Estrazione degli alcaloidi con l'ausilio di una sonda-ultrasuoni
Gli alcaloidi sono composti bioattivi che possono essere estratti efficacemente dalle piante mediante ultrasuoni. Gli alcaloidi presentano un'ampia gamma di effetti biologici e sono quindi utilizzati come prodotti farmaceutici e terapeutici. L'estrazione a ultrasuoni è la tecnica preferita per produrre estratti di alcaloidi di alta qualità da materiale vegetale. L'estrazione a ultrasuoni consente di ottenere rese alcaloidi molto elevate, mentre il tempo di estrazione è breve e l'apparecchiatura a ultrasuoni è sicura e facile da usare.
Estrazione di alcaloidi ad alta efficienza mediante ultrasuoni elettrici
In che modo l'estrazione a ultrasuoni favorisce l'isolamento degli alcaloidi?
L'estrazione a ultrasuoni utilizza onde ultrasonore a bassa frequenza (ad esempio, 20-26 kHz) e l'effetto di cavitazione acustica degli ultrasuoni. Le onde ultrasonore ad alta intensità creano bolle di cavitazione che collassano, generando differenziali di pressione e temperatura ad alta densità energetica e potenti forze di taglio, che perforano e rompono le pareti delle cellule e i tessuti vegetali. Il flusso di liquido generato dalla cavitazione favorisce il trasferimento di massa tra la matrice intracellulare e il solvente circostante, in modo che gli alcaloidi vengano rilasciati in modo efficiente. Per l'estrazione degli alcaloidi con gli ultrasuoni, il materiale vegetale (ad esempio, foglie secche macinate) viene posto in un solvente, che di solito è una miscela di acqua e un solvente organico come l'etanolo acquoso. I solventi polari, come il metanolo e l'etanolo, si sono rivelati i più efficaci per ottenere elevate rese di alcaloidi. Dopo un breve trattamento a ultrasuoni dello slurry – costituito da materiale vegetale e solvente – gli alcaloidi vengono rilasciati dalle cellule vegetali e sono presenti nel solvente, dal quale possono essere isolati e purificati (ad esempio, utilizzando un rotore-evaporatore).

ultrasuonatore UP400St per l'estrazione degli alcaloidi dal materiale vegetale.
Principali vantaggi dell'estrazione di alcaloidi a ultrasuoni
L'estrazione a ultrasuoni è considerata una tecnica di estrazione superiore per l'isolamento degli alcaloidi dai materiali vegetali in quanto offre diversi vantaggi, tra cui:
- Maggiore efficienza di estrazione: L'estrazione a ultrasuoni può aumentare la resa degli alcaloidi di oltre il 200% rispetto ai metodi di estrazione tradizionali.
- Riduzione dei tempi di estrazione: L'estrazione a ultrasuoni può ridurre significativamente il tempo di estrazione, consentendo un trattamento più rapido ed efficiente di grandi volumi di materiale vegetale.
- Minor consumo di solventi: L'estrazione a ultrasuoni può ridurre la quantità di solvente necessaria per l'estrazione, con conseguente riduzione del consumo di solvente e dell'impatto ambientale.
- Estrazione selettiva: L'estrazione a ultrasuoni può essere utilizzata per estrarre selettivamente alcuni alcaloidi scegliendo il solvente adatto, i parametri del processo e la temperatura di estrazione. Poiché i composti indesiderati vengono abbandonati, la purezza del prodotto finale viene migliorata.
- Facile da scalare: L'estrazione a ultrasuoni può essere facilmente scalata per gestire volumi maggiori di materiale vegetale, rendendola adatta alla produzione commerciale. I processi a ultrasuoni possono essere scalati linearmente, il che facilita l'implementazione su scala industriale.
Nel complesso, l'estrazione a ultrasuoni offre un approccio più rapido, efficiente ed ecologico all'isolamento degli alcaloidi dai materiali vegetali.
Estrazione ultrasonica di alcaloidi dalle foglie dell'albero di Soursop
Nolasco-González et al. (2022) hanno studiato l'efficacia e l'efficienza dell'estrazione a ultrasuoni di composti bioattivi, tra cui composti fenolici, alcaloidi e acetogenine (tutti con elevata capacità antiossidante) dalle foglie della specie vegetale Annona muricata (albero di soursop). Per l'estrazione a ultrasuoni è stato utilizzato l'ultrasuonatore a sonda UP400S alle seguenti condizioni: 80% di ampiezza, ciclo di impulsi di 0,7 s, per 4,54 minuti. I fenoli totali solubili (TSP) sono stati estratti utilizzando 0,5 g di polvere di foglie essiccate e 20 mL di acetone: acqua (80:20 v/v). L'estratto prodotto con gli ultrasuoni conteneva 178,48 mg/100 mL di fenoli solubili, 20,18 mg/100 mL di flavonoidi totali, 27,81 mg/100 mL di polifenoli idrolizzabili, 167,07 mg/100 mL di tannini condensati, 30,44 mg/100 mL di alcaloidi totali e 14,62 mg/100 mL di acetogenine totali. L'estratto isolato con l'ultrasuonatore a sonda U400S (vedi foto a sinistra) ha mostrato un'elevata capacità antiossidante e un contenuto di composti bioattivi superiore da ~6 a ~927 volte rispetto al decotto o all'infuso, a seconda del tipo di composto. Nei campioni sono stati identificati ventiquattro diversi composti fenolici e l'estratto isolato con gli ultrasuoni ha prodotto la concentrazione più alta.
[cfr. Nolasco-González et al., 2022].

Capacità antiossidante degli estratti ottenuti con le condizioni ottimali di estrazione assistita da ultrasuoni (UAE), decotto e infusione. Gli estratti ad ultrasuoni mostrano costantemente una capacità antiossidante significativamente più elevata.
(Studio e grafico: ©Nolasco-González et al., 2022)

Cromatogramma HPLC dei composti fenolici dell'estratto isolato a ultrasuoni di foglie di Annona muricata utilizzando l'ultrasuonatore UP400S.
(1) acido shikimico, (2) acido gallico, (3) acido protocatecuico, (4) acido neoclorogenico,
(5) acido 3,4-diidrossifenilacetico, (6) acido 4-idrossibenzoico, (7) acido clorogenico, (8) 4-idrossifenilacetico, (9) acido vanillico, (10) acido siringico, (11) acido 3-idrossibenzoico, (12) acido caffeico, (13) 4-idrossibenzaldeide, (14) acido omovanillico, (15) 3-(4-idrossifenile), (16) acido p-cumarico, (17) acido trans-ferulico, (18) acido trans-cinnamico, (19) gallocatechina, (20) epigallocatechina, (21) catechina, (22) epicatechina, (23) rutina, (24) acido ellagico.
(Studio e grafico: ©Nolasco-González et al., 2022)
Lee et al. (2021) hanno ottenuto risultati simili e confermati, riportando una quantità di alcaloidi 2,3 volte superiore dalle foglie di A. muricata estratte con ultrasuoni (340 W, 56◦C, 30 min) rispetto all'estrazione Soxhlet (7 h, 80◦C).

Estrattore a ultrasuoni UIP1000hdT con agitatore per l'estrazione degli alcaloidi in modalità batch.
Estrazione di alcaloidi indolici dalla corteccia di radice di mimosa e dall'ayahuasca con l'uso di un ultrasuonatore
La corteccia della radice di mimosa e le foglie di ayahuasca contengono l'alcaloide N,N-dimetiltriptamina (DMT). La dimetiltriptamina (DMT) è attualmente oggetto di studi clinici per i suoi effetti allucinogeni e quindi come potenziale farmaco per il trattamento della depressione e dei disturbi da stress post-traumatico (PTSD). Gli ultrasuoni favoriscono efficacemente il rilascio e l'isolamento dell'alcaloide dalle radici di Mimosa hostilis e dalle foglie di Psychotria viridis (ayahuasca). L'estrazione a ultrasuoni della DMT produce rese elevate in tempi molto brevi. Compatibili con quasi tutti i solventi, gli ultrasonici Hielscher a sonda sono utilizzati per la produzione di composti bioattivi di qualità farmaceutica da utilizzare in ambito medico e di ricerca, nonché per la preparazione dei campioni prima dei test analitici di qualità e potenza. Pertanto, gli ultrasuonatori Hielscher possono facilitare la ricerca medica sulla DMT e sulla botanica in molti modi.
La fonte più comune dell'alcaloide indolico N,N-dimetiltriptamina (DMT) nell'albero di jurema proviene dalle radici della Mimosa hostilis (comunemente nota come jurema preta). Ayahuasca è il nome tradizionale di un'altra specie vegetale, in cui le foglie dell'arbusto Psychotria viridis sono ricche di DMT.
Sia la corteccia della radice di mimosa (anche mimosa tenuiflora, Mimosa Hostilis Root Bark; abbreviato MHRB) che le foglie di ayahuasca contengono vari composti bioattivi, che sono attualmente oggetto di studi clinici sul loro potenziale terapeutico. La corteccia della radice di mimosa contiene tannini, saponine, triptamine, alcaloidi, lipidi, fitoindoli, xilosio, fitosteroli, glucosidi, ramnosio, arabinosio, metossicalconi, lupeolo e kukulkanine. Questi composti bioattivi possono essere estratti efficacemente dalla corteccia della radice utilizzando ultrasuoni a sonda. L'estrazione a ultrasuoni è una tecnica superiore per isolare sostanze target come gli alcaloidi da materiale botanico come la corteccia della radice di mimosa e le foglie di ayahuasca. La sonicazione eccelle in quanto fornisce rese elevate in un tempo di estrazione molto breve. Le condizioni di processo delicate garantiscono la massima qualità dell'estratto, evitando la degradazione indesiderata delle molecole attive.

Configurazione dell'estrazione per l'isolamento botanico: Ultrasuonatore a sonda UP400ST, filtro sottovuoto Büchi e rotore-evaporatore per l'estrazione di sostanze fitochimiche come alcaloidi e fenoli.

Estrattore a ultrasuoni UIP2000hdT con lotto in acciaio inox di qualità farmaceutica per la produzione industriale di estratti di alcaloidi.
Ultrasuonatori Hielscher per un'estrazione efficiente degli alcaloidi
Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni, utilizzati per la ricerca scientifica e la produzione di estratti di qualità farmaceutica.
Efficienza di estrazione superiore:L'estrazione assistita da ultrasuoni è una tecnica scientificamente provata con una straordinaria efficienza nell'estrazione di composti bioattivi dalle piante. Mentre i metodi tradizionali richiedono spesso molto tempo (da diverse ore a giorni), l'estrazione botanica a ultrasuoni richiede solo pochi minuti.
Elevata resa di estrazione e qualità superiore dell'estratto con gli ultrasuoni Hielscher
L'estrazione guidata dagli ultrasuoni consente il rilascio completo dei composti bioattivi dal materiale vegetale. La cavitazione ultrasonica rompe la matrice cellulare e rilascia le molecole bioattive in modo efficiente nel solvente circostante. Studi comparativi hanno dimostrato che la sonicazione fornisce rese di estratto più elevate rispetto ad altre tecniche di estrazione (ad esempio Soxhlet, macerazione, decozione, infusione). L'estrazione a ultrasuoni è compatibile con qualsiasi solvente e consente quindi di utilizzare anche solventi molto blandi come acqua o etanolo acquoso. In base alle specifiche esigenze di estrazione, è possibile scegliere solventi polari e non polari e passare da un solvente all'altro non è un problema. Il controllo preciso dei parametri di processo (ad esempio, l'ampiezza), l'uso di solventi delicati e l'esatto controllo della temperatura impediscono la degradazione e la contaminazione dei composti bioattivi (ad esempio, alcaloidi, polifenoli, flavonoidi, cannabinoidi ecc.) durante l'estrazione a ultrasuoni.
Applicazioni versatili degli ultrasonici Hielscher
Mentre le tecniche di estrazione alternative (ad esempio, CO2 supercritica, estrazione con solvente, percolazione, ecc.) sono spesso applicabili solo all'estrazione di molecole specifiche a seconda del peso molecolare, della solubilità e della sensibilità al calore, l'estrazione con gli ultrasuoni ad alte prestazioni Hielscher consente l'estrazione versatile di qualsiasi composto botanico. L'estrazione assistita da ultrasuoni può essere applicata in modo affidabile per l'estrazione di estratti ad ampio spettro contenenti composti bioattivi come polifenoli, alcaloidi, antrachinoni, flavonoidi, glicosidi, lipidi, pectine e polisaccaridi.
Eccellente efficienza energetica e rispetto dell'ambiente
Il consumo energetico dell'estrazione assistita da ultrasuoni è di gran lunga inferiore a quello dei metodi tradizionali per l'estrazione di composti medicinali dalle piante.
Affidabilità grazie alla standardizzazione dei processi con gli ultrasuoni Hielscher
Gli ultrasuonatori Hielscher consentono di controllare con precisione tutti i parametri del processo a ultrasuoni, come ampiezza, intensità, durata e temperatura. I parametri di processo possono essere facilmente controllati e sono costantemente monitorati. Inoltre, tutti i parametri di processo vengono automaticamente protocollati come file CSV su una scheda SD integrata. Ciò consente all'operatore di rivedere i cicli di sonicazione, di ottimizzare il processo di estrazione e di garantire una qualità costante dell'estratto. Gli ultrasuonatori Hielscher consentono ai produttori di produrre estratti botanici di qualità superiore e facilitano il rispetto delle Norme di Buona Fabbricazione (GMP).
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
---|---|---|
1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdt |
Da 15 a 150L | Da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Letteratura / Riferimenti
- Nolasco-González, Y.; Chacón-López, M.A.; Ortiz-Basurto, R.I.; Aguilera-Aguirre, S.; González-Aguilar, G.A.; Rodríguez-Aguayo, C.; Navarro-Cortez, M.C.; García-Galindo, H.S.; García-Magaña, M.d.L.; Meza-Espinoza, L.; Montalvo-González, E. (2022): Annona muricata Leaves as a Source of Bioactive Compounds: Extraction and Quantification Using Ultrasound. Horticulturae 2022, 8, 560.
- Aguilar-Hernandez, G., Zepeda-Vallejo, L. G., Lourdes Garcia-Magana, M. D., de los Angeles Vivar-Vera, M., Perez-Larios, A., Giron-Perez, M. I., Coria-Tellez, A. V., Rodriguez-Aguayo, C., Montalvo-Gonzalez, E. (2020): Extraction of Alkaloids Using Ultrasound from Pulp and By-Products of Soursop Fruit (Annona muricata L.). Applied Sciences, Vol. 10, No. 14, 15 July 2020.
- Chia Hau Lee, Ting Hun Lee, Pei Ying Ong, Syie Luing Wong, Norfadilah Hamdan, Amal A.M. Elgharbawy, Nurul Alia Azmi (2021): Integrated ultrasound-mechanical stirrer technique for extraction of total alkaloid content from Annona muricata. Process Biochemistry, Volume 109, 2021. 104-116.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
Particolarità / Cose da sapere
Cosa sono gli alcaloidi?
Gli alcaloidi costituiscono una classe di composti azotati a basso peso molecolare presenti in natura, spesso presenti come metaboliti secondari nel regno vegetale. Un alcaloide contiene almeno un atomo di azoto. Gli alcaloidi sono sintetizzati biochimicamente a partire da uno dei seguenti tre amminoacidi comuni – lisina, tirosina e triptofano.
Nelle piante, gli alcaloidi esistono generalmente come sali di acidi organici come l'acetico, il malico, il lattico, il citrico, l'ossalico, il tartarico, il tannico e altri acidi. Alcuni alcaloidi debolmente basici (come la nicotina) sono presenti liberamente in natura. Alcuni alcaloidi sono presenti anche come glicosidi di zuccheri come il glucosio, il ramnosio e il galattosio, ad esempio gli alcaloidi del gruppo del solanum (solanina), come ammidi (piperina) e come esteri (atropina, cocaina) di acidi organici (cfr. Ramawat et al., 2009).
Molti alcaloidi sono composti bioattivi che hanno effetti medicinali o terapeutici. Ad esempio, alcuni tipi specifici di alcaloidi sono utilizzati per trattare diverse malattie, tra cui la malaria, i diabetici, specifici tipi di cancro, disfunzioni cardiache, depressione, ecc.
Poiché molti alcaloidi mostrano forti proprietà bioattive, il loro uso come farmaci, narcotici, stimolanti e veleni è stato adottato o è oggetto di ricerca scientifica. La morfina, un noto alcaloide del papavero Papaver somniferum, è utilizzata come farmaco nella medicina odierna. Il chinino e la codeina sono altri due tipi di alcaloidi utilizzati per scopi medici. Sotto controllo medico e a dosi prescritte dal medico, gli alcaloidi sono farmacologicamente utili. Tuttavia, se usati in modo errato, alcuni alcaloidi possono essere tossici a dosi elevate. L'alcaloide stricnina, ad esempio, è una tossina molto efficace utilizzata come pesticida contro le piccole vertebre.
Esempi di alcuni alcaloidi presenti nelle piante
Compounds
Plant Source
Effects and Applications
Morphine
Papaver somniferum
Analgesic
Camptothecin
Camptotheca acuminata
Anticancer
Atropine
Hyoscyamus niger
Treatment of intestinal spasms, antidote to other poisons
Vinblastine
Catharanthus roseus
Anticancer
Codeine
Papaver somniferum
Analgesic, antitusive
Caffeine
Coffea arabica
Stimulant, natural pesticide
Nicotine
Nicotiana tabacum
Stimulant, tranquillizer
Cocaine
Erythroxylon coca
Stimulant of the central nervous system, local anesthetic
N,N-dimethyltryptamine
Mimosa hostilis, Psychotria viridis
Hallucinogenic, entheogenic
Mitragynine
Mitragyna speciosa
Analgesic, psychoactive

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.