Studio sulla tecnologia ad ultrasuoni nell'estrazione di principi attivi vegetali

Spinti dall’obiettivo industriale di raggiungere un’estrazione verde, sono emerse nuove tecnologie di estrazione come l’estrazione a microonde, l’estrazione con fluido supercritico e l’estrazione ad ultrasuoni. Queste nuove tecnologie hanno notevolmente promosso lo sviluppo commerciale delle colture da reddito. Negli ultimi anni, la tecnologia di estrazione ad ultrasuoni si è sviluppata rapidamente nel campo dell'industria alimentare. Questa tecnologia può non solo migliorare la qualità dei prodotti, ma anche ridurre i costi di produzione e migliorare l'efficienza e la sicurezza della produzione. Le onde ultrasoniche possono efficacemente impedire la distruzione di sostanze sensibili al calore in ambienti ad alta temperatura nel processo di aumento delle velocità di trasferimento di massa. Stimola continuamente le ghiandole intracellulari attraverso effetti di cavitazione, effetti meccanici, ecc., favorendo così il rapido rilascio dei principi attivi. Questa tecnologia può ridurre l'uso di solventi organici, migliorare la purezza dei composti bioattivi e risparmiare tempo di lavorazione e costi operativi. Pertanto, la tecnologia di estrazione assistita da ultrasuoni soddisfa i bisogni umani nella produzione verde, nello sviluppo sostenibile e nella protezione ambientale. L'applicazione degli ultrasuoni nell'estrazione dei principi attivi vegetali ha attirato sempre più attenzione grazie ai suoi vantaggi unici. I ricercatori cercano inoltre costantemente di combinare la tecnologia a ultrasuoni con varie altre apparecchiature di estrazione per ottenere migliori prestazioni di estrazione. Oltre al più comune metodo di estrazione ad ultrasuoni con solvente, esistono anche l'estrazione ad ultrasuoni Soxhlet, l'estrazione ad ultrasuoni omogenea, l'estrazione con distillazione ad ultrasuoni dell'acqua, l'estrazione a microonde ad ultrasuoni e l'estrazione ad ultrasuoni con anidride carbonica supercritica.

1 Principio dell'estrazione ad ultrasuoni

Gli ultrasuoni sono definiti come un'onda sonora con una frequenza superiore a 20 kHz, che supera il limite di rilevamento dell'udito umano. L'ultrasuono è un'onda meccanica ad alta densità di energia. La sua fonte di emissione di energia sonora è solitamente un oggetto vibrante, che può far vibrare il mezzo circostante e quindi trasferire energia ad altre particelle adiacenti. Quando gli ultrasuoni attraversano il mezzo, provocano lo spostamento longitudinale delle particelle. Questi effetti molecolari densi causano danni alla parete cellulare e accelerano la velocità di trasferimento di massa delle sostanze efficaci nel mezzo, raggiungendo così lo scopo di migliorare la velocità di estrazione. L'estrazione ad ultrasuoni non si basa su un singolo meccanismo d'azione, ma funziona in modo continuo o simultaneo attraverso molteplici meccanismi fisici come la frammentazione meccanica, l'effetto termico e l'effetto cavitazione. Nell'omogeneizzato della miscela solido-liquido, i microfasci e la microturbolenza generati dalla cavitazione acustica nel mezzo liquido causeranno forti disturbi meccanici, intensificando così la collisione tra le particelle, che può facilmente portare alla decomposizione e alla rottura locale di alcuni materiali fragili. D'altra parte, a causa della riduzione delle dimensioni delle particelle, aumenta la velocità di trasferimento di massa delle particelle solide e l'area di contatto tra le fasi solida e liquida, il che favorisce l'accelerazione della dissoluzione del contenuto nella matrice del campione.

L'effetto cavitazione è un fenomeno fisico unico e complesso causato dalla propagazione e dalla vibrazione degli ultrasuoni nel liquido. Si riferisce generalmente al processo di formazione, espansione e rottura delle bolle di cavitazione nel liquido. In parole povere, quando si applicano ultrasuoni ad alta intensità, l'attrazione tra le molecole medie può superare il valore critico, generando così un elevato stress di taglio nel liquido e successivamente formando bolle di cavitazione. 1 La bolla di cavitazione si forma vicino alla superficie della matrice. Dopo aver subito cicli continui di compressione-rarefazione, la bolla di cavitazione si romperà durante il ciclo di compressione e genererà energia termica a breve termine, formando così un fluido a microgetto ad alta velocità sulla superficie della matrice e generando forti onde d'urto. Questo processo può portare la temperatura locale circostante fino a circa 5.000 K e la pressione istantanea può raggiungere 50~1000 atm. L'ambiente ad alta pressione e alta temperatura formato distruggerà la parete cellulare della matrice vegetale, rilasciando così sostanze intracellulari nella soluzione. Dalle immagini al microscopio elettronico a scansione delle foglie di basilico scattate da CHEMAT e altri prima e dopo l'estrazione dell'olio, si può osservare in modo più vivido: prima dell'estrazione, le ghiandole sulle foglie sono lisce e piene; dopo l'estrazione cominciano a ridursi, ma la struttura della ghiandola rimane intatta; e dopo l'estrazione assistita da ultrasuoni, le ghiandole vengono completamente rotte e tutto il loro contenuto viene rilasciato.

2 Applicazione della tecnologia combinata ad ultrasuoni nell'estrazione di sostanze attive vegetali

Metodo di estrazione con solvente combinato ad ultrasuoni

Il metodo di estrazione con solvente ad ultrasuoni utilizza generalmente solventi organici come mezzo di trasmissione di energia, ovvero solventi di diversa polarità vengono selezionati in base alle proprietà del composto target da estrarre, il solvente viene completamente miscelato con la matrice del campione e quindi viene applicato l'intervento ad ultrasuoni. Questo metodo non richiede la partecipazione di altre apparecchiature. La miscela solido-liquido viene posta direttamente in un dispositivo ad ultrasuoni per l'estrazione. L'onda ultrasonica trasferisce l'energia in modo uniforme alla matrice del campione attraverso il mezzo liquido, raggiungendo così lo scopo di migliorare la velocità di estrazione. Questo è il metodo più tradizionale, semplice ed economico nell'estrazione ad ultrasuoni.

Esistono due tipi di apparecchiature per l'estrazione ad ultrasuoni, vale a dire il bagno d'acqua ad ultrasuoni e l'apparecchiatura ad ultrasuoni con sonda. Entrambi i sistemi si basano su trasduttori come sorgenti ultrasoniche. I bagnimaria ad ultrasuoni funzionano solitamente ad una frequenza di circa 40 kHz e sono dotati di dispositivi di controllo della temperatura. L'attrezzatura è relativamente economica e può elaborare un gran numero di campioni contemporaneamente. Tuttavia, l'acqua contenuta nel bagno a ultrasuoni e la vetreria utilizzata indeboliranno notevolmente l'energia ultrasonica trasmessa. I sistemi a ultrasuoni del tipo a sonda sono solitamente la prima scelta per le applicazioni di estrazione. Poiché l'energia ultrasonica viene trasmessa attraverso una piccola superficie (la punta della sonda immersa sotto la superficie del liquido), l'energia ultrasonica generata viene trasmessa direttamente nel mezzo di estrazione, quindi la perdita di energia ultrasonica è ridotta. L'intensità delle onde ultrasoniche trasmesse dal sistema di sonda al mezzo liquido farà aumentare rapidamente la temperatura della miscela solido-liquido, quindi è necessario utilizzare vetreria condensata a doppio strato per l'estrazione.

Molti studiosi nazionali hanno utilizzato questo metodo semplice ed economico per estrarre varie sostanze attive da campioni di piante e hanno ottenuto buoni risultati. Liu Yanyan ha utilizzato l'estrazione assistita da ultrasuoni dei polisaccaridi Huoshan Dendrobium. Con i parametri di estrazione ottimali, la resa in polisaccaridi può raggiungere 19,96 mg/g; Niu Sikun ha utilizzato l'estrazione assistita da ultrasuoni delle cumarine dell'orecchio dorato e il tasso di estrazione delle cumarine totali nel micelio dell'orecchio dorato ha raggiunto un massimo dello 0,85%. Rispetto all'estrazione con solvente, l'estrazione con solvente ad ultrasuoni può migliorare significativamente l'efficienza di estrazione del prodotto target, ridurre il consumo di solventi organici e non è facile distruggere l'attività dell'estratto. Tuttavia, questo metodo consuma ancora una certa quantità di solventi organici, che causeranno un certo grado di inquinamento ambientale, e i residui organici nell'estratto ottenuto influenzeranno notevolmente la qualità del prodotto. Pertanto, negli ultimi anni, alcuni studiosi hanno iniziato a provare a utilizzare solventi a basso eutettico per sostituire i solventi di estrazione convenzionali, combinati con metodi assistiti da ultrasuoni per estrarre vari principi attivi dalle piante, e hanno ottenuto buoni risultati. I solventi a basso eutettico sono un nuovo tipo di liquido ionico ecologico, una miscela eutettica formata dalla combinazione di accettori di legami idrogeno e donatori di legami idrogeno, con un punto di fusione inferiore rispetto a un singolo componente. I solventi a basso eutettico sono non tossici, economici, semplici da preparare e hanno una buona biodegradabilità. Sono solventi ideali per l'estrazione dei principi attivi vegetali. Wang et al. ha utilizzato un solvente a basso eutettico assistito da ultrasuoni per estrarre i glicosidi dell'echinacea e l'oleuropeina da piccole foglie di chiodi di garofano. Quando è stato utilizzato colina cloruro/glicerolo (1:2, rapporto molare) come solvente a basso eutettico, il rapporto solido-liquido era di 20 g/mL, la temperatura era di 68 ℃, il contenuto di acqua era del 20% e l'onda ultrasonica era di 200 W per 45 minuti, le velocità di estrazione dei glicosidi dell'echinacea e dell'oleuropeina erano rispettivamente dell'80,04% e dell'86,21%, che erano significativamente migliori rispetto al solvente a basso eutettico. risultati di estrazione dei tradizionali reagenti organici. Ni Yujiao et al. utilizzato solvente a basso eutettico assistito da ultrasuoni per ottenere sostanze fenoliche dalla farina di semi di olivello spinoso. I risultati hanno mostrato che, con lo stesso tempo di estrazione, la resa in polifenoli di questo metodo era 1,6 volte quella della resa in polifenoli dell’estrazione a riflusso caldo.