Ultrasuoni per estrazione vegetale
Le piante contengono innumerevoli fitocomplessi di interesse per il settore farmaceutico, erboristico, cosmetico, salutistico ed alimentare ad uso umano e animale.
I sistemi estrattivi sono esaustivi quando si effettua la giusta combinazione di tre importanti elementi: preparazione del vegetale, solvente estrattivo e metodo di estrazione. Alcune tecniche di estrazione tradizionali prevedono l’uso di solventi organici, elevate temperature e lunghi tempi di macerazione con gli esiti negativi che si possono immaginare: danni alla salute, all’ambiente e deterioramento dei principi attivi e delle matrici vegetali.
La tecnica estrattiva ad ultrasuoni, grazie al fenomeno della cavitazione, rompe la parete della cellula vegetale, incrementando il trasferimento di massa e la penetrazione del solvente, permettendo di accelerare i tempi di estrazione solo grazie ad un’azione fisica.
L’associazione degli US ai sistemi di estrazione tradizionali permette di:
Ridurre i tempi di lavoro;
Ridurre le temperature di processo;
Limitare l’uso di solventi.
In un’ottica di prodotti certificati "Bio", ci sono vantaggi in termini di:
Resa;
Ecologia;
Consumo energetico;
Mantenimento delle proprietà native dell’estratto.
Riassumendo, è possibile sfruttare i seguenti vantaggi dati dagli ultrasuoni:
Utilizzo di qualsiasi tipo di solvente liquido, compreso l’olio, (a seconda del prodotto da trattare, in alcuni casi è superfluo l’uso di solventi organici);
Temperature di estrazione basse: prevenzione degli inconvenienti causati da estrazione a temperature elevate (come il deterioramento di ingredienti termolabili);
Riduzione dei tempi di estrazione rispetto alle tecniche tradizionali (i tempi di estrazione con US sono dell’ordine di 10 minuti -1ora);
Totale compatibilità della tecnologia con tutti i metodi tradizionali di estrazione (in qualsiasi fase);
Controllo dei parametri di processo (modulando tempo, frequenza e potenza ultrasoniche).
Cenni sui sistemi di estrazione vegetale industriali
I principali metodi di estrazione vegetale, basati sui fenomeni di osmosi e diffusione, utilizzati da laboratori ed aziende, sono generalmente riassumibili in:
Distillazione;
Macerazione;
Percolazione;
Estrazione con solventi.
Le tre principali tecnologie estrattive industriali alternative, performanti in termini di ecologia e di rispetto della materia, sono:
Fluidi supercritici (CO2): adatta a principi attivi apolari (oli), non inquinante, molto costosa;
Estrattori dinamici (Naviglio estrattore): dispositivo meccanico a pistoni che induce (in fase di "rilascio") un gradiente di pressione negativa nella matrice solida, permettendo l’estrazione a temperatura ambiente in pochi cicli, quindi tempi brevi (1-2 h);
Ultrasuoni: adatto per il pretrattamento delle matrici vegetali, non inquinante e relativamente economico.
Test di estrazione su foglie e infiorescenze di canapa varietà Finola
Sono stati eseguiti test di estrazione a ultrasuoni su campioni di canapa Finola, sia con foglie fresche, sia con foglie e infiorescenze essiccate. È stato usato un sistema US Everywave Getwave con potenza max.400W.
I parametri di estrazione sono i seguenti :
- Ultrasuoni in continuo, frequenza 21kHz, Potenza 60 %
- Tempo di sonicazione: 6min.
- Temperatura massima: 60 °C
- Agitazione con piastra magnetica
- Soluzione: acqua / idroalcolica 50%
Vengono qui riportati i risultati dei test, fino ad ora condotti, rappresentati nei cromatogrammi.
I test sono stati organizzati nel seguente modo:
- 'Controllo': 24 ore di macerazione in acqua (con agitazione meccanica) senza trattamento a ultrasuoni (nella tabella sample 1, 5, 8)
- Trattamento ad ultrasuoni in acqua: 14 ore di ammollo seguiti da 6min. US (sample 3,6,9)
- Trattamento ad ultrasuoni in sol.idroalcolica 50%: 14 ore di ammollo seguiti da 6min. US (sample 4,7,10)
Analisi dei risultati
Da uno studio dei cromatogrammi e dalla tabella si rileva che le infiorescenze sono caratterizzate da un maggior contenuto di cannabinoidi (slot 8 e 9), la cui maggior estrazione si è ottenuta nei campioni sottoposti all’azione degli ultrasuoni sia in acqua e ancor di più in soluzione idroalcolica. Inoltre i flavonoidi (slot 2-4) si trovano in maggior concentrazione nelle foglie (solitamente considerate come scarti), anche in questo caso gli ultrasuoni ne hanno permesso una maggior estrazione.
Nel complesso, possiamo concludere che gli ultrasuoni permettono una maggior estrazione di molecole d’interesse dalla canapa, in soluzione idroalcolica o semplicemente in acqua. Pertanto i test sono interessanti sia nell’ottica di utilizzare gli US come tecnologia di estrazione di cannabinoidi alternativa a fluidi supercritici o con solventi organici, sia per prodotti erboristici o nutraceutici.
Analisi LC-MS eseguite presso Dipartimento di Chimica Università degli studi di Padova
Estrazione di polifenoli da Timo (thimus vulgaris) mediante reattore a ultrasuoni
E' stato condotto un test sperimentale per ottenere una rapida e completa estrazione di polifenoli, ottimizzando il sistema in termini di :
- potenza ultrasonica specifica (W/litro)
- quantità di vegetale / diluizione
- tipo di solvente: acqua, acqua e cosolvente EtOH (etanolo)
- tempo e modalità di sonicazione (continuo / intermittente)
Le analisi chimiche sono indirizzate ad individuare la resa in polifenoli totali, perchè facili da individuare, di grande interesse per applicazioni farmaceutiche e nutriceutiche, confrontabili con molti dati di letteratura.
Non è prevista miscelazione per l’estrazione con ultrasuoni, in quanto viene utilizzata una cella di sonicazione molto compatta (100mL).
Il reattore EW20S è costituito da un corpo principale che termina con un sonotrodo del tipo ‘barbell horn’ e da una cella di flusso compatta, da circa 100mL di volume utile per il solvente.
Per quanto riguarda la prova di riferimento (macerazione tradizionale) il vegetale è stato tenuto in immersione nel solvente a circa 25°C per 48h.
Date le possibilità di elevate potenze specifiche in gioco è stato previsto un sistema di raffreddamento esterno (a ghiaccio) del reattore ed è stato misurato l’innalzamento della temperatura nel corso della prova, in modo da non superare i 35°C per la miscela vegetale/ solvente.
Parametri principali per la prova ottimizzata:
- Matrici: TIMO secco : densità 0,21 g/l , 2/3mm
- pretrattamento della matrice: 10 minuti di pre-immersione in acqua per far imbibire i vegetali
- solvente: H2O (60%) / EtOH (40%)
- Diluizione vegetale / solvente: 1/30
- Potenza 130 W
- aumento temperatura circa 15°C
- tipo di Processo: BATCH senza miscelazione
- con raffreddamento esterno
- volume cella di reazione: 100mL
- tempo di sonicazione: 15min.
Risultati delle analisi chimiche
Seguono i risultati delle analisi chimiche sugli estratti delle prove più significative.
Il primo set di analisi sulle prove di estrazione è stato condotto con HPLC ad una lunghezza d'onda di 280 nm (caratteristica per questa classe di composti). Nella figura relativa a HPLC la prova di riferimento di macerazione a temperatura ambiente è la N 1, mentre la prova ottimizzata con ultrasuoni è la N 11.
L'andamento dei grafici (quantità ed altezza dei picchi) evidenzia l'efficienza degli ultrasuoni di estrarre in pochi minuti vari tipi di polifenoli (tra questi, vari antiossidanti: flavonoidi noti come proantocianidine, leucoantocianidine, piconogenoli, tannini, ecc., vedere tabella seguente).
Dopo il primo set di prove sono state ripetute le estrazioni per macerazione standard e US ottimizzata e sono state eseguite delle analisi LC-MS(-) dei campioni corrispondenti. I relativi cromatogrammi sono sovrapponibili (vedere figura: macerazione N 17, ultrasuoni N 19), evidenziando la capacità di estrazione totale degli ultrasuoni in tempi ridotti.
Molto interessante è l'analisi dei principali polifenoli presenti negli estratti, elencati nella tabella.
Le analisi dei campioni ottenuti sono state eseguite dall’Istituto di Chimica Biomolecolare del C.N.R. di Padova, nei giorni immediatamente successivi a quello delle prove.
Conclusioni
In sintesi, dai risultati appare un’ estrazione equivalente o maggiore di polifenoli per la prova con ultrasuoni, rispetto all’estrazione per macerazione tradizionale.
Estrazione di acido glicirizzico da radici di Liquirizia mediante reattore a ultrasuoni
E' stata eseguita una serie di prove di estrazione a ultrasuoni su radici di liquirizia , per verificare le rese estrattive di polifenoli ed acido glicirrizico, di elevato interesse farmacologico.
Il setup sperimentale del reattore a ultrasuoni è tale da portare la temperatura di processo anche a valori elevati, col recipiente in sovrapressione. Non è prevista miscelazione per l’estrazione con ultrasuoni, in quanto viene utilizzata una cella di sonicazione molto compatta : il reattore EW20S è costituito da un corpo principale che termina con un sonotrodo del tipo ‘barbell horn’ e da una cella di flusso compatta, da circa 100mL di volume utile per il solvente. E' possibile utilizzare il reattore anche come cella di flusso , in modo da trattare volumi maggiori.
Per quanto riguarda la prova di riferimento (macerazione tradizionale) il vegetale è stato tenuto in immersione nel solvente a circa 25°C per 48h.
Date le possibilità di elevate potenze specifiche in gioco è stato misurato l’innalzamento della temperatura nel corso dei test, per individuare la temperatura del processo estrattivo migliore.
Parametri principali per la prova ottimizzata:
- Matrici: LIQUIRIZIA , pezzi di radice , dimensioni 2-10cm
- pretrattamento della matrice: 10 minuti di pre-immersione in acqua per far imbibire i vegetali
- solvente : H2O (60%) / EtOH (40%)
- Diluizione vegetale / solvente : 1/30
- Potenza 60-160W , a seconda del processo scelto
- aumento temperatura : circa 30-130°C, a seconda del processo scelto
- tipo di Processo : BATCH senza miscelazione (prove a ricircolo continuo danno risultati simili)
- volume cella di reazione : 100mL
- tempo di sonicazione : 15min.
Risultati delle analisi chimiche
Seguono i risultati delle analisi chimiche sugli estratti delle prove più significative . La prova di riferimento di macerazione 48h è la N 21, mentre la prova ottimizzata con ultrasuoni è la N 22.
Il primo set di analisi è stato condotto con HPLC a lunghezza d'onda di 280 e 320 nm : l'andamento dei grafici (quantità ed altezza dei picchi) evidenzia l'efficienza degli ultrasuoni per estrarre in pochi minuti una maggiore quantità di sostanze rispetto alla macerazione standard.
E' stata poi eseguita una seconda analisi LC-MS che ha permesso anche di identificare i principali polifenoli e acido glicirizzico (glicirizzina in tabella)
Le analisi dei campioni ottenuti sono state eseguite dall’Istituto di Chimica Biomolecolare del C.N.R. di Padova, nei giorni immediatamente successivi a quello delle prove.
Conclusioni
Da tutti gli spettri cromatografici si nota la maggiore ricchezza di picchi dei campioni ad US rispetto a quelli macerati . Inoltre , i risultati ottenuti dalla analisi LC-MS hanno dimostrato il maggiore potere estrattivo degli US rispetto alla macerazione, infatti dal cromatogramma si possono identificare più del doppio dei composti, soprattutto quelli con peso più leggero, che hanno appunto tempi di ritenzione più brevi.
Per quel che riguarda l'acido glicirizzico, di alto interesse a livello industriale, gli ultrasuoni hanno dato esiti molto interessanti che permettono di ottenere rese fino al 10 % .
Sistemi speciali Everywave per estrazione a ultrasuoni
Everywave ha progettato ed ottimizzato due serie di sistemi a ultrasuoni:
Grazie alla scalabilità dei processi ad ultrasuoni è possibile trasferire i risultati dalla scala di ricerca a processi a scala industriale.
Sistemi da laboratorio
Everywave produce sistemi a ultrasuoni compatti GET:WAVE, che permettono di sonicare preparati liquidi in recipienti di vario tipo variando con facilità la potenza specifica di sonicazione (Watt/litro), in base alle esigenze dell’utilizzatore.
Sistemi industriali speciali
Per l’applicazione degli US per estrazioni o macerazioni vegetali, dove si necessita di una potenza elevata o di lavorare in flusso continuo, Everywave ha progettato sistemi speciali a cella di flusso e a reattore tubolare, quali STEP:WAVE e FLOW:WAVE
Questi sistemi sono utilizzabili in sonochimica industriale specializzata grazie a:
Potenze elevate, possono arrivare fino a 1000W/L;
Lavoro in sovrapressione;
Temperature elevate, fino a 150°C.
Vasche di estrazione vegetale
EVERY WAVE ha messo a punto una linea di vasche di estrazione vegetale TUB:WAVE® per il trattamento di foglie, fiori, gemme, semi, frutta, radici e cortecce, sia fresche che essiccate, attraverso l'utilizzo di solventi sia naturali che organici.
La tecnica di estrazione vegetale tramite Ultrasuoni permette di estrarre i principi attivi dalle piante officinali per la realizzazione di fitoestratti di alta qualità nei settori farmaceutico, erboristico, cosmetico, salutistico e alimentare.
Con TUB:WAVE i cicli di estrazione sono molto veloci e vengono sempre eseguiti a basse temperature, ciò consente di mantenere le proprietà organolettiche delle materie prime vegetali.
Modelli disponibili con serbatoio da:
- 5 litri (per estrazioni da 2 a 5 litri)
- 20 litri (per estrazioni da 5 a 20 litri)
- 100-250 litri (per estrazioni da 20 a 250 litri)
