Ultrazvuková hydrodestilácia éterických olejov
- Konvenčná extrakcia esenciálnych olejov je drahá a časovo náročná.
- Ultrazvuková extrakcia poskytuje vyššie výnosy a vynikajúcu kvalitu extraktu.
- Ultrazvuk sa môže vykonávať ako extrakčná metóda na báze rozpúšťadiel alebo vody. Alternatívne je možné sonikáciu kombinovať s tradičnými extrakčnými systémami, aby sa zlepšila účinnosť a kvalita.
Hydrodestilácia botanických extraktov
Hydrodestilácia je variantom parnej destilácie. Na hydrodestilačnú extrakciu sa rastlinný materiál na určitý čas namočí do vody, potom sa zmes zahreje a prchavé materiály sa odvádzajú v pare, kondenzujú a oddeľujú. Je to bežný extrakčný proces na oddelenie fytochemických zlúčenín od rastlinného materiálu. Parná destilácia je bežná technika izolácie esenciálnych olejov, napr. pre parfumériu.
Keďže mnohé organické zlúčeniny majú tendenciu sa rozkladať pri vysokých trvalých teplotách, priemysel postupuje vpred a používa alternatívne metódy mierneho spracovania, ktoré poskytujú lepšie výsledky extrakcie (vynikajúca kvalita, vyššie výnosy). Ultrazvuková hydrodestilácia je mierna, ale vysoko účinná extrakčná technika, ktorá sa používa na výrobu vysokokvalitných éterických olejov.
Ultrazvuková extrakcia a ultrazvuková hydrodestilácia výrazne zlepšujú produkciu éterického oleja.
Výzvy konvenčnej výroby esenciálnych olejov
Problémy tradičných extrakčných techník, ako je destilácia parou, spočívajú v obrovskom množstve rastlinného materiálu, ktorý je potrebný na extrakciu esenciálnych olejov v komerčnom meradle. Na 1 kg (2 1/4 lb) levanduľového esenciálneho oleja je potrebných približne 200 kg (440 lb) čerstvých kvetov levandule, na 1 kg ružového oleja je potrebných 2,5 až 5 metrických ton okvetných lístkov ruží a na 1 kg citrónového éterického oleja surovinu tvorí približne 3 000 citrónov. Preto sú esenciálne oleje veľmi drahé. Za ružovú absolútnu cenu sa pohybuje okolo 20 000 € (21 000 USD) za liter.
Aby výrobcovia esenciálnych olejov získali výhody týkajúce sa ziskovosti a konkurencieschopnosti, musia implementovať efektívnejšie a efektívnejšie metódy extrakcie. Priaznivé techniky ultrazvukovej extrakcie vynikajú tradičné extrakčné metódy miernymi podmienkami extrakcie, vysokými výťažkami a vynikajúcou kvalitou extraktu. Sonikácia môže byť vykonaná ako extrakcia na báze rozpúšťadiel alebo bez rozpúšťadiel. Alternatívne je možné ultrazvukovú odsávaciu extrakciu kombinovať s bežnými extrakčnými systémami, napr. Soxhletova extrakcia, Clevengerova extrakcia, superkritický CO2, ohmická hydrodestilácia atď. (Sono-Soxhlet, Sono-Clevenger, Sono-scCO2, ultrazvuková ohmická hydrodestilácia).
Výhody ultrazvukovej extrakcie a hydrodestilácie
Ultrazvukom asistovaná extrakcia a hydrodestilácia je v súčasnosti zavedenou technikou na výrobu vysokokvalitných esenciálnych olejov. Ako netepelná extrakčná technika sonikácia zabraňuje tepelnej degradácii zlúčenín citlivých na teplo. Zároveň sa výrazne zvyšuje účinnosť extrakcie a výťažnosť éterického oleja. Nižšie nájdete výhody ultrazvukovej výroby esenciálnych olejov:
- Vysoká účinnosť odsávania: Extrakcia pomocou ultrazvuku typu sondy izoluje esenciálne oleje efektívnejšie ako tradičné extrakčné metódy, ako je parná destilácia alebo extrakcia rozpúšťadlom. Je to preto, že zvukové vlny spôsobujú kavitáciu v kvapaline, ktorá pomáha rozkladať bunkové steny rastlinného materiálu a uvoľňovať viac éterického oleja.
- Kratší čas extrakcie: Ultrazvuková extrakcia dokáže extrahovať esenciálne oleje za oveľa kratší čas ako tradičné metódy extrakcie. Je to preto, že intenzívne zvukové vlny generované ultrazvukovou sondou môžu preniknúť do rastlinného materiálu hlbšie, narušiť rastlinnú bunku s vynikajúcou účinnosťou, a preto rýchlejšie a účinnejšie extrahovať esenciálny olej.
- Zlepšená kvalita éterického oleja: Keďže ultrazvuková extrakcia je netepelné ošetrenie, dokáže produkovať esenciálne oleje s vyššou kvalitou ako tradičné metódy extrakcie. Je to preto, že ultrazvukové vlny dokážu extrahovať esenciálny olej bez poškodenia jemných aromatických zlúčenín, ktoré dodávajú oleju jeho vôňu a terapeutické vlastnosti.
- Energeticky efektívne: Ultrazvuková extrakcia je energeticky efektívna metóda extrakcie v porovnaní s tradičnými metódami, ako je parná destilácia, ktorá vyžaduje veľa energie na výrobu pary.
- Šetrné k životnému prostrediu: Ultrazvuk je čistá a ekologická technika extrakcie, pretože nevyžaduje použitie rozpúšťadiel alebo chemikálií, ktoré môžu byť škodlivé pre životné prostredie.
Tieto výhody menia ultrazvukovú extrakciu esenciálneho oleja na vysoko účinnú a ekonomickú techniku, ktorá ponúka mnoho výhod oproti tradičným metódam extrakcie.
Ultrazvuková extrakcia vyžaduje len veľmi krátky čas a vytvára najlepšie výťažky extrakcie. Porovnanie superkritického oxidu uhličitého (sCO2), ultrazvukom asistovanej extrakcie (SAE), superkritickej extrakcie oxidu uhličitého v kombinácii s technikou kolísania tlaku (SCE-PST) a Soxhletovej extrakcie ukazuje, že SAE sú najefektívnejšou a najrýchlejšou extrakčnou technikou.
Princíp činnosti ultrazvukovej extrakcie esenciálneho oleja
Je dokázané, že ultrazvuková extrakcia poskytuje vyššie výťažky extrakcie a znižuje spotrebu energie. Princípom činnosti ultrazvukovej extrakcie je implózia bublín generovaná ultrazvukovou kavitáciou. Ultrazvuková / akustická kavitácia vytvára kvapalné mikroprúdy, ktoré ničia žľazy obsahujúce lipidy v rastlinnom tkanive. Tým sa zlepšuje prenos hmoty medzi bunkou a rozpúšťadlom a uvoľňuje sa éterický olej. Veľkou výhodou dnešných moderných ultrazvukových odsávačov je presná kontrola prevádzkových parametrov (napr. intenzita ultrazvuku, teplota, doba úpravy, tlak, retenčná doba atď.). Vedecky dokázaný je zvýšený výťažok esenciálnych olejov, ako aj nižšia tepelná degradácia, vysoká kvalita a dobrý aróma a chuťový profil (Porto a kol. 2009; Asfaw a kol. 2005).
Zatiaľ čo iné moderné extrakčné techniky ponúkajú len obmedzenú schopnosť rozšírenia na priemyselnú výrobu, schopnosť rozšíriť ultrazvukovú extrakciu na priemyselnú úroveň je už preukázaná. Napríklad výťažok esenciálnych olejov z japonských citrusov sa zvýšil o 44 % v porovnaní s tradičnými metódami extrakcie (Mason a kol. 2011).
Ultrazvuková predúprava na extrakciu éterických olejov
Na ultrazvukovú extrakciu esenciálneho oleja z rastlinného materiálu (napr. lavandín, šalvia, citrusy atď.) je možné použiť sondový ultrazvukový systém, ako je UIP2000hdT, na extrakciu v stolovom, pilotnom a výrobnom meradle. Odsávací systém je možné nastaviť ako dávkový alebo inline systém.
Na ultrazvukovú dávkovú extrakciu sa odporúča nádoba s okolitým studeným vodným kúpeľom. Vodný kúpeľ umožňuje zabrániť nežiaducemu zvýšeniu teploty a následnej degradácii. Na extrakciu lavandínového esenciálneho oleja sa kvety levandule extrahujú napr. 2 l destilovanej vody po dobu extrakcie 30 minút. Ultrazvuková amplitúda je nastavená na 60 %. Po ultrazvukovej predbežnej úprave sa kvet levandule odstráni a vykoná sa konvenčná parná destilácia na extrakciu éterického oleja.
Pre nastavenie inline extrakcie je ultrazvukový procesor vybavený sonotródou a prietokovou bunkou. Na účely chladenia je reaktor prietokového článku vybavený chladiacim plášťom. Na ultrazvukovú predúpravu sa macerovaný rastlinný materiál čerpá cez reakčnú komoru, kde prechádza priamo cez kavitačnú zónu. Ďalšou výhodou ultrazvukovej inline extrakcie je možnosť natlakovania reakčnej komory na zvýšenie extrakčného účinku.
Ultrazvuková predúprava pred hydrodestiláciou zvyšuje výťažok extrahovaných éterických olejov a zlepšuje rýchlosť extrakcie – čo vedie k celkovo efektívnejšiemu postupu.
Výhody ultrazvukovej extrakcie a hydrodestilácie
- Rýchly & efektívne odsávanie
- Netepelný, mierny proces
- Vysoko kvalitné extrakty
- vysoký výnos
- Celé spektrum vône
- Menej surovín
- Zelená extrakcia
Sono-Clevenger s ultrazvukovou sondou UP200S: Ultrazvukovo zosilnené hydrodestilačné nastavenie pre vysoko účinnú izoláciu esenciálnych olejov.
(©Rasouli a kol. 2021)
Prípadová štúdia: Ultrazvuková hydrodestilácia esenciálneho oleja zo Satureja khuzistanica
Rasouli et al. (2021) skúmali účinnosť extrakcie éterických olejov z bylinnej rastliny Satureja khuzistanica Jamzad porovnaním tradičnej hydrodestilácie a ultrazvukom zosilneného Clevengera (Sono-Clevenger). Porovnali obe extrakčné techniky, hydrodestiláciu a ultrazvukový Clevenger, pokiaľ ide o čas izolácie, výťažok a kvalitu získaných esenciálnych olejov. Výsledky ukazujú, že zatiaľ čo získaný chemický profil a biologické vlastnosti esenciálnych olejov majú porovnateľnú vysokú kvalitu, metóda ultrazvukovej extrakcie zvyšuje účinnosť výťažku izolácie esenciálnych olejov až o 40 %. Snímky skenovacích elektrónových mikrografov (SEM) ošetrených listov Satureja odhaľujú efektívnejšie narušenie rastlinných bunkových stien ultrazvukom. V dôsledku toho bolo pozorované zvýšenie extrakcie esenciálnych olejov asi o 40 % v porovnaní s konvenčnou metodikou hydrodestilácie.
Táto štúdia podčiarkuje výsledky mnohých ďalších správ, v ktorých bola skúmaná ultrazvuková predbežná úprava pred hydrodestiláciou a preukázala, že ultrazvuk typu sondy zvyšuje kvalitu aj množstvo esenciálneho oleja a zároveň znižuje čas extrakcie a spotrebu energie v porovnaní s konvenčnými technikami.
Porovnanie výťažku extrakcie ako funkcie času pre hydrodestiláciu a metódy sono-clevenger: Ultrazvuková extrakcia esenciálneho oleja pomocou Sono-Clevenger poskytuje vyššie výťažky esenciálneho oleja v kratšom čase extrakcie.
(©Rasouli a kol. 2021)
SEM listov Satureja: (A) po hydrodestilácii počas 4 hodín a (B) po ošetrení sono-clevengerom počas 60 minút. Kratšia liečba Sono-Clevenger poskytuje lepšie narušenie buniek a tým aj vyššie výnosy esenciálneho oleja.
(©Rasouli a kol. 2021)
Ultrazvukové extraktory na hydrodestiláciu éterických olejov
Výkonné ultrazvukové odsávače Hielscher sú k dispozícii pre stolové, pilotné zariadenia a priemyselné inštalácie. Naše ultrazvukové procesory sú presne ovládateľné a môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy (až 200 μm pre priemyselné ultrazvukové prístroje, vyššie amplitúdy na požiadanie) na generovanie intenzívneho akustického poľa. Všetky naše ultrazvukové zariadenia, od laboratórnych až po priemyselné systémy, sú skonštruované na prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni v náročných podmienkach.
Ultrazvukové extraktory Hielscher je možné testovať v stolovom meradle na testy uskutočniteľnosti a optimalizáciu procesov. Potom je možné všetky výsledky procesu lineárne škálovať na plnú priemyselnú výrobu. Naše dlhoročné skúsenosti s ultrazvukovým spracovaním nám umožňujú konzultovať a pomáhať našim klientom od prvých testov a optimalizácie procesov až po realizáciu vysoko efektívnej priemyselnej prevádzky.
Navštívte naše technické laboratórium a procesné centrum a preskúmajte možnosti ultrazvukových systémov Hielscher!
Naše robustné ultrazvukové systémy je možné použiť na dávkovú a inline sonikaciu. Pri výrobe esenciálnych olejov je možné dosiahnuť synergickú kombináciu inštaláciou ultrazvukovej sondy v konvenčnom nastavení hydrodestilácie. Dodatočné vybavenie existujúcich výrobných liniek je tiež možné ľahko vykonať.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
|---|---|---|
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Ultrazvuk UP200Ht s extraktorom Soxhlet.
(©Djenni a kol., 2012)
Literatúra / Referencie
- 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.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Úspešne extrahované ultrazvukom
Nasledujúci rastlinný materiál a rastlinné tkanivá sú dokázané, že ultrazvuková extrakcia dosahuje lepšie výsledky extrakcie. Ultrazvuková extrakcia poskytuje vyššie výťažky, vysoko kvalitné extrakty s kompletným zloženým / aromatickým profilom a plným chuťovým spektrom.
bylinky & listy: máta, mäta, Stevia, marihuana, chmeľ, bazalka, tymian, korenie, oregano, šalvia, fenikel, petržlen, eukalyptus, Oliva, zelený čaj, čierny čaj, Boldo, tabak, mäta pieporná, majoránka atď.
Kvety (attars): Ruža, levanduľa, ylang-ylang, jazmín, pačuli, tuberóza, mimóza atď.
Ovocie: pomaranč, citrusy, citrón, malina, paradajka, jablko, čučoriedka, čučoriedky, mandarínka, hrozno, Oliva, jujube atď.
Korenie: šafrankoriander zázvor, vavrín, muškátový oriešok, škorica, kurkuma, vanilka, klinček, muškátový oriešok, muškátový kvet atď.
drevo & kôra: agarové drevo, dub, santalové drevo, cédrové drevo, borovica, škoricová kôra atď.
Rastlinné extrakty obsahujú celé spektrum účinných látok a fytochemikálií, takže esenciálny olej obsahuje lipidy, terpény a terpenoidy, fenoly, alkaloidy, flavonoidy, karbonylové zlúčeniny, antioxidanty, vitamíny, pigmenty, enzýmy atď.
Príklady extrahovaných molekúl: monoterpény a monoterpénoidy, seskviterpény, limonén, karvón, a-pinén, limonén, 1,8-cineol, cis-ocimén, trans-ocimén, 3-oktanón, betakarotén, α-pinén, gáfor, kamfén, β-pinén, myrcén, para-cymén, limonén, γ-terpínén, linalool, myrtenol, myrtenal, karvón.
Esenciálne oleje vykazujú antioxidačné a antimikrobiálne účinky, vďaka čomu sú okrem svojej arómy a chuti prospešnou zložkou aj pre potraviny a zdravotnícke výrobky.
Esenciálne oleje, napr. z levandule, mäty piepornej a eukalyptu, sa väčšinou vyrábajú parnou destiláciou. Rastlinný materiál, ako sú kvety, listy, drevo, kôra, korene, semená a šupky, sa extrahuje destiláciou vody, zatiaľ čo sa namočí a varí vo vode v destilačnom prístroji.
hydrodestilácia
Pri hydrodestilácii sa rozlišujú dve formy: destilácia vodou a destilácia parou.
Na izoláciu éterických olejov destiláciou vody sa rastlinný materiál vloží do vody na varenie. Pri destilácii parou sa para vstrekuje do/cez rastlinný materiál. V dôsledku vplyvu horúcej vody a pary sa éterický olej uvoľňuje z lipidových žliaz v rastlinnom tkanive. Odparujúca sa vodná para odvádza olej z rastlinného materiálu. Potom sa para kondenzuje v kondenzátore nepriamym ochladením vodou. Z kondenzátora prúdi destilovaný extrakt (éterický olej) do separátora, kde sa olej automaticky oddeľuje od destilovanej vody.
Extrakcia rozpúšťadlom
Z dôvodu účinnosti sa väčšina esenciálnych olejov, napr. pre parfumérsky a vonný priemysel, vyrába extrakciou rozpúšťadlom s použitím prchavých rozpúšťadiel, napr. hexánu, dimetylénchloridu alebo petroléteru. Hlavnou výhodou extrakcie rozpúšťadlom oproti destilácii je, že počas procesu je možné udržiavať rovnomernú teplotu (približne 50 °C). Keďže vyššie teploty vedú k degradácii zlúčenín éterických olejov, oleje extrahované rozpúšťadlom sa vyznačujú vyššou úplnosťou prchavých zlúčenín a prirodzenejším zápachom.
Superkritický CO2 je tiež preukázateľne vynikajúcim organickým rozpúšťadlom, a preto je ďalšou alternatívnou metódou extrakcie aromatických olejov z rastlín.
Extrakčné rozpúšťadlá
Medzi tradičné organické rozpúšťadlá na extrakciu patrí benzén, toluén, hexán, dimetyléter, petroléter, dimetylénchlorid, etylacetát, acetón alebo etanol.
Etanol sa používa na extrakciu vonných zlúčenín zo suchých rastlinných materiálov, ako aj z nečistých olejov alebo betónov, ktoré boli vyrobené najskôr extrakciou, expresiou alebo influeráciou organickým rozpúšťadlom. Etanolové extrakty zo suchých materiálov sú známe ako tinktúry. Tinktúry si nesmú zamieňať s etanolovými umývačmi, ktoré sa vykonávajú na čistenie olejov a betónov na získanie absolútnych látok.
Keď sa ako extrakčná kvapalina použije voda, proces sa nazýva extrakcia bez rozpúšťadiel.
esenciálne oleje
Esenciálne oleje sa vyrábajú extrakciou z rastlinného materiálu. Ako surovinu možno použiť rôzne druhy častí rastlín, napr. kvety (napr. ruža, jazmín, karafiát, klinček, mimóza, rozmarín, lavandra), listy (napr. mäta, Ocimum spp., citrónová tráva, jamrosa), listy a stonky (napr. pelargónia, pačuli, petitgrain, verbena, škorica), kôra (napr. škorica, cassia, canella), drevo (napr. céder, santal, borovica), korene (napr. angelica, sassafras, vetiver, saussurea, valeriána), semená (napr. fenikel, koriander, rasca, kôpor, muškátový oriešok), ovocie (bergamot, pomaranč, citrón, borievka), oddenky (napr. zázvor, kalamus, kurkuma, kosatca) a výlučky ďasien alebo oleoresin (napr. balzam z Peru, Myroxylon balzam, storax, myrha, benzoin).
Betón a absolútne
Betón je termín pre polotuhú hmotu, ktorá sa získava extrakciou čerstvého rastlinného materiálu rozpúšťadlom. Čerstvý rastlinný materiál sa väčšinou extrahuje pomocou nepolárnych rozpúšťadiel, ako je benzén, toluén, hexán, petroléter. Po procese extrakcie sa rozpúšťadlo odparí, takže sa získa polotuhý zvyšok éterických olejov, voskov, živíc a iných lipofilných (hydrofóbnych) fytochemikálií. Toto je takzvaný betón.
Aby sa z betónu získal absolútny, musí byť betón ošetrený silným alkoholom, v ktorom je možné rozpustiť určité zložky.
Ultrazvuková výroba nanoemulzií
Záujem o použitie nanoemulzií ako dávkovacích systémov pre lipofilné zložky potravín, ako nosičov účinných látok vo farmaceutických a kozmetických výrobkoch výrazne rastie vďaka ich vysokej optickej čistote, dobrej fyzikálnej stabilite a schopnosti zvyšovať biologickú dostupnosť. Nadzvukový emulgácia pripravuje stabilné mikro- a nanoemulzie, ktoré zaručujú najlepšie výsledky vo finálnom produkte.
Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukovej emulgácii!
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.