Ultrazvočna ekstrakcija vanilje – netermična metoda
- Vaniljev ekstrakt je raztopina aromatičnih snovi, pridobljena iz vaniljevih strokov z ekstrakcijo v raztopini etanola in vode.
- Za pridobivanje visokokakovostnega vanilina kot sestavine za aromo, okus in dišavo je potrebna učinkovita, a blaga ekstrakcijska tehnika, ki preprečuje razgradnjo.
- Ultrazvočna ekstrakcija je blaga mehanska ekstrakcijska metoda, ki omogoča visok izkoristek vanilina v zelo kratkem času ekstrakcije.
Visokozmogljiva ultrazvočna tehnologija za visokokakovostne ekstrakte vanilina
Vanilja je druga najdražja začimba za žafranom, zato njena proizvodnja zahteva učinkovito ekstrakcijsko metodo, ki preprečuje razgradnjo dragocenih eteričnih olj. Ultrazvočna ekstrakcija je dobro poznana in uveljavljena kot blaga, netermična, a zelo učinkovita metoda za sproščanje bioaktivnih spojin iz rastlinskega materiala. Ultrazvočna ekstrakcija temelji na pojavu akustične kavitacije, ki je povsem mehanska obdelava. Zaradi tega je sonikacija prednostna metoda za izolacijo občutljivih bioaktivnih spojin, kot so aromatične spojine in eterična olja, npr. vanilin, polifenoli ali antioksidanti iz rastlinskih surovin.
Prednosti ultrazvočne ekstrakcije vanilje
- Vrhunski izkoristek
- Hitra ekstrakcija – v nekaj minutah
- Visokokakovostni ekstrakti – blaga, netermična ekstrakcija
- Zelena topila (npr. voda/etanol)
- Stroškovna učinkovitost
- Preprosto in varno upravljanje
- Nizki investicijski in obratovalni stroški
- Delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah
- Zelena, okolju prijazna metoda
Ultrazvočna ekstrakcija vanilje – šaržno ali v neprekinjenem pretočnem načinu
Šaržna obdelava: Postopke ultrazvočne ekstrakcije je mogoče izvajati kot preproste šaržne postopke ali kot obdelavo v pretočni liniji, pri kateri medij neprekinjeno teče skozi ultrazvočni pretočni reaktor.
Šaržna obdelava je preprost postopek, pri katerem se ekstrakcija izvaja po posameznih šaržah. Hielscher Ultrasonics ponuja ultrazvočne procesorje za majhne in velike šarže, tj. od 1L do 120L.
Za obdelavo šarž od 5 do 10L priporočamo UP400ST (400W, videoposnetek spodaj) s sonotrodo S24d22L2D.
Za obdelavo šarž s prostornino približno 120L priporočamo UIP2000hdT (2kW, slika na vrhu desnega stolpca) s sonotrodo RS4d40L4.
Sonikator UIP2000hdT za ekstrakcijo rastlinskih surovin v šarži s prostornino 120L
Ultrazvočna ekstrakcija rastlinskih surovin z ultrazvočno napravo UP400St
Za pretočno prostornino približno 8L/min. priporočamo UIP4000hdT (4kW, slika desno) s sonotrodo RS4d40L3 in pretočno celico FC130L4-3G0, ki jo je mogoče izpostaviti nadtlaku
Študija primera ultrazvočne ekstrakcije vanilje
Jadhav et al. (2009) so primerjali ultrazvočno podprto ekstrakcijo (UAE) in Soxhletovo ekstrakcijo. Raziskava je potrdila, da ultrazvočna ekstrakcija v primerjavi s Soxhletovo ekstrakcijo znatno poveča sproščanje vanilina. Soxhletova obdelava je zahtevala delovno temperaturo 95°C, razmerje topilo:topljenec 66,67ml/g in čas ekstrakcije 8hrs, pri čemer se je sprostilo približno 180ppm vanilina. Ultrazvočno podprta ekstrakcija (UAE) je pri enakem razmerju topilo:topljenec in sobni temperaturi potrebovala samo 1hr za sprostitev približno 140ppm vanilina.
Rasoamandrary et al. (2013) so primerjali učinkovitost ekstrakcije vanilina z uporabo ultrazvočne naprave s sondo z močjo 100W (npr. UP100H), ultrazvočne kopeli in vroče vodne kopeli. Raziskovalci so ugotovili, da je ultrazvočna naprava s sondo zaradi ultrazvoka visoke intenzivnosti zmogljivo orodje za ekstrakcijo. Zato je ultrazvočna naprava s sondo presegla alternativne ekstrakcijske metode, saj je omogočila podoben/ali višji izkoristek ekstrahiranega vanilina v znatno krajšem času ekstrakcije in ob manjši porabi topila (tj. etanola).
Primerjava treh ekstrakcijskih metod – ultrazvočne sonde, ultrazvočne kopeli in ekstrakcije v vroči vodni kopeli – je pokazala, da je bila ekstrakcija vanilina najučinkovitejša pri sonikaciji s sondo z uporabo 40% etanola (v/v) pri temperaturi okolice 30°C in času ekstrakcije 1hr. Ekstrakcija v vodni kopeli je zahtevala koncentracijo etanola 50% (v/v) pri 56°C in čas 15hrs.
UIP4000hdT – ultrazvočni ekstraktor z močjo 4kW za neprekinjeno obdelavo v pretočni liniji.
Ultrazvočna oprema za visokozmogljivo ekstrakcijo
Hielscher Ultrasonics je specializiran za izdelavo visokozmogljivih ultrazvočnih procesorjev za proizvodnjo visokokakovostnih ekstraktov iz rastlinskih surovin.
Široka ponudba izdelkov Hielscher obsega vse od majhnih, zmogljivih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do robustnih namiznih in povsem industrijskih sistemov, ki zagotavljajo ultrazvok visoke intenzivnosti za učinkovito ekstrakcijo in izolacijo bioaktivnih snovi (npr. kvercetina, kofeina, kurkumina, terpenov itd.). Vse ultrazvočne naprave od 200W do 16.000W imajo barvni zaslon za digitalno upravljanje, vgrajeno kartico SD za samodejno beleženje podatkov, daljinsko upravljanje prek brskalnika in številne druge uporabniku prijazne funkcije. Sonotrode in pretočne celice (dele, ki so v stiku z medijem) je mogoče avtoklavirati in jih je preprosto očistiti. Vse naše ultrazvočne naprave so zasnovane za delovanje 24/7, zahtevajo malo vzdrževanja ter omogočajo preprosto in varno upravljanje.
Digitalni barvni zaslon omogoča uporabniku prijazno upravljanje ultrazvočne naprave. Naši sistemi lahko zagotavljajo amplitude od nizkih do zelo visokih. Za ekstrakcijo polifenolov in drugih bioaktivnih spojin, kot je vanilin, ponujamo posebne ultrazvočne sonotrode (znane tudi kot ultrazvočne sonde ali rogovi), ki so optimizirane za blago izolacijo visokokakovostnih učinkovin. Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Natančen nadzor parametrov ultrazvočnega procesa zagotavlja ponovljivost in standardizacijo procesa.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Ultrazvočni procesorji visoke moči za laboratorijsko, pilotno in industrijsko merilo.
Literatura/Viri
- Velez Suaza, Catalina (2016): Optimizacija analitskega pristopa na osnovi tekočinske kromatografije visoke ločljivosti za karakterizacijo naravnega vaniljevega ekstrakta. Zaključno delo, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Ekstrakcija vanilina iz vaniljevih strokov: primerjalna študija običajne Soxhletove in ultrazvočno podprte ekstrakcije. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Izboljšana ekstrakcija vanilina 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyde iz obdelanih vaniljevih strokov z ultrazvočno podprto ekstrakcijo: primerjava ultrazvočno podprte ekstrakcije in ekstrakcije v vroči vodni kopeli.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ultrazvočna tehnologija za ekstrakcijo biološko aktivnih molekul iz rastlinskih, živalskih in morskih virov. TrAC Trends in Analytical Chemistry, zvezek 122, 2020.
Dejstva, ki jih je vredno poznati
Načelo delovanja ultrazvočne ekstrakcije
Uporaba intenzivnih ultrazvočnih valov v tekočem mediju povzroči kavitacijo. Pojav kavitacije lokalno povzroča ekstremne temperature, tlake, hitrosti segrevanja/ohlajanja, razlike v tlaku in velike strižne sile v mediju. Ko kavitacijski mehurčki implodirajo na površini trdnih snovi (kot so delci, rastlinske celice, tkiva itd.), mikroc urki in trki med delci povzročajo učinke, kot so luščenje površine, erozija in razpad delcev. Poleg tega implozija kavitacijskih mehurčkov v tekočih medijih povzroča makroturbulence in mikromešanje.
Sl. 1: Nastajanje stabilnih in prehodnih kavitacijskih mehurčkov.
(a) premik, (b) prehodna kavitacija, (c) stabilna kavitacija, (d) tlak
[adapted from Santos et al. 2009]
Ultrazvočno obsevanje rastlinskega materiala razdrobi matriks rastlinskih celic in poveča njegovo hidratacijo. Chemat et al (2015) ugotavljajo, da je ultrazvočna ekstrakcija bioaktivnih spojin iz rastlinskih surovin rezultat različnih neodvisnih ali kombiniranih mehanizmov, vključno s fragmentacijo, erozijo, kapilarnostjo, razgradnjo strukture in sonoporacijo. Ti učinki porušijo celično steno, izboljšajo prenos snovi s potiskanjem topila v celico in sesanjem topila, obogatenega z rastlinskimi spojinami, iz nje ter z mikromešanjem zagotavljajo gibanje tekočine.
Ultrazvočna ekstrakcija iz rastlinskih celic: mikroskopski prečni prerez (TS) prikazuje mehanizem delovanja med ultrazvočno ekstrakcijo iz celic (povečava 2000x) [vir: Vilkhu et al. 2011]
Ultrazvočna ekstrakcija omogoča zelo hitro izolacijo spojin – običajne ekstrakcijske metode presega s krajšim časom postopka, višjim izkoristkom in nižjimi temperaturami. Ultrazvočno podprta ekstrakcija kot blaga mehanska obdelava preprečuje termično razgradnjo bioaktivnih sestavin in je boljša od drugih tehnik, kot so običajna ekstrakcija s topili, hidrodestilacija ali ekstrakcija po metodi Soxhlet , za katere je znano, da uničujejo toplotno občutljive molekule. Zaradi teh prednosti je ultrazvočna ekstrakcija prednostna tehnika za sproščanje temperaturno občutljivih bioaktivnih spojin iz rastlinskih surovin.
Vanilin
Vanilja je cenjena aroma, ki jo je mogoče pridobiti iz orhidej rodu Vanilla, predvsem iz mehiške vrste, ploskolistne vanilje (V. planifolia). Spojine z edinstveno aromo vaniljeve orhideje so v njenem plodu, ki nastane po oprašitvi cveta. Ti semenski stroki merijo približno 1/3 x 6 palcev in so zreli rjavkasto rdeče do črne barve. V teh strokih je oljnata tekočina, polna drobnih semen. Za proizvodnjo vanilina se uporabljajo tako stroki kot semena.
Čeprav je vanilin glavna aromatična spojina v rastlini vanilje, čisti vaniljev ekstrakt vsebuje več sto dodatnih aromatičnih spojin, ki prispevajo k njegovi kompleksni, globoki aromi.
Vaniljeva esenca obstaja v dveh oblikah, in sicer kot prava vanilinska esenca iz vaniljevega semenskega stroka in kot industrijsko sintetizirani vanilin. Pravi ekstrakt semenskega stroka je kompleksna mešanica več sto različnih spojin. Kemična spojina vanilin – 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde – največ prispeva k značilnemu okusu in aromi prave vanilje ter je glavna aromatična sestavina obdelanih vaniljevih strokov. Poleg vanilina k kompleksni aromi vanilje prispevajo številne druge kemične spojine, kot so acetaldehid, ocetna kislina, furfural, heksanojska kislina, 4-hydroxybenzaldehyde, evgenol, metil cinamat in izomaslena kislina.
Kultivarji vanilje
Burbonska vanilja ali burbonsko-madagaskarska vanilja se pridobiva iz rastlin V. planifolia, ki rastejo na otokih v Indijskem oceanu, kot so Madagaskar, Komori in Réunion, prej imenovan Île Bourbon. Izraz »burbonska vanilja« opisuje tudi značilno vaniljevo aromo, pridobljeno iz V. planifolia.
Mehiška vanilja, pridobljena iz avtohtone V. planifolia, se proizvaja v precej manjših količinah. Mehiška vanilja je znana in se trži kot vanilja iz dežele svojega izvora, saj rastlina V. planifolia izvira iz Mezoamerike.
Tahitijska vanilja prihaja iz Francoske Polinezije in se pridobiva iz rastline V. tahitiensis. Genetska analiza kaže, da je ta vrsta morda kultivar, nastal iz križanca med V. planifolia in V. odorata.
Zahodnoindijska vanilja se pridobiva iz V. pompona, ki jo gojijo na Karibih ter v Srednji in Južni Ameriki.