Extração altamente eficiente de artemisinina por sonicação

A artemisinina pode ser extraída de forma eficiente através de sonicação de alto desempenho. A extração ultrassónica proporciona rendimentos muito elevados de artemisinina utilizando solventes suaves. O processo de extração com aplicação de ultrassons é drasticamente acelerado. As condições de processamento nos extratores ultrassónicos podem ser controladas com precisão, o que permite evitar a degradação da artemisinina, uma biomolécula sensível ao calor.

Extração de artemisinina

A artemisinina é uma molécula bioativa presente nas glândulas dos tricomas da planta Artemisia annua, utilizada como medicamento antimalárico e que apresenta um elevado potencial como medicamento para o tratamento de várias outras doenças, incluindo o cancro e o SARS-CoV-2. O método de extração tradicional envolve solventes tóxicos e é um processo dispendioso e pouco otimizado. Para produzir artemisinina em grande escala em condições ambiental e economicamente favoráveis, é necessária uma técnica de extração eficiente e ecológica. A extração ultrassónica é um método de extração amplamente estabelecido que pode ser utilizado em combinação com água ou etanol como solventes não tóxicos. Já se demonstrou que a extração ultrassónica proporciona rendimentos elevados de artemisinina, permitindo aumentar rapidamente a escala de produção de artemisinina para grandes volumes. Estão prontamente disponíveis equipamentos de extração ultrassónica para processamento por lotes e em linha à escala industrial.

Extração ultrassónica de artemisinina a partir de Artemisia annua

A utilização de ultrassons de potência para a extração supera outros métodos de extração em vários fatores fundamentais, incluindo o rendimento, o tempo de extração, o respeito pelo ambiente e a relação custo-eficiência.

As desvantagens da extração tradicional de artemisinina

Os métodos tradicionais de extração de artemisinina são demorados, podem danificar as moléculas bioativas de artemisinina devido às temperaturas elevadas aplicadas e têm um elevado impacto ambiental devido aos solventes orgânicos utilizados a temperaturas elevadas. Além disso, no processamento a jusante, é necessária uma purificação extensa para remover as impurezas do extrato bruto.

As vantagens da extração ultrassónica de artemisinina

A aplicação de ultrassons de potência à extração tem vários efeitos positivos que intensificam o processo de extração: os ultrassons de alto desempenho criam cavitação acústica. Esta cavitação acústica promove a extração de compostos vegetais através da rutura celular, permitindo que as biomoléculas retidas sejam libertadas da matriz celular da planta. Além disso, as forças de cavitação intensificam a transferência de massa, transportando de forma eficiente biomoléculas como a artemisinina para o solvente circundante. O princípio de funcionamento da extração ultrassónica pode ser atribuído às forças puramente mecânicas da cavitação. Isto significa que a sonicação é uma técnica de extração não térmica e não química. O facto de ser uma técnica de extração não térmica torna a extração ultrassónica especialmente favorável, uma vez que a artemisinina é um composto termicamente sensível, pelo que temperaturas mais elevadas (por exemplo, 70°C) provocarão a sua decomposição. Consequentemente, não seria possível ferver Artemisia annua L. em água quente para obter artemisinina.

Solventes ecológicos para a extração ultrassónica de artemisinina

Os solventes de extração clássicos utilizados na produção de artemisinina incluem hexano, éter de petróleo ou diclorometano. A extração por ultrassons é compatível com qualquer solvente, incluindo solventes suaves e ecológicos, como o etanol ou a água. A extração ultrassónica de artemisinina com etanol é igualmente eficiente quando comparada com a utilização de solventes agressivos. Como a artemisinina apresenta baixa solubilidade em água, podem utilizar-se ciclodextrinas para melhorar a extração ultrassónica de artemisinina com água fria.

O que torna a extração ultrassónica de artemisinina tão eficiente?

Para compreender as vantagens da extração assistida por ultrassons, é necessário compreender o princípio de funcionamento dos ultrassons de potência. O mecanismo pelo qual os ultrassons de potência intensificam a extração é atribuído principalmente ao fenómeno de cavitação acústica. A cavitação ultrassónica provoca colisões entre partículas da biomassa vegetal (como folhas de Artemisia annua L.), o que resulta na fragmentação entre partículas e na redução do tamanho das partículas. Quando as bolhas de cavitação colapsam na superfície dos sólidos vegetais, a erosão e a sonoporação aumentam ainda mais a superfície das partículas. A transferência de massa assim intensificada facilita a libertação de moléculas como proteínas, lípidos, açúcares, vitaminas, antioxidantes, compostos fitoquímicos (por exemplo, artemisinina) e fibras alimentares. As forças de cisalhamento geradas por ultrassons melhoram a penetração do solvente na matriz celular da matéria vegetal e a permeabilidade das membranas celulares, respetivamente. Estes mecanismos dos ultrassons de potência são responsáveis pela intensificação significativa do processo alcançada quando se aplica ultrassonicação à extração de compostos vegetais.

As ondas de ultrassons de potência provocam a rutura da estrutura celular dos materiais vegetais, libertam os compostos bioativos e promovem a transferência de massa entre o material vegetal e o solvente (por exemplo, etanol).

Resultados da extração ultrassónica de artemisinina comprovados pela investigação

Foram realizados vários estudos científicos para investigar a eficiência e a viabilidade prática da extração ultrassónica de artemisinina a partir de folhas de Artemisia annua.

Briars e Paniwnyk demonstraram «que os ultrassons a baixas temperaturas aumentam em cerca de 58% o rendimento de artemisinina extraída de A. annua e os extratos parecem mais puros quando comparados com os obtidos por maceração convencional; por conseguinte, a utilização de ultrassons durante a extração tem potencial para produzir tratamentos à base de artemisinina de menor custo.» (Briars and Paniwnyk, 2013)

Zhang et al. (2017) investigaram a extração ultrassónica de artemisinina utilizando éter metílico de propilenoglicol (PGME) como solvente. O extrato de artemisinina produzido por ultrassons foi analisado por cromatografia líquida de ultra desempenho (UPLC). Os resultados da análise realçaram a qualidade do extrato. Devido à boa repetibilidade do processo e à estabilidade da artemisinina extraída, a extração assistida por ultrassons utilizando o monoéter ecológico e eficiente éter metílico de propilenoglicol (PGME) como solvente apresenta grandes perspetivas para a extração e separação de moléculas bioativas de materiais vegetais. A extração ultrassónica utilizando éter metílico de propilenoglicol (PGME) como solvente resultou numa elevada eficiência global de extração e em rendimentos elevados de artemisinina. (cf. Zhang et al., 2017)

Noutro estudo, Zhang et al. (2020) apresentam a extração ultrassónica de artemisinina utilizando hidroxipropil-β-ciclodextrina. A adição de ciclodextrina melhora a libertação da artemisinina, um composto pouco solúvel em água, e permite utilizar água como solvente com bons rendimentos de extração. A extração ultrassónica em combinação com ciclodextrina aumentou a quantidade de artemisinina para 8,66 mg/g, um valor significativamente superior à quantidade correspondente de 1,70 mg/g obtida em água.

Extratores ultrassónicos de alto desempenho para a produção de artemisinina

Os sistemas de extração ultrassónica de alto desempenho da Hielscher Ultrasonics são utilizados em todo o mundo em I&D e na produção em pequena escala, em escala média e em escala plenamente comercial, em vários setores, como a produção de alimentos, suplementos alimentares e produtos farmacêuticos. Os extratores ultrassónicos de alto desempenho intensificam o processo de extração e aumentam o rendimento, melhorando assim a eficiência global da produção de extratos de alta qualidade. A Hielscher Ultrasonics oferece equipamentos de extração para qualquer volume / capacidade de processamento. Com mais de 25 anos de experiência na extração de compostos vegetais, a Hielscher Ultrasonics é o seu parceiro de confiança para a extração ultrassónica de alto desempenho a partir de Artemisia annua!

Sonicadores de alto desempenho com tecnologia de ponta

As funcionalidades inteligentes dos sonicadores Hielscher foram concebidas para garantir um funcionamento fiável, resultados reprodutíveis e facilidade de utilização. As definições de funcionamento podem ser facilmente acedidas e ajustadas através de um menu intuitivo, acessível através de um ecrã tátil digital a cores e de controlo remoto por navegador. Assim, todas as condições de processamento, como energia líquida, energia total, amplitude, tempo, pressão e temperatura, são registadas automaticamente num cartão SD integrado. Isto permite rever e comparar ciclos de sonicação anteriores e otimizar o processo de extração de artemisinina para atingir a máxima eficiência.
Os sistemas Hielscher Ultrasonics são utilizados em todo o mundo no fabrico de extratos vegetais de alta qualidade. Os sonicadores industriais Hielscher podem operar facilmente com amplitudes elevadas em funcionamento contínuo (24/7/365). Podem ser facilmente geradas de forma contínua amplitudes de até 200µm com sonotrodos padrão (sondas ultrassónicas / cornetas). Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. Devido à sua robustez e reduzida necessidade de manutenção, os nossos sistemas de extração ultrassónica são frequentemente instalados para aplicações de serviço intensivo e em ambientes exigentes.

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A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: