Ультразвукова екстракція ванілі – не термічний метод
- Ванільний екстракт – це ароматичний розчин, отриманий із ванільних бобів у розчині етанолу та води.
- Для виробництва високоякісного ваніліну як компонента аромату, смаку та парфумерії необхідний ефективний, але м’який метод екстракції, який запобігає розкладанню.
- Ультразвукова екстракція – це м’який механічний метод екстракції, який забезпечує високі виходи ваніліну за дуже короткий час екстракції.
Високоефективна ультразвукова обробка для високоякісних екстрактів ваніліну
Оскільки ваніль є другою за вартістю пряністю після шафрану, її виробництво потребує ефективного методу екстракції, який запобігає деградації цінних ефірних олій. Ультразвукова екстракція добре відома та визнана як м’який, нетермічний, але надзвичайно ефективний метод вивільнення біоактивних сполук із рослинної сировини. Ультразвукова екстракція базується на явищі акустичної кавітації, яка є суто механічною обробкою. Це робить ультразвукову обробку переважним методом для ізоляції чутливих біоактивних сполук, таких як ароматичні сполуки та ефірні олії, наприклад, ваніліну, поліфенолів або антиоксидантів із рослинної сировини.
Переваги ультразвукової екстракції ванілі
- Вищий вихід
- Швидка екстракція – за лічені хвилини
- Високоякісні екстракти – м’які, нетермічні
- Зелені розчинники (напр. вода/етанол)
- Економічно вигідно
- Простота та безпека експлуатації
- Низькі інвестиційні та експлуатаційні витрати
- Робота 24/7 в умовах інтенсивного навантаження
- Зелений, екологічно чистий метод
Ультразвукова екстракція ванілі – у режимі партійної або безперервної потокової обробки
Партійний режим: Процеси ультразвукової екстракції можуть працювати як прості партійні процеси або як потокова обробка, де середовище безперервно подається через ультразвуковий проточний реактор.
Партійна обробка – це проста процедура, де екстракція виконується партіями. Hielscher Ultrasonics пропонує ультразвукові процесори для малих та великих партій, тобто від 1L до 120L.
Для обробки партій від 5 до 10L ми рекомендуємо UP400ST (400W, відео нижче) із сонотродом S24d22L2D.
Для обробки партій приблизно 120L ми рекомендуємо UIP2000hdT (2kW, зображення у правій колонці вгорі) із сонотродом RS4d40L4.
Ультразвуковий гомогенізатор UIP2000hdT для екстракції рослинної сировини в партії 120L
Ультразвукова екстракція рослинної сировини за допомогою ультразвукового гомогенізатора UP400St
Для об’єму приблизно 8L/min. ми рекомендуємо UIP4000hdT (4kW, зображення праворуч) із сонотродом RS4d40L3 та проточною коміркою, що витримує тиск, FC130L4-3G0
Кейс-стаді ультразвукової екстракції ванілі
Jadhav et al. (2009) порівнювали ультразвукову екстракцію (UAE) та екстракцію Сокслета. Дослідження підтвердило, що ультразвукова екстракція значно інтенсифікує вивільнення ваніліну порівняно з екстракцією Сокслета. Обробка за Сокслетом вимагала робочої температури 95°C, співвідношення розчинник:речовина 66,67ml/g та часу екстракції 8hrs, що призвело до вивільнення приблизно 180ppm ваніліну. Ультразвукова екстракція (UAE) потребувала лише 1hr для вивільнення приблизно 140ppm ваніліну, використовуючи те саме співвідношення розчинник:речовина за кімнатної температури.
Rasoamandrary et al. (2013) порівнювали ефективність екстракції ваніліну за допомогою 100W зондового ультразвукового гомогенізатора (напр. UP100H), ультразвукову ванну та гарячу водяну ванну. Дослідники дійшли висновку, що ультразвуковий гомогенізатор зондового типу є потужним інструментом екстракції завдяки високій інтенсивності ультразвуку. Тому ультразвуковий гомогенізатор зондового типу перевершив альтернативні методи екстракції, забезпечуючи подібні/або вищі виходи екстрагованого ваніліну за значно коротший час екстракції та меншу витрату розчинника (наприклад, етанолу).
Порівняння трьох методів екстракції – ультразвукового зонда, ультразвукової ванни та екстракції гарячою водяною ванною – показало, що екстракція ваніліну була найбільш ефективною при ультразвуковій обробці зондом з використанням 40% етанолу (v/v) при кімнатній температурі 30°C та часі екстракції 1hr. Екстракція у водяній ванні потребувала концентрації 50% етанолу (v/v) при 56°C протягом 15hrs.
UIP4000hdT – 4kW ультразвуковий екстрактор для безперервної обробки в потоці.
Ультразвукове обладнання для високоефективної екстракції
Hielscher Ultrasonics спеціалізується на виробництві високоефективних ультразвукових процесорів для отримання якісних екстрактів із рослинної сировини.
Широкий продуктовий портфель Hielscher охоплює малі потужні лабораторні ультразвукові гомогенізатори, а також надійні настільні та повністю промислові системи, які забезпечують високу інтенсивність ультразвуку для ефективної екстракції та ізоляції біоактивних речовин (наприклад, кверцетину, кофеїну, куркуміну, терпенів тощо). Усі ультразвукові пристрої від 200W до 16 000W мають кольоровий дисплей для цифрового керування, вбудовану SD-карту для автоматичного запису даних, дистанційне керування через браузер та багато інших зручних функцій. Сонотроди та проточні комірки (частини, які контактують із середовищем) можна стерилізувати в автоклаві, і їх легко очищати. Усі наші ультразвукові гомогенізатори розраховані на роботу 24/7, потребують низького обслуговування та є простими й безпечними в експлуатації.
Цифровий кольоровий дисплей забезпечує зручне керування ультразвуковим гомогенізатором. Наші системи здатні забезпечувати від низьких до дуже високих амплітуд. Для екстракції поліфенолів та інших біоактивних сполук, таких як ванілін, ми пропонуємо спеціальні ультразвукові сонотроди (також відомі як ультразвукові зонди або рупори), оптимізовані для делікатної ізоляції високоякісних активних речовин. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 в умовах великих навантажень та у складних середовищах.
Точне керування параметрами ультразвукового процесу забезпечує відтворюваність та стандартизацію процесу.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових гомогенізаторів:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | більший | кластер UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Ультразвукові процесори високої потужності від лабораторного до пілотного та промислового масштабу.
Література/Посилання
- Velez Suaza, Catalina (2016): Оптимізація аналітичного підходу на основі високоефективної рідинної хроматографії для характеристики натурального екстракту ванілі. Thesis, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. et al. (2009): Екстракція ваніліну зі стручків ванілі: порівняльне дослідження звичайної екстракції за допомогою сокслета та ультразвуку. Журнал харчової інженерії 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. et al. (2013): Покращена екстракція ваніліну 4-гідрокси-3-метоксібензальдегіду з висушених ванільних бобів за допомогою ультразвукової екстракції: порівняння екстракції за допомогою ультразвуку та гарячої водяної ванни.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Ультразвукова технологія вилучення біологічно активних молекул з рослинних, тваринних і морських джерел. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 122, 2020.
Факти, які варто знати
Принцип дії ультразвукової екстракції
Застосування інтенсивних ультразвукових хвиль до рідкого середовища призводить до кавітації. Явище кавітації призводить локально до екстремальних температур, тисків, швидкостей нагрівання/охолодження, перепадів тиску та високих зсувних сил у середовищі. Коли бульбашки кавітації імплодують на поверхні твердих тіл (таких як частинки, рослинні клітини, тканини тощо), мікрострумені та міжчастинкові зіткнення генерують такі ефекти, як відлущування поверхні, ерозія та руйнування частинок. Додатково, імплозія бульбашок кавітації в рідких середовищах створює макротурбулентності та мікромікшування.
Мал. 1: Утворення стабільних та транзиторних бульбашок кавітації.
(a) зміщення, (b) транзиторна кавітація, (c) стабільна кавітація, (d) тиск
[adapted from Santos et al. 2009]
Ультразвукове опромінення рослинного матеріалу руйнує матрицю рослинних клітин та покращує їхню гідратацію. Chemat et al (2015) приходять до висновку, що ультразвукова екстракція біоактивних сполук з рослинної сировини є результатом різних незалежних або комбінованих механізмів, включаючи фрагментацію, ерозію, капілярність, детекстурацію та сонопорацію. Ці ефекти руйнують клітинну стінку, покращують масоперенос, штовхаючи розчинник у клітину та втягуючи розчинник, насичений фітокомпонентами, назовні, і забезпечують рух рідини за допомогою мікромікшування.
Ультразвукова екстракція з рослинних клітин: мікроскопічний поперечний зріз (TS) демонструє механізм дії під час ультразвукової екстракції з клітин (збільшення 2000x) [джерело: Vilkhu et al. 2011]
Ультразвукова екстракція досягає дуже швидкої ізоляції сполук – перевершуючи традиційні методи екстракції за коротшим часом процесу, вищою виходною кількістю та при нижчих температурах. Як м’яка механічна обробка, ультразвукова екстракція уникає термічної деградації біоактивних компонентів та переважає порівняно з іншими техніками, такими як традиційна розчинна екстракція, гідродистиляція, або Сокслет екстракція, які, як відомо, руйнують термочутливі молекули. Завдяки цим перевагам, ультразвукова екстракція є бажаною технікою для вивільнення термочутливих біоактивних сполук з рослинної сировини.
Ванілін
Ваніль – це цінний аромат, який можна екстрагувати з орхідей роду Vanilla, переважно з мексиканського виду, ванілі плосколистної (V. planifolia). Унікально ароматизовані сполуки ванільної орхідеї містяться в її плоді, який утворюється в результаті запилення квітки. Ці насіннєві коробочки мають розміри приблизно 1/3 x 6 дюймів, з коричневато-червоним до чорного кольором у стиглому стані. Всередині цих коробок знаходиться олійна рідина, повна крихітних насінин. І коробочка, і насіння використовуються для виробництва ваніліну.
Хоча ванілін є основною ароматичною сполукою в рослині ванілі, чистий екстракт ванілі містить кількасот додаткових ароматичних сполук, які сприяють її складному, глибокому смаку.
Есенція ванілі зустрічається у двох формах, а саме: справжня есенція ваніліну з насіннєвої коробочки ванілі та промислово синтезований ванілін. Справжній екстракт із насіннєвої коробочки є складною сумішшю кількохсот різних сполук. Хімічна сполука ванілін – 4-гідрокси-3-метоксибензальдегід – є основним внесником у характерний смак та аромат справжньої ванілі та є головним ароматичним компонентом вилікуваних бобів ванілі. Крім ваніліну, багато інших хімічних сполук, таких як ацетальдегід, оцтова кислота, фурфурол, гексанова кислота, 4-гідроксибензальдегід, евгенол, метилциннамат та ізобутирова кислота, сприяють складному аромату ванілі.
Сорти ванілі
Бурбонська ваніль або Бурбон-Мадагаскарська ваніль виробляється з рослин V. planifolia, які ростуть на островах Індійського океану, таких як Мадагаскар, Коморські острови та Реюньйон, колишній острів Бурбон. Термін «бурбонська ваніль» також описує характерний ванільний аромат, отриманий з V. planifolia.
Мексиканська ваніль, екстрагована з місцевої V. planifolia, виробляється в значно менших кількостях. Мексиканська ваніль відома та продається як ваніль із країни її походження, оскільки рослина V. planifolia є ендемічною для Мезоамерики.
Таїтянська ваніль походить з Французької Полінезії, виробляється з рослини V. tahitiensis. Генетичний аналіз показує, що цей вид, ймовірно, є сортом, отриманим від гібрида V. planifolia та V. odorata.
Вест-індійська ваніль виробляється з V. pompona, яка вирощується в Карибському басейні та Центральній і Південній Америці.