Extracción ultrasónica de antocianinas

Las antocianinas se utilizan ampliamente como colorantes naturales y aditivos nutricionales en productos alimentarios. La extracción ultrasónica es una técnica sencilla y muy eficiente para obtener antocianinas de alta calidad. El uso de sonicadores de sonda favorece la liberación de antocianinas de alta calidad de las plantas, lo que permite obtener mayores rendimientos mediante un proceso rápido. Al mismo tiempo, la sonicación es una técnica suave, ecológica y eficiente 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 tonalidades, desde el naranja y el rojo hasta el púrpura y el azul, según su estructura molecular y el valor de pH. El interés por las antocianinas se debe tanto a su efecto colorante como a sus propiedades beneficiosas para la salud. Ante la creciente preocupación por los efectos de los colorantes sintéticos sobre el medio ambiente y la salud, los colorantes naturales constituyen una excelente alternativa respetuosa con el medio ambiente para las industrias alimentaria y farmacéutica.

Extracción de antocianinas mejorada mediante ultrasonidos

¿Cómo extraer antocianinas con ultrasonidos? – Casos prácticos

Extracción ultrasónica de antocianinas del arroz morado Oryza Sativa L.

El arroz morado de la variedad Oryza Sativa (también conocido como Violet Nori o arroz violeta) es extraordinariamente rico en compuestos fenólicos, como las antocianinas, que pertenecen al grupo de los flavonoides. Turrini et al. (2018) utilizaron la extracción ultrasónica para aislar compuestos polifenólicos, como antocianinas y antioxidantes, de la cariópside (en forma entera, integral y vaporizada) y de las hojas del arroz morado. La extracción ultrasónica se realizó con un equipo Hielscher UP200St (200 W, 26 kHz, imagen de la izquierda) y etanol al 60% como disolvente.
Para preservar la integridad de las antocianinas, los extractos ultrasónicos se almacenaron a −20 °C, lo que permitió conservarlos durante al menos hasta tres meses.
La cianidina-3-glucósido (también conocida como crisantemina) 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 la peonidina-3-glucósido y la cianidina-3-rutinósido (también conocida como antirrinina) se encontraron en menores cantidades.
Las hojas violetas de Oryza Sativa son una excelente fuente de antocianinas y de contenido fenólico total (TPC). Con una cantidad aproximadamente 2–3 veces mayor que la del arroz y la harina, las hojas de Oryza constituyen una materia prima económica 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 a partir de las cantidades medias de antocianinas detectadas en el arroz ‘Violet Nori’ (1300 µg/g de arroz, expresadas como cianidina-3-glucósido), para un rendimiento de unos 68 kg de arroz a partir de 100 kg de arroz con cáscara.

Extracción ultrasónica de antocianinas de la col lombarda

Ravanfar et al. (2015) investigaron la eficiencia de la extracción ultrasónica de antocianinas de la col lombarda. Los experimentos de extracción ultrasónica se realizaron con el sistema ultrasónico UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). El sonotrodo MS10 (diámetro de la punta de 10 mm) se introdujo en el centro de un vaso de precipitados de vidrio encamisado con control de temperatura.

Para este experimento se utilizaron trozos de col lombarda recién cortados de 5 mm de lado (forma cúbica) y con un contenido de humedad del 92,11 ± 0,45 %. Se llenó un vaso de precipitados de vidrio encamisado (volumen: 200 ml) con 100 ml de agua destilada y 2 g de trozos de col 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 controlador termostático. Finalmente, las muestras se recogieron, filtraron y centrifugaron a 4000rpm, y los sobrenadantes se utilizaron para determinar el rendimiento de antocianinas. Como experimento de control se realizó una extracción en baño de agua.
El rendimiento óptimo de antocianinas de la col lombarda se obtuvo con una potencia de 100 W, un tiempo de 30 min y una temperatura de 15 °C, con un rendimiento de antocianinas de aproximadamente 21 mg/L.
Debido a sus cambios de color en función del valor de pH y a su intensa capacidad colorante, el colorante de la col lombarda se ha utilizado como indicador de pH en formulaciones farmacéuticas y como antioxidante y colorante en sistemas alimentarios, respectivamente.

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

 
Otros estudios demuestran la eficacia de la extracción ultrasónica de antocianinas de arándanos azules, 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 material vegetal.
La amplia gama de sonicadores Hielscher abarca desde pequeños y potentes ultrasonicadores de laboratorio hasta robustos sistemas de sobremesa y equipos plenamente industriales, que suministran ultrasonidos de alta intensidad para la extracción y el aislamiento eficientes de sustancias bioactivas (p. ej., antocianinas, gingerol, piperina, curcumina etc.).
Todos los ultrasonicadores de 200 W a 16.000 W incorporan 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 otras funciones que facilitan su uso. Los sonotrodos y las celdas de flujo (las piezas que están en contacto con el medio) pueden esterilizarse en autoclave y son fáciles de limpiar.
Los sonicadores Hielscher son muy robustos y están diseñados para funcionar 24/7 a plena carga, con escasas necesidades de mantenimiento y un manejo sencillo y seguro. Una pantalla digital en color permite controlar el ultrasonicador de forma intuitiva.
Nuestros sistemas pueden suministrar amplitudes desde bajas hasta muy altas. Para la extracción de cannabinoides y terpenos, ofrecemos sonotrodos ultrasónicos especiales (también conocidos como sondas o bocinas ultrasónicas) optimizados para el aislamiento delicado de sustancias activas de alta calidad. Todos nuestros sistemas pueden utilizarse para la extracción y la posterior emulsificación de cannabinoides. La robustez de los sonicadores Hielscher permite el funcionamiento continuo (24/7) en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.

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

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:

Bibliografía / 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 de interés

¿Cómo funciona la extracción asistida por ultrasonidos?

La aplicación de ondas ultrasónicas intensas a un medio líquido produce cavitación. El fenómeno de cavitación genera localmente temperaturas, presiones, velocidades de calentamiento/enfriamiento y diferencias de presión extremas, así como elevadas fuerzas de cizallamiento en el medio. Cuando las burbujas de cavitación implosionan sobre la superficie de sólidos (como partículas, células vegetales, tejidos, etc.), los microchorros y las colisiones entre partículas generan efectos como desprendimiento superficial, erosión y fragmentación de partículas. Además, la implosión de burbujas de cavitación en medios líquidos crea macroturbulencias y micromezcla.
La irradiación ultrasónica del material vegetal fragmenta la matriz de las células vegetales y mejora su hidratación. Chemat et al (2015) concluyen que la extracción ultrasónica de compuestos bioactivos del material vegetal es el resultado de distintos mecanismos independientes o combinados, como la fragmentación, la erosión, la capilaridad, la desestructuración y la sonoporación. Estos efectos rompen la pared celular, mejoran la transferencia de masa al impulsar el disolvente hacia el interior de la célula y extraer por succión el disolvente cargado de compuestos vegetales, y garantizan el movimiento del líquido mediante micromezcla.

La extracción ultrasónica 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 su hidratación. Chemat et al. (2015) concluyen que la extracción ultrasónica de compuestos bioactivos del material vegetal es el resultado de distintos mecanismos independientes o combinados, como la fragmentación, la erosión, la capilaridad, la desestructuración y la sonoporación. Estos efectos rompen la pared celular, mejoran la transferencia de masa al impulsar el disolvente hacia el interior de la célula y extraer por succión el disolvente cargado de compuestos vegetales, y garantizan el movimiento del líquido mediante micromezcla.
La extracción ultrasónica permite aislar compuestos con gran rapidez – supera a los métodos de extracción convencionales gracias a un menor tiempo de proceso, un mayor rendimiento y temperaturas más bajas. Como tratamiento mecánico suave, la extracción asistida por ultrasonidos evita la degradación térmica de los componentes bioactivos y ofrece mejores resultados que otras técnicas, como la extracción convencional con disolventes, la hidrodestilación o la extracción Soxhlet, que destruyen moléculas sensibles al calor. Debido a estas ventajas, la extracción ultrasónica es la técnica preferida para liberar compuestos bioactivos sensibles a la temperatura del material vegetal.

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

Antocianina – Un valioso pigmento vegetal

Las antocianinas son pigmentos vegetales vacuolares que pueden presentar colores rojos, púrpuras, azules o negros. El color que manifiestan estos pigmentos hidrosolubles depende de su valor de pH. Las antocianinas se encuentran en la vacuola celular, principalmente en flores y frutos, pero también en hojas, tallos y raíces, donde se localizan sobre todo en las capas celulares externas, como la epidermis y las células periféricas del mesófilo.
Los glucósidos más frecuentes en la naturaleza son los de cianidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina y petunidina.
Entre los ejemplos destacados de plantas ricas en antocianinas se encuentran las especies de vaccinium, como los arándanos azules, los arándanos rojos y los arándanos silvestres; los frutos de Rubus, incluidas las frambuesas negras, las frambuesas rojas y las moras; la grosella negra, la cereza, la berenjena, el arroz negro, el ube, el boniato de Okinawa, la uva Concord, la uva muscadina, la col 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 determinados cultivares de grosellas espinosas verdes.

Estructura de las principales antocianinas

Las antocianinas constituyen una excelente alternativa para sustituir los colorantes sintéticos en productos alimentarios. Su uso como colorantes alimentarios está autorizado 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 pigmento vegetal hidrosoluble. Químicamente, las antocianinas son glucósidos de antocianidinas basados en la estructura denominada 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Existen más de 200 compuestos fitoquímicos distintos que pertenecen a la categoría de las antocianinas. Como las antocianinas son uno de los principales pigmentos de los frutos silvestres y las bayas, existen numerosas fuentes de las que pueden extraerse. Una fuente destacada de antocianinas es la piel de las uvas. Los pigmentos antociánicos de la piel de la uva están formados principalmente por diglucósidos, monoglucósidos, monoglucósidos acilados y diglucósidos acilados de peonidina, malvidina, cianidina, petunidina y delfinidina. El contenido de antocianinas en las uvas varía entre 30-750 mg/100g.
Las antocianinas más destacadas son la cianidina, la delfinidina, la pelargonidina, la peonidina, la malvidina y la petunidina.
Por ejemplo, en los boniatos morados se encuentran las antocianinas peonidina-3-cafeoil-p-hidroxibenzoil soforósido-5-glucósido, peonidina-3-(6″-cafeoil-6‴-feruloil soforósido)-5-glucósido y cianidina-3-cafeoil-p-hidroxibenzoil soforósido-5-glucósido.

Antocianinas – Beneficios para la salud

Además de su gran capacidad para actuar como colorantes alimentarios naturales, las antocianinas son muy apreciadas por sus efectos antioxidantes. Por ello, presentan numerosos efectos positivos para la salud. Las investigaciones han demostrado que las antocianinas pueden inhibir el daño al ADN en células cancerosas, inhibir enzimas digestivas, inducir la producción de insulina en células pancreáticas aisladas, reducir las respuestas inflamatorias, proteger frente al deterioro de la función cerebral asociado a la edad, mejorar la estanqueidad de los vasos sanguíneos capilares y prevenir la agregación plaquetaria.