Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Estrazione ultrasonica di antocianina

  • Gli antociani sono ampiamente utilizzati come colorante naturale e additivo nutrizionale nei prodotti alimentari.
  • L'estrazione ad ultrasuoni favorisce il rilascio di antociani di alta qualità dalle piante, con conseguente aumento delle rese e un processo rapido.
  • La sonicazione è una tecnica delicata, verde ed efficiente per la produzione industriale di antociani per uso alimentare e farmaceutico.

Antociani

Gli antociani sono ampiamente utilizzati come coloranti naturali nell'industria alimentare. Hanno un ampio spettro di tonalità di colore, che vanno dall'arancione al rosso, al viola e al blu, a seconda della struttura molecolare e del valore del pH. L'interesse per gli antociani non si basa solo sul loro effetto colorante, ma anche sulle loro proprietà benefiche per la salute. A causa delle crescenti preoccupazioni ambientali e sanitarie per quanto riguarda i coloranti sintetici, i coloranti naturali sono una grande alternativa come colorante ecologico per l'industria alimentare e farmaceutica.

Estrazione di antocianina migliorata per via ultrasonica

Vantaggi dell'estrazione ad ultrasuoni

  • Rendimenti più elevati
  • Processo di estrazione rapida – in pochi minuti
  • Estratti di alta qualità – estrazione dolce, non termica
  • Solventi verdi (acqua, etanolo, glicerina, oli vegetali, ecc.)
  • Funzionamento facile e sicuro
  • Bassi costi di investimento e operativi
  • Robustezza e bassa manutenzione
  • Metodo verde e rispettoso dell'ambiente

UP100H con MS14 sonotrodo per l'estrazione di prodotti botanici.

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L'estrazione ad ultrasuoni può essere effettuata in modalità batch e a flusso continuo. (Clicca per ingrandire!)

Configurazione dell'sonicazione con UIP1000hdT per l'estrazione di composti bioattivi da piante in lotti. [Petigny et al. 2013]

Come estrarre le antocianine con gli ultrasuoni? – Casi di studio

Estrazione ultrasonica di antocianina da Riso Viola Oryza Sativa L.

Estrazione ad ultrasuoni con UP200StIl riso viola del ceppo Oryza Sativa (noto anche come Violet Nori o riso viola) è straordinariamente ricco di fenoli, come il gruppo dei favonoidi degli antociani. Turrini et al. (2018) hanno utilizzato l'estrazione ad ultrasuoni per isolare i polifenoli come gli antociani e gli antiossidanti dalla cariosside (in forma intera, bruna e parboiled) e le foglie di riso viola. L'estrazione ad ultrasuoni è stata effettuata utilizzando un Hielscher UP200St (200W, 26kHz, fig. a sinistra) e l'etanolo 60% come solvente.
Per preservare l'integrità degli antociani, gli estratti ultrasonici sono stati conservati a -20°C, che hanno permesso di conservarli per almeno tre mesi.
Il cianidina-3 glucoside (noto anche come crisantemina) è stato di gran lunga il principale antocianina rilevato nelle cultivar "Violet Nori", "Artemide" e "Nerone" studiate nello studio di Turrini et al., mentre la peonidina-3-glucoside e il cianidina-3-rutinoside (anche antirrinina) sono stati trovati in quantità inferiori.
Le foglie viola di Oryza Sativa sono un'ottima fonte di antociani e di contenuto fenolico totale (TPC). Con una quantità circa 2-3 volte superiore a quelle del riso e della farina, le foglie di Oryza presentano una materia prima economica per l'estrazione degli antociani. Una resa stimata di circa 4 kg di antocianina/t di foglie fresche è significativamente superiore a quella di 1 kg di antocianina/t di riso, calcolata sulla base delle medie quantità di antocianina rilevate nel riso "Violet Nori" (1300 µg/g di riso, come cianidina-3-glucoside) per una resa di circa 68 kg di riso da 100 kg di risone.

Estrazione ultrasonica di antocianina da cavolo rosso

Ravanfar et al. (2015) hanno studiato l'efficienza dell'estrazione ad ultrasuoni di antociani dal cavolo rosso. Esperimenti di estrazione ad ultrasuoni sono stati effettuati utilizzando un sistema ad ultrasuoni UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Il sonotrodo MS10 (diametro punta 10mm) è stato inserito al centro di un bicchiere in vetro a temperatura controllata.
UP400St agitato 8L setup di estrazione 8LPer questo esperimento sono stati utilizzati cavoli rossi appena tagliati di 5 mm di dimensione (forma cubica) e 92,11 ± 0,45 % di umidità. Un bicchiere di vetro rivestito (volume: 200 ml) è stato riempito con 100 ml di acqua distillata e 2 g di pezzi di cavolo rosso. Il becher è stato ricoperto con un foglio di alluminio per evitare la perdita di solvente (acqua) per evaporazione durante il processo. In tutti gli esperimenti la temperatura nel becher è stata mantenuta nel bicchiere utilizzando un regolatore termostatico. I campioni sono stati infine raccolti, filtrati e centrifugati a 4000 rpm e sono stati utilizzati surnatanti per determinare la resa in antociani. L'estrazione in bagno d'acqua è stata effettuata come esperimento di controllo.
La resa ottimale di antocianina da cavolo rosso è stata determinata alla potenza di 100 W, il tempo di 30 minuti e la temperatura di 15°C che ha portato la resa di antocianina di circa 21 mg/l.
A causa delle variazioni di colore sul valore di pH e della sua intensa colorazione, il colorante a cavolo rosso è stato utilizzato come indicatore di pH rispettivamente nelle formulazioni farmaceutiche o come antiossidanti e coloranti nei sistemi alimentari.

L'estrazione ad ultrasuoni favorisce il rilascio di polifenoli come gli antociani dalle piante.

Gli ultrasuoni intensificano notevolmente l'estrazione degli antociani dal materiale vegetale.
fonte: Ravanfar et al. 2015

Altri studi dimostrano il successo dell'estrazione ad ultrasuoni di antociani da mirtilli, more, uva, ciliegie, fragole e patate dolci viola, tra gli altri.

Hielscher Ultrasonics produce ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni geochimiche.

Processori ad ultrasuoni ad alta potenza da laboratorio al pilota e scala industriale.

Estrattori ad ultrasuoni ad alte prestazioni

Analisi e test di processo ad ultrasuoniHielscher Ultrasonics è specializzata nella produzione di processori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di estratti vegetali di alta qualità.
L'ampia gamma di prodotti Hielscher spazia dai piccoli e potenti ultrasuoni da laboratorio ai robusti sistemi da banco e completamente industriali, che forniscono ultrasuoni ad alta intensità per l'estrazione efficiente e l'isolamento di sostanze bioattive (ad es. antociani, zenzero, piperina, curcumina ecc.). Tutti i dispositivi a ultrasuoni di 200W a 16,000W dispongono di un display a colori per il controllo digitale, una scheda SD integrata per la registrazione automatica dei dati, il controllo remoto del browser e molte altre funzioni di facile utilizzo. I sonotrodi e le celle a flusso (le parti a contatto con il fluido) possono essere sterilizzati in autoclave e sono facili da pulire.
I robusti processori ad ultrasuoni di Hielscher sono costruiti per funzionare 24/7 a pieno carico, richiedono poca manutenzione e sono facili e sicuri da usare. Un display digitale a colori consente di controllare l'ultrasuoni in modo semplice e intuitivo.
I nostri sistemi sono in grado di fornire da basse fino ad ampiezze molto elevate. Per l'estrazione di cannabinoidi e terpeni, offriamo speciali sonotrodi ad ultrasuoni (noti anche come sonde o corna ad ultrasuoni) che sono ottimizzati per l'isolamento sensibile di sostanze attive di alta qualità. Tutti i nostri sistemi possono essere utilizzati per l'estrazione e la successiva emulsificazione dei cannabinoidi. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni di Hielscher consente un funzionamento continuo (24/7) in ambienti gravosi ed esigenti.

Il controllo preciso dei parametri di processo ad ultrasuoni garantisce la riproducibilità e la standardizzazione del processo.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

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
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Sistema di estrazione ad ultrasuoni UIP4000hdT

Processore ad ultrasuoni UIP4000hdT (4kW) per estrazione

Letteratura/riferimenti

  • Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Estrazione ad ultrasuoni assistita di alimenti e prodotti naturali. Meccanismi, tecniche, combinazioni, protocolli e applicazioni. Una recensione. Ecografia Sonochimica 34 (2017) 540-560.
  • Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Ottimizzazione dell'estrazione ultrasuoni assistita di antociani dal cavolo rosso con il metodo di progettazione Taguchi. J Food Sci Technol. 2015 Dicembre; 52(12): 8140-8147.
  • Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Ottimizzazione dell'estrazione assistita da ultrasuoni di composti fenolici da Oryza Sativa L. 'Violet Nori' e determinazione delle proprietà antiossidanti dei suoi cariossidi e delle sue foglie. Molecole 2018, 23, 844.


Particolarità / Cose da sapere

Come funziona l'estrazione assistita da ultrasuoni?

L'applicazione di intense onde ultrasoniche su un mezzo liquido provoca la cavitazione. Il fenomeno della cavitazione porta localmente a temperature estreme, pressioni, velocità di riscaldamento/raffreddamento, differenziali di pressione ed elevate forze di taglio nel fluido. Quando le bolle di cavitazione implodono sulla superficie dei solidi (come particelle, cellule vegetali, tessuti, ecc.), i micro-jet e la collisione interparticolare generano effetti come il peeling superficiale, l'erosione e la rottura delle particelle. Inoltre, l'implosione di bolle di cavitazione in mezzi liquidi crea macroturbolenze e micromiscelazione.
L'irradiazione ultrasonica del materiale vegetale frammenta la matrice delle cellule vegetali e ne aumenta l'idratazione. Chemat et al (2015) concludono che l'estrazione ad ultrasuoni di composti bioattivi da piante è il risultato di diversi meccanismi indipendenti o combinati tra cui frammentazione, erosione, capillarità, detexturazione e sonoporazione. Questi effetti perturbano la parete cellulare, migliorano il trasferimento di massa spingendo il solvente nella cella e aspirando il solvente caricato fitocomposto e assicurano il movimento del liquido mediante micro-miscelazione.

La cavitazione ultrasonica / acustica crea forze molto intense che aprono le pareti cellulari note come lisi (clicca per ingrandire!).

L'estrazione ad ultrasuoni si basa sulla cavitazione acustica e le sue forze di taglio idrodinamiche.

L'irradiazione ultrasonica del materiale vegetale frammenta la matrice delle cellule vegetali e ne aumenta l'idratazione. Chemat et al. (2015) concludono che l'estrazione ad ultrasuoni di composti bioattivi da piante è il risultato di diversi meccanismi indipendenti o combinati tra cui frammentazione, erosione, capillarità, rilevazione e sonoporazione. Questi effetti perturbano la parete cellulare, migliorano il trasferimento di massa spingendo il solvente nella cella e aspirando il solvente caricato fitocomposto e assicurano il movimento del liquido mediante micro-miscelazione.
L'estrazione ad ultrasuoni consente di ottenere un isolamento molto rapido dei composti - superando i metodi di estrazione convenzionali in tempi di processo più brevi, resa più elevata e a temperature più basse. Come trattamento meccanico delicato, l'estrazione assistita da ultrasuoni evita la degradazione termica dei componenti bioattivi ed eccelle rispetto ad altre tecniche come l'estrazione convenzionale con solventi, l'idrodistillazione o l'estrazione Soxhlet, che sono note per distruggere le molecole termosensibili. Grazie a questi vantaggi, l'estrazione ad ultrasuoni è la tecnica preferita per il rilascio di composti bioattivi sensibili alla temperatura da piante.

I perturbatori a ultrasuoni sono utilizzati per l'estrazione da fonti di fitofarmaci (ad esempio piante, alghe, funghi).

Estrazione ultrasonica da cellule vegetali: la sezione trasversale microscopica (TS) mostra il meccanismo delle azioni durante l'estrazione ultrasonica dalle cellule (ingrandimento 2000x) [risorsa: Vilkhu et al. 2011].

Antocianina – Un prezioso pigmento vegetale

Gli antociani sono pigmenti vegetali vacuolari, che possono apparire rossi, viola, blu o neri. L'espressione del colore dei pigmenti antociani solubili in acqua dipende dal loro valore di pH. Gli antociani si trovano nel vacuolo cellulare, soprattutto in fiori e frutti, ma anche in foglie, fusti e radici, dove si trovano soprattutto negli strati cellulari esterni come l'epidermide e le cellule mesofile periferiche.
I glicosidi di cianidina, delfinidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina e petunidina sono i più frequenti in natura.
Importanti esempi di piante ricche di antociani includono specie di vaccinium, come mirtillo, mirtillo rosso, mirtillo rosso e mirtillo; bacche di Rubus, tra cui lampone nero, lampone rosso e mora; ribes nero, ciliegia, melanzana, riso nero, cubo, patata dolce Okinawan, uva Concord, muscadine grape, cavolo rosso e petali di violetta. Le pesche a polpa rossa e le mele contengono antociani. Gli antociani sono meno abbondanti in banane, asparagi, piselli, finocchio, pere e patate e possono essere totalmente assenti in alcune cultivar di uva spina verde.

Le antocianine come cianidina, delfinidina, pelargonidina, peonidina, malvidina e petunidina possono essere efficacemente estrazioni con ultrasuoni.

Struttura dei principali antociani

Gli antociani sono un'ottima alternativa per sostituire i coloranti sintetici nei prodotti alimentari. Gli antociani sono approvati per l'uso come coloranti alimentari nell'Unione Europea, in Australia e Nuova Zelanda, con codice colorante E163. Gli antociani si trovano in frutta e verdura e possono essere descritti come un tipo di pigmenti vegetali solubili in acqua. Chimicamente, gli antociani sono glicosidi di antocianidine a base della struttura di 2-fenilbenzofibenzofirilio (flavilio). Ci sono più di 200 sostanze fitochimiche distinte che rientrano nella categoria degli antociani. Come pigmento di colore principale nei frutti di bosco e nelle bacche, ci sono molte fonti da cui si possono estrarre gli antociani. Una fonte importante di antociani è la buccia dell'uva. I pigmenti di antocianina nella buccia dell'uva sono costituiti principalmente da di-glucosidi, mono-glucosidi, monoglucosidi acilati e di-glucosidi acilati di peonidina, malvidina, cianidina, petunidina e delfinidina. Il contenuto di antociani nell'uva varia da 30 a 750 mg/100g.
Gli antociani più importanti sono cianidina, delfinidina, pelargonidina, peonidina, malvidina e petunidina.
Ad esempio, gli antociani peonidina-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidina-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside, e cianidina-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside si trovano nelle patate dolci viola.

Antociani – Benefici per la salute

Oltre alla loro grande capacità di funzionare come colorante alimentare naturale, gli antociani sono molto apprezzati per i loro effetti antiossidanti. Pertanto, gli antociani mostrano molti effetti positivi per la salute. La ricerca ha dimostrato che gli antociani possono inibire i danni al DNA nelle cellule tumorali, inibire gli enzimi digestivi, indurre la produzione di insulina nelle cellule pancreatiche isolate, ridurre le risposte infiammatorie, proteggere dal declino della funzione cerebrale legato all'età, migliorare la tenuta dei vasi sanguigni capillari e prevenire l'aggregazione dei trombociti.