Ультразвуковая гидродистилляция эфирных масел

Традиционная экстракция эфирных масел требует больших затрат и занимает много времени. Обработка ультразвуком интенсифицирует экстракцию, повышая выход и обеспечивая превосходное качество экстракта. Ультразвуковые аппараты Hielscher можно легко интегрировать в любую традиционную систему гидродистилляции для повышения эффективности и качества.

Гидродистилляция эфирных масел из растительного сырья

Гидродистилляция – это разновидность перегонки с водяным паром, используемая для извлечения фитохимических соединений из растительного сырья. В этом процессе растительное сырьё замачивают в воде на определённое время, после чего смесь нагревают. Летучие соединения уносятся с паром, затем конденсируются и отделяются. Перегонка с водяным паром, на основе которой разработан этот метод, широко используется для выделения эфирных масел – например, в парфюмерии.
Поскольку многие органические соединения склонны разлагаться при длительном воздействии высоких температур, промышленность всё чаще применяет щадящие альтернативные методы обработки, которые дают лучшие результаты (превосходное качество и более высокий выход). Ультразвуковая гидродистилляция – один из таких методов: щадящий, но высокоэффективный способ экстракции, используемый для получения высококачественных эфирных масел.

Проблемы традиционного производства эфирных масел

Проблемы традиционных методов экстракции, таких как перегонка с водяным паром, связаны с огромными количествами растительного сырья, необходимыми для извлечения эфирных масел в промышленных масштабах. Для получения 1kg (2 1/4 lb) эфирного масла лаванды требуется примерно 200kg (440lb) свежих цветков лаванды, для 1kg розового масла необходимо от 2,5 до 5 метрических тонн лепестков розы, а для 1kg эфирного масла лимона требуется примерно 3 000 лимонов. Поэтому эфирные масла очень дороги. Цена розового абсолюта составляет около 20 000€ (21,000US$) за литр.
Для повышения рентабельности и конкурентоспособности производители эфирных масел должны внедрять более эффективные и результативные методы экстракции. Ультразвуковая экстракция превосходит традиционные методы благодаря щадящим условиям экстракции, высокому выходу и превосходному качеству экстракта. Обработка ультразвуком может применяться для экстракции с растворителем или без растворителя. Кроме того, ультразвуковую экстракцию с использованием зонда можно сочетать с распространёнными системами экстракции, например с экстракцией по Сокслету, экстракцией в аппарате Клевенджера, экстракцией сверхкритическим CO2, гидродистилляцией с омическим нагревом и т. д. (Sono-Soxhlet, Sono-Clevenger, Sono-scCO2, ультразвуковая гидродистилляция с омическим нагревом).

Sono-Clevenger с ультразвуковым зондом UP200S: установка для гидродистилляции, интенсифицированной ультразвуком, для высокоэффективного выделения эфирных масел.
(©Rasouli et al. 2021)

Преимущества сочетания ультразвуковой экстракции и гидродистилляции

Экстракция и гидродистилляция с применением ультразвука сегодня являются устоявшимся методом производства высококачественных эфирных масел. Как нетермический метод экстракции, обработка ультразвуком позволяет избежать термического разложения термочувствительных соединений. При этом эффективность экстракции и выход эфирного масла значительно повышаются. Ниже приведены преимущества ультразвукового производства эфирных масел:

1. Высокая эффективность экстракции: Экстракция с помощью ультразвукового аппарата зондового типа позволяет выделять эфирные масла эффективнее, чем традиционные методы экстракции, такие как перегонка с водяным паром или экстракция растворителем. Это связано с тем, что звуковые волны вызывают кавитацию в жидкости, которая способствует разрушению клеточных стенок растительного сырья и высвобождению большего количества эфирного масла.
2. Более короткое время экстракции: Ультразвуковая экстракция позволяет извлекать эфирные масла за значительно более короткое время, чем традиционные методы экстракции. Это связано с тем, что интенсивные звуковые волны, создаваемые ультразвуковым зондом, могут глубже проникать в растительное сырьё, разрушать растительные клетки с более высокой эффективностью и, следовательно, извлекать эфирное масло быстрее и результативнее.
3. Улучшенное качество эфирного масла: Поскольку ультразвуковая экстракция является нетермической обработкой, она позволяет получать эфирные масла более высокого качества, чем традиционные методы экстракции. Это связано с тем, что ультразвуковые волны могут извлекать эфирное масло, не повреждая чувствительные ароматические соединения, которые придают маслу аромат и терапевтические свойства.
4. Энергоэффективность: Ультразвуковая экстракция – энергоэффективный метод экстракции по сравнению с традиционными методами, такими как перегонка с водяным паром, которая требует большого количества энергии для получения пара.
5. Экологичность: Обработка ультразвуком – чистый и экологичный метод экстракции, поскольку он не требует использования растворителей или химических веществ, которые могут наносить вред окружающей среде.

Эти преимущества делают ультразвуковую экстракцию эфирных масел высокоэффективным и экономичным методом, который обладает многочисленными преимуществами перед традиционными методами экстракции.

Сравнение экстракции сверхкритическим диоксидом углерода (sCO₂), экстракции с применением ультразвука (UAE), экстракции сверхкритическим диоксидом углерода в сочетании с методом циклического изменения давления (SCE-PST) и экстракции по Сокслету показывает, что UAE является самым эффективным и быстрым методом экстракции.

Научное исследование: ультразвуковая гидродистилляция эфирных масел

• Сырьё для экстракции: Высушенные листья тимьяна, шалфея, мелиссы, лаванды и орегано
• Повышенный выход эфирных масел: до 29,58% больше эфирного масла
• Более короткое время обработки

Недавнее исследование Nenciu et al. (2026) продемонстрировало преимущества гидродистилляции с применением ультразвука для получения эфирных масел из тимьяна, шалфея, мелиссы, лаванды и орегано. Высушенное растительное сырьё смешивали с водой, предварительно обрабатывали с помощью ультразвукового аппарата зондового типа Hielscher UP400St, а затем подвергали перегонке с водяным паром. Акустическая кавитация разрушает растительную ткань и содержащие масло железистые структуры, облегчая высвобождение летучих соединений перед перегонкой. При оптимизированных условиях – размере частиц биомассы 1 cm, мощности ультразвука 150 W и экстракции в течение 85 минут – выход эфирного масла увеличился с 1,42 до 1,84% v/w, что соответствует повышению на величину до 29,58% по сравнению с традиционной гидродистилляцией продолжительностью 120 минут. Анализ методом газовой хроматографии с масс-спектрометрией (GC-MS) подтвердил наличие характерных соединений каждого масла, включая карвакрол в орегано, тимол в тимьяне, цитраль и гераниаль в мелиссе, цинеол и камфору в шалфее, а также линалоол и линалилацетат в лаванде. Результаты показывают, что предварительная обработка ультразвуком может повысить выход эфирного масла и сократить время гидродистилляции, тем самым повышая общую эффективность производства эфирных масел.

Установка для гидродистилляции с применением ультразвука (UAHD): (a) ультразвуковой аппарат UP400St (b) установка для гидродистилляции; (c) система конденсации пара + охлаждения
Изображение и исследование: Nenciu et al., 2026

Более высокий выход эфирного масла: ультразвуковая экстракция перед гидродистилляцией

Для ультразвуковой экстракции эфирного масла из растительного сырья (например, лавандина, шалфея, цитрусовых и т. д.) можно использовать систему обработки ультразвуком зондового типа, такую как UIP2000hdT, для экстракции в настольном, опытном и производственном масштабе. Систему экстракции можно организовать для периодической обработки или обработки в потоке.
Для периодической ультразвуковой экстракции рекомендуется использовать ёмкость, окружённую водяной баней с холодной водой. Водяная баня позволяет избежать нежелательного повышения температуры и вызванного им разложения. При экстракции эфирного масла лавандина цветки лаванды экстрагируют, например, с использованием 2L дистиллированной воды в течение 30 min. Амплитуду ультразвука устанавливают на 60%. После предварительной обработки ультразвуком цветки лаванды удаляют и проводят традиционную перегонку с водяным паром для извлечения эфирного масла.
В установке для экстракции в потоке ультразвуковой процессор оснащают сонотродом и проточной ячейкой. Для охлаждения реактор с проточной ячейкой оснащают охлаждающей рубашкой. При предварительной обработке ультразвуком мацерированное растительное сырьё прокачивают через реакционную камеру, где оно проходит непосредственно через зону кавитации. Дополнительным преимуществом ультразвуковой экстракции в потоке является возможность повышения давления в реакционной камере для усиления экстракции.
Предварительная обработка ультразвуком перед гидродистилляцией повышает выход извлекаемых эфирных масел и скорость экстракции – в результате весь процесс становится более эффективным.

Пример исследования: ультразвуковая гидродистилляция эфирного масла из Satureja khuzistanica

Rasouli et al. (2021) исследовали эффективность экстракции эфирных масел из травянистого растения Satureja khuzistanica Jamzad, сравнивая традиционную гидродистилляцию и экстракцию в аппарате Клевенджера, интенсифицированную ультразвуком (Sono-Clevenger). Они сравнивали оба метода экстракции, гидродистилляцию и ультразвуковую экстракцию в аппарате Клевенджера, по времени выделения, выходу и качеству полученных эфирных масел. Результаты показывают, что при сопоставимо высоком качестве как химического профиля, так и биологических свойств полученных эфирных масел метод ультразвуковой экстракции повышает эффективность выделения эфирного масла по выходу на величину до 40%. Изображения обработанных листьев Satureja, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM), демонстрируют более эффективное разрушение клеточных стенок растений при обработке ультразвуком. В результате наблюдалось повышение экстракции эфирного масла примерно на 40% по сравнению с традиционной гидродистилляцией.
Это исследование подтверждает результаты многих других работ, в которых изучалась предварительная обработка ультразвуком перед гидродистилляцией и было показано, что обработка ультразвуком с помощью зонда повышает как качество, так и количество эфирного масла, одновременно сокращая время экстракции и энергопотребление по сравнению с традиционными методами.
 

Сравнение выхода экстракции в зависимости от времени для гидродистилляции и метода sono-clevenger: ультразвуковая экстракция эфирного масла с помощью Sono-Clevenger обеспечивает более высокий выход эфирного масла за более короткое время экстракции.
(©Rasouli et al. 2021)

Сканирующая электронная микроскопия (SEM) листьев Satureja: (A) после гидродистилляции в течение 4 часов и (B) после обработки методом sono-clevenger в течение 60 min. Более короткая обработка Sono-Clevenger обеспечивает более эффективное разрушение клеток и, следовательно, более высокий выход эфирного масла.
(©Rasouli et al. 2021)

Ультразвуковые экстракторы для гидродистилляции эфирных масел

Экстракторы Hielscher на основе мощного ультразвука доступны для настольных, опытных и промышленных установок. Наши ультразвуковые процессоры обеспечивают точное регулирование и могут создавать очень высокие амплитуды (до 200µm для промышленных ультразвуковых аппаратов, более высокие амплитуды – по запросу) для формирования интенсивного акустического поля. Все наши ультразвуковые устройства, от лабораторных до промышленных систем, рассчитаны на работу в режиме 24/7 в тяжёлых условиях эксплуатации.
Ультразвуковые экстракторы Hielscher можно испытать в настольном масштабе для оценки применимости и оптимизации процесса. Затем все результаты процесса можно линейно масштабировать до полномасштабного промышленного производства. Наш многолетний опыт ультразвуковой обработки позволяет нам консультировать и сопровождать клиентов от первых испытаний и оптимизации процесса до внедрения высокоэффективного промышленного процесса.
Посетите нашу техническую лабораторию и технологический центр, чтобы ознакомиться с возможностями ультразвуковых систем Hielscher!
Наши надёжные ультразвуковые системы можно использовать для периодической обработки ультразвуком и обработки в потоке. При производстве эфирных масел можно добиться синергетического эффекта, установив ультразвуковой зонд в традиционную установку для гидродистилляции. Модернизацию существующих производственных линий также можно легко выполнить.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:

Принцип действия ультразвуковой экстракции эфирных масел

Доказано, что ультразвуковая экстракция обеспечивает более высокий выход экстракции и снижает энергопотребление. Принцип действия ультразвуковой экстракции заключается в схлопывании пузырьков, образующихся при ультразвуковой кавитации. Ультразвуковая / акустическая кавитация создаёт микроструи жидкости, которые разрушают содержащие липиды железы в растительной ткани. Это улучшает массоперенос между клеткой и растворителем и высвобождает эфирное масло. Важным преимуществом современных ультразвуковых экстракторов является точный контроль рабочих параметров (например, интенсивности ультразвука, температуры, времени обработки, давления, времени пребывания и т. д.). Повышенный выход эфирных масел, а также меньшее термическое разложение, высокое качество и хороший ароматический и вкусовой профиль научно подтверждены (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
В то время как другие современные методы экстракции обладают лишь ограниченными возможностями масштабирования до промышленного производства, возможность масштабирования ультразвуковой экстракции до промышленного уровня уже доказана. Например, выход экстракции эфирных масел из японских цитрусовых был увеличен на 44% по сравнению с традиционными методами экстракции (Mason et al. 2011).

Литература / Ссылки

• Nenciu, Florin, Ana-Maria Tăbărașu, Cristina Fătu, Nicolae-Valentin Vlăduț, Iulian Voicea, Sorina Dinu (2026): Ultrasound-Assisted Hydrodistillation of Essential Oils for Eco-Friendly Biocontrol of Botrytis cinerea in Grapevines. Horticulturae 12, no. 9: 1054. 2026
• Rasouli, Seyed Reza; Nejad, Ebrahimi Samad; Rezadoost, Hassan (2021): Simultaneous ultrasound-assisted hydrodistillation of essential oil from aerial parts of the Satureja khuzistanica Jamzad and its antibacterial activity. Journal Of Medicinal Plants, Vol. 20, no. 80; 2021. 47–59.
• Dent, M.; Dragović-Uzelac, V; Elez Garofulić, I.; Bosiljkov, T.; Ježek, D.; Brnčić, M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound-assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from Sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q., 29 (3), 2015. 475–484.
• Djenni, Z.; Pingret, D.; Mason, T.J.; Chemat, F. (2013): Sono–Soxhlet: In Situ Ultrasound-Assisted Extraction of Food Products. Food Anal. Methods 6, 2013. 1229-1233.
• Li, Y.; Fabiano-Tixier, A.-S.; Chemat, F. (2014): Essential Oils as Reagents in Green Chemistry, SpringerBriefs in Green Chemistry for Sustainability, 2014. p.9-20.
• Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). Int. J. Mol. Sci. 2013, 14, 5750-5764.
• Pingret, D.; Fabiano-Tixier, A.-S.; Chemat, F. (2014): An Improved Ultrasound Clevenger for Extraction of Essential Oils. Food Anal. Methods 7, 2014. 9–12.
• Sicaire, Anne-Gaëlle; Vian, Maryline Abert; Fine, Frédéric; Carré, Patrick; Tostain, Sylvain; Chemat, Farid (2016): Ultrasound induced green solvent extraction of oil from oleaginous seeds. Ultrasonics Sonochemistry (2016), Vol. 31. 319-329.
• Yoswathana, N.; Eshiaghi, M.N.; Jaturapornpanich, K. (2012): Enhancement of Essential Oil from Agarwood by Subcritical Water Extraction and Pretreatments on Hydrodistillation. International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering Vol:6, No:5, 2012. 453-459.