Extracția ultrasonică a vaniliei – o metodă non-termică
- Extractul de vanilie este o soluție aromatizantă extrasă din păstăile de vanilie într-o soluție de etanol și apă.
- Pentru a produce vanilină de înaltă calitate drept componentă de aromă, gust și parfum, este necesară o tehnică de extracție eficientă, dar blândă, care să prevină descompunerea.
- Extracția ultrasonică este o metodă de extracție mecanică blândă, care oferă randamente ridicate de vanilină într-un timp de extracție foarte scurt.
Ultrasunete de înaltă performanță pentru extracte de vanilină de înaltă calitate
Întrucât vanilia este al doilea cel mai scump condiment după șofran, producția ei necesită o metodă de extracție eficientă, care să prevină degradarea uleiurilor esențiale valoroase. Extracția ultrasonică este bine cunoscută și consacrată ca metodă blândă, non-termică, dar extrem de eficientă pentru eliberarea compușilor bioactivi din materialul vegetal. Extracția ultrasonică se bazează pe fenomenul cavitației acustice, care este un tratament pur mecanic. Acest lucru face din sonicare metoda preferată pentru izolarea compușilor bioactivi sensibili, cum ar fi compușii de aromă și uleiurile esențiale, de ex. vanilina, polifenolii sau antioxidanții din materiale vegetale.
Avantajele extracției ultrasonice a vaniliei
- Randament superior
- Extracție de mare viteză – în câteva minute
- Extracte de înaltă calitate – extracție blândă, non-termică
- Solvenți verzi (de ex. apă/etanol)
- Rentabil
- Operare ușoară și sigură
- Costuri reduse de investiție și de operare
- Funcționare 24/7 în regim de lucru intens
- Metodă verde, ecologică
Extracția ultrasonică a vaniliei – în regim discontinuu (batch) sau în flux continuu
Regim discontinuu (batch): Procesele de extracție ultrasonică pot fi operate ca procese simple în regim discontinuu (batch) sau ca tratament inline, în care mediul este alimentat continuu printr-un reactor ultrasonic cu flux continuu.
Procesarea în regim discontinuu este o procedură simplă, în care extracția se realizează lot cu lot. Hielscher Ultrasonics oferă procesoare ultrasonice pentru loturi mici până la mari, adică de la 1L la 120L.
Pentru procesarea loturilor de 5 până la 10L, vă recomandăm UP400St (400W, video mai jos) cu sonotroda S24d22L2D.
Pentru procesarea loturilor de aprox. 120L, vă recomandăm UIP2000hdT (2kW, imaginea din coloana din dreapta, sus) cu sonotroda RS4d40L4.
Sonicatorul UIP2000hdT pentru extracția din materiale vegetale într-un lot de 120L
Extracția ultrasonică din materiale vegetale cu ultrasonicatorul UP400St
Pentru un volum de aprox. 8L/min., vă recomandăm UIP4000hdT (4kW, imaginea din dreapta) cu sonotroda RS4d40L3 și celula de flux presurizabilă FC130L4-3G0
Studiu de caz privind extracția ultrasonică a vaniliei
Jadhav et al. (2009) au comparat extracția asistată de ultrasunete (UAE) și extracția Soxhlet. Cercetarea a confirmat că extracția ultrasonică intensifică semnificativ eliberarea vanilinei în comparație cu extracția Soxhlet. Tratamentul Soxhlet a necesitat o temperatură de operare de 95°C, un raport solvent:solut de 66,67ml/g și un timp de extracție de 8 ore, rezultând eliberarea a aprox. 180ppm vanilină. Extracția asistată de ultrasunete (UAE) a necesitat doar 1 oră pentru a elibera aprox. 140ppm vanilină, folosind același raport solvent:solut la temperatura camerei.
Rasoamandrary et al. (2013) au comparat eficiența extracției vanilinei folosind un ultrasonicator cu sondă de 100W (de ex. UP100H), o baie cu ultrasunete și o baie de apă caldă. Cercetătorii au concluzionat că ultrasonicatorul cu sondă este un instrument de extracție puternic datorită ultrasunetelor sale de intensitate ridicată. Prin urmare, ultrasonicatorul cu sondă a depășit metodele alternative de extracție, oferind randamente similare sau mai mari de vanilină extrasă într-un timp de extracție semnificativ mai scurt și cu un consum mai redus de solvent (adică etanol).
Compararea celor trei metode de extracție – sonicator cu sondă, baie cu ultrasunete, extracție în baie de apă caldă – a arătat că extracția vanilinei a fost cea mai eficientă în cazul sonicării cu sondă, folosind etanol 40% (v/v) la o temperatură ambientală de 30°C și un timp de extracție de 1 oră. Extracția în baie de apă a necesitat o concentrație de etanol de 50% (v/v) la 56°C timp de 15 ore.
UIP4000hdT – extractor ultrasonic de 4kW pentru tratament inline continuu.
Echipamente ultrasonice pentru extracție de înaltă performanță
Hielscher Ultrasonics este specializată în fabricarea de procesoare ultrasonice de înaltă performanță pentru producerea de extracte de înaltă calitate din materiale vegetale.
Portofoliul larg de produse Hielscher variază de la ultrasonicatoare de laborator mici și puternice până la sisteme robuste de banc și sisteme complet industriale, care furnizează ultrasunete de intensitate ridicată pentru extracția și izolarea eficientă a substanțelor bioactive (de ex. quercetină, cafeină, curcumină, terpene etc.). Toate dispozitivele ultrasonice de la 200W la 16.000W dispun de un afișaj color pentru control digital, un card SD integrat pentru înregistrarea automată a datelor, control de la distanță prin browser și multe alte funcții ușor de utilizat. Sonotrodele și celulele de flux (piesele care intră în contact cu mediul) pot fi autoclavate și sunt ușor de curățat. Toate ultrasonicatoarele noastre sunt construite pentru funcționare 24/7, necesită întreținere redusă și sunt ușor și sigur de operat.
Un afișaj digital color permite controlul ușor al ultrasonicatorului. Sistemele noastre pot furniza amplitudini de la scăzute până la foarte ridicate. Pentru extracția polifenolilor și a altor compuși bioactivi, cum ar fi vanilina, oferim sonotrode ultrasonice speciale (cunoscute și sub denumirea de sonde ultrasonice sau horn-uri), optimizate pentru izolarea blândă a substanțelor active de înaltă calitate. Robustețea echipamentelor ultrasonice Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim de lucru intens și în medii solicitante.
Controlul precis al parametrilor procesului ultrasonic asigură reproductibilitatea și standardizarea procesului.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volum lot | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500mL | 10 până la 200mL/min | UP100H |
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000 |
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Procesoare ultrasonice de mare putere, de la scară de laborator la scară pilot și industrială.
Literatură/Referințe
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimizarea unei abordări analitice bazate pe cromatografie lichidă de înaltă performanță pentru caracterizarea unui extract natural de vanilie. Teză, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Extracția vanilinei din păstăi de vanilie: Un studiu comparativ al soxhletului convențional și al extracției asistate cu ultrasunete. Jurnalul de Inginerie Alimentară 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Extracția îmbunătățită a vanilinei 4-hidroxi-3-metoxibenzaldehidă din boabele de vanilie vindecate folosind extracția asistată cu ultrasunete: o comparație a extracției asistate cu ultrasunete și a băii de apă caldă.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Tehnologie cu ultrasunete pentru extracția moleculelor biologic active din surse vegetale, animale și marine. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volumul 122, 2020.
Informații utile
Principiul de funcționare al extracției ultrasonice
Aplicarea undelor ultrasonice intense într-un mediu lichid are ca rezultat cavitația. Fenomenul de cavitație duce local la temperaturi, presiuni, viteze de încălzire/răcire și diferențe de presiune extreme, precum și la forțe de forfecare ridicate în mediu. Când bulele de cavitație implodează pe suprafața solidelor (cum ar fi particule, celule vegetale, țesuturi etc.), microjeturile și coliziunile interparticulare generează efecte precum exfolierea suprafeței, eroziunea și fragmentarea particulelor. În plus, implozia bulelor de cavitație în medii lichide creează macroturbulențe și micro-amestecare.
Fig. 1: Formarea bulelor de cavitație stabile și tranzitorii.
(a) deplasare, (b) cavitație tranzitorie, (c) cavitație stabilă, (d) presiune
[adapted from Santos et al. 2009]
Iradierea ultrasonică a materialului vegetal fragmentează matricea celulelor vegetale și îmbunătățește hidratarea acesteia. Chemat et al (2015) concluzionează că extracția ultrasonică a compușilor bioactivi din materiale vegetale este rezultatul unor mecanisme diferite, independente sau combinate, inclusiv fragmentarea, eroziunea, capilaritatea, detexturarea și sonoporația. Aceste efecte distrug peretele celular, îmbunătățesc transferul de masă prin împingerea solventului în celulă și aspirarea în afară a solventului încărcat cu fitocompuși și asigură mișcarea lichidului prin micro-amestecare.
Extracția ultrasonică din celule vegetale: secțiunea transversală microscopică (TS) arată mecanismul de acțiune în timpul extracției ultrasonice din celule (mărire 2000x) [sursă: Vilkhu et al. 2011]
Extracția ultrasonică realizează o izolare foarte rapidă a compușilor – depășind metodele convenționale de extracție prin timp de proces mai scurt, randament mai mare și temperaturi mai scăzute. Fiind un tratament mecanic blând, extracția asistată de ultrasunete evită degradarea termică a componentelor bioactive și excelează în comparație cu alte tehnici, cum ar fi extracția convențională cu solvenți, hidrodistilarea, sau extracția Soxhlet – tehnici despre care se știe că distrug moleculele sensibile la căldură. Datorită acestor avantaje, extracția ultrasonică este tehnica preferată pentru eliberarea compușilor bioactivi sensibili la temperatură din materiale vegetale.
Vanilina
Vanilia este o aromă apreciată, care poate fi extrasă din orhideele din genul Vanilla, în principal din specia mexicană, vanilia cu frunze plate (V. planifolia). Compușii cu aromă unică ai orhideei de vanilie se găsesc în fructul acesteia, care rezultă din polenizarea florii. Aceste păstăi cu semințe măsoară aproximativ 1/3 x 6 inci și au o culoare de la roșu-maroniu până la negru când sunt coapte. În interiorul acestor păstăi se află un lichid uleios plin de semințe minuscule. Atât păstaia, cât și semințele sunt folosite pentru producerea vanilinei.
Deși vanilina este principalul compus de aromă din planta de vanilie, extractul pur de vanilie conține câteva sute de compuși de aromă suplimentari, care contribuie la aroma sa complexă și profundă.
Esența de vanilie se prezintă sub două forme, și anume esența reală de vanilină din păstaia de vanilie și vanilina sintetizată industrial. Extractul real din păstăi este un amestec complex de câteva sute de compuși diferiți. Compusul chimic vanilina – 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde – este principalul factor care contribuie la aroma și mirosul caracteristic al vaniliei reale și este principala componentă de aromă a păstăilor de vanilie maturate. Pe lângă vanilină, mulți alți compuși chimici, cum ar fi acetaldehida, acidul acetic, furfuralul, acidul hexanoic, 4-hydroxybenzaldehyde, eugenolul, cinamatul de metil și acidul izobutiric, contribuie la aroma complexă a vaniliei.
Soiuri de vanilie
Vanilia Bourbon sau vanilia Bourbon-Madagascar este produsă din plante V. planifolia, care cresc pe insule din Oceanul Indian, precum Madagascar, Comore și Réunion, denumită anterior Île Bourbon. Termenul „vanilie Bourbon” descrie, de asemenea, aroma distinctivă de vanilie derivată din V. planifolia.
Vanilia mexicană, extrasă din V. planifolia nativă, este produsă în cantități mult mai mici. Vanilia mexicană este cunoscută și comercializată ca vanilie din țara sa de origine, deoarece planta V. planifolia este originară din Mezoamerica.
Vanilia tahitiană provine din Polinezia Franceză și este produsă din planta V. tahitiensis. Analiza genetică arată că această specie este posibil un cultivar provenit dintr-un hibrid de V. planifolia și V. odorata.
Vanilia din Indiile de Vest este obținută din V. pompona, care este cultivată în Caraibe și în America Centrală și de Sud.