Extracción ultrasónica de antocianinas

Las antocianinas se utilizan ampliamente como colorante natural y aditivo nutricional en productos alimentarios. La extracción por ultrasonidos es una técnica muy eficaz y sencilla para obtener antocianinas de alta calidad. El uso de sonicadores tipo sonda favorece la liberación de antocianinas de alta calidad de las plantas, lo que se traduce en un mayor rendimiento y un proceso rápido. Al mismo tiempo, la sonicación es una técnica suave, ecológica y eficaz para la producción industrial de antocianinas de calidad alimentaria y farmacéutica.

antocianinas – Cómo extraer antocianinas de alta calidad con un sonicador

Las antocianinas se utilizan ampliamente como colorantes naturales en la industria alimentaria. Presentan un amplio espectro de tonos de color, que van del naranja al rojo, pasando por el púrpura y el azul, en función de la estructura molecular y el valor del pH. El interés por las antocianinas no se basa únicamente en su efecto colorante, sino también en sus propiedades beneficiosas para la salud. Debido a la creciente preocupación por el medio ambiente y la salud en relación con los colorantes sintéticos, los colorantes naturales son una gran alternativa como colorante respetuoso con el medio ambiente para la industria alimentaria y farmacéutica.

Extracción de antocianinas mejorada por ultrasonidos

¿Cómo extraer antocianinas con ultrasonidos? – Casos prácticos

Extracción Ultrasónica de Antocianinas del Arroz Morado Oryza Sativa L.

El arroz violeta de la cepa Oryza Sativa (también conocido como Nori violeta o arroz violeta) es extraordinariamente rico en fenólicos como el grupo favonoide de las antocianinas. Turrini et al. (2018) utilizaron la extracción ultrasónica para aislar polifenoles como antocianinas y antioxidantes de la cariópside (en forma entera, marrón y sancochada) y de las hojas del arroz violeta. La extracción ultrasónica se llevó a cabo utilizando un equipo Hielscher UP200St (200W, 26kHz, fig. izquierda) y etanol 60% como disolvente.
Para preservar la integridad de las antocianinas, los extractos ultrasónicos se almacenaron a -20°C, lo que permitió conservarlos al menos hasta tres meses.
El cianidin-3-glucósido (también conocido como crisantemín) fue con diferencia la principal antocianina detectada en los cultivares "Violet Nori", "Artemide" y "Nerone" investigados en el estudio de Turrini et al., mientras que el peonidin-3-glucósido y el cianidin-3-rutinósido (también antirrinina) se encontraron en cantidades menores.
Las hojas violetas de Oryza Sativa son una excelente fuente de antocianinas y de contenido fenólico total (TPC). Con una cantidad aprox. 2-3 veces superior a las del arroz y la harina, las hojas de Oryza presentan una materia prima barata para la extracción de antocianinas. El rendimiento estimado de unos 4 kg de antocianinas/t de hojas frescas es significativamente superior al de 1 kg de antocianinas/t de arroz, calculado sobre la base de las cantidades medias de antocianinas detectadas en el arroz "Violet Nori" (1300 µg/g de arroz, como cianidina-3-glucósido) para un rendimiento de unos 68 kg de arroz a partir de 100 kg de paddy.

Extracción ultrasónica de antocianinas de la lombarda

Ravanfar et al. (2015) han investigado la eficiencia de la extracción ultrasónica de antocianinas de la col lombarda. Los experimentos de extracción por ultrasonidos se llevaron a cabo utilizando el sistema de ultrasonidos UP100H (Ultrasonidos Hielscher, 30 kHz, 100 W). El sonotrodo MS10 (10 mm de diámetro de la punta) se insertó en el centro de un vaso de vidrio con camisa y temperatura controlada.

Para este experimento se utilizaron trozos de lombarda recién cortados de 5 mm de dimensión (forma cúbica) y 92,11 ± 0,45 % de contenido de humedad. Se llenó un vaso de vidrio encamisado (volumen: 200 ml) con 100 ml de agua destilada y 2 g de trozos de lombarda. El vaso se cubrió con papel de aluminio para evitar la pérdida de disolvente (agua) por evaporación durante el proceso. En todos los experimentos, la temperatura del vaso se mantuvo mediante un regulador termostático. Finalmente se recogieron las muestras, se filtraron y se centrifugaron a 4000rpm y los sobrenadantes se utilizaron para determinar el rendimiento de antocianinas. La extracción en baño de agua se realizó como experimento de control.
El rendimiento óptimo de antocianina de la col lombarda se determinó con una potencia de 100 W, un tiempo de 30 min y una temperatura de 15°C, lo que dio como resultado un rendimiento de antocianina de unos 21 mg/L.
Debido a sus cambios de color en función del valor de pH y a su intensa coloración, el colorante de lombarda se ha utilizado como indicador de pH en formulaciones farmacéuticas o como antioxidante y colorante en sistemas alimentarios, respectivamente.

Los ultrasonidos intensifican notablemente la extracción de antocianinas del material vegetal.
fuente: Ravanfar et al. 2015

 
Otros estudios demuestran el éxito de la extracción por ultrasonidos de antocianinas de arándanos, moras, uvas, cerezas, fresas y boniato morado, entre otros.

Extractores ultrasónicos de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics está especializada en la fabricación de procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para la producción de extractos de alta calidad a partir de productos botánicos.
La amplia cartera de sonicadores de Hielscher abarca desde pequeños y potentes ultrasonidos de laboratorio hasta robustos sistemas de sobremesa y totalmente industriales, que proporcionan ultrasonidos de alta intensidad para la extracción y el aislamiento eficaces de sustancias bioactivas (por ejemplo, antocianinas), gingerol, piperina, curcumina etc.).
Todos los ultrasonicadores de 200W a 16,000W disponen de una pantalla táctil en color para el control digital, una tarjeta SD integrada para el registro automático de datos, control remoto mediante navegador y muchas más funciones de fácil manejo. Los sonotrodos y las celdas de flujo (las partes que están en contacto con el medio) pueden esterilizarse en autoclave y son fáciles de limpiar.
Los sonicadores Hielscher son muy robustos y están construidos para funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana, a plena carga, al tiempo que requieren poco mantenimiento y son fáciles y seguros de manejar. Una pantalla digital en color permite un control sencillo del ultrasonido.
Nuestros sistemas son capaces de suministrar desde amplitudes bajas hasta muy altas. Para la extracción de cannabinoides y terpenos, ofrecemos sonotrodos ultrasónicos especiales (también conocidos como sondas o cuernos ultrasónicos) que están optimizados para el aislamiento sensible de sustancias activas de alta calidad. Todos nuestros sistemas pueden utilizarse para la extracción y posterior emulsificación de cannabinoides. La robustez de los sonicadores de Hielscher permite un funcionamiento continuo (24/7) en servicio pesado y en entornos exigentes.

El control preciso de los parámetros del proceso ultrasónico garantiza la reproducibilidad y la estandarización del proceso.
 

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Literatura / Referencias

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Información interesante

¿Cómo funciona la extracción asistida por ultrasonidos?

La aplicación de ondas ultrasónicas intensas a un medio líquido produce cavitación. El fenómeno de cavitación conduce localmente a temperaturas extremas, presiones, velocidades de calentamiento/enfriamiento, diferenciales de presión y elevadas fuerzas de cizallamiento en el medio. Cuando las burbujas de cavitación implosionan en la superficie de los sólidos (como partículas, células vegetales, tejidos, etc.), los microchorros y la colisión interparticular generan efectos como el pelado de la superficie, la erosión y la rotura de las partículas. Además, la implosión de burbujas de cavitación en medios líquidos crea macroturbulencias y micromezclas.
La irradiación ultrasónica del material vegetal fragmenta la matriz de las células vegetales y mejora la hidratación de las mismas. Chemat et al. (2015) concluyen que la extracción ultrasónica de compuestos bioactivos de productos botánicos es el resultado de diferentes mecanismos independientes o combinados, como la fragmentación, la erosión, la capilaridad, la detexturación y la sonoporación. Estos efectos alteran la pared celular, mejoran la transferencia de masa empujando el disolvente hacia el interior de la célula y succionando el disolvente cargado de fitocompuestos hacia el exterior, y garantizan el movimiento del líquido por micromezcla.

La extracción por ultrasonidos se basa en la cavitación acústica y sus fuerzas de cizallamiento hidrodinámicas

La irradiación ultrasónica del material vegetal fragmenta la matriz de las células vegetales y mejora la hidratación de las mismas. Chemat et al. (2015) concluyen que la extracción ultrasónica de compuestos bioactivos a partir de productos botánicos es el resultado de diferentes mecanismos independientes o combinados que incluyen la fragmentación, la erosión, la capilaridad, la detexturación y la sonoporación. Estos efectos alteran la pared celular, mejoran la transferencia de masa empujando el disolvente hacia el interior de la célula y succionando el disolvente cargado de fitocompuestos hacia el exterior, y garantizan el movimiento del líquido por micromezcla.
La extracción por ultrasonidos consigue un aislamiento muy rápido de los compuestos, superando a los métodos de extracción convencionales en menor tiempo de proceso, mayor rendimiento y a temperaturas más bajas. Como tratamiento mecánico suave, la extracción asistida por ultrasonidos evita la degradación térmica de los componentes bioactivos y destaca en comparación con otras técnicas como la extracción convencional con disolventes, la hidrodestilación o la extracción Soxhlet, que se sabe que destruyen las moléculas sensibles al calor. Debido a estas ventajas, la extracción ultrasónica es la técnica preferida para la liberación de compuestos bioactivos sensibles a la temperatura a partir de productos botánicos.

Extracción ultrasónica de células vegetales: la sección transversal microscópica (TS) muestra el mecanismo de acciones durante la extracción ultrasónica de células (aumento 2000x) [recurso: Vilkhu et al. 2011].

antocianina – Un valioso pigmento vegetal

Las antocianinas son pigmentos vacuolares de las plantas, que pueden ser de color rojo, púrpura, azul o negro. La expresión del color de los pigmentos antociánicos hidrosolubles depende de su valor de pH. Las antocianinas se encuentran en la vacuola celular, sobre todo en flores y frutos, pero también en hojas, tallos y raíces, donde se hallan sobre todo en capas celulares externas como la epidermis y las células mesófilas periféricas.
Los más frecuentes en la naturaleza son los glucósidos de cianidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina y petunidina.
Algunos ejemplos destacados de plantas ricas en antocianinas son las especies vaccinium, como el arándano, el arándano rojo y el arándano rojo; las bayas Rubus, como la frambuesa negra, la frambuesa roja y la zarzamora; la grosella negra, la cereza, la berenjena, el arroz negro, el ube, el boniato de Okinawa, la uva Concord, la uva muscadine, la lombarda y los pétalos de violeta. Los melocotones y las manzanas de pulpa roja contienen antocianinas. Las antocianinas son menos abundantes en el plátano, el espárrago, el guisante, el hinojo, la pera y la patata, y pueden estar totalmente ausentes en ciertos cultivares de grosellas verdes.

Estructura de las principales antocianinas

Las antocianinas son una gran alternativa para sustituir a los colorantes sintéticos en los productos alimentarios. Las antocianinas están autorizadas para su uso como colorantes alimentarios en la Unión Europea, Australia y Nueva Zelanda, con el código de colorante E163. Las antocianinas se encuentran en frutas y verduras y pueden describirse como un tipo de pigmentos vegetales solubles en agua. Químicamente, las antocianinas son glucósidos de antocianidinas basados en la estructura 2-fenilbenzofirilio (flavilio). Hay más de 200 fitoquímicos distintos que entran en la categoría de las antocianinas. Como principal pigmento colorante de frutas y bayas silvestres, hay muchas fuentes de las que se pueden extraer antocianinas. Una fuente destacada de antocianinas es la piel de las uvas. Los pigmentos antociánicos de la piel de la uva consisten principalmente en di-glucósidos, mono-glucósidos, monoglucósidos acilados, así como di-glucósidos acilados de peonidina, malvidina, cianidina, petunidina y delfinidina. El contenido de antocianinas en las uvas varía entre 30 y 750 mg/100 g.
Las antocianinas más destacadas son la cianidina, la delfinidina, la pelargonidina, la peonidina, la malvidina y la petunidina.
Por ejemplo, las antocianinas peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside, y cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside se encuentran en las batatas moradas.

antocianinas – Beneficios para la salud

Además de su gran capacidad para funcionar como colorante alimentario natural, las antocianinas son muy apreciadas por sus efectos antioxidantes. Por lo tanto, las antocianinas muestran muchos efectos positivos para la salud. Las investigaciones han demostrado que las antocianinas pueden inhibir los daños en el ADN de las células cancerosas, inhibir las enzimas digestivas, inducir la producción de insulina en células pancreáticas aisladas, reducir las respuestas inflamatorias, proteger contra el deterioro de la función cerebral relacionado con la edad, mejorar la estanqueidad de los vasos sanguíneos capilares y prevenir la agregación de trombocitos.