Chiết xuất vani bằng siêu âm – Phương pháp không sử dụng nhiệt
- Dịch chiết vani là dung dịch hương liệu được chiết từ quả vani trong dung dịch ethanol và nước.
- Để sản xuất vanillin chất lượng cao dùng làm thành phần tạo mùi và vị, cần có kỹ thuật chiết xuất hiệu quả nhưng nhẹ nhàng để ngăn ngừa sự phân hủy.
- Chiết xuất bằng siêu âm là phương pháp chiết xuất cơ học nhẹ nhàng, cho hiệu suất thu hồi vanillin cao trong thời gian chiết xuất rất ngắn.
Siêu âm hiệu năng cao để tạo ra dịch chiết vanillin chất lượng cao
Vani là loại gia vị đắt thứ hai sau nghệ tây, nên việc sản xuất vani đòi hỏi phương pháp chiết xuất hiệu quả, giúp ngăn ngừa sự phân hủy các tinh dầu quý giá. Chiết xuất bằng siêu âm được biết đến rộng rãi và đã được ứng dụng như một phương pháp nhẹ nhàng, không sử dụng nhiệt nhưng có hiệu quả cao để giải phóng các hợp chất có hoạt tính sinh học từ nguyên liệu thực vật. Chiết xuất bằng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm, một quá trình xử lý hoàn toàn bằng cơ học. Điều này khiến xử lý bằng siêu âm trở thành phương pháp được ưu tiên để phân lập các hợp chất có hoạt tính sinh học nhạy cảm như các hợp chất tạo hương vị và tinh dầu, ví dụ như vanillin, polyphenol hoặc các chất chống oxy hóa từ thực vật.
Ưu điểm của chiết xuất vani bằng siêu âm
- Hiệu suất thu hồi vượt trội
- Chiết xuất tốc độ cao – chỉ trong vài phút
- Dịch chiết chất lượng cao – xử lý nhẹ nhàng, không sử dụng nhiệt
- Dung môi xanh (ví dụ: nước/ethanol)
- Hiệu quả về chi phí
- Vận hành dễ dàng và an toàn
- Chi phí đầu tư và vận hành thấp
- Vận hành 24/7 trong điều kiện tải nặng
- Phương pháp xanh, thân thiện với môi trường
Chiết xuất vani bằng siêu âm – Ở chế độ theo mẻ hoặc dòng chảy liên tục
Theo mẻ: Các quy trình chiết xuất bằng siêu âm có thể được vận hành dưới dạng quy trình theo mẻ đơn giản hoặc xử lý trực tiếp trên đường ống, trong đó môi chất được cấp liên tục qua thiết bị phản ứng siêu âm dạng dòng chảy.
Xử lý theo mẻ là quy trình đơn giản, trong đó việc chiết xuất được thực hiện lần lượt từng mẻ. Hielscher Ultrasonics cung cấp các thiết bị xử lý siêu âm cho các mẻ từ nhỏ đến lớn, tức là từ 1L đến 120L.
Để xử lý các mẻ từ 5 đến 10L, chúng tôi khuyến nghị sử dụng UP400ST (400W, video bên dưới) với đầu sonotrode S24d22L2D.
Để xử lý các mẻ khoảng 120L, chúng tôi khuyến nghị sử dụng UIP2000hdT (2kW, hình ở đầu cột bên phải) với đầu sonotrode RS4d40L4.
Thiết bị siêu âm UIP2000hdT để chiết xuất thực vật trong mẻ 120L
Chiết xuất thực vật bằng siêu âm với thiết bị siêu âm UP400St
Đối với thể tích khoảng 8L/min., chúng tôi khuyến nghị sử dụng UIP4000hdT (4kW, hình bên phải) với đầu sonotrode RS4d40L3 và buồng dòng chảy FC130L4-3G0 có thể được tăng áp
Nghiên cứu điển hình về chiết xuất vani bằng siêu âm
Jadhav và cộng sự (2009) đã so sánh phương pháp chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE) và phương pháp chiết xuất Soxhlet. Nghiên cứu xác nhận rằng chiết xuất bằng siêu âm làm tăng đáng kể sự giải phóng vanillin so với chiết xuất Soxhlet. Quá trình xử lý Soxhlet yêu cầu nhiệt độ vận hành 95°C, tỷ lệ dung môi:chất tan là 66,67ml/g và thời gian chiết xuất 8hrs, giúp giải phóng khoảng 180ppm vanillin. Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE) chỉ cần 1hr để giải phóng khoảng 140ppm vanillin khi sử dụng cùng tỷ lệ dung môi:chất tan ở nhiệt độ phòng.
Rasoamandrary và cộng sự (2013) đã so sánh hiệu quả chiết xuất vanillin bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò 100W (ví dụ: UP100H), bể siêu âm và bể nước nóng. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng máy siêu âm dạng đầu dò là một công cụ chiết xuất mạnh mẽ nhờ siêu âm cường độ cao. Do đó, máy siêu âm dạng đầu dò vượt trội so với các phương pháp chiết xuất khác nhờ cho lượng vanillin chiết xuất tương đương hoặc cao hơn trong thời gian chiết xuất ngắn hơn đáng kể và tiêu thụ ít dung môi (tức là ethanol) hơn.
So sánh ba phương pháp chiết xuất – đầu dò siêu âm, bể siêu âm và bể nước nóng – cho thấy chiết xuất vanillin đạt hiệu quả cao nhất khi xử lý bằng đầu dò siêu âm, sử dụng ethanol 40% (v/v) ở nhiệt độ môi trường 30°C với thời gian chiết xuất 1hr. Chiết xuất bằng bể nước yêu cầu nồng độ ethanol 50% (v/v) ở 56°C trong 15hrs.
UIP4000hdT – Máy chiết xuất siêu âm 4kW để xử lý liên tục trên đường ống.
Thiết bị siêu âm để chiết xuất hiệu suất cao
Hielscher Ultrasonics chuyên sản xuất các thiết bị xử lý siêu âm hiệu suất cao để sản xuất dịch chiết chất lượng cao từ thực vật.
Danh mục sản phẩm đa dạng của Hielscher bao gồm từ các máy siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn, mạnh mẽ đến các hệ thống để bàn bền chắc và các hệ thống hoàn toàn dành cho công nghiệp, cung cấp siêu âm cường độ cao để chiết xuất và phân lập hiệu quả các chất có hoạt tính sinh học (ví dụ: quercetin, caffeine, curcumin, terpen v.v.). Tất cả các thiết bị siêu âm từ 200W đến 16.000W đều được trang bị màn hình màu để điều khiển kỹ thuật số, thẻ SD tích hợp để tự động ghi dữ liệu, khả năng điều khiển từ xa qua trình duyệt và nhiều tính năng thân thiện với người dùng khác. Các đầu dò siêu âm và buồng dòng chảy (những bộ phận tiếp xúc với môi trường xử lý) có thể được tiệt trùng bằng nồi hấp và dễ vệ sinh. Tất cả các máy siêu âm của chúng tôi đều được thiết kế để vận hành 24/7, ít cần bảo trì và dễ vận hành, an toàn khi sử dụng.
Màn hình màu kỹ thuật số cho phép điều khiển máy siêu âm một cách thuận tiện. Các hệ thống của chúng tôi có khả năng cung cấp biên độ từ thấp đến rất cao. Để chiết xuất polyphenol và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác như vanillin, chúng tôi cung cấp các đầu dò siêu âm đặc biệt (còn được gọi là que dò siêu âm hoặc đầu khuếch đại siêu âm), được tối ưu hóa để phân lập nhẹ nhàng các hoạt chất chất lượng cao. Độ bền chắc của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt.
Khả năng kiểm soát chính xác các thông số của quá trình siêu âm bảo đảm tính tái lập và chuẩn hóa quy trình.
Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm máy UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Các thiết bị xử lý siêu âm công suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô thí điểm và công nghiệp.
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- Velez Suaza, Catalina (2016): Tối ưu hóa phương pháp phân tích dựa trên sắc ký lỏng hiệu năng cao để xác định đặc tính của dịch chiết vani tự nhiên. Luận văn, Universitaria Lasallista, 2016.
- Jadhav D. và cộng sự (2009): Chiết xuất vanillin từ quả vani: Nghiên cứu so sánh chiết xuất Soxhlet truyền thống và chiết xuất có hỗ trợ siêu âm. Journal of Food Engineering 93, 2009: 421–426.
- Rasoamandrary N. và cộng sự (2013): Cải thiện quá trình chiết xuất vanillin 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyde từ quả vani đã qua chế biến bằng phương pháp chiết xuất có hỗ trợ siêu âm: So sánh chiết xuất có hỗ trợ siêu âm và chiết xuất bằng bể nước nóng.
- K. Shikha Ojha, Ramón Aznar, Colm O’Donnell, Brijesh K. Tiwari (2020): Công nghệ siêu âm để chiết xuất các phân tử có hoạt tính sinh học từ nguồn thực vật, động vật và sinh vật biển. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Tập 122, 2020.
Những điều đáng biết
Nguyên lý hoạt động của chiết xuất siêu âm
Việc tác dụng sóng siêu âm cường độ cao lên môi trường lỏng gây ra hiện tượng xâm thực. Hiện tượng xâm thực tạo ra cục bộ nhiệt độ, áp suất, tốc độ gia nhiệt/làm nguội và chênh lệch áp suất cực lớn cùng lực cắt cao trong môi trường. Khi các bọt xâm thực sụp đổ trên bề mặt chất rắn (như các hạt, tế bào thực vật, mô, v.v.), các tia chất lỏng vi mô và sự va chạm giữa các hạt tạo ra các tác động như bong tróc bề mặt, xói mòn và phá vỡ hạt. Ngoài ra, sự sụp đổ của các bọt xâm thực trong môi trường lỏng còn tạo ra dòng chảy rối vĩ mô và sự trộn vi mô.
Hình 1: Sự hình thành các bọt xâm thực ổn định và nhất thời.
(a) độ dịch chuyển, (b) xâm thực nhất thời, (c) xâm thực ổn định, (d) áp suất
[adapted from Santos et al. 2009]
Việc chiếu siêu âm vào nguyên liệu thực vật làm phân mảnh cấu trúc nền của tế bào thực vật và tăng cường sự hydrat hóa của cấu trúc này. Chemat và cộng sự (2015) kết luận rằng quá trình chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học từ nguyên liệu thực vật bằng siêu âm là kết quả của các cơ chế khác nhau, hoạt động độc lập hoặc kết hợp, bao gồm phân mảnh, xói mòn, mao dẫn, phá vỡ cấu trúc và tạo lỗ bằng siêu âm. Những tác động này phá vỡ thành tế bào, cải thiện sự truyền khối bằng cách đẩy dung môi vào tế bào và hút dung môi chứa các hợp chất thực vật ra ngoài, đồng thời bảo đảm sự chuyển động của chất lỏng nhờ sự trộn vi mô.
Chiết xuất từ tế bào thực vật bằng siêu âm: lát cắt ngang (TS) quan sát dưới kính hiển vi cho thấy cơ chế tác động trong quá trình chiết xuất từ tế bào bằng siêu âm (độ phóng đại 2000x) [nguồn: Vilkhu và cộng sự 2011]
Chiết xuất bằng siêu âm giúp phân lập các hợp chất rất nhanh chóng – vượt trội so với các phương pháp chiết xuất thông thường nhờ thời gian xử lý ngắn hơn, hiệu suất thu hồi cao hơn và nhiệt độ thấp hơn. Là một phương pháp xử lý cơ học nhẹ nhàng, chiết xuất có hỗ trợ siêu âm tránh được sự phân hủy do nhiệt của các thành phần có hoạt tính sinh học và vượt trội so với các kỹ thuật khác như chiết xuất bằng dung môi thông thường, chưng cất lôi cuốn hơi nước, hoặc chiết xuất Soxhlet , vốn được biết là phá hủy các phân tử nhạy cảm với nhiệt. Nhờ những ưu điểm này, chiết xuất bằng siêu âm là kỹ thuật được ưu tiên để giải phóng các hợp chất có hoạt tính sinh học nhạy cảm với nhiệt độ từ nguyên liệu thực vật.
Vanillin
Vani là một hương liệu quý, có thể được chiết xuất từ các loài lan thuộc chi Vanilla, chủ yếu từ loài vani lá phẳng của Mexico (V. planifolia). Các hợp chất tạo hương vị độc đáo của lan vani có trong quả, được hình thành sau khi hoa được thụ phấn. Những quả chứa hạt này có kích thước khoảng 1/3 x 6 inch, có màu từ đỏ nâu đến đen khi chín. Bên trong những quả này là chất lỏng dạng dầu chứa đầy các hạt nhỏ li ti. Cả vỏ quả và hạt đều được sử dụng để sản xuất vanillin.
Mặc dù vanillin là hợp chất tạo hương vị chính trong cây vani, chiết xuất vani nguyên chất còn chứa thêm vài trăm hợp chất tạo hương vị khác, góp phần tạo nên hương vị phức hợp, sâu đậm của nó.
Tinh chất vani có hai dạng, cụ thể là tinh chất vanillin tự nhiên từ quả vani và vanillin được tổng hợp công nghiệp. Chiết xuất từ quả vani tự nhiên là một hỗn hợp phức tạp gồm vài trăm hợp chất khác nhau. Hợp chất hóa học vanillin – 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde – đóng góp chủ yếu vào hương vị và mùi thơm đặc trưng của vani tự nhiên và là thành phần tạo hương vị chính của quả vani đã qua xử lý làm chín hương. Ngoài vanillin, nhiều hợp chất hóa học khác như acetaldehyde, axit axetic, furfural, axit hexanoic, 4-hydroxybenzaldehyde, eugenol, methyl cinnamate và axit isobutyric góp phần tạo nên mùi thơm phức hợp của vani.
Các giống vani
Vani Bourbon hay vani Bourbon-Madagascar được sản xuất từ cây V. planifolia, mọc trên các đảo ở Ấn Độ Dương như Madagascar, Comoros và Réunion, trước đây có tên là Île Bourbon. Thuật ngữ “vani Bourbon” cũng mô tả hương vani đặc trưng có nguồn gốc từ V. planifolia.
Vani Mexico, được chiết xuất từ loài V. planifolia bản địa, được sản xuất với số lượng ít hơn nhiều. Vani Mexico được biết đến và tiếp thị là vani đến từ vùng đất xuất xứ của nó, vì cây V. planifolia có nguồn gốc từ Trung Mỹ cổ đại (Mesoamerica).
Vani Tahiti có xuất xứ từ Polynésie thuộc Pháp, được sản xuất từ cây V. tahitiensis. Phân tích di truyền cho thấy loài này có thể là một giống trồng có nguồn gốc từ con lai giữa V. planifolia và V. odorata.
Vani Tây Ấn được sản xuất từ V. pompona, được trồng ở vùng Caribe, Trung Mỹ và Nam Mỹ.