Estrazione di antociani a ultrasuoni

Le antocianine sono ampiamente utilizzate come colorante naturale e additivo nutrizionale nei prodotti alimentari. L'estrazione a ultrasuoni è una tecnica molto efficiente e semplice per ottenere antociani di alta qualità. L'uso di sonicatori a sonda favorisce il rilascio di antociani di alta qualità dalle piante, con rese più elevate e un processo rapido. Allo stesso tempo, la sonicazione è una tecnica delicata, ecologica ed efficiente per la produzione industriale di antociani di qualità alimentare e farmaceutica.

antociani – Come estrarre antocianine di alta qualità con un sonicatore

Le antocianine sono ampiamente utilizzate 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 le antocianine 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 nei confronti dei coloranti sintetici, i coloranti naturali rappresentano un'ottima alternativa come coloranti ecologici per l'industria alimentare e farmaceutica.

Estrazione di antociani migliorata con gli ultrasuoni

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

Estrazione ultrasonica di antocianine dal riso viola Oryza Sativa L.

Il riso viola del ceppo Oryza Sativa (noto anche come Violet Nori o riso viola) è straordinariamente ricco di fenoli come il gruppo di favonoidi delle antocianine. Turrini et al. (2018) hanno utilizzato l'estrazione a ultrasuoni per isolare polifenoli come antociani 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, foto. sinistra) e etanolo 60% come solvente.
Per preservare l'integrità degli antociani, gli estratti ad ultrasuoni sono stati conservati a -20°C, il che ha permesso di conservarli per almeno fino a tre mesi.
La cianidina-3 glucoside (nota anche come crisantemina) è stata di gran lunga la principale antocianina rilevata nelle cultivar "Violet Nori", "Artemide" e "Nerone" analizzate nello studio di Turrini et al., mentre la peonidina-3-glucoside e la cianidina-3-rutinoside (anche antirrina) sono state trovate in quantità inferiori.
Le foglie viola di Oryza Sativa sono un'eccellente fonte di antociani e di contenuto fenolico totale (TPC). Con una quantità circa 2-3 volte superiore a quella contenuta nel riso e nella farina, le foglie di Oryza rappresentano una materia prima economica per l'estrazione degli antociani. 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 a ultrasuoni di antocianine dal cavolo rosso

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

Per questo esperimento sono stati utilizzati pezzi di cavolo rosso appena tagliati di 5 mm di dimensione (forma cubica) e con un contenuto di umidità del 92,11 ± 0,45%. Un becher 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 coperto con un foglio di alluminio per evitare la perdita di solvente (acqua) per evaporazione durante il processo. In tutti gli esperimenti la temperatura del becher è stata mantenuta con un regolatore termostatico. I campioni sono stati infine raccolti, filtrati e centrifugati a 4000 giri al minuto e i surnatanti sono stati utilizzati per determinare la resa in antociani. L'estrazione a bagnomaria è stata effettuata come esperimento di controllo.
La resa ottimale di antocianina dal cavolo rosso è stata determinata con una potenza di 100 W, un tempo di 30 minuti e una temperatura di 15°C, che ha portato a una resa di antocianina di circa 21 mg/l.
Grazie ai suoi cambiamenti di colore in base al valore del pH e alla sua intensa colorazione, il colorante del cavolo rosso è stato utilizzato come indicatore di pH nelle formulazioni farmaceutiche o come antiossidante e colorante nei sistemi alimentari.

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

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

High-Performance Ultrasonic Extractors

Hielscher Ultrasonics is specialized in manufacturing high-performance ultrasonic processors for the production of high-quality extracts from botanicals.
L'ampia gamma di sonicatori Hielscher spazia da piccoli e potenti ultrasuoni da laboratorio a robusti sistemi da banco e completamente industriali, che forniscono ultrasuoni ad alta intensità per l'estrazione e l'isolamento efficiente di sostanze bioattive (ad esempio, antociani), gingerolo, piperine, curcumina etc.).
Tutti gli ultrasuoni di 200W a 16,000W sono dotati di un display a sfioramento colorato per il controllo digitale, di una scheda SD integrata per la registrazione automatica dei dati, di un telecomando con browser e di molte altre caratteristiche di facile utilizzo. I sonotrodi e le celle di flusso (le parti a contatto con il fluido) possono essere sterilizzati in autoclave e sono facili da pulire.
I sonicatori Hielscher sono molto robusti e costruiti per funzionare 24 ore su 24 e 7 giorni su 7 a pieno carico, richiedono poca manutenzione e sono facili e sicuri da usare. Un display digitale a colori consente di controllare il sonicatore con facilità.
I nostri sistemi sono in grado di fornire 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 sensibile di sostanze attive di alta qualità. Tutti i nostri sistemi possono essere utilizzati per l'estrazione e la successiva emulsione dei cannabinoidi. La robustezza dei sonicatori Hielscher consente un funzionamento continuo (24 ore su 24, 7 giorni su 7) in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.

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 lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

Letteratura / 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.

Particolarità / Cose da sapere

Come funziona l'estrazione assistita da ultrasuoni?

L'applicazione di onde ultrasonore intense a un mezzo liquido provoca la cavitazione. Il fenomeno della cavitazione porta localmente a temperature, pressioni, tassi di riscaldamento/raffreddamento estremi, differenziali di pressione ed 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 la collisione interparticellare generano effetti come il peeling superficiale, l'erosione e la rottura delle particelle. Inoltre, l'implosione di bolle di cavitazione in mezzi liquidi crea macro-turbolenze e micro-miscelazione.
L'irradiazione ultrasonica di materiale vegetale frammenta la matrice delle cellule vegetali e ne aumenta l'idratazione. Chemat et al. (2015) concludono che l'estrazione a ultrasuoni di composti bioattivi dalle piante è il risultato di diversi meccanismi indipendenti o combinati tra loro, tra cui la frammentazione, l'erosione, la capillarità, la detexturation e la sonoporation. Questi effetti disgregano la parete cellulare, migliorano il trasferimento di massa spingendo il solvente all'interno della cellula e aspirando il solvente carico di fitocomposti all'esterno e assicurano il movimento del liquido attraverso la micro-miscelazione.

Ultrasonic extraction is based on acoustic cavitation and its hydrodynamic shear forces

L'irradiazione ultrasonica di materiale vegetale frammenta la matrice delle cellule vegetali e ne aumenta l'idratazione. Chemat et al. (2015) concludono che l'estrazione a ultrasuoni di composti bioattivi dalle piante è il risultato di diversi meccanismi indipendenti o combinati tra loro, tra cui la frammentazione, l'erosione, la capillarità, la detexturation e la sonoporation. Questi effetti disgregano la parete cellulare, migliorano il trasferimento di massa spingendo il solvente all'interno della cellula e risucchiando il solvente carico di fitocomposti all'esterno e assicurano il movimento del liquido attraverso la micro-miscelazione.
L'estrazione a ultrasuoni consente di ottenere un isolamento molto rapido dei composti, superando i metodi di estrazione convenzionali in termini di tempi di processo più brevi, maggiore resa e a temperature più basse. In quanto trattamento meccanico delicato, l'estrazione con ultrasuoni evita la degradazione termica dei componenti bioattivi ed eccelle rispetto ad altre tecniche come l'estrazione con solvente convenzionale, l'idrodistillazione o l'estrazione Soxhlet, che notoriamente distruggono le molecole sensibili al calore. Grazie a questi vantaggi, l'estrazione a ultrasuoni è la tecnica preferita per il rilascio di composti bioattivi sensibili alla temperatura dalle piante.

Ultrasonic extraction from plant cells: the microscopic transverse section (TS) shows the mechanism of actions during ultrasonic extraction from cells (magnification 2000x) [resource: Vilkhu et al. 2011]

Antocianina – Un prezioso pigmento vegetale

Le antocianine sono pigmenti vegetali vacuolari che possono apparire rossi, viola, blu o neri. L'espressione del colore dei pigmenti antocianici idrosolubili dipende dal valore del pH. Le antocianine si trovano nel vacuolo cellulare, soprattutto nei fiori e nei frutti, ma anche nelle foglie, nei fusti e nelle radici, dove si trovano soprattutto negli strati cellulari esterni come l'epidermide e le cellule mesofile periferiche.
I più frequenti in natura sono i glicosidi di cianidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina e petunidina.
Tra i principali esempi di piante ricche di antociani vi sono le specie di vaccinium, come il mirtillo, il mirtillo rosso e il mirtillo nero; le bacche 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 muscadina, il cavolo rosso e i petali di violetta. Le pesche e le mele a polpa rossa contengono antociani. Le antocianine sono meno abbondanti in banane, asparagi, piselli, finocchi, pere e patate e possono essere del tutto assenti in alcune cultivar di uva spina verde.

Struttura delle principali antocianine

Le antocianine sono un'ottima alternativa per sostituire i coloranti sintetici nei prodotti alimentari. Le antocianine sono approvate per l'uso come coloranti alimentari nell'Unione Europea, in Australia e in Nuova Zelanda, con il codice colorante E163. Le antocianine si trovano in frutta e verdura e possono essere descritte come un tipo di pigmenti vegetali solubili in acqua. Dal punto di vista chimico, le antocianine sono glicosidi delle antocianidine basati sulla struttura del 2-fenilbenzofillio (flavylium). Esistono più di 200 sostanze fitochimiche distinte che rientrano nella categoria delle antocianine. Essendo il principale pigmento colorato di frutti e bacche selvatiche, esistono molte fonti da cui è possibile estrarre gli antociani. Una fonte importante di antociani è la buccia dell'uva. I pigmenti antocianici presenti nella buccia dell'uva consistono principalmente in 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.
Le antocianine più importanti sono cianidina, delfinidina, pelargonidina, peonidina, malvidina e petunidina.
Ad esempio, le antocianine peonidina-3-caffeoil-p-idrossibenzoil sophoroside-5-glucoside, peonidina-3-(6″-caffeoil-6‴-feruloil sophoroside)-5-glucoside e cianidina-3-caffeoil-p-idrossibenzoil sophoroside-5-glucoside si trovano nelle patate dolci viola.

antociani – Benefici per la salute

Oltre alla grande capacità di funzionare come colorante alimentare naturale, le antocianine sono molto apprezzate per i loro effetti antiossidanti. Pertanto, le antocianine mostrano molti effetti positivi sulla salute. Le ricerche hanno dimostrato che le antocianine possono inibire i danni al DNA nelle cellule tumorali, inibire gli enzimi digestivi, indurre la produzione di insulina in cellule pancreatiche isolate, ridurre le risposte infiammatorie, proteggere dal declino delle funzioni cerebrali legato all'età, migliorare la tenuta dei vasi sanguigni capillari e prevenire l'aggregazione dei trombociti.