การสกัดวานิลลาด้วยอัลตราโซนิก – วิธีที่ไม่ใช้ความร้อน
- สารสกัดวานิลลาเป็นสารละลายให้กลิ่นรสที่สกัดจากฝักวานิลลาในสารละลายเอทานอลและน้ำ
- การผลิตวานิลลินคุณภาพสูงเพื่อใช้เป็นองค์ประกอบให้กลิ่น กลิ่นรส และกลิ่นหอม จำเป็นต้องใช้เทคนิคการสกัดที่มีประสิทธิภาพแต่มีความอ่อนโยน เพื่อป้องกันการสลายตัว
- การสกัดด้วยอัลตราโซนิกเป็นวิธีการสกัดเชิงกลที่อ่อนโยน ซึ่งให้ผลได้วานิลลินสูงในระยะเวลาการสกัดที่สั้นมาก
อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับสารสกัดวานิลลินคุณภาพสูง
วานิลลาเป็นเครื่องเทศที่มีราคาแพงเป็นอันดับสองรองจากหญ้าฝรั่น การผลิตวานิลลาจึงต้องใช้วิธีการสกัดที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งป้องกันการเสื่อมสภาพของน้ำมันหอมระเหยอันมีค่า การสกัดด้วยอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่เป็นที่รู้จักและใช้กันอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีความอ่อนโยน ไม่ใช้ความร้อน แต่มีประสิทธิภาพสูงในการปลดปล่อยสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากวัสดุพืช การสกัดด้วยอัลตราโซนิกอาศัยปรากฏการณ์คาวิเทชันทางเสียง ซึ่งเป็นกระบวนการเชิงกลล้วน ๆ ด้วยเหตุนี้ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกจึงเป็นวิธีที่นิยมเลือกสำหรับการแยกสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ไวต่อการเสื่อมสภาพ เช่น สารให้กลิ่นรสและน้ำมันหอมระเหย อาทิ วานิลลิน โพลีฟีนอล หรือสารต้านอนุมูลอิสระจากพืช
ข้อดีของการสกัดวานิลลาด้วยอัลตราโซนิก
- ผลได้ที่เหนือกว่า
- การสกัดความเร็วสูง – ภายในไม่กี่นาที
- สารสกัดคุณภาพสูง – อ่อนโยน ไม่ใช้ความร้อน
- ตัวทำละลายที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม (เช่น น้ำ/เอทานอล)
- คุ้มค่า
- ใช้งานง่ายและปลอดภัย
- ต้นทุนการลงทุนและการดำเนินงานต่ำ
- ทำงานได้ตลอด 24/7 ภายใต้ภาระงานหนัก
- วิธีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
การสกัดวานิลลาด้วยอัลตราโซนิก – ในโหมดแบบแบตช์หรือการไหลต่อเนื่อง
แบบแบตช์: กระบวนการสกัดด้วยอัลตราโซนิกสามารถดำเนินการเป็นกระบวนการแบบแบตช์ที่เรียบง่าย หรือเป็นการประมวลผลในสายการผลิต โดยป้อนตัวกลางผ่านเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกแบบไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง
การประมวลผลแบบแบตช์เป็นขั้นตอนที่ง่าย โดยดำเนินการสกัดทีละรุ่นการผลิต Hielscher Ultrasonics มีเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกสำหรับแบตช์ขนาดเล็กถึงขนาดใหญ่ กล่าวคือ 1L ถึง 120L
สำหรับการประมวลผลแบตช์ขนาด 5 ถึง 10L เราแนะนำ UP400ST (400W วิดีโอด้านล่าง) พร้อมโซโนโทรด S24d22L2D
สำหรับการประมวลผลแบตช์ขนาดประมาณ 120L เราแนะนำ UIP2000hdT (2kW รูปด้านบนของคอลัมน์ขวา) พร้อมโซโนโทรด RS4d40L4
เครื่องอัลตราโซนิก UIP2000hdT สำหรับการสกัดสารจากพืชในแบตช์ขนาด 120L
การสกัดสารจากพืชด้วยอัลตราโซนิกโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิก UP400St
สำหรับปริมาตรไหลผ่านประมาณ 8L/min. เราแนะนำ UIP4000hdT (4kW รูปด้านขวา) พร้อมโซโนโทรด RS4d40L3 และเซลล์การไหล FC130L4-3G0 ที่สามารถเพิ่มความดันได้
กรณีศึกษาการสกัดวานิลลาด้วยอัลตราโซนิก
Jadhav และคณะ (2009) เปรียบเทียบการสกัดโดยใช้อัลตราโซนิกช่วย (UAE) กับการสกัดแบบ Soxhlet งานวิจัยยืนยันว่าการสกัดด้วยอัลตราโซนิกเพิ่มการปลดปล่อยวานิลลินอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับการสกัดแบบ Soxhlet กระบวนการ Soxhlet ต้องใช้อุณหภูมิการทำงาน 95°C อัตราส่วนตัวทำละลาย:ตัวถูกละลาย 66.67ml/g และระยะเวลาการสกัด 8hrs ซึ่งทำให้ปลดปล่อยวานิลลินได้ประมาณ 180ppm การสกัดโดยใช้อัลตราโซนิกช่วย (UAE) ใช้เวลาเพียง 1hr เพื่อปลดปล่อยวานิลลินประมาณ 140ppm โดยใช้อัตราส่วนตัวทำละลาย:ตัวถูกละลายเท่ากันที่อุณหภูมิห้อง
Rasoamandrary และคณะ (2013) เปรียบเทียบประสิทธิภาพการสกัดวานิลลินโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบขนาด 100W (เช่น UP100H) อ่างอัลตราโซนิก และอ่างน้ำร้อน นักวิจัยสรุปว่าเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบเป็นเครื่องมือสกัดที่ทรงประสิทธิภาพ เนื่องจากให้คลื่นอัลตราโซนิกที่มีความเข้มสูง ดังนั้น เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบจึงมีสมรรถนะเหนือกว่าวิธีการสกัดทางเลือก โดยให้ผลได้วานิลลินที่สกัดได้ใกล้เคียงกัน/หรือสูงกว่า ในระยะเวลาการสกัดที่สั้นกว่าอย่างมีนัยสำคัญ และใช้ตัวทำละลาย (กล่าวคือ เอทานอล) น้อยกว่า
การเปรียบเทียบวิธีการสกัดทั้งสามวิธี – การสกัดด้วยโพรบอัลตราโซนิก อ่างอัลตราโซนิก และอ่างน้ำร้อน – แสดงให้เห็นว่าการสกัดวานิลลินมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อใช้โพรบอัลตราโซนิก โดยใช้เอทานอล 40% (v/v) ที่อุณหภูมิแวดล้อม 30°C และระยะเวลาการสกัด 1hr ส่วนการสกัดด้วยอ่างน้ำต้องใช้เอทานอลความเข้มข้น 50% (v/v) ที่ 56°C เป็นเวลา 15hrs
UIP4000hdT – เครื่องสกัดอัลตราโซนิกขนาด 4kW สำหรับการประมวลผลในสายการผลิตอย่างต่อเนื่อง
อุปกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับการสกัดสมรรถนะสูง
Hielscher Ultrasonics เชี่ยวชาญในการผลิตเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการผลิตสารสกัดจากพืชคุณภาพสูง
ผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายของ Hielscher ครอบคลุมตั้งแต่เครื่องอัลตราโซนิกสำหรับห้องปฏิบัติการขนาดเล็กที่ทรงพลัง ไปจนถึงระบบตั้งโต๊ะที่แข็งแรงทนทานและระบบระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ ซึ่งให้คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงเพื่อการสกัดและแยกสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพอย่างมีประสิทธิภาพ (เช่น quercetin, caffeine, curcumin, terpenes เป็นต้น) อุปกรณ์อัลตราโซนิกทั้งหมดตั้งแต่ 200W ถึง 16,000W มีจอแสดงผลสีสำหรับการควบคุมแบบดิจิทัล การ์ด SD ในตัวสำหรับบันทึกข้อมูลอัตโนมัติ การควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ และคุณสมบัติอื่น ๆ อีกมากมายที่ใช้งานง่าย โซโนโทรดและเซลล์การไหล (ชิ้นส่วนที่สัมผัสกับตัวกลาง) สามารถฆ่าเชื้อด้วยหม้อนึ่งความดันไอน้ำและทำความสะอาดได้ง่าย เครื่องอัลตราโซนิกทั้งหมดของเราออกแบบมาให้ทำงานได้ตลอด 24/7 ต้องการการบำรุงรักษาน้อย และใช้งานง่ายและปลอดภัย
จอแสดงผลสีแบบดิจิทัลช่วยให้ควบคุมเครื่องอัลตราโซนิกได้อย่างสะดวก ระบบของเราสามารถให้แอมพลิจูดตั้งแต่ระดับต่ำไปจนถึงระดับสูงมาก สำหรับการสกัดโพลีฟีนอลและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพอื่น ๆ เช่น วานิลลิน เรามีโซโนโทรดอัลตราโซนิกแบบพิเศษ (เรียกอีกอย่างว่าโพรบหรือฮอร์นอัลตราโซนิก) ซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการแยกสารออกฤทธิ์คุณภาพสูงอย่างอ่อนโยน ความแข็งแรงทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยให้ทำงานได้ตลอด 24/7 ภายใต้ภาระงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดการใช้งานสูง
การควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการอัลตราโซนิกอย่างแม่นยำช่วยให้มั่นใจได้ว่าสามารถทำซ้ำให้ได้ผลเหมือนเดิมและทำให้กระบวนการเป็นมาตรฐาน
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:
| ปริมาตรแบตช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 1 ถึง 500mL | 10 ถึง 200mL/min | UP100H |
| 10 ถึง 2000mL | 20 ถึง 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 ถึง 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | สูงกว่า | ชุดเครื่องที่ทำงานร่วมกันของ UIP16000 |
ติดต่อเรา! / สอบถามเรา!
เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกกำลังสูง ตั้งแต่ระดับห้องปฏิบัติการไปจนถึงระดับนำร่องและระดับอุตสาหกรรม
วรรณกรรม/เอกสารอ้างอิง
- Velez Suaza, Catalina (2016): การหาสภาวะที่เหมาะสมที่สุดของแนวทางการวิเคราะห์โดยใช้โครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูงเพื่อศึกษาคุณลักษณะของสารสกัดวานิลลาธรรมชาติ วิทยานิพนธ์, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. และคณะ (2009): การสกัดวานิลลินจากฝักวานิลลา: การศึกษาเปรียบเทียบการสกัดแบบ Soxhlet ดั้งเดิมกับการสกัดโดยใช้อัลตราโซนิกช่วย Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. และคณะ (2013): การปรับปรุงการสกัดวานิลลิน 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyde จากฝักวานิลลาที่ผ่านการบ่มโดยใช้การสกัดที่มีอัลตราโซนิกช่วย: การเปรียบเทียบการสกัดโดยใช้อัลตราโซนิกช่วยกับการสกัดด้วยอ่างน้ำร้อน
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): เทคโนโลยีอัลตราโซนิกสำหรับการสกัดโมเลกุลที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพจากแหล่งพืช สัตว์ และสิ่งมีชีวิตในทะเล TrAC Trends in Analytical Chemistry, เล่ม 122, 2020.
ข้อเท็จจริงที่ควรรู้
หลักการทำงานของการสกัดด้วยอัลตราโซนิก
การใช้คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงกับตัวกลางที่เป็นของเหลวทำให้เกิดคาวิเทชัน ปรากฏการณ์คาวิเทชันทำให้เกิดอุณหภูมิ ความดัน อัตราการให้ความร้อน/การทำให้เย็น ความแตกต่างของความดันที่รุนแรงมากเฉพาะที่ และแรงเฉือนสูงในตัวกลาง เมื่อฟองคาวิเทชันยุบตัวอย่างรุนแรงบนพื้นผิวของของแข็ง (เช่น อนุภาค เซลล์พืช เนื้อเยื่อ เป็นต้น) ลำพุ่งของของเหลวขนาดจุลภาคและการชนกันระหว่างอนุภาคก่อให้เกิดผลต่าง ๆ เช่น การลอกผิว การกัดเซาะ และการแตกตัวของอนุภาค นอกจากนี้ การยุบตัวอย่างรุนแรงของฟองคาวิเทชันในตัวกลางของเหลวยังก่อให้เกิดการไหลปั่นป่วนระดับมหภาคและการผสมระดับจุลภาค
รูปที่ 1: การเกิดฟองคาวิเทชันแบบเสถียรและแบบชั่วครู่
(a) การกระจัด, (b) คาวิเทชันแบบชั่วครู่, (c) คาวิเทชันแบบเสถียร, (d) ความดัน
[adapted from Santos et al. 2009]
การฉายคลื่นอัลตราโซนิกลงบนวัสดุพืชทำให้เมทริกซ์ของเซลล์พืชแตกเป็นส่วนย่อยและช่วยเพิ่มการดูดซึมน้ำของเมทริกซ์ดังกล่าว Chemat และคณะ (2015) สรุปว่าการสกัดสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากพืชด้วยอัลตราโซนิกเป็นผลจากกลไกต่าง ๆ ที่ทำงานแยกกันหรือร่วมกัน ได้แก่ การแตกเป็นส่วนย่อย การกัดเซาะ การซึมตามรูเล็ก การทำลายโครงสร้างเนื้อเยื่อ และการสร้างรูพรุนด้วยคลื่นเสียง ผลเหล่านี้ทำลายผนังเซลล์ ปรับปรุงการถ่ายเทมวลโดยผลักตัวทำละลายเข้าไปในเซลล์และดูดตัวทำละลายที่มีสารจากพืชออกมา และทำให้ของเหลวเคลื่อนที่ด้วยการผสมระดับจุลภาค
การสกัดจากเซลล์พืชด้วยอัลตราโซนิก: ภาพตัดขวาง (TS) จากกล้องจุลทรรศน์แสดงกลไกการทำงานระหว่างการสกัดจากเซลล์ด้วยอัลตราโซนิก (กำลังขยาย 2000x) [แหล่งข้อมูล: Vilkhu และคณะ 2011]
การสกัดด้วยอัลตราโซนิกแยกสารประกอบได้รวดเร็วมาก – มีสมรรถนะเหนือกว่าวิธีการสกัดแบบดั้งเดิม โดยใช้เวลากระบวนการสั้นกว่า ให้ผลได้สูงกว่า และใช้อุณหภูมิต่ำกว่า การสกัดโดยใช้อัลตราโซนิกช่วยเป็นกระบวนการเชิงกลที่อ่อนโยน จึงหลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพจากความร้อนขององค์ประกอบที่ออกฤทธิ์ทางชีวภาพ และมีสมรรถนะโดดเด่นเมื่อเทียบกับเทคนิคอื่น ๆ เช่น การสกัดด้วยตัวทำละลายแบบดั้งเดิม การกลั่นด้วยน้ำ, หรือการสกัดแบบ Soxhlet ซึ่งเป็นที่ทราบกันว่าทำลายโมเลกุลที่ไวต่อความร้อน ด้วยข้อดีเหล่านี้ การสกัดด้วยอัลตราโซนิกจึงเป็นเทคนิคที่นิยมเลือกสำหรับการปลดปล่อยสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ไวต่ออุณหภูมิจากพืช
วานิลลิน
วานิลลาเป็นสารให้กลิ่นรสที่มีคุณค่า ซึ่งสามารถสกัดได้จากกล้วยไม้สกุล Vanilla โดยส่วนใหญ่ได้จากชนิดที่มีถิ่นกำเนิดในเม็กซิโก คือวานิลลาใบแบน (V. planifolia) สารประกอบที่ให้กลิ่นรสเฉพาะตัวของกล้วยไม้วานิลลาพบอยู่ในผล ซึ่งเกิดจากการผสมเกสรของดอก ฝักเมล็ดเหล่านี้มีขนาดประมาณ 1/3 x 6 นิ้ว และมีสีแดงอมน้ำตาลถึงดำเมื่อสุก ภายในฝักมีของเหลวลักษณะเป็นน้ำมันที่เต็มไปด้วยเมล็ดขนาดเล็ก ทั้งฝักและเมล็ดใช้ในการผลิตวานิลลิน
แม้ว่าวานิลลินจะเป็นสารประกอบหลักที่ให้กลิ่นรสในต้นวานิลลา แต่สารสกัดวานิลลาบริสุทธิ์มีสารประกอบให้กลิ่นรสอื่น ๆ อีกหลายร้อยชนิด ซึ่งมีส่วนทำให้กลิ่นรสมีความซับซ้อนและลุ่มลึก
เอสเซนส์วานิลลามีสองรูปแบบ ได้แก่ เอสเซนส์วานิลลินแท้จากฝักเมล็ดวานิลลา และวานิลลินที่สังเคราะห์ในอุตสาหกรรม สารสกัดจากฝักเมล็ดแท้เป็นส่วนผสมที่ซับซ้อนของสารประกอบหลายร้อยชนิด สารประกอบเคมีวานิลลิน – 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde – เป็นองค์ประกอบสำคัญที่สุดที่ทำให้เกิดกลิ่นรสและกลิ่นหอมเฉพาะตัวของวานิลลาแท้ และเป็นองค์ประกอบหลักที่ให้กลิ่นรสของฝักวานิลลาที่ผ่านการบ่ม นอกจากวานิลลินแล้ว สารประกอบเคมีอื่น ๆ อีกหลายชนิด เช่น acetaldehyde, acetic acid, furfural, hexanoic acid, 4-hydroxybenzaldehyde, eugenol, methyl cinnamate และ isobutyric acid ยังมีส่วนทำให้วานิลลามีกลิ่นหอมที่ซับซ้อน
พันธุ์ปลูกวานิลลา
วานิลลาบูร์บงหรือวานิลลาบูร์บง–มาดากัสการ์ผลิตจากต้น V. planifolia ซึ่งเติบโตบนเกาะต่าง ๆ ในมหาสมุทรอินเดีย เช่น มาดากัสการ์ คอโมโรส และเรอูนียง ซึ่งเดิมมีชื่อว่า Île Bourbon คำว่า “วานิลลาบูร์บง” ยังใช้เรียกกลิ่นหอมเฉพาะตัวของวานิลลาที่ได้จาก V. planifolia ด้วย
วานิลลาเม็กซิกันซึ่งสกัดจาก V. planifolia ที่เป็นพืชพื้นเมือง มีปริมาณการผลิตน้อยกว่ามาก วานิลลาเม็กซิกันเป็นที่รู้จักและทำตลาดในฐานะวานิลลาจากถิ่นกำเนิด เนื่องจากต้น V. planifolia มีถิ่นกำเนิดในเมโสอเมริกา
วานิลลาตาฮิติมาจากเฟรนช์พอลินีเซีย โดยผลิตจากต้น V. tahitiensis การวิเคราะห์ทางพันธุกรรมแสดงว่าชนิดนี้อาจเป็นพันธุ์ปลูกที่เกิดจากลูกผสมระหว่าง V. planifolia และ V. odorata
วานิลลาเวสต์อินดีสผลิตจาก V. pompona ซึ่งปลูกในแคริบเบียน อเมริกากลาง และอเมริกาใต้