Estrazione a ultrasuoni dei polifenoli dal Baggibuti (Stachys parviflora)

Gli estratti della pianta Baggibuti (Stachys parviflora L.) sono apprezzati come rimedi fitoterapici utilizzati per il trattamento di crampi, artralgia, epilessia, mal caduco e dracunculiasi. Gli estrattori a ultrasuoni vengono impiegati con successo per isolare polifenoli e altri composti fitochimici da Stachys parviflora.

Che cosa rende superiore l’estrazione a ultrasuoni? – Il principio di funzionamento e i vantaggi degli ultrasuoni di potenza

Quando si devono isolare composti bioattivi (ossia composti fitochimici, metaboliti secondari) da materiale vegetale, è necessario disgregarne le strutture cellulari per rilasciare i composti desiderati. L’estrazione a ultrasuoni è un metodo altamente efficiente per isolare l’intera quantità di composti fitochimici da materiale vegetale (ad esempio Stachys parviflora, erbe ecc.) mediante un processo di estrazione rapido. L’applicazione di ultrasuoni ad alta potenza produce intensi effetti di cavitazione, perturbazioni / turbolenze e correnti liquide ad alta velocità. Queste forze ultrasoniche favoriscono la disgregazione cellulare e la miscelazione a livello macroscopico e microscopico. Inoltre, la penetrazione del solvente, la dissoluzione dei composti bioattivi e il trasferimento di massa migliorano significativamente. Ciò rende l’estrazione assistita da ultrasuoni altamente efficace, con rese di estrazione superiori in tempi di processo brevi.

I benefici dei composti fitochimici del Baggibuti (Stachys parviflora)

Stachys parviflora L., comunemente nota come “Baggibuti”, è una specie appartenente alle Lamicae. I composti di Stachys parviflora, come iridoidi, flavonoidi, acidi fenolici e diterpenoidi, sono descritti come metaboliti secondari noti per le loro proprietà antinefritiche, antinfiammatorie, di neutralizzazione dei radicali e antimicrobiche.

Estrazione a ultrasuoni di composti bioattivi dal Baggibuti (Stachys parviflora)

L’estrazione a ultrasuoni, nota anche come estrazione assistita da ultrasuoni (UAE), è una tecnologia scientificamente comprovata e consolidata a livello industriale per isolare composti bioattivi come polifenoli, flavonoidi, terpeni e molti altri metaboliti secondari da materiale vegetale.

Estrazione del Baggibuti (Stachys parviflora): principio di funzionamento e protocollo

L’estrazione a ultrasuoni è una tecnica di estrazione delicata, non termica e tuttavia altamente efficiente, basata esclusivamente su forze meccaniche. In questo modo, i composti vegetali sensibili sono protetti dalla degradazione termica, mentre le rese di estrazione ottenute mediante sonicazione sono eccezionalmente elevate e gli estratti sono di qualità superiore.

Ultrasuoni ad alta potenza per l’estrazione

Il meccanismo di intensificazione dell’estrazione mediante ultrasuoni a bassa frequenza e ad alta intensità è attribuito principalmente al fenomeno della cavitazione acustica. Quando le bolle di cavitazione collassano sulla superficie del materiale vegetale, l’erosione e la sonoporazione disgregano la matrice delle cellule vegetali (come quelle di Stachys parviflora), causando la distruzione della struttura cellulare e il rilascio di sostanze intracellulari come polifenoli e altri composti fitochimici. Il trasferimento di massa così intensificato facilita il rilascio di molecole come proteine, lipidi e composti fitochimici.
Le forze di taglio generate dagli ultrasuoni migliorano la penetrazione del solvente nella matrice cellulare del materiale vegetale e la permeabilità delle membrane cellulari. Questi meccanismi degli ultrasuoni di potenza sono responsabili della significativa intensificazione del processo ottenuta quando si applica la sonicazione all’estrazione da materiale vegetale.

Immagine SEM della superficie di Stachys parviflora, (a) campione non trattato, (b) macerazione, (c) estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) ottimizzata (UP200Ht, tempo di trattamento di 4 min, alta intensità al 74,5% e purezza del solvente del 74,2 %)
Studio e immagine: ©Salarbashi et al., 2016

Protocollo di estrazione a ultrasuoni dei composti fenolici dal Baggibuti

Il gruppo di ricerca di Salarbashi ha estratto composti polifenolici dalle foglie di Stachys parviflora utilizzando l’estrattore a ultrasuoni UP200Ht (200W, 26kHz). Per lo studio comparativo dell’estrazione a ultrasuoni e della macerazione, le parti aeree essiccate di S. parviflora (raccolte durante la fase di fioritura) sono state macinate fino a ottenere una polvere con dimensione media delle particelle inferiore a 149µm. L’estrazione dal materiale vegetale è stata effettuata alla temperatura di 35°C, a pH naturale, utilizzando metanolo (60, 80 e 100 % (v v-1)) come solvente per intervalli di tempo di 4, 7 e 10 min.
Per l’estrazione a ultrasuoni è stato utilizzato il sonicatore a sonda Hielscher UP200Ht (200W, 26kHz). L’ampiezza dell’estrattore a ultrasuoni UP200Ht è stata impostata al 100%. L’intensità del trattamento a ultrasuoni era di 21,8346 Wcm-2 al 100% di ampiezza.
I risultati dell’analisi dell’estratto prodotto mediante ultrasuoni hanno rivelato che il contenuto totale di flavonoidi (TFC) degli estratti aumentava linearmente con il trattamento a ultrasuoni, mentre il tempo di estrazione aveva l’effetto opposto sul TFC. Il contenuto totale di flavonoidi più elevato è stato ottenuto con una durata della sonicazione di 4min. (t = 4 min).
Acido caffeico, acido tannico, quercetina, acido ferulico trans e acido rosmarinico sono stati identificati come i principali composti fenolici nell’estratto prodotto mediante ultrasuoni.
Dalle immagini SEM risulta chiaramente visibile che la sonicazione e la cavitazione acustica che ne deriva svolgono un ruolo importante nell’efficace disgregazione della parete cellulare e della struttura del materiale vegetale, e che la resa di estrazione aumenta grazie alle vibrazioni ultrasoniche e alle microcorrenti indotte dalla cavitazione. Grazie a questi effetti indotti dagli ultrasuoni di potenza, l’estrazione assistita da ultrasuoni intensifica il processo di rigonfiamento e ammorbidimento delle pareti cellulari attraverso l’idratazione del materiale pectico della lamella mediana. Di conseguenza, la matrice delle cellule vegetali viene disgregata, determinando un rilascio di metaboliti bioattivi molto più rapido ed efficiente rispetto ad altri metodi di estrazione classici. Le immagini SEM mostrano l’efficienza dell’estrazione a ultrasuoni dei composti fenolici. Come metodo di estrazione delicato e non termico, la sonicazione produce estratti con attività antiossidanti e antimicrobiche superiori a quelle degli estratti prodotti mediante tecniche di estrazione convenzionali.
(cfr. Salarbashi et al., 2016)

Cromatogramma HPLC dell’estratto di Stachys parviflora, isolato in condizioni ottimizzate di estrazione assistita da ultrasuoni
Studio e immagine: ©Salarbashi et al., 2016

Sonicatori all’avanguardia ad alte prestazioni per l’estrazione di Stachys parviflora

Le funzionalità intelligenti dei sonicatori Hielscher sono progettate per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d’uso. Le impostazioni operative sono facilmente accessibili e regolabili mediante un menu intuitivo, disponibile tramite il display digitale tattile a colori e il controllo remoto via browser. Tutte le condizioni di processo, 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 l’estrazione di oli essenziali da Stachys parviflora (baggibuti) per ottenere la massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo per la produzione di estratti vegetali di alta qualità. I sonicatori industriali Hielscher possono operare facilmente ad ampiezze elevate in funzionamento continuo (24/7/365). Con sonotrodi standard (sonde / corni a ultrasuoni) si possono 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: