Extracción de artemisinina de alta eficiencia mediante sonicación

La artemisinina puede extraerse de forma eficiente mediante sonicación de alto rendimiento. La extracción ultrasónica proporciona rendimientos muy elevados de artemisinina utilizando disolventes suaves. La aplicación de ultrasonidos acelera drásticamente el proceso de extracción. Las condiciones de procesamiento en los extractores ultrasónicos pueden controlarse con precisión, lo que permite evitar la degradación de la artemisinina, una biomolécula sensible al calor.

Extracción de artemisinina

La artemisinina es una molécula bioactiva presente en las glándulas de los tricomas de la planta Artemisia annua, que se utiliza como fármaco antipalúdico y presenta un gran potencial como fármaco para el tratamiento de otras enfermedades, incluidos el cáncer y SARS-CoV-2. El método tradicional de extracción utiliza disolventes tóxicos y es un proceso costoso y poco óptimo. Para producir artemisinina a gran escala en condiciones favorables desde el punto de vista ambiental y económico, se necesita una técnica de extracción eficiente y ecológica. La extracción ultrasónica es un método ampliamente consolidado que puede utilizarse en combinación con agua o etanol como disolventes no tóxicos. Ya se ha demostrado que la extracción ultrasónica proporciona altos rendimientos de artemisinina, por lo que su producción puede ampliarse rápidamente a grandes volúmenes. Existen equipos de extracción ultrasónica para el procesamiento industrial por lotes y en línea.

Extracción ultrasónica de artemisinina a partir de Artemisia annua

El uso de ultrasonidos de potencia para la extracción supera a otros métodos de extracción en varios aspectos fundamentales, como el rendimiento, el tiempo de extracción, el respeto por el medio ambiente y la rentabilidad.

Inconvenientes de la extracción tradicional de artemisinina

Los métodos tradicionales de extracción de artemisinina requieren mucho tiempo, pueden dañar las moléculas bioactivas de artemisinina debido a las altas temperaturas aplicadas y tienen un elevado impacto ambiental por el uso de disolventes orgánicos a altas temperaturas. Además, en las etapas posteriores del proceso se necesita una purificación exhaustiva para eliminar las impurezas del extracto bruto.

Ventajas de la extracción ultrasónica de artemisinina

La aplicación de ultrasonidos de potencia para la extracción tiene varios efectos positivos que intensifican el proceso: los ultrasonidos de alto rendimiento generan cavitación acústica. Esta cavitación acústica favorece la extracción de compuestos vegetales mediante la ruptura celular, de modo que las biomoléculas atrapadas se liberan de la matriz celular de la planta. Además, las fuerzas de cavitación intensifican la transferencia de masa y transportan eficazmente biomoléculas como la artemisinina al disolvente circundante. El principio de funcionamiento de la extracción ultrasónica puede atribuirse a las fuerzas puramente mecánicas de la cavitación. Esto significa que la sonicación es una técnica de extracción no térmica y no química. Su carácter no térmico hace que la extracción ultrasónica sea especialmente favorable, ya que la artemisinina es un compuesto termosensible, lo que significa que las temperaturas elevadas (p. ej., 70 °C) provocan su descomposición. Por consiguiente, no se podría hervir Artemisia annua L. en agua caliente para obtener artemisinina.

Disolventes ecológicos para la extracción ultrasónica de artemisinina

Los disolventes clásicos utilizados para la producción de artemisinina incluyen hexano, éter de petróleo o diclorometano. La extracción mediante ultrasonidos es compatible con cualquier disolvente, incluidos disolventes suaves y ecológicos como el etanol o el agua. La extracción ultrasónica de artemisinina con etanol es igual de eficiente que con disolventes agresivos. Dado que la artemisinina presenta una baja solubilidad en agua, pueden utilizarse ciclodextrinas para mejorar su extracción ultrasónica con agua fría.

¿Qué hace que la extracción ultrasónica de artemisinina sea tan eficiente?

Para comprender las ventajas de la extracción asistida por ultrasonidos, es necesario conocer el principio de funcionamiento de los ultrasonidos de potencia. El mecanismo por el que los ultrasonidos de potencia intensifican la extracción se atribuye principalmente al fenómeno de la cavitación acústica. La cavitación ultrasónica provoca colisiones entre las partículas de la biomasa vegetal (como las hojas de Artemisia annua L.), lo que da lugar al fraccionamiento interparticular y a la reducción del tamaño de las partículas. Cuando las burbujas de cavitación colapsan sobre la superficie de los sólidos vegetales, la erosión y la sonoporación aumentan aún más la superficie de las partículas. La transferencia de masa así intensificada facilita la liberación de moléculas como proteínas, lípidos, azúcares, vitaminas, antioxidantes, compuestos fitoquímicos (p. ej., artemisinina) y fibras alimentarias. Las fuerzas de cizallamiento generadas por ultrasonidos mejoran la penetración del disolvente en la matriz celular de la materia vegetal y la permeabilidad de las membranas celulares, respectivamente. Estos mecanismos de los ultrasonidos de potencia son responsables de la considerable intensificación del proceso que se logra al aplicar la sonicación a la extracción de compuestos vegetales.

Las ondas de ultrasonidos de potencia rompen la estructura celular del material vegetal, liberan los compuestos bioactivos y favorecen la transferencia de masa entre el material vegetal y el disolvente (p. ej., etanol).

Resultados de la extracción ultrasónica de artemisinina demostrados por la investigación

Se han realizado varios estudios científicos para investigar la eficiencia y la viabilidad práctica de la extracción ultrasónica de artemisinina a partir de hojas de Artemisia annua.

Briars y Paniwnyk demostraron «que los ultrasonidos a bajas temperaturas aumentan en aproximadamente un 58% el rendimiento de artemisinina extraída de A. annua y que los extractos parecen más puros en comparación con la maceración convencional; por tanto, el uso de ultrasonidos durante la extracción tiene el potencial de producir tratamientos basados en artemisinina de menor coste». (Briars and Paniwnyk, 2013)

Zhang et al. (2017) investigaron la extracción ultrasónica de artemisinina utilizando éter metílico de propilenglicol (PGME) como disolvente. El extracto de artemisinina producido por ultrasonidos se analizó mediante cromatografía líquida de ultra alto rendimiento (UPLC). Los resultados del análisis confirmaron la calidad del extracto. Debido a la buena repetibilidad del proceso y a la estabilidad de la artemisinina extraída, la extracción asistida por ultrasonidos con el monoéter ecológico y eficiente éter metílico de propilenglicol (PGME) como disolvente ofrece grandes perspectivas para la extracción y separación de moléculas bioactivas a partir de material vegetal. La extracción ultrasónica con éter metílico de propilenglicol (PGME) como disolvente dio lugar a una elevada eficiencia global de extracción y a altos rendimientos de artemisinina. (cf. Zhang et al., 2017)

En otro estudio, Zhang et al. (2020) presentan la extracción ultrasónica de artemisinina utilizando hidroxipropil-β-ciclodextrina. La adición de ciclodextrina mejora la liberación de la artemisinina, un compuesto poco soluble en agua, y permite utilizar agua como disolvente con buenos rendimientos de extracción. La extracción ultrasónica en combinación con ciclodextrina aumentó la cantidad de artemisinina a 8,66 mg/g, significativamente superior a la cantidad correspondiente de 1,70 mg/g obtenida en agua.

Extractores ultrasónicos de alto rendimiento para la producción de artemisinina

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Ultrasonicadores de alto rendimiento y de última generación

Las funciones inteligentes de los ultrasonicadores Hielscher están diseñadas para garantizar un funcionamiento fiable, resultados reproducibles y facilidad de uso. Los ajustes de funcionamiento pueden consultarse y configurarse fácilmente mediante un menú intuitivo, accesible desde una pantalla táctil digital en color y mediante control remoto desde un navegador. Así, todas las condiciones de procesamiento, como la energía neta, la energía total, la amplitud, el tiempo, la presión y la temperatura, se registran automáticamente en una tarjeta SD integrada. Esto permite revisar y comparar ciclos de sonicación anteriores y optimizar el proceso de extracción de artemisinina para alcanzar la máxima eficiencia.
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