L'artemisinina può essere estratta in modo efficiente usando la sonicazione ad alte prestazioni. L'estrazione a ultrasuoni dà rendimenti molto alti di artemisinina usando solventi delicati. Il processo di estrazione applicando gli ultrasuoni è accelerato drasticamente. Le condizioni di lavorazione negli estrattori a ultrasuoni sono precisamente controllabili, il che permette di prevenire la degradazione della biomolecola artemisinina sensibile al calore.

Estrazione dell'artemisinina

L'artemisinina è una molecola bioattiva presente nelle ghiandole tricomiali della pianta Artemisia annua, che è usata come farmaco antimalarico e mostra un alto potenziale come farmaco per il trattamento di diverse altre malattie tra cui il cancro e la SARS-CoV-2. Il metodo di estrazione tradizionale coinvolge solventi tossici ed è un processo costoso e non ottimale. Per produrre l'artemisinina su larga scala in condizioni ambientali ed economiche favorevoli, è necessaria una tecnica di estrazione efficiente e verde. L'estrazione a ultrasuoni è un metodo di estrazione ampiamente affermato che può essere usato in combinazione con acqua o etanolo come solventi non tossici. È già stato dimostrato che l'estrazione a ultrasuoni produce alti rendimenti di artemisinina, per cui la produzione di artemisinina può essere rapidamente portata a grandi volumi. L'attrezzatura per l'estrazione a ultrasuoni per la lavorazione in batch e in linea a livello industriale è facilmente disponibile.

Estrazione a ultrasuoni di artemisinina da Artemisia annua

L'uso di ultrasuoni di potenza per l'estrazione supera altri metodi di estrazione in vari fattori importanti, tra cui la resa, il tempo di estrazione, la compatibilità ambientale e l'efficienza dei costi.

Gli svantaggi dell'estrazione tradizionale dell'artemisina

I metodi di estrazione tradizionali per l'artemisinina richiedono molto tempo, possono danneggiare le molecole bioattive dell'artemisinina a causa delle alte temperature applicate, e hanno un alto impatto ambientale a causa dei solventi organici usati ad alte temperature. Inoltre, nel processo a valle è necessaria un'ampia purificazione per rimuovere le impurità dall'estratto grezzo.

I vantaggi dell'estrazione ultrasonica dell'artemisinina

L'applicazione di ultrasuoni di potenza per l'estrazione ha diversi effetti positivi che intensificano il processo di estrazione: Gli ultrasuoni ad alta potenza creano una cavitazione acustica. Questa cavitazione acustica promuove l'estrazione botanica attraverso la rottura delle cellule, in modo che le biomolecole intrappolate vengano rilasciate dalla matrice cellulare della pianta. Inoltre, le forze cavitazionali intensificano il trasferimento di massa trasportando le biomolecole come l'artemisinina in modo efficiente nel solvente circostante. Il principio di funzionamento dell'estrazione ultrasonica può essere contribuito alle forze puramente meccaniche della cavitazione. Questo significa che la sonicazione è una tecnica di estrazione non termica e non chimica. Essendo una tecnica di estrazione non termica, l'estrazione a ultrasuoni è particolarmente favorevole poiché l'artemisinina è un composto termosensibile, il che significa che temperature più elevate (ad esempio, 70°C) causeranno la sua decomposizione. Di conseguenza, l'Artemisia annua L. non può essere bollita in acqua calda per ottenere l'artemisinina.

Solventi verdi per l'estrazione ultrasonica dell'artemisinina

I solventi di estrazione classici usati per la produzione di artemisinina includono esano, etere di petrolio o diclorometano. L'estrazione a ultrasuoni è compatibile con qualsiasi solvente, compresi i solventi dolci e verdi come l'etanolo o l'acqua. L'estrazione a ultrasuoni dell'artemisinina con l'etanolo è ugualmente efficiente rispetto ai solventi più duri. Poiché l'artemisinina presenta una scarsa solubilità in acqua, le ciclodestrine possono essere utilizzate per migliorare l'estrazione ultrasonica in acqua fredda dell'artemisinina.

Cosa rende l'estrazione ultrasonica dell'artemisina così efficiente?

Per comprendere i vantaggi dell'estrazione assistita da ultrasuoni, bisogna capire il principio di funzionamento degli ultrasuoni di potenza. Il meccanismo di intensificazione dell'estrazione degli ultrasuoni di potenza è principalmente attribuito al fenomeno della cavitazione acustica. La cavitazione ultrasonica causa collisioni tra le particelle della biomassa botanica (come le foglie di Artemisia annua L.), che si traduce in un frazionamento interparticellare e nella riduzione della dimensione delle particelle. Quando le bolle di cavitazione collassano sulla superficie dei solidi vegetali, l'erosione e la sonoporazione allargano ulteriormente la superficie delle particelle. Il trasferimento di massa così intensificato facilita il rilascio di molecole come proteine, lipidi, zuccheri, vitamine, antiossidanti, sostanze fitochimiche (per esempio, artemisinina) e fibre alimentari. Le forze di taglio generate dagli ultrasuoni migliorano la penetrazione del solvente nella matrice cellulare della materia botanica e migliorano la permeabilità delle membrane cellulari, rispettivamente. Questi meccanismi degli ultrasuoni di potenza sono responsabili della significativa intensificazione del processo ottenuta quando gli ultrasuoni vengono applicati per l'estrazione botanica.

Le onde ultrasoniche di potenza distruggono la struttura cellulare dei prodotti botanici, rilasciano i composti bioattivi e promuovono il trasferimento di massa tra il materiale vegetale e il solvente (ad esempio, l'etanolo).

Risultati provati dalla ricerca dell'estrazione ultrasonica dell'artemisinina

Diversi studi scientifici sono stati intrapresi per indagare l'efficienza e la praticabilità dell'estrazione ultrasonica dell'artemisinina dalle foglie di Artemisia annua.

Briars e Paniwnyk hanno dimostrato "che gli ultrasuoni a basse temperature aumentano la resa dell'artemisinina estratta da A. annua di circa il 58% e gli estratti appaiono più puri rispetto alla macerazione convenzionale; quindi l'uso degli ultrasuoni durante l'estrazione ha il potenziale per produrre trattamenti a basso costo a base di artemisinina." (Briars e Paniwnyk, 2013)

Zhang et al. (2017) hanno studiato l'estrazione ultrasonica dell'artemisinina usando il propilenglicole metil etere (PGME) come solvente. L'estratto di artemisinina prodotto con gli ultrasuoni è stato analizzato utilizzando la cromatografia liquida ad ultra prestazioni (UPLC). I risultati delle analisi hanno sottolineato la qualità dell'estratto. A causa della buona ripetibilità del processo e della stabilità dell'artemisinina estratta, l'estrazione assistita da ultrasuoni utilizzando il monoetere verde ed efficiente propilenglicole metil etere (PGME) come solvente mostra grandi prospettive nell'estrazione e nella separazione di molecole bioattive da prodotti botanici. L'estrazione a ultrasuoni utilizzando il propilenglicole metil etere (PGME) come solvente ha portato ad un'alta efficienza di estrazione complessiva e ad un'alta resa di artemisinina. (cfr. Zhang et al., 2017)

In un altro studio, Zhang et al. (2020) presentano l'estrazione ad ultrasuoni dell'artemisinina usando idrossipropil-β-ciclodestrina. L'aggiunta di ciclodestrina migliora il rilascio dell'artemisinina, composto scarsamente solubile in acqua, e permette di usare l'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, che è significativamente più della quantità corrispondente 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 su R&D, livelli di produzione piccoli, medi e completamente commerciali in varie industrie come quella alimentare, degli integratori alimentari e farmaceutica. 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 attrezzature di estrazione per qualsiasi volume / capacità di processo. Avendo esperienza nell'estrazione botanica da più di 25 anni, Hielscher Ultrasonics è il vostro partner di fiducia per l'estrazione a ultrasuoni ad alte prestazioni di Artemisia annua!

Ultrasuonatori ad alte prestazioni e all'avanguardia

Le caratteristiche intelligenti degli ultrasuoni Hielscher sono progettate per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d'uso. Le impostazioni operative sono facilmente accessibili e selezionabili tramite un menu intuitivo, al quale si può accedere tramite un display digitale a colori touch-display e un telecomando browser. Pertanto, tutte le condizioni di lavorazione come l'energia netta, l'energia totale, l'ampiezza, il tempo, la pressione e la temperatura vengono registrate automaticamente su una scheda SD integrata. Questo permette di rivedere e confrontare le precedenti sonicazioni e di ottimizzare il processo di estrazione dell'artemisinina alla massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo per la produzione di estratti botanici di alta qualità. Gli ultrasuonatori industriali Hielscher possono facilmente eseguire ampiezze elevate in funzionamento continuo (24/7/365). Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente generate in continuo con sonotrodi standard (sonde a ultrasuoni / corni). Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Grazie alla loro robustezza e alla bassa manutenzione, i nostri sistemi di estrazione a ultrasuoni sono comunemente installati per applicazioni pesanti e in ambienti esigenti.

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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: