Estrazione altamente efficiente dell’artemisinina mediante sonicazione

L’artemisinina può essere estratta in modo efficiente mediante sonicazione ad alte prestazioni. L’estrazione a ultrasuoni consente di ottenere rese molto elevate di artemisinina utilizzando solventi blandi. Il processo di estrazione mediante ultrasuoni viene accelerato drasticamente. Le condizioni di trattamento negli estrattori a ultrasuoni sono controllabili con precisione, consentendo di prevenire la degradazione dell’artemisinina, una biomolecola termosensibile.

Estrazione dell’artemisinina

L’artemisinina è una molecola bioattiva presente nelle ghiandole dei tricomi della pianta Artemisia annua, utilizzata come farmaco antimalarico e con un elevato potenziale come farmaco per il trattamento di diverse altre malattie, tra cui il cancro e SARS-CoV-2. Il metodo di estrazione tradizionale impiega solventi tossici ed è un processo costoso e non ottimale. Per produrre artemisinina su larga scala in condizioni favorevoli dal punto di vista ambientale ed economico, è necessaria una tecnica di estrazione efficiente ed ecologica. L’estrazione a ultrasuoni è un metodo di estrazione ampiamente consolidato che può essere utilizzato in combinazione con acqua o etanolo come solventi non tossici. È già stato dimostrato che l’estrazione a ultrasuoni consente di ottenere rese elevate di artemisinina, permettendo di portarne rapidamente la produzione a grandi volumi. Le apparecchiature per l’estrazione a ultrasuoni per il trattamento in batch e in linea a livello industriale sono facilmente disponibili.

Estrazione a ultrasuoni dell’artemisinina da Artemisia annua

L’impiego degli ultrasuoni di potenza per l’estrazione supera altri metodi di estrazione sotto diversi aspetti fondamentali, tra cui resa, tempo di estrazione, compatibilità ambientale ed efficienza economica.

Gli svantaggi dell’estrazione tradizionale dell’artemisinina

I metodi tradizionali di estrazione dell’artemisinina richiedono molto tempo, possono danneggiare le molecole bioattive di artemisinina a causa delle elevate temperature applicate e hanno un elevato impatto ambientale dovuto ai solventi organici utilizzati ad alte temperature. Inoltre, nelle fasi successive del processo è necessaria una purificazione approfondita per rimuovere le impurità dall’estratto grezzo.

I vantaggi dell’estrazione a ultrasuoni dell’artemisinina

L’applicazione degli ultrasuoni di potenza all’estrazione produce diversi effetti positivi che intensificano il processo di estrazione: gli ultrasuoni ad alte prestazioni generano cavitazione acustica. Questa cavitazione acustica favorisce l’estrazione botanica mediante disgregazione cellulare, permettendo alle biomolecole intrappolate di essere rilasciate dalla matrice cellulare della pianta. Inoltre, le forze di cavitazione intensificano il trasferimento di massa, trasportando in modo efficiente le biomolecole, come l’artemisinina, nel solvente circostante. Il principio di funzionamento dell’estrazione a ultrasuoni è riconducibile alle forze puramente meccaniche della cavitazione. Ciò significa che la sonicazione è una tecnica di estrazione non termica e non chimica. Il fatto di essere una tecnica di estrazione non termica rende l’estrazione a ultrasuoni particolarmente vantaggiosa, poiché l’artemisinina è un composto termosensibile: temperature più elevate (ad es., 70°C) ne causano la decomposizione. Di conseguenza, Artemisia annua L. non potrebbe essere bollita in acqua calda per ottenere artemisinina.

Solventi ecologici per l’estrazione a ultrasuoni dell’artemisinina

I solventi di estrazione classici utilizzati per la produzione di artemisinina comprendono esano, etere di petrolio o diclorometano. L’estrazione mediante ultrasuoni è compatibile con qualsiasi solvente, compresi solventi blandi ed ecologici come etanolo o acqua. L’estrazione a ultrasuoni dell’artemisinina con etanolo è altrettanto efficiente rispetto a quella con solventi aggressivi. Poiché l’artemisinina presenta una scarsa solubilità in acqua, è possibile utilizzare le ciclodestrine per migliorarne l’estrazione a ultrasuoni in acqua fredda.

Che cosa rende così efficiente l’estrazione a ultrasuoni dell’artemisinina?

Per comprendere i vantaggi dell’estrazione assistita da ultrasuoni, è necessario comprendere il principio di funzionamento degli ultrasuoni di potenza. Il meccanismo con cui gli ultrasuoni di potenza intensificano l’estrazione è attribuito principalmente al fenomeno della cavitazione acustica. La cavitazione ultrasonica provoca collisioni tra le particelle della biomassa botanica (come le foglie di Artemisia annua L.), causando frammentazione per interazione tra particelle e riduzione delle loro dimensioni. Quando le bolle di cavitazione collassano sulla superficie dei solidi vegetali, l’erosione e la sonoporazione aumentano ulteriormente la superficie delle particelle. Il trasferimento di massa così intensificato facilita il rilascio di molecole quali proteine, lipidi, zuccheri, vitamine, antiossidanti, composti fitochimici (ad es., artemisinina) e fibre alimentari. Le forze di taglio generate dagli ultrasuoni migliorano la penetrazione del solvente nella matrice cellulare del materiale botanico e la permeabilità delle membrane cellulari, rispettivamente. Questi meccanismi degli ultrasuoni di potenza sono responsabili della significativa intensificazione del processo ottenuta quando la sonicazione viene applicata all’estrazione botanica.

Le onde degli ultrasuoni di potenza disgregano la struttura cellulare del materiale botanico, rilasciano i composti bioattivi e favoriscono il trasferimento di massa tra il materiale vegetale e il solvente (ad es., etanolo).

Risultati dell’estrazione a ultrasuoni dell’artemisinina comprovati dalla ricerca

Sono stati condotti diversi studi scientifici per esaminare l’efficienza e la praticabilità dell’estrazione a ultrasuoni dell’artemisinina dalle foglie di Artemisia annua.

Briars e Paniwnyk hanno dimostrato «che gli ultrasuoni a basse temperature aumentano di circa il 58% la resa dell’artemisinina estratta da A. annua e che gli estratti appaiono più puri rispetto alla macerazione convenzionale; pertanto, l’uso degli ultrasuoni durante l’estrazione ha il potenziale di consentire la produzione di trattamenti a base di artemisinina a costi inferiori». (Briars and Paniwnyk, 2013)

Zhang et al. (2017) hanno studiato l’estrazione a ultrasuoni dell’artemisinina utilizzando etere metilico del glicole propilenico (PGME) come solvente. L’estratto di artemisinina prodotto mediante ultrasuoni è stato analizzato mediante cromatografia liquida ad altissime prestazioni (UPLC). I risultati dell’analisi hanno evidenziato la qualità dell’estratto. Grazie alla buona ripetibilità del processo e alla stabilità dell’artemisinina estratta, l’estrazione assistita da ultrasuoni con il monoetere ecologico ed efficiente etere metilico del glicole propilenico (PGME) come solvente offre ottime prospettive per l’estrazione e la separazione di biomolecole dal materiale botanico. L’estrazione a ultrasuoni con etere metilico del glicole propilenico (PGME) come solvente ha consentito di ottenere un’elevata efficienza complessiva di estrazione e rese elevate di artemisinina. (cfr. Zhang et al., 2017)

In un altro studio, Zhang et al. (2020) presentano l’estrazione a ultrasuoni dell’artemisinina utilizzando idrossipropil-β-ciclodestrina. L’aggiunta di ciclodestrina migliora il rilascio dell’artemisinina, un composto scarsamente solubile in acqua, e consente di utilizzare acqua come solvente con buone rese di estrazione. L’estrazione a ultrasuoni in combinazione con la ciclodestrina ha aumentato la quantità di artemisinina a 8,66 mg/g, un valore significativamente superiore alla corrispondente quantità di 1,70 mg/g ottenuta in acqua.

Estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di artemisinina

I sistemi di estrazione a ultrasuoni ad alte prestazioni di Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo nella ricerca e sviluppo e nella produzione su piccola e media scala e su scala pienamente commerciale, in vari settori come la produzione di alimenti, integratori alimentari e prodotti farmaceutici. Gli estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni intensificano il processo di estrazione e aumentano la resa, migliorando così l’efficienza complessiva della produzione di estratti di alta qualità. Hielscher Ultrasonics offre apparecchiature di estrazione per qualsiasi volume / capacità di processo. Con oltre 25 anni di esperienza nell’estrazione botanica, Hielscher Ultrasonics è il vostro partner di fiducia per l’estrazione a ultrasuoni ad alte prestazioni da Artemisia annua!

Sonicatori ad alte prestazioni e all’avanguardia

Le funzionalità intelligenti dei sonicatori Hielscher sono progettate per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d’uso. È possibile accedere facilmente alle impostazioni operative e regolarle mediante un menu intuitivo, accessibile tramite un display digitale tattile a colori e il controllo remoto via browser. Tutte le condizioni di trattamento, come energia netta, energia totale, ampiezza, tempo, pressione e temperatura, vengono quindi registrate automaticamente su una scheda SD integrata. Ciò consente di riesaminare e confrontare i precedenti cicli di sonicazione e di ottimizzare il processo di estrazione dell’artemisinina per ottenere la massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo per la produzione di estratti botanici di alta qualità. I sonicatori industriali Hielscher possono funzionare facilmente ad ampiezze elevate in modalità continua (24/7/365). Con sonotrodi standard (sonde / corni a ultrasuoni) è possibile generare facilmente e in modo continuo ampiezze fino a 200µm. Per ampiezze ancora più elevate sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Grazie alla loro robustezza e alle ridotte esigenze di manutenzione, i nostri sistemi di estrazione a ultrasuoni vengono comunemente installati per applicazioni gravose e in ambienti impegnativi.

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La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: