Ultrazvuková extrakcia vanilky – netepelná metóda
- Vanilkový extrakt je roztok aromatických látok získaný extrakciou vanilkových strukov v roztoku etanolu a vody.
- Na výrobu vysokokvalitného vanilínu ako zložky arómy, chuti a vône je potrebná účinná, ale šetrná extrakčná technika, ktorá zabraňuje rozkladu.
- Ultrazvuková extrakcia je šetrná mechanická extrakčná metóda, ktorá poskytuje vysoké výťažky vanilínu vo veľmi krátkom čase extrakcie.
Vysokovýkonná ultrazvuková technológia pre vysokokvalitné vanilínové extrakty
Vanilka je po šafrane druhým najdrahším korením, preto si jej výroba vyžaduje účinnú extrakčnú metódu, ktorá zabraňuje degradácii cenných éterických olejov. Ultrazvuková extrakcia je dobre známa a zavedená ako šetrná, netepelná, no zároveň vysoko účinná metóda uvoľňovania bioaktívnych zlúčenín z rastlinného materiálu. Ultrazvuková extrakcia je založená na jave akustickej kavitácie, ktorá predstavuje čisto mechanické pôsobenie. Vďaka tomu je sonikácia uprednostňovanou metódou izolácie citlivých bioaktívnych zlúčenín z rastlinných surovín, ako sú aromatické zlúčeniny a éterické oleje, napr. vanilín, polyfenoly alebo antioxidanty.
Výhody ultrazvukovej extrakcie vanilky
- Vynikajúci výťažok
- Rýchla extrakcia – v priebehu niekoľkých minút
- Vysokokvalitné extrakty – šetrná, netepelná extrakcia
- Ekologické rozpúšťadlá (napr. voda/etanol)
- Nákladovo efektívna
- Jednoduchá a bezpečná obsluha
- Nízke investičné a prevádzkové náklady
- Prevádzka 24/7 pri vysokom zaťažení
- Ekologická metóda šetrná k životnému prostrediu
Ultrazvuková extrakcia vanilky – vo vsádzkovom režime alebo v režime kontinuálneho prietoku
Vsádzkový režim: Procesy ultrazvukovej extrakcie možno prevádzkovať ako jednoduché vsádzkové procesy alebo ako spracovanie v prietokovej linke, pri ktorom sa médium nepretržite privádza cez ultrazvukový prietokový reaktor.
Vsádzkové spracovanie je jednoduchý postup, pri ktorom sa extrakcia vykonáva po jednotlivých vsádzkach. Hielscher Ultrasonics ponúka ultrazvukové procesory pre malé až veľké vsádzky, t. j. od 1L do 120L.
Na spracovanie vsádzok s objemom 5 až 10L odporúčame UP400ST (400W, video nižšie) so sonotródou S24d22L2D.
Na spracovanie vsádzok s objemom približne 120L odporúčame UIP2000hdT (2kW, obrázok vpravo hore v stĺpci) so sonotródou RS4d40L4.
Sonikátor UIP2000hdT na extrakciu rastlinných surovín vo vsádzke s objemom 120L
Ultrazvuková extrakcia rastlinných surovín pomocou ultrazvukového prístroja UP400St
Pri prietoku približne 8L/min. odporúčame UIP4000hdT (4kW, obrázok vpravo) so sonotródou RS4d40L3 a prietokovou celou FC130L4-3G0, ktorú možno natlakovať
Prípadová štúdia ultrazvukovej extrakcie vanilky
Jadhav et al. (2009) porovnali extrakciu podporovanú ultrazvukom (UAE) a Soxhletovu extrakciu. Výskum potvrdil, že ultrazvuková extrakcia v porovnaní so Soxhletovou extrakciou výrazne zintenzívňuje uvoľňovanie vanilínu. Soxhletova extrakcia si vyžadovala prevádzkovú teplotu 95°C, pomer rozpúšťadlo:rozpustená látka 66,67ml/g a čas extrakcie 8hrs, pričom sa uvoľnilo približne 180ppm vanilínu. Extrakcia podporovaná ultrazvukom (UAE) si pri rovnakom pomere rozpúšťadlo:rozpustená látka a pri izbovej teplote vyžadovala na uvoľnenie približne 140ppm vanilínu iba 1hr.
Rasoamandrary et al. (2013) porovnali účinnosť extrakcie vanilínu pomocou 100W ultrazvukového prístroja so sondou (napr. UP100H), ultrazvukového kúpeľa a horúceho vodného kúpeľa. Výskumníci dospeli k záveru, že sondový ultrazvukový prístroj je výkonným nástrojom na extrakciu vďaka vysokej intenzite ultrazvuku. Sondový ultrazvukový prístroj preto prekonal alternatívne metódy extrakcie tým, že poskytol podobné alebo vyššie výťažky vanilínu pri výrazne kratšom čase extrakcie a nižšej spotrebe rozpúšťadla (t. j. etanolu).
Porovnanie troch metód extrakcie – extrakcie ultrazvukovou sondou, v ultrazvukovom kúpeli a v horúcom vodnom kúpeli – ukázalo, že extrakcia vanilínu bola najúčinnejšia pri sonikácii sondou s použitím 40% etanolu (v/v) pri teplote okolia 30°C a čase extrakcie 1hr. Extrakcia vo vodnom kúpeli vyžadovala koncentráciu etanolu 50% (v/v) pri 56°C počas 15hrs.
UIP4000hdT – 4kW ultrazvukový extraktor na kontinuálne prietokové spracovanie.
Ultrazvukové zariadenia na vysokoúčinnú extrakciu
Hielscher Ultrasonics sa špecializuje na výrobu vysokovýkonných ultrazvukových procesorov na výrobu vysokokvalitných extraktov z rastlinných surovín.
Široké produktové portfólio spoločnosti Hielscher siaha od malých, výkonných laboratórnych ultrazvukových prístrojov až po robustné stolové a plne priemyselné systémy, ktoré poskytujú ultrazvuk s vysokou intenzitou na účinnú extrakciu a izoláciu bioaktívnych látok (napr. kvercetín, kofeín, kurkumín, terpény atď.). Všetky ultrazvukové zariadenia od 200W do 16 000W sú vybavené farebným displejom na digitálne ovládanie, integrovanou kartou SD na automatické zaznamenávanie údajov, diaľkovým ovládaním cez prehliadač a mnohými ďalšími používateľsky prívetivými funkciami. Sonotródy a prietokové cely (časti, ktoré sú v kontakte s médiom) možno sterilizovať v autokláve a ľahko sa čistia. Všetky naše ultrazvukové prístroje sú skonštruované na nepretržitú prevádzku 24/7, vyžadujú minimálnu údržbu a ich obsluha je jednoduchá a bezpečná.
Digitálny farebný displej umožňuje používateľsky prívetivé ovládanie ultrazvukového prístroja. Naše systémy dokážu poskytovať nízke až veľmi vysoké amplitúdy. Na extrakciu polyfenolov a ďalších bioaktívnych zlúčenín, ako je vanilín, ponúkame špeciálne ultrazvukové sonotródy (známe aj ako ultrazvukové sondy alebo rohy), ktoré sú optimalizované na šetrnú izoláciu vysokokvalitných účinných látok. Robustnosť ultrazvukových zariadení spoločnosti Hielscher umožňuje nepretržitú prevádzku 24/7 pri veľkom zaťažení a v náročných prostrediach.
Presné riadenie parametrov ultrazvukového procesu zabezpečuje reprodukovateľnosť a štandardizáciu procesu.
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zostava zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Vysokovýkonné ultrazvukové procesory od laboratórnej cez poloprevádzkovú až po priemyselnú mierku.
Literatúra/Referencie
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimalizácia analytického prístupu založeného na vysokoúčinnej kvapalinovej chromatografii na charakterizáciu prírodného vanilkového extraktu. Záverečná práca, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Extrakcia vanilínu z vanilkových strukov: Porovnávacia štúdia konvenčnej Soxhletovej extrakcie a extrakcie podporovanej ultrazvukom. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Zlepšená extrakcia vanilínu, 4-hydroxy-3-metoxybenzaldehydu, z fermentovaných vanilkových strukov pomocou extrakcie podporovanej ultrazvukom: Porovnanie extrakcie podporovanej ultrazvukom a extrakcie v horúcom vodnom kúpeli.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ultrazvuková technológia na extrakciu biologicky aktívnych molekúl z rastlinných, živočíšnych a morských zdrojov. TrAC Trends in Analytical Chemistry, ročník 122, 2020.
Užitočné fakty
Princíp fungovania ultrazvukovej extrakcie
Pôsobenie intenzívnych ultrazvukových vĺn na kvapalné médium vyvoláva kavitáciu. Jav kavitácie vedie lokálne k extrémnym teplotám, tlakom, rýchlostiam ohrevu a ochladzovania, tlakovým rozdielom a vysokým šmykovým silám v médiu. Keď kavitačné bubliny implodujú na povrchu pevných látok (ako sú častice, rastlinné bunky, tkanivá atď.), mikroprúdy a zrážky medzi časticami vyvolávajú účinky, ako sú odlupovanie povrchu, erózia a rozpad častíc. Implózia kavitačných bublín v kvapalných médiách navyše vytvára makroturbulencie a mikromiešanie.
Obr. 1: Vznik stabilných a prechodných kavitačných bublín.
(a) výchylka, (b) prechodná kavitácia, (c) stabilná kavitácia, (d) tlak
[adapted from Santos et al. 2009]
Pôsobenie ultrazvuku na rastlinný materiál fragmentuje matricu rastlinných buniek a zlepšuje ich hydratáciu. Chemat et al (2015) dospeli k záveru, že ultrazvuková extrakcia bioaktívnych zlúčenín z rastlinných materiálov je výsledkom rôznych nezávislých alebo kombinovaných mechanizmov vrátane fragmentácie, erózie, kapilarity, narušenia štruktúry a sonoporácie. Tieto účinky narúšajú bunkovú stenu, zlepšujú prenos hmoty vtláčaním rozpúšťadla do bunky a odsávaním rozpúšťadla obsahujúceho rastlinné zlúčeniny von z bunky a zabezpečujú pohyb kvapaliny prostredníctvom mikromiešania.
Ultrazvuková extrakcia z rastlinných buniek: mikroskopický priečny rez (TS) ukazuje mechanizmus pôsobenia počas ultrazvukovej extrakcie z buniek (zväčšenie 2000x) [zdroj: Vilkhu et al. 2011]
Ultrazvuková extrakcia umožňuje veľmi rýchlu izoláciu zlúčenín – prekonáva konvenčné extrakčné metódy kratším časom spracovania, vyššou výťažnosťou a nižšími teplotami. Ako šetrné mechanické spracovanie zabraňuje extrakcia s podporou ultrazvuku tepelnej degradácii bioaktívnych zložiek a vyniká v porovnaní s inými technikami, ako sú konvenčná extrakcia rozpúšťadlom, hydrodestilácia, alebo Soxhletova extrakcia, o ktorých je známe, že ničia molekuly citlivé na teplo. Vďaka týmto výhodám je ultrazvuková extrakcia preferovanou technikou na uvoľňovanie bioaktívnych zlúčenín citlivých na teplotu z rastlinných materiálov.
Vanilín
Vanilka je cenená aróma, ktorú možno extrahovať z orchideí rodu Vanilla, predovšetkým z mexického druhu vanilky plocholistej (V. planifolia). Zlúčeniny s jedinečnou chuťou sa vo vanilkovej orchidei nachádzajú v jej plode, ktorý vzniká po opelení kvetu. Tieto struky so semenami majú rozmery približne 1/3 x 6 palcov a po dozretí majú hnedočervenú až čiernu farbu. Vnútri týchto strukov je olejovitá kvapalina plná drobných semien. Na výrobu vanilínu sa používa struk aj semená.
Hoci je vanilín hlavnou chuťovou zlúčeninou vo vanilkovej rastline, čistý vanilkový extrakt obsahuje niekoľko stoviek ďalších chuťových zlúčenín, ktoré prispievajú k jeho komplexnej, hlbokej chuti.
Vanilková esencia sa vyskytuje v dvoch formách, a to ako pravá vanilínová esencia z vanilkového struku so semenami a ako priemyselne syntetizovaný vanilín. Pravý extrakt zo struku so semenami je komplexnou zmesou niekoľkých stoviek rôznych zlúčenín. Chemická zlúčenina vanilín – 4-hydroxy-3-metoxybenzaldehyd – najviac prispieva k charakteristickej chuti a aróme pravej vanilky a je hlavnou chuťovou zložkou spracovaných vanilkových strukov. Okrem vanilínu prispievajú ku komplexnej aróme vanilky mnohé ďalšie chemické zlúčeniny, ako sú acetaldehyd, kyselina octová, furfural, kyselina hexánová, 4-hydroxybenzaldehyd, eugenol, metylcinamát a kyselina izomaslová.
Kultivary vanilky
Bourbonská vanilka alebo bourbonsko-madagaskarská vanilka sa vyrába z rastlín V. planifolia, ktoré rastú na ostrovoch v Indickom oceáne, ako sú Madagaskar, Komory a Réunion, predtým nazývaný Île Bourbon. Pojem „bourbonská vanilka“ označuje aj charakteristickú vanilkovú arómu získavanú z V. planifolia.
Mexická vanilka, extrahovaná z pôvodného druhu V. planifolia, sa vyrába v oveľa menších množstvách. Mexická vanilka je známa a predáva sa ako vanilka z krajiny svojho pôvodu, keďže rastlina V. planifolia pochádza z Mezoameriky.
Tahitská vanilka pochádza z Francúzskej Polynézie a vyrába sa z rastliny V. tahitiensis. Genetická analýza ukazuje, že tento druh je možno kultivarom pochádzajúcim z kríženca V. planifolia a V. odorata.
Západoindická vanilka sa vyrába z V. pompona, ktorá sa pestuje v Karibiku a v Strednej a Južnej Amerike.