Het potentieel van extractieprocessen losmaken met ultrasone geluidsgolven

Ultrasonificatie: een technologie in de lift

In onderzoekslaboratoria worden ultrasone voorbehandelingen bij extractieprocessen veelvuldig toegepast om bijvoorbeeld polyfenolen, anthocyanen, aromatische componenten, polysachariden, oliën en functionele componenten efficiënter te extraheren. Ondertussen weten ook topchefs hoe ze met ultrasonificatie aan de slag kunnen gaan. Zo vertelde Bernard Lahousse op de Flanders’ FOOD jaarvergadering van 20 mei nog over de toepassing om op korte tijd bouillons te bereiden die bovendien nog zoutarm zijn ook. Langzaam maar zeker vindt de technologie ook zijn weg naar de industriële extractieprocessen van de voedingsindustrie. De bekendste toepassingen omvatten het extraheren van oliën en het bereiden van kruidenextracten en vruchtensapconcentraten. De technologie krijgt echter toenemende aandacht vanwege zijn toepassingsmogelijkheden om reststromen uit de voedingsindustrie te valoriseren. Zo is er de laatste jaren onderzoek gepubliceerd rond ultrasone extractie van:

• Polyfenolen uit draf van druiven
• Anthocyanen uit de pel en schil van druiven, bessen en wilde fruitsoorten
• Wijnsteenzuur uit draf van druiven
• Isoflavonen uit sojabonenschroot
• Rutine uit bloemknoppen van de honingboom
• Hemicellulose uit omhulsels van boekweit zaden
• Cellulose uit bagasse (suikerriet)
• Luteïne uit eigeel

Werking

Ultrasonificatie werkt op verschillende wijze in op weefselmateriaal. Eerst en vooral leiden de ultrasone trillingen tot drukgolven die barsten in het weefsel teweeg brengen. Dit zorgt voor een verhoogde permeabiliteit. Vervolgens wordt ook op de celmembranen en/of celwanden ingebeukt. Bij hoge intensiteit ultrasonificaties krijgt men daarenboven akoestische cavitatie effecten waarbij microscopisch kleine gasbelletjes ontstaan die imploderen wanneer ze botsen met weefsel- of celmaterialen. Hierbij worden plaatselijk extreem hoge temperaturen en drukken gegenereerd. De efficiëntie van ultrasoon geassisteerde extracties hangt af van:

• Het weefseltype (structuur)
• De reologische eigenschappen van het extractiemedium
• De locatie van de componenten in het weefsel en de cellen
• De eigenschappen van de te extraheren component
• Het gebruikte solvent (water, ethanol, methanol, ethylacetaat, hexaan, dichloormethaan,…)
• De toegevoegde energie (vermogen, W/cm3)

Ultrasone extractie wordt meestal in batch toegepast. Continue ultrasone extractie blijkt in de meeste gevallen efficiënter en energiezuiniger, doch kan niet op elk type weefsel worden toegepast.

Voordelen

• Verhoogde extractie opbrengst (courant 20 à 30 % meeropbrengst)
• Verhoogde extractie snelheid
• Verkorte extractie tijd
• Bevorderde hydratatie (nuttig indien men start van gedroogd materiaal)
• Gemakkelijk als extra stap toe te passen in bestaande extractie protocols
• Verhoogde extractie efficiëntie bij lagere temperaturen (houdt componenten stabieler)
• Vervangen van organische solventen door water (doordat sonificatie hydrofobe structuren uit het weefsel losmaakt neemt immers het hydrofobe karakter van waterige extractiemedia toe)

Ook voor moeilijke extracties

Op taaie en harde materialen zoals pitten of zaden kan ultrasonificatie gebruikt worden in combinatie met superkritisch CO2, heet water onder druk of enzym oplossingen om tot efficiënte extracties te komen.

Neveneffecten

Onder het geweld van hoge intensiteit ultrasone behandelingen (16 kW) ontstaan in een waterig milieu hydroxyl radicalen. Deze brengen zogenaamde sonochemische reacties op gang. In de meeste gevallen hebben deze een negatief effect op de kwaliteit van voedingssubstanties. Dit kan ingetoomd worden door toevoeging van radicalenvangers zoals ascorbinezuur. Een andere benadering is het toevoegen van vluchtige oppervlakte-actieve oplosmiddelen zoals alcoholen. Dit verlaagt de temperatuur in de cavitatie belletjes en leidt tot minder radicalen vorming. In een aantal gevallen kunnen hydroxyl radicalen echter positief werken. Ondermeer volgende effecten zijn reeds waargenomen:

• Omzetten van was uit rijstzemel naar policosanolen (farmaceutsch actieve voedingssupplementen)
• Verhoogde graad van hydroxylatie van flavonoïden en fenolische componenten, resulterend in verhoogde anti-oxidant functionaliteiten

Innovatieve benaderingen

In de literatuur zijn een aantal innovatieve benaderingen te vinden, zoals:

• Niet-destructieve extractie, waarbij planten bijvoorbeeld wekelijks een ultrasone extractiebehandeling ondergaan onder eerder milde condities zodat ze levensvatbaar blijven (bv. menthol extracties uit muntplanten).
• Het modificeren van zetmeel in het ‘wet milling’ proces, waarbij verstijfselings- en geleringseigenschappen gewijzigd worden door cavitatie effecten op de granules.
• Het extraheren van ongewenste componenten uit food grade materialen (bv. verwijderen van trichlooranisol uit kurk als remedie tegen ‘kurksmaak’).
• Het sneller op gewenste ouderdom brengen van wijn.
• Het koppelen van extractie efficiëntie aan het simultaan encapsuleren van de geëxtraheerde substantie. Hierbij worden afwisselend lage (extractie) en hoge frequentie (encapsulatie) ultrasone behandelingen toegepast. De encapsulatie wordt op gang gebracht door hydroxyl radicalen die zorgen voor cross-linkingseffecten. Proteïnen blijken hierbij aangewezen capsulevormers te zijn.

Bronnen

• Vilkhu K., Mawson R., Simons L., Bates D. (2008) Applications and opportunities for ultrasound assisted extraction in the food industry. Innovative Food Science and Emerging Technologies 9, 161-169. Een gratis kopie van dit artikel kan worden aangevraagd bij:kamaljit.vilkhu@csiro.au
• Ashokkumar M., Sunartio D., Kentish S., Mawson R., Simons L., Vilkhu K., Versteeg C. (2008) Modification of food ingredients by ultrasound to improve functionality: a preliminary study on a model system. Innovative Food Science and Emerging Technologies 9, 155-160.Een gratis kopie van dit artikel kan worden aangevraagd bij: masho@unimelb.edu.au