Extracția ultrasonică a antocianilor

Antocianii sunt utilizați pe scară largă ca colorant natural și aditiv nutrițional în produsele alimentare. Extracția ultrasonică este o tehnică extrem de eficientă și simplă pentru obținerea de antociani de înaltă calitate. Utilizarea sonicatoarelor cu sondă favorizează eliberarea antocianilor de înaltă calitate din plante, ceea ce duce la randamente mai mari și la un proces rapid. Totodată, sonicarea este o tehnică blândă, ecologică și eficientă pentru producția industrială de antociani de calitate alimentară și farmaceutică.

Antociani – Cum se extrag antociani de înaltă calitate cu ajutorul unui sonicator

Antocianii sunt utilizați pe scară largă ca coloranți naturali în industria alimentară. Aceștia prezintă un spectru larg de nuanțe de culoare, de la portocaliu, trecând prin roșu, până la violet și albastru, în funcție de structura moleculară și de valoarea pH-ului. Interesul pentru antociani nu se bazează doar pe efectul lor colorant, ci și pe proprietățile lor benefice pentru sănătate. Din cauza preocupărilor tot mai mari legate de mediu și de sănătate în privința coloranților sintetici, coloranții naturali reprezintă o alternativă excelentă ca agenți de colorare ecologici pentru industria alimentară și farmaceutică.

Extracția antocianilor îmbunătățită prin ultrasunete

Cum se extrag antocianii cu ultrasunete? – Studii de caz

Extracția ultrasonică a antocianilor din orezul mov Oryza Sativa L.

Orezul mov din tulpina Oryza Sativa (cunoscut și ca Violet Nori sau orez violet) este extraordinar de bogat în compuși fenolici, cum ar fi grupul flavonoidic al antocianilor. Turrini et al. (2018) au utilizat extracția ultrasonică pentru a izola compuși polifenolici, precum antocianii și antioxidanții, din cariopsă (sub formă integrală, brună și prefiartă) și din frunzele orezului mov. Extracția ultrasonică a fost efectuată cu un Hielscher UP200St (200W, 26kHz, imaginea din stânga) și etanol 60% ca solvent.
Pentru a păstra integritatea antocianilor, extractele ultrasonice au fost depozitate la −20°C, ceea ce a permis păstrarea lor cel puțin până la trei luni.
Cyanidin-3 glucoside (cunoscută și ca crizantemină) a fost de departe antocianul principal detectat în soiurile ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ și ‘Nerone’ investigate în studiul lui Turrini et al., în timp ce peonidin-3-glucoside și cyanidin-3-rutinoside (numită și antirinină) au fost găsite în cantități mai mici.
Frunzele violete ale Oryza Sativa sunt o sursă excelentă de antociani și de conținut fenolic total (TPC). Cu o cantitate de aprox. 2–3 ori mai mare decât cea din orez și făină, frunzele de Oryza reprezintă o materie primă ieftină pentru extracția antocianilor. Un randament estimat de aproximativ 4 kg antociani/t frunze proaspete este semnificativ mai mare decât cel de 1 kg antociani/t orez, calculat pe baza cantităților medii de antociani detectate în orezul ‘Violet Nori’ (1300 µg/g orez, exprimat ca cyanidin-3-glucoside) pentru un randament de aproximativ 68 kg de orez din 100 kg de orez nedecorticat.

Extracția ultrasonică a antocianilor din varza roșie

Ravanfar et al. (2015) au investigat eficiența extracției ultrasonice a antocianilor din varza roșie. Experimentele de extracție ultrasonică au fost efectuate cu sistemul ultrasonic UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). Sonotroda MS10 (diametrul vârfului de 10mm) a fost introdusă în centrul unui pahar de laborator din sticlă cu manta, cu temperatură controlată.

Pentru acest experiment au fost utilizate bucăți de varză roșie proaspăt tăiate, cu dimensiunea de 5mm (formă cubică) și un conținut de umiditate de 92,11 ± 0,45 %. Un pahar de laborator din sticlă cu manta (volum: 200ml) a fost umplut cu 100ml de apă distilată și 2g de bucăți de varză roșie. Paharul a fost acoperit cu folie de aluminiu pentru a preveni pierderea solventului (apa) prin evaporare în timpul procesului. În toate experimentele, temperatura din pahar a fost menținută cu ajutorul unui controler termostatic. Probele au fost în final colectate, filtrate și centrifugate la 4000rpm, iar supernatanții au fost utilizați pentru determinarea randamentului de antociani. Ca experiment de control s-a efectuat extracția în baie de apă.
Randamentul optim de antociani din varza roșie a fost determinat la o putere de 100 W, o durată de 30 min și o temperatură de 15°C, ceea ce a dus la un randament de antociani de aproximativ 21 mg/L.
Datorită schimbărilor de culoare în funcție de valoarea pH-ului și colorației sale intense, colorantul din varza roșie a fost utilizat ca indicator de pH în formulări farmaceutice, respectiv ca antioxidant și colorant în sistemele alimentare.

Ultrasunetele intensifică semnificativ extracția antocianilor din materialul vegetal.
sursa: Ravanfar et al. 2015

Alte studii demonstrează extracția ultrasonică reușită a antocianilor din afine, mure, struguri, cireșe, căpșuni și cartofi dulci violeți, printre altele.

Extractoare ultrasonice de înaltă performanță

Hielscher Ultrasonics este specializată în fabricarea procesoarelor ultrasonice de înaltă performanță pentru producția de extracte de înaltă calitate din materii vegetale.
Portofoliul larg de sonicatoare Hielscher cuprinde de la ultrasonicatoare de laborator mici și puternice până la sisteme robuste de banc și sisteme complet industriale, care furnizează ultrasunete de mare intensitate pentru extracția și izolarea eficientă a substanțelor bioactive (de ex. antociani, gingerol, piperină, curcumină etc.).
Toate ultrasonicatoarele de la 200W la 16.000W dispun de un ecran tactil color pentru control digital, un card SD integrat pentru înregistrarea automată a datelor, control de la distanță prin browser și multe alte funcții ușor de utilizat. Sonotrodele și celulele de flux (componentele care intră în contact cu mediul) pot fi autoclavate și sunt ușor de curățat.
Sonicatoarele Hielscher sunt foarte robuste și construite pentru funcționare 24/7 la sarcină maximă, necesitând întreținere redusă și fiind ușor și sigur de operat. Un afișaj color digital permite controlul ușor al ultrasonicatorului.
Sistemele noastre pot furniza amplitudini de la mici până la foarte mari. Pentru extracția canabinoidelor și terpenelor, oferim sonotrode ultrasonice speciale (cunoscute și ca sonde ultrasonice sau „horns”), optimizate pentru izolarea delicată a substanțelor active de înaltă calitate. Toate sistemele noastre pot fi utilizate pentru extracția și emulsificarea ulterioară a canabinoidelor. Robustețea sonicatoarelor Hielscher permite funcționarea continuă (24/7) în regim intens și în medii solicitante.

Controlul precis al parametrilor procesului ultrasonic asigură reproductibilitatea și standardizarea procesului.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Literatură / Referințe

• 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.

Fapte demne de știut

Cum funcționează extracția asistată de ultrasunete?

Aplicarea undelor ultrasonice intense într-un mediu lichid duce la cavitație. Fenomenul de cavitație duce local la temperaturi, presiuni, viteze de încălzire/răcire și diferențe de presiune extreme, precum și la forțe de forfecare ridicate în mediu. Când bulele de cavitație implodează pe suprafața solidelor (cum ar fi particule, celule vegetale, țesuturi etc.), microjeturile și coliziunile interparticulare generează efecte precum exfolierea suprafeței, eroziunea și fragmentarea particulelor. În plus, implozia bulelor de cavitație în mediile lichide creează macroturbulențe și micro-amestecare.
Iradierea ultrasonică a materialului vegetal fragmentează matricea celulelor vegetale și îmbunătățește hidratarea acesteia. Chemat et al (2015) concluzionează că extracția ultrasonică a compușilor bioactivi din materii vegetale este rezultatul unor mecanisme diferite, independente sau combinate, inclusiv fragmentarea, eroziunea, capilaritatea, detexturarea și sonoporarea. Aceste efecte distrug peretele celular, îmbunătățesc transferul de masă prin împingerea solventului în celulă și aspirarea în afară a solventului încărcat cu fitocompuși și asigură mișcarea lichidului prin micro-amestecare.

Extracția ultrasonică se bazează pe cavitația acustică și pe forțele sale hidrodinamice de forfecare

Iradierea ultrasonică a materialului vegetal fragmentează matricea celulelor vegetale și îmbunătățește hidratarea acesteia. Chemat et al. (2015) concluzionează că extracția ultrasonică a compușilor bioactivi din materii vegetale este rezultatul unor mecanisme diferite, independente sau combinate, inclusiv fragmentarea, eroziunea, capilaritatea, detexturarea și sonoporarea. Aceste efecte distrug peretele celular, îmbunătățesc transferul de masă prin împingerea solventului în celulă și aspirarea în afară a solventului încărcat cu fitocompuși și asigură mișcarea lichidului prin micro-amestecare.
Extracția ultrasonică realizează o izolare foarte rapidă a compușilor – depășind metodele convenționale de extracție prin durate de proces mai scurte, randament mai mare și temperaturi mai scăzute. Ca tratament mecanic blând, extracția asistată de ultrasunete evită degradarea termică a componentelor bioactive și excelează în comparație cu alte tehnici, precum extracția convențională cu solvenți, hidrodistilarea sau extracția Soxhlet, despre care se știe că distrug moleculele sensibile la căldură. Datorită acestor avantaje, extracția ultrasonică este tehnica preferată pentru eliberarea compușilor bioactivi sensibili la temperatură din materii vegetale.

Extracția ultrasonică din celule vegetale: secțiunea transversală microscopică (TS) arată mecanismul de acțiune în timpul extracției ultrasonice din celule (mărire 2000x) [sursă: Vilkhu et al. 2011]

Antocianul – un pigment vegetal valoros

Antocianii sunt pigmenți vegetali vacuolari, care pot apărea roșii, violet, albaștri sau negri. Expresia culorii pigmenților antocianici solubili în apă depinde de valoarea pH-ului lor. Antocianii se găsesc în vacuola celulară, mai ales în flori și fructe, dar și în frunze, tulpini și rădăcini, unde se află în principal în straturile celulare exterioare, cum ar fi epiderma și celulele mezofilului periferic.
Cel mai frecvent întâlnite în natură sunt glicozidele cianidinei, delfinidinei, malvidinei, pelargonidinei, peonidinei și petunidinei.
Exemple proeminente de plante bogate în antociani includ speciile de vaccinium, cum ar fi afinul american, merișorul și afinul de pădure; fructele de Rubus, inclusiv zmeura neagră, zmeura roșie și mura; coacăza neagră, cireașa, vânăta, orezul negru, ube, cartoful dulce de Okinawa, strugurii Concord, strugurii muscadine, varza roșie și petalele violete. Piersicile și merele cu pulpă roșie conțin antociani. Antocianii sunt mai puțin abundenți în banane, sparanghel, mazăre, fenicul, pere și cartofi și pot lipsi cu totul în anumite soiuri de agrișe verzi.

Structura principalilor antociani

Antocianii sunt o alternativă excelentă pentru înlocuirea agenților de colorare sintetici din produsele alimentare. Antocianii sunt aprobați pentru utilizare ca coloranți alimentari în Uniunea Europeană, Australia și Noua Zeelandă, având codul de colorant E163. Antocianii se găsesc în fructe și legume și pot fi descriși ca un tip de pigmenți vegetali solubili în apă. Din punct de vedere chimic, antocianii sunt glicozide ale antocianidinelor bazate pe structura 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Există peste 200 de fitochimicale distincte care se încadrează în categoria antocianilor. Ca principal pigment de culoare în fructele sălbatice și în fructele de pădure, există numeroase surse din care pot fi extrași antocianii. O sursă importantă de antociani este pielița strugurilor. Pigmenții antocianici din pielița strugurilor constau în principal din diglucozide, monoglucozide, monoglucozide acilate, precum și diglucozide acilate ale peonidinei, malvidinei, cianidinei, petunidinei și delfinidinei. Conținutul de antociani din struguri variază în intervalul 30–750mg/100g.
Cei mai importanți antociani sunt cianidina, delfinidina, pelargonidina, peonidina, malvidina și petunidina.
De exemplu, antocianii peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside și cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside se găsesc în cartofii dulci violeți.

Antociani – Beneficii pentru sănătate

Pe lângă capacitatea lor remarcabilă de a funcționa ca colorant alimentar natural, antocianii sunt foarte apreciați pentru efectele lor antioxidante. Prin urmare, antocianii prezintă multe efecte pozitive asupra sănătății. Cercetările au arătat că antocianii pot inhiba deteriorarea ADN-ului în celulele canceroase, pot inhiba enzimele digestive, pot induce producția de insulină în celulele pancreatice izolate, pot reduce răspunsurile inflamatorii, pot proteja împotriva declinului funcției cerebrale legat de vârstă, pot îmbunătăți etanșeitatea vaselor capilare și pot preveni agregarea trombocitelor.