeglądarkę i wiele innych funkcji ułatwiających obsługę. Sonotrody i komory przepływowe (części mające kontakt z medium) można sterylizować w autoklawie i łatwo je czyścić. Wszystkie nasze sonikatory są przeznaczone do pracy 24/7, wymagają niewielu czynności konserwacyjnych oraz są łatwe i bezpieczne w obsłudze.
Cyfrowy kolorowy wyświetlacz umożliwia wygodne sterowanie sonikatorem. Nasze systemy mogą zapewniać amplitudy od niskich aż do bardzo wysokich. Do ekstrakcji polifenoli i innych związków bioaktywnych, takich jak wanilina, oferujemy specjalne sonotrody ultradźwiękowe (znane również jako sondy lub rogi ultradźwiękowe), zoptymalizowane pod kątem łagodnej izolacji wysokiej jakości substancji czynnych. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Precyzyjna kontrola parametrów procesu ultradźwiękowego zapewnia powtarzalność i standaryzację procesu.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Procesory ultradźwiękowe dużej mocy do zastosowań w skali laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej.
Literatura/Źródła
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optymalizacja podejścia analitycznego opartego na wysokosprawnej chromatografii cieczowej do charakterystyki naturalnego ekstraktu waniliowego. Praca dyplomowa, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. i wsp. (2009): Ekstrakcja waniliny ze strąków wanilii: badanie porównawcze konwencjonalnej ekstrakcji metodą Soxhleta i ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. i wsp. (2013): Ulepszona ekstrakcja waniliny, 4-hydroksy-3-metoksybenzaldehydu, z poddanych obróbce strąków wanilii przy użyciu ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami: porównanie ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami i ekstrakcji w łaźni z gorącą wodą.
- 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.
Warto wiedzieć
Zasada działania ekstrakcji ultradźwiękowej
Oddziaływanie intensywnych fal ultradźwiękowych na medium ciekłe powoduje kawitację. Zjawisko kawitacji prowadzi lokalnie do występowania w medium ekstremalnych temperatur, ciśnień, szybkości ogrzewania/chłodzenia, różnic ciśnienia i dużych sił ścinających. Gdy pęcherzyki kawitacyjne implodują na powierzchni ciał stałych (takich jak cząstki, komórki roślinne, tkanki itp.), mikrostrumienie i zderzenia międzycząstkowe wywołują efekty takie jak złuszczanie powierzchni, erozja i rozpad cząstek. Ponadto implozja pęcherzyków kawitacyjnych w mediach ciekłych powoduje makroturbulencje i mikromieszanie.
Rys. 1: Powstawanie stabilnych i przejściowych pęcherzyków kawitacyjnych.
(a) przemieszczenie, (b) kawitacja przejściowa, (c) kawitacja stabilna, (d) ciśnienie
[adapted from Santos et al. 2009]
Poddawanie materiału roślinnego działaniu ultradźwięków rozdrabnia matrycę komórek roślinnych i zwiększa jej uwodnienie. Chemat i wsp. (2015) stwierdzają, że ultradźwiękowa ekstrakcja związków bioaktywnych z surowców roślinnych jest wynikiem różnych niezależnych lub połączonych mechanizmów, w tym fragmentacji, erozji, zjawisk kapilarnych, destrukturyzacji i sonoporacji. Efekty te naruszają ścianę komórkową, poprawiają transport masy przez wtłaczanie rozpuszczalnika do komórki i wysysanie z niej rozpuszczalnika zawierającego związki roślinne oraz zapewniają ruch cieczy dzięki mikromieszaniu.
Ekstrakcja ultradźwiękowa z komórek roślinnych: mikroskopowy przekrój poprzeczny (TS) przedstawia mechanizm oddziaływań podczas ekstrakcji ultradźwiękowej z komórek (powiększenie 2000x) [źródło: Vilkhu i wsp. 2011]
Ekstrakcja ultradźwiękowa zapewnia bardzo szybką izolację związków – przewyższając konwencjonalne metody ekstrakcji dzięki krótszemu czasowi procesu, wyższej wydajności i niższym temperaturom. Jako łagodna obróbka mechaniczna ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami zapobiega degradacji termicznej składników bioaktywnych i wypada korzystniej w porównaniu z innymi technikami, takimi jak konwencjonalna ekstrakcja rozpuszczalnikowa, hydrodestylacja lub ekstrakcja metodą Soxhleta, o których wiadomo, że niszczą cząsteczki wrażliwe na ciepło. Ze względu na te zalety ekstrakcja ultradźwiękowa jest preferowaną techniką uwalniania wrażliwych na temperaturę związków bioaktywnych z surowców roślinnych.
Wanilina
Wanilia jest cenioną substancją smakowo-zapachową, którą można pozyskiwać ze storczyków z rodzaju Vanilla, przede wszystkim z meksykańskiego gatunku wanilii płaskolistnej (V. planifolia). Związki nadające storczykowi waniliowemu wyjątkowy smak znajdują się w jego owocu, powstającym w wyniku zapylenia kwiatu. Te strąki nasienne mają wymiary około 1/3 x 6 cali, a po dojrzeniu ich barwa waha się od brązowoczerwonej do czarnej. Wewnątrz strąków znajduje się oleista ciecz pełna drobnych nasion. Zarówno strąk, jak i nasiona są wykorzystywane do produkcji waniliny.
Chociaż wanilina jest głównym związkiem smakowo-zapachowym wanilii, czysty ekstrakt waniliowy zawiera kilkaset dodatkowych związków smakowo-zapachowych, które współtworzą jego złożony, głęboki smak.
Esencja waniliowa występuje w dwóch postaciach: autentycznej esencji wanilinowej ze strąka nasiennego wanilii oraz waniliny syntetyzowanej przemysłowo. Autentyczny ekstrakt ze strąka nasiennego jest złożoną mieszaniną kilkuset różnych związków. Związek chemiczny wanilina – 4-hydroksy-3-metoksybenzaldehyd – w największym stopniu odpowiada za charakterystyczny smak i aromat prawdziwej wanilii i jest głównym składnikiem smakowo-zapachowym poddanych obróbce strąków wanilii. Oprócz waniliny wiele innych związków chemicznych, takich jak aldehyd octowy, kwas octowy, furfural, kwas heksanowy, 4-hydroksybenzaldehyd, eugenol, cynamonian metylu i kwas izomasłowy, współtworzy złożony aromat wanilii.
Odmiany uprawne wanilii
Wanilia Bourbon, zwana również wanilią Bourbon-Madagascar, jest produkowana z roślin V. planifolia, które rosną na wyspach Oceanu Indyjskiego, takich jak Madagaskar, Komory i Réunion, dawniej nosząca nazwę Île Bourbon. Termin „wanilia Bourbon” opisuje również charakterystyczny aromat waniliowy pochodzący z V. planifolia.
Wanilia meksykańska, pozyskiwana z rodzimej V. planifolia, jest produkowana w znacznie mniejszych ilościach. Wanilia meksykańska jest znana i sprzedawana jako wanilia z kraju swojego pochodzenia, ponieważ roślina V. planifolia pochodzi z Mezoameryki.
Wanilia tahitańska pochodzi z Polinezji Francuskiej i jest produkowana z rośliny V. tahitiensis. Analiza genetyczna wskazuje, że gatunek ten może być odmianą uprawną pochodzącą z krzyżówki V. planifolia i V. odorata.
Wanilia zachodnioindyjska jest produkowana z V. pompona, uprawianej na Karaibach oraz w Ameryce Środkowej i Południowej.