Ultradźwiękowa ekstrakcja wanilii – Metoda nietermiczna
- Ekstrakt waniliowy to roztwór smakowy ekstrahowany ze strąków wanilii w roztworze etanolu i wody.
- Do produkcji wysokiej jakości waniliny jako składnika aromatycznego, smakowego i zapachowego wymagana jest skuteczna, ale łagodna technika ekstrakcji, aby zapobiec rozkładowi.
- Ekstrakcja ultradźwiękowa jest łagodną metodą ekstrakcji mechanicznej, która daje wysoką wydajność waniliny w bardzo krótkim czasie ekstrakcji.
Wysokowydajna ultradźwięki dla wysokiej jakości ekstraktów waniliny
Jako druga najdroższa przyprawa po szafranie, produkcja wanilii wymaga skutecznej metody ekstrakcji, która zapobiega degradacji cennych olejków eterycznych. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest dobrze znana i uznana za łagodną, nietermiczną, a jednocześnie wysoce skuteczną metodę uwalniania związków bioaktywnych z materiału roślinnego. Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na zjawisku kawitacji akustycznej, która jest zabiegiem czysto mechanicznym. To sprawia, że sonikacja jest preferowaną metodą izolacji wrażliwych związków bioaktywnych, takich jak związki aromatyczne i olejki eteryczne, np. wanilina, polifenole lub przeciwutleniacze z roślin.
Zalety ultradźwiękowej ekstrakcji wanilii
- Najwyższa wydajność
- Szybka ekstrakcja – w ciągu kilku minut
- Wysokiej jakości ekstrakty – Łagodny, nietermiczny
- Zielone rozpuszczalniki (np. woda/etanol)
- Opłacalność
- Łatwa i bezpieczna obsługa
- Niskie koszty inwestycyjne i operacyjne
- Praca 24/7 pod dużym obciążeniem
- Zielona, przyjazna dla środowiska metoda
Ultradźwiękowa ekstrakcja wanilii – w trybie wsadowym lub ciągłym
Partia: Procesy ekstrakcji ultradźwiękowej mogą być obsługiwane jako proste procesy wsadowe lub jako obróbka liniowa, w której medium jest stale podawane przez ultradźwiękowy reaktor przepływowy.
Przetwarzanie wsadowe jest łatwą procedurą, w której ekstrakcja odbywa się partia po partii. Hielscher Ultrasonics oferuje procesory ultradźwiękowe dla małych i dużych partii, tj. od 1L do 120L.
Do przetwarzania partii od 5 do 10 litrów zalecamy UP400St (400W, wideo poniżej) z sonotrodą S24d22L2D.
Do przetwarzania partii o objętości ok. 120 l zalecamy UIP2000hdT (2kW, rys. prawa kolumna u góry) z sonotrodą RS4d40L4.
Sonicator UIP2000hdT do ekstrakcji składników botanicznych w partii 120 l
Ultradźwiękowa ekstrakcja składników roślinnych za pomocą ultrasonografu UP400St
Dla objętości ok. 8 l/min. zalecamy UIP4000hdT (4 kW, zdjęcie po prawej) z sonotrodą RS4d40L3 i ciśnieniową komorą przepływową FC130L4-3G0
Studium przypadku ultradźwiękowej ekstrakcji wanilii
Jadhav et al. (2009) porównali ekstrakcję wspomaganą ultradźwiękami (UAE) i ekstrakcję Soxhleta. Badania potwierdziły, że ekstrakcja ultradźwiękowa znacznie intensyfikuje uwalnianie waniliny w porównaniu z ekstrakcją Soxhleta. Obróbka Soxhleta wymagała temperatury roboczej 95 ° C, stosunku rozpuszczalnika do substancji rozpuszczonej 66,67 ml / g, a czas ekstrakcji 8 godzin spowodował uwolnienie około 180 ppm waniliny. Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (UAE) wymagała tylko 1 godziny, aby uwolnić około 140 ppm waniliny przy użyciu tego samego stosunku rozpuszczalnika do substancji rozpuszczonej w temperaturze pokojowej.
Rasoamandrary et al. (2013) porównali wydajność ekstrakcji waniliny za pomocą ultrasonografu z sondą o mocy 100 W (np. UP100H), kąpieli ultradźwiękowej i kąpieli w gorącej wodzie. Naukowcy doszli do wniosku, że ultrasonograf z sondą jest potężnym narzędziem do ekstrakcji ze względu na wysoką intensywność ultradźwięków. W związku z tym ultrasonograf typu sondy przewyższał alternatywne metody ekstrakcji, dając podobne / lub wyższe wydajności waniliny ekstrahowanej w znacznie krótszym czasie ekstrakcji i mniejszym zużyciu rozpuszczalnika (tj. Etanolu).
Porównanie trzech metod ekstrakcji – sonda ultradźwiękowa, kąpiel ultradźwiękowa, ekstrakcja w gorącej kąpieli wodnej – wykazały, że ekstrakcja waniliną była najskuteczniejsza w przypadku sonikacji przy użyciu 40% etanolu (v/v) w temperaturze otoczenia 30°C i czasie ekstrakcji wynoszącym 1 godzinę. Ekstrakcja w łaźni wodnej wymagała 50% stężenia etanolu (v/v) w temperaturze 56°C przez 15 godzin.
UIP4000hdT – Ekstraktor ultradźwiękowy o mocy 4 kW do ciągłej obróbki w linii.
Sprzęt ultradźwiękowy do wysokowydajnej ekstrakcji
Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w produkcji wysokowydajnych procesorów ultradźwiękowych do produkcji wysokiej jakości ekstraktów z roślin.
Szeroka gama produktów firmy Hielscher obejmuje zarówno małe, wydajne ultrasonografy laboratoryjne, jak i solidne systemy stołowe i w pełni przemysłowe, które zapewniają ultradźwięki o wysokiej intensywności 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 cyfrowej kontroli, zintegrowaną kartę SD do automatycznego zapisu danych, zdalne sterowanie przez przeglądarkę i wiele innych przyjaznych dla użytkownika funkcji. Sonotrody i komórki przepływowe (części, które mają kontakt z medium) mogą być sterylizowane w autoklawie i są łatwe do czyszczenia. Wszystkie nasze ultradźwięki są zbudowane do pracy 24/7, wymagają niewielkiej konserwacji i są łatwe i bezpieczne w obsłudze.
Cyfrowy kolorowy wyświetlacz pozwala na przyjazne dla użytkownika sterowanie ultrasonografem. Nasze systemy są w stanie dostarczyć 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 rozsądnej izolacji wysokiej jakości substancji czynnych. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego 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 przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| 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!
Procesory ultradźwiękowe o dużej mocy od skali laboratoryjnej do pilotażowej i przemysłowej.
Literatura/Referencje
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optymalizacja podejścia analitycznego opartego na wysokosprawnej chromatografii cieczowej do charakterystyki naturalnego ekstraktu wanilii. Praca dyplomowa, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Ekstrakcja waniliny ze strąków wanilii: Badanie porównawcze konwencjonalnej ekstrakcji soxhleta i wspomaganej ultradźwiękami. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421-426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Ulepszona ekstrakcja waniliny 4-hydroksy-3-metoksybenzaldehydu z peklowanych ziaren wanilii przy użyciu ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami: Porównanie ekstrakcji wspomaganej ultradźwiękami i gorącej kąpieli wodnej.
- 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, które warto znać
Zasada działania ekstrakcji ultradźwiękowej
Zastosowanie intensywnych fal ultradźwiękowych do ciekłego medium powoduje kawitację. Zjawisko kawitacji prowadzi lokalnie do ekstremalnych temperatur, ciśnień, szybkości ogrzewania/chłodzenia, różnic ciśnień i dużych sił ścinających w medium. Gdy pęcherzyki kawitacyjne implodują na powierzchni ciał stałych (takich jak cząstki, komórki roślinne, tkanki itp.), mikrostrumienie i zderzenia międzycząsteczkowe generują takie efekty, jak złuszczanie powierzchni, erozja i rozpad cząstek. Dodatkowo, implozja pęcherzyków kawitacyjnych w ciekłych mediach powoduje makroturbulencje 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 napromieniowanie materiału roślinnego powoduje fragmentację matrycy komórek roślinnych i zwiększa 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, detekcji i sonoporacji. Efekty te zakłócają ścianę komórkową, poprawiają przenoszenie masy poprzez wpychanie rozpuszczalnika do komórki i zasysanie rozpuszczalnika obciążonego fitozwiązkami 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 - przewyższając konwencjonalne metody ekstrakcji w krótszym czasie procesu, wyższej wydajności i w niższych temperaturach. Jako łagodna obróbka mechaniczna, ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami pozwala uniknąć degradacji termicznej składników bioaktywnych i wyróżnia się w porównaniu z innymi technikami, takimi jak konwencjonalna ekstrakcja rozpuszczalnikowa, hydrodestylacja. Soxhlet ekstrakcji, 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 roślin.
wanilina
Wanilia jest cenionym aromatem, który może być ekstrahowany ze storczyków z rodzaju Vanilla, głównie z meksykańskiego gatunku, wanilii płaskolistnej (V. planifolia). Wyjątkowe związki smakowe orchidei waniliowej znajdują się w jej owocach, które powstają w wyniku zapylenia kwiatu. Strąki nasion mają wymiary około 1/3 x 6 cali, a gdy są dojrzałe, mają kolor od brązowo-czerwonego do czarnego. Wewnątrz tych strąków znajduje się oleisty płyn pełen drobnych nasion. Zarówno strąk, jak i nasiona są wykorzystywane do produkcji waniliny.
Chociaż wanilina jest głównym związkiem smakowym w wanilii, czysty ekstrakt waniliowy zawiera kilkaset dodatkowych związków smakowych, które przyczyniają się do jego złożonego, głębokiego smaku.
Esencja waniliowa występuje w dwóch postaciach, a mianowicie prawdziwej esencji wanilinowej z nasion wanilii i waniliny syntetyzowanej przemysłowo. Prawdziwy ekstrakt z nasion jest złożoną mieszaniną kilkuset różnych związków chemicznych. Związek chemiczny wanilina – 4-hydroksy-3-metoksybenzaldehyd – jest głównym składnikiem charakterystycznego smaku i aromatu prawdziwej wanilii i jest głównym składnikiem smakowym suszonych ziaren wanilii. Oprócz waniliny, wiele innych związków chemicznych, takich jak aldehyd octowy, kwas octowy, furfural, kwas heksanowy, 4-hydroksybenzaldehyd, eugenol, cynamonian metylu i kwas izomasłowy, przyczynia się do złożonego aromatu 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, dawniej nazywanych Île Bourbon. Termin “Wanilia Bourbon” opisuje również charakterystyczny aromat wanilii pochodzący z V. planifolia.
Wanilia meksykańska, pozyskiwana z rodzimej rośliny V. planifolia, jest produkowana w znacznie mniejszych ilościach. Meksykańska wanilia jest znana i sprzedawana jako wanilia z kraju pochodzenia, ponieważ roślina V. planifolia pochodzi z Mezoameryki.
Wanilia tahitańska pochodzi z Polinezji Francuskiej i jest produkowana z rośliny V. tahitiensis. Analiza genetyczna wykazała, że gatunek ten jest prawdopodobnie odmianą pochodzącą z hybrydy V. planifolia i V. odorata.
Wanilia zachodnioindyjska jest wytwarzana z V. pompona, która jest uprawiana na Karaibach oraz w Ameryce Środkowej i Południowej.