Estrazione delle antocianine a ultrasuoni

Le antocianine sono ampiamente utilizzate come coloranti naturali e additivi nutrizionali nei prodotti alimentari. L’estrazione a ultrasuoni è una tecnica altamente efficiente e semplice per ottenere antocianine di alta qualità. L’uso di sonicatori a sonda favorisce il rilascio di antocianine di alta qualità dalle piante, consentendo rese più elevate e un processo rapido. Allo stesso tempo, la sonicazione è una tecnica delicata, ecologica ed efficiente per la produzione industriale di antocianine di grado alimentare e farmaceutico.

Antocianine – Come estrarre antocianine di alta qualità con un sonicatore

Le antocianine sono ampiamente utilizzate come coloranti naturali nell’industria alimentare. Presentano un ampio spettro di tonalità cromatiche, dall’arancione al rosso, fino al viola e al blu, a seconda della struttura molecolare e del valore di pH. L’interesse per le antocianine non si basa soltanto sul loro effetto colorante, ma anche sulle loro proprietà benefiche per la salute. A fronte delle crescenti preoccupazioni ambientali e sanitarie relative ai coloranti sintetici, i coloranti naturali rappresentano un’ottima alternativa come coloranti ecocompatibili per l’industria alimentare e farmaceutica.

Estrazione delle antocianine migliorata mediante ultrasuoni

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

Estrazione delle antocianine a ultrasuoni dal riso viola Oryza Sativa L.

Il riso viola del ceppo Oryza Sativa (noto anche come Violet Nori o riso violetto) è straordinariamente ricco di composti fenolici, come le antocianine appartenenti al gruppo dei flavonoidi. Turrini et al. (2018) hanno utilizzato l’estrazione a ultrasuoni per isolare composti polifenolici, come antocianine e antiossidanti, dalla cariosside (in forma intera, integrale e parboiled) e dalle foglie del riso viola. L’estrazione a ultrasuoni è stata eseguita utilizzando un Hielscher UP200St (200W, 26kHz, immagine a sinistra) ed etanolo al 60% come solvente.
Per preservare l’integrità delle antocianine, gli estratti ottenuti mediante ultrasuoni sono stati conservati a −20°C, il che ha consentito di conservarli per almeno tre mesi.
La cianidina-3-glucoside (nota anche come crisantemina) è stata di gran lunga l’antocianina predominante rilevata nelle cultivar ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ e ‘Nerone’ esaminate nello studio di Turrini et al., mentre la peonidina-3-glucoside e la cianidina-3-rutinoside (nota anche come antirrinina) sono state rilevate in quantità inferiori.
Le foglie violette di Oryza Sativa sono un’eccellente fonte di antocianine e di composti fenolici totali (TPC). Con un contenuto circa 2–3 volte superiore a quello del riso e della farina, le foglie di Oryza costituiscono una materia prima economica per l’estrazione delle antocianine. Una resa stimata di circa 4 kg di antocianine/t di foglie fresche è significativamente superiore a quella di 1 kg di antocianine/t di riso, calcolata sulla base delle quantità medie di antocianine 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 delle antocianine a ultrasuoni dal cavolo rosso

Ravanfar et al. (2015) hanno studiato l’efficienza dell’estrazione delle antocianine a ultrasuoni dal cavolo rosso. Gli esperimenti di estrazione a ultrasuoni sono stati condotti utilizzando il sistema a ultrasuoni UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Il sonotrodo MS10 (diametro della punta di 10mm) è stato inserito al centro di un becher di vetro incamiciato a temperatura controllata.

Per questo esperimento sono stati utilizzati pezzi di cavolo rosso appena tagliati, di dimensioni pari a 5mm (forma cubica) e con un contenuto di umidità del 92,11 ± 0,45 %. Un becher di vetro incamiciato (volume: 200ml) è stato riempito con 100ml di acqua distillata e 2g di pezzi di cavolo rosso. Il becher è stato coperto 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 mediante un regolatore termostatico. Infine, i campioni sono stati raccolti, filtrati e centrifugati a 4000rpm, e i surnatanti sono stati utilizzati per determinare la resa in antocianine. L’estrazione a bagnomaria è stata eseguita come esperimento di controllo.
La resa ottimale in antocianine dal cavolo rosso è stata ottenuta con una potenza di 100 W, un tempo di 30 min e una temperatura di 15°C, che hanno prodotto una resa in antocianine di circa 21 mg/L.
Grazie ai cambiamenti di colore in funzione del valore di pH e alla sua intensa colorazione, il colorante del cavolo rosso è stato utilizzato come indicatore di pH nelle formulazioni farmaceutiche oppure come antiossidante e colorante nei sistemi alimentari.

Gli ultrasuoni intensificano significativamente l’estrazione delle antocianine dal materiale vegetale.
fonte: Ravanfar et al. 2015

 
Altri studi dimostrano il successo dell’estrazione delle antocianine a ultrasuoni, tra l’altro, da mirtilli, more, uva, ciliegie, fragole e patate dolci viola.

Estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics è specializzata nella produzione di processori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di estratti di alta qualità da materiali vegetali.
L’ampia gamma di sonicatori Hielscher comprende piccoli e potenti sonicatori da laboratorio, robusti sistemi da banco e sistemi completamente industriali, che erogano ultrasuoni ad alta intensità per l’estrazione e l’isolamento efficienti di sostanze bioattive (ad es. antocianine, gingerolo, piperina, curcumina ecc.).
Tutti i sonicatori da 200W a 16.000W sono dotati di un display touch a colori per il controllo digitale, una scheda SD integrata per la registrazione automatica dei dati, controllo remoto tramite browser e molte altre funzionalità di facile utilizzo. I sonotrodi e le celle di flusso (le parti a contatto con il mezzo) possono essere sterilizzati in autoclave e sono facili da pulire.
I sonicatori Hielscher sono molto robusti e progettati per il funzionamento 24/7 a pieno carico, richiedono poca manutenzione e sono facili e sicuri da utilizzare. Un display digitale a colori consente un controllo intuitivo del sonicatore.
I nostri sistemi sono in grado di erogare ampiezze da basse a molto elevate. Per l’estrazione di cannabinoidi e terpeni, offriamo speciali sonotrodi a ultrasuoni (noti anche come sonde o corni a ultrasuoni), ottimizzati per l’isolamento delicato di sostanze attive di alta qualità. Tutti i nostri sistemi possono essere utilizzati per l’estrazione e la successiva emulsificazione dei cannabinoidi. La robustezza dei sonicatori Hielscher consente il funzionamento continuo (24/7) in condizioni di lavoro gravose e in ambienti impegnativi.

Il controllo preciso dei parametri del processo a ultrasuoni garantisce la riproducibilità e la standardizzazione del processo.
 

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

Bibliografia / Riferimenti

• 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.

Informazioni utili

Come funziona l’estrazione assistita da ultrasuoni?

L’applicazione di intense onde ultrasoniche a un mezzo liquido produce cavitazione. Il fenomeno della cavitazione genera localmente temperature, pressioni, velocità di riscaldamento/raffreddamento e differenziali di pressione estremi, nonché elevate forze di taglio nel mezzo. Quando le bolle di cavitazione implodono sulla superficie dei solidi (come particelle, cellule vegetali, tessuti ecc.), i microgetti e le collisioni tra particelle generano effetti quali il distacco degli strati superficiali, l’erosione e la frammentazione delle particelle. Inoltre, l’implosione delle bolle di cavitazione nei mezzi liquidi genera macroturbolenze e micromiscelazione.
L’irradiazione ultrasonica del materiale vegetale frammenta la matrice delle cellule vegetali e ne migliora l’idratazione. Chemat et al (2015) concludono che l’estrazione a ultrasuoni di composti bioattivi da materiali vegetali è il risultato di diversi meccanismi indipendenti o combinati, tra cui frammentazione, erosione, capillarità, destrutturazione e sonoporazione. Questi effetti disgregano la parete cellulare, migliorano il trasferimento di massa spingendo il solvente all’interno della cellula e aspirando all’esterno il solvente carico di composti vegetali, e assicurano il movimento del liquido mediante micromiscelazione.

L’estrazione a ultrasuoni si basa sulla cavitazione acustica e sulle sue forze di taglio idrodinamiche

L’irradiazione ultrasonica del materiale vegetale frammenta la matrice delle cellule vegetali e ne migliora l’idratazione. Chemat et al. (2015) concludono che l’estrazione a ultrasuoni di composti bioattivi da materiali vegetali è il risultato di diversi meccanismi indipendenti o combinati, tra cui frammentazione, erosione, capillarità, destrutturazione e sonoporazione. Questi effetti disgregano la parete cellulare, migliorano il trasferimento di massa spingendo il solvente all’interno della cellula e aspirando all’esterno il solvente carico di composti vegetali, e assicurano il movimento del liquido mediante micromiscelazione.
L’estrazione a ultrasuoni consente un isolamento molto rapido dei composti – superando i metodi di estrazione convenzionali grazie a tempi di processo più brevi, rese più elevate e temperature inferiori. Essendo un trattamento meccanico delicato, l’estrazione assistita da ultrasuoni evita la degradazione termica dei componenti bioattivi e offre prestazioni superiori rispetto ad altre tecniche, come l’estrazione convenzionale con solvente, l’idrodistillazione o l’estrazione Soxhlet, note per distruggere le molecole sensibili al calore. Grazie a questi vantaggi, l’estrazione a ultrasuoni è la tecnica preferita per il rilascio di composti bioattivi termosensibili da materiali vegetali.

Estrazione a ultrasuoni dalle cellule vegetali: la sezione trasversale (TS) osservata al microscopio mostra il meccanismo d’azione durante l’estrazione a ultrasuoni dalle cellule (ingrandimento 2000x) [fonte: Vilkhu et al. 2011]

Antocianina – Un prezioso pigmento vegetale

Le antocianine sono pigmenti vegetali vacuolari, che possono apparire rossi, viola, blu o neri. La colorazione dei pigmenti antocianici idrosolubili dipende dal loro valore di pH. Le antocianine si trovano nel vacuolo cellulare, soprattutto nei fiori e nei frutti, ma anche nelle foglie, nei fusti e nelle radici, dove sono presenti prevalentemente negli strati cellulari esterni, come l’epidermide e le cellule periferiche del mesofillo.
I glicosidi più frequenti in natura sono quelli di cianidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina e petunidina.
Esempi rilevanti di piante ricche di antocianine comprendono le specie di vaccinium, come il mirtillo americano, il mirtillo rosso americano e il mirtillo nero; i frutti di Rubus, tra cui il lampone nero, il lampone rosso e la mora; il ribes nero, la ciliegia, la melanzana, il riso nero, l’ube, la patata dolce di Okinawa, l’uva Concord, l’uva muscadine, il cavolo rosso e i petali di violetta. Le pesche e le mele a polpa rossa contengono antocianine. Le antocianine sono meno abbondanti nella banana, nell’asparago, nel pisello, nel finocchio, nella pera e nella patata, e possono essere del tutto assenti in alcune cultivar di uva spina verde.

Struttura delle principali antocianine

Le antocianine rappresentano un’ottima alternativa per sostituire i coloranti sintetici nei prodotti alimentari. Le antocianine sono autorizzate come coloranti alimentari nell’Unione europea, in Australia e in Nuova Zelanda, con il codice del colorante E163. Le antocianine si trovano nella frutta e nella verdura e possono essere descritte come un tipo di pigmenti vegetali idrosolubili. Dal punto di vista chimico, le antocianine sono glicosidi delle antocianidine basati sulla struttura del 2-fenilbenzopirilio (flavilio). Esistono più di 200 sostanze fitochimiche distinte appartenenti alla categoria delle antocianine. Poiché sono uno dei principali pigmenti coloranti dei frutti selvatici e delle bacche, esistono numerose fonti dalle quali le antocianine possono essere estratte. Una fonte importante di antocianine è la buccia dell’uva. I pigmenti antocianici della buccia dell’uva sono costituiti principalmente da diglucosidi, monoglucosidi, monoglucosidi acilati e diglucosidi acilati di peonidina, malvidina, cianidina, petunidina e delfinidina. Il contenuto di antocianine nell’uva varia da 30–750mg/100g.
Le antocianine più importanti sono cianidina, delfinidina, pelargonidina, peonidina, malvidina e petunidina.
Ad esempio, nelle patate dolci viola si trovano le antocianine peonidina-3-caffeoil-p-idrossibenzoil soforoside-5-glucoside, peonidina-3-(6″-caffeoil-6‴-feruloil soforoside)-5-glucoside e cianidina-3-caffeoil-p-idrossibenzoil soforoside-5-glucoside.

Antocianine – Benefici per la salute

Oltre alla loro eccellente capacità di fungere da coloranti alimentari naturali, le antocianine sono molto apprezzate per i loro effetti antiossidanti. Le antocianine mostrano quindi numerosi effetti positivi sulla salute. La ricerca ha dimostrato che le antocianine 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 delle funzioni cerebrali legato all’età, migliorare la tenuta dei capillari sanguigni e prevenire l’aggregazione piastrinica.