Estrazione assistita da ultrasuoni dei polifenoli del tè dal tè verde

Estrazione assistita da ultrasuoni dei polifenoli del tè dal tè verde

I polifenoli del tè verde, in quanto importanti antiossidanti naturali, hanno ampie prospettive di applicazione nell’industria alimentare, farmaceutica e cosmetica. L'estrazione assistita da ultrasuoni (UAE), con i suoi vantaggi unici di effetto cavitazione che interrompe la struttura cellulare e migliora i processi di trasferimento di massa, è diventata una tecnologia verde ed efficiente per sostituire la tradizionale estrazione con solvente.

Gli studi hanno dimostrato che ottimizzando la potenza degli ultrasuoni (250-400 W), la temperatura di estrazione (45-72℃), il tempo di estrazione (8-40 minuti) e la composizione del solvente (50%-77,6% di etanolo o nuovi solventi verdi), la velocità di estrazione dei polifenoli del tè può raggiungere 21,78-44,82 mg GAE/g di tè secco. La ricerca futura si concentrerà sull’ampliamento dei processi, sullo sviluppo di sistemi di nanoconsegna e sulla valutazione della sostenibilità del ciclo di vita.

Il tè (Camellia sinensis) è originario della Cina ed è una delle bevande più consumate a livello globale. Il tè verde è ricco di composti polifenolici, che rappresentano il 25%-40% del suo peso secco, tra cui le catechine e i loro derivati ​​(come l'epigallocatechina gallato, EGCG) sono i principali componenti bioattivi. Questi composti possiedono varie funzioni fisiologiche, tra cui effetti antiossidanti, antinfiammatori, antitumorali e antiobesità, e sono ampiamente utilizzati negli alimenti funzionali, negli integratori alimentari e nei cosmetici.

Tuttavia, la complessità delle matrici vegetali, la termosensibilità dei composti polifenolici e i limiti dei metodi di estrazione tradizionali pongono sfide all’estrazione efficiente dei polifenoli del tè. I metodi tradizionali di estrazione con solvente (come la macerazione, l'estrazione a riflusso e l'estrazione Soxhlet) soffrono di un elevato consumo di solventi, di un elevato consumo di energia, di lunghi tempi di estrazione e del rischio di degradazione dei principi attivi a causa delle alte temperature. Con la divulgazione dei concetti di chimica verde, lo sviluppo di tecnologie di estrazione rispettose dell’ambiente, efficienti e a risparmio energetico è diventato un punto focale della ricerca.

L'estrazione assistita da ultrasuoni (UAE), come tecnologia emergente di estrazione verde, utilizza l'effetto di cavitazione degli ultrasuoni per generare alta temperatura localizzata, alta pressione e microgetti, distruggendo efficacemente le pareti cellulari delle piante e promuovendo il trasferimento di massa delle sostanze bersaglio intracellulari al solvente. Rispetto ai metodi tradizionali, gli UAE possono abbreviare significativamente i tempi di estrazione, ridurre il consumo di solventi, aumentare la velocità di estrazione ed evitare il degrado dei componenti termosensibili.

2. Principi e vantaggi della tecnologia di estrazione assistita da ultrasuoni

2.1 Effetto cavitazione ultrasonica e suo meccanismo d'azione

Il meccanismo principale dell'estrazione assistita da ultrasuoni è l'effetto di cavitazione. Quando gli ultrasuoni si propagano in un mezzo liquido, le onde alternate di compressione ed espansione generano minuscole bolle di vuoto (bolle di cavitazione). Queste bolle si formano nella fase di pressione negativa delle onde sonore e collassano rapidamente nella fase di pressione positiva. Il collasso istantaneo di queste bolle genera alte temperature localizzate (fino a 5000 K) e alte pressioni (circa 1000 atm), accompagnate da intensi microgetti e onde d'urto. Questi effetti fisici hanno molteplici impatti sulle cellule vegetali:

Distruzione della parete cellulare: microgetti e onde d'urto distruggono fisicamente la struttura della parete cellulare e della membrana cellulare, riducendo la resistenza al trasferimento di massa.

Riduzione delle dimensioni delle particelle: l'energia meccanica degli ultrasuoni affina le particelle vegetali, aumentando la superficie specifica e favorendo la penetrazione dei solventi.

Trasferimento di massa migliorato: turbolenza e microdisturbi generati dall'effetto cavitazione accelerano la diffusione dei composti target dalla matrice al solvente.

Gli studi hanno dimostrato che il trattamento con ultrasuoni altera significativamente la microstruttura delle cellule del tè, causando pori e rotture nelle pareti cellulari, il che è benefico per la dissoluzione dei polifenoli.

2.2 Confronto con i metodi di estrazione tradizionali

Diversi studi hanno sistematicamente confrontato l’estrazione assistita da ultrasuoni con i metodi di estrazione tradizionali. Utilizzando il 50% di etanolo-acqua come solvente, l'estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) ha prodotto un contenuto fenolico totale di 21,52-36,42 mg GAE/g di tè secco, significativamente superiore ai 18,43-32,29 mg GAE/g di tè secco ottenuto mediante estrazione assistita da microonde (MAE) e ai 12,59-28,52 mg GAE/g di tè secco ottenuto mediante macerazione tradizionale. La microscopia elettronica a scansione ha inoltre confermato che la struttura cellulare dei campioni di tè trattati con UAE era completamente distrutta.

Per quanto riguarda l'efficienza di estrazione, uno studio sul tè verde Ziyang ha dimostrato che il processo ottimizzato degli Emirati Arabi Uniti (rapporto solido-liquido 1:35,8, frazione volumetrica di etanolo 77,6%, tempo ultrasonico 37,6 minuti, temperatura ultrasonica 72,1 ℃, potenza ultrasonica 248,4 W) ha raggiunto un tasso di estrazione dei polifenoli del tè del 21,78%, che è superiore dell'8,56% rispetto al tradizionale metodo di macerazione con etanolo, e il tempo di estrazione è notevolmente accorciato.

2.3 Vantaggi della tecnologia verde

Dal punto di vista dello sviluppo sostenibile, la tecnologia degli Emirati Arabi Uniti offre molteplici vantaggi ecologici:

Consumo energetico ridotto: la tecnologia di estrazione avanzata può ridurre il consumo energetico del 30%-50%.

Risparmio di solventi: rispetto all'estrazione tradizionale con acqua, l'UAE combinato con il solvente eutettico profondo (DES) può ridurre il consumo di solvente del 40%.

Ridurre le emissioni di carbonio: l'intensità delle emissioni di carbonio del processo UAE+DES (0,5 kg CO₂/kg prodotto) è inferiore a quella dell'estrazione tradizionale dell'acqua (0,8 kg CO₂/kg prodotto).

Evita la degradazione termica: può funzionare a temperature più basse, proteggendo la bioattività delle catechine sensibili al calore.

3 parametri chiave del processo e strategie di ottimizzazione

3.1 Principali fattori d'influenza

L'efficacia dell'estrazione assistita da ultrasuoni è influenzata da molteplici parametri di processo, tra cui principalmente:

3.1.1 Tipo di solvente e concentrazione

La selezione del solvente è un fattore chiave che influenza l’efficienza dell’estrazione. Poiché i polifenoli del tè sono molecole polari, i solventi polari come acqua, etanolo, metanolo e le loro miscele sono scelte comunemente utilizzate. Gli studi hanno dimostrato che un solvente misto etanolo-acqua al 50% produce la migliore efficienza di estrazione, con un contenuto fenolico totale che raggiunge 22,69-36,42 mg GAE/g di tè secco; seguito da acetonitrile-acqua al 50% (18,47-33,49 mg GAE/g tè secco); l'acqua pura ha l'efficienza di estrazione più bassa. Un altro studio ha ottimizzato la frazione volumetrica di etanolo al 77,6%.

Negli ultimi anni, i sistemi a solvente ecologici hanno ricevuto ampia attenzione. I solventi eutettici profondi (DES), composti da donatori e accettori di legami idrogeno, possiedono vantaggi come biodegradabilità, bassa tossicità e designabilità. Uno studio ha utilizzato il DES acetato-glicerolo di sodio per estrarre componenti bioattivi dalle foglie di tè, ottenendo un contenuto fenolico totale di 24,76 mg GAE/g di peso secco in condizioni di ampiezza ultrasonica del 90%, tempo di 10 minuti e un rapporto liquido-solido di 30 mL/g. Al contrario, il sistema glicerolo-acqua (idro-glicerolo) ha mostrato una maggiore efficienza di estrazione, ottenendo un contenuto fenolico totale di 90,68 mg GAE/g di peso secco in condizioni di ampiezza ultrasonica dell'86%, tempo di 8 minuti e un rapporto liquido-solido di 24 mL/g.

Un'altra innovazione ecologica è l'estrazione assistita da promotori della crescita idrosolubili. Utilizzando il subtilizzato di sodio (NaCuS) come promotore della crescita idrosolubile, combinato con l'estrazione ad ultrasuoni dei polifenoli del tè in un mezzo acquoso, è stata ottenuta un'efficienza di estrazione del 68,429% in condizioni di un rapporto liquido-solido di 0,05, un tempo ultrasonico di 3,2 ore e una temperatura di 49,9 ℃.

3.1.2 Potenza ultrasonica

La potenza ultrasonica influenza direttamente l'intensità dell'effetto cavitazione. Una potenza troppo bassa provoca una cavitazione insufficiente; una potenza troppo elevata può portare alla degradazione dei principi attivi. Gli studi hanno dimostrato che l'intervallo di potenza ultrasonica ottimale è 250-400 W. Uno studio che utilizza la metodologia della superficie di risposta ha determinato che la potenza ottimale è 250 W; uno studio sull'estrazione del tè verde Jingshan ha utilizzato 400 W, ottenendo un tasso di estrazione del 33,81%; un altro studio di ottimizzazione ha rilevato che la potenza ottimale è di 248,4 W.

3.1.3 Temperatura di estrazione

La temperatura influisce sul coefficiente di diffusione del solvente, sulla solubilità e sulla stabilità del composto target. I polifenoli del tè sono sensibili al calore; temperature eccessivamente elevate possono portare alla degradazione e all'isomerizzazione. Gli studi dimostrano che l’intervallo di temperatura di estrazione ottimale è 45-72℃. Uno studio ha ottimizzato l'estrazione a 72,1 ℃, mentre un altro studio ha raggiunto un tasso di estrazione elevato di 44,82 mg GAE/g di tè secco a 45 ℃. Per il sistema acqua-glicerolo, temperature più basse (circa 50°C) danno buoni risultati.

3.1.4 Tempo di estrazione

Il tempo ultrasonico deve bilanciare l'efficienza dell'estrazione e la conservazione dell'attività. Un tempo troppo breve comporta un'estrazione incompleta; un tempo troppo lungo può causare effetti di calore accumulato e degrado dei componenti. Gli studi dimostrano che il tempo ultrasonico ottimale varia da 8 a 40 minuti. L'estrazione del tè verde Jingshan richiede 40 minuti; un sistema glicerolo-acqua può raggiungere un'elevata velocità di estrazione in soli 8 minuti.

3.1.5 Rapporto solido-liquido Il rapporto solido-liquido influenza il gradiente di concentrazione e la forza motrice del trasferimento di massa. Un rapporto troppo basso determina un solvente insufficiente e un'estrazione incompleta; un rapporto troppo elevato aumenta i successivi costi di concentrazione e il consumo di solvente. Studi di ottimizzazione mostrano che il rapporto solido-liquido ottimale è concentrato nell'intervallo 1:24-1:36 g/mL. Uno studio ha determinato un valore ottimizzato di 1:35,8; il valore ottimizzato per il sistema glicerolo-acqua è 1:24.

L'estrazione assistita da ultrasuoni, come tecnologia verde ed efficiente, ha mostrato vantaggi significativi nell'estrazione dei polifenoli del tè dal tè verde. Ottimizzando i parametri chiave del processo (potenza ultrasonica (250-400 W), temperatura di estrazione (45-72℃), tempo di estrazione (8-40 minuti) e composizione del solvente, la velocità di estrazione dei polifenoli del tè può raggiungere 21,78-44,82 mg GAE/g di tè secco. Lo sviluppo di sistemi di solventi verdi (solvente eutettico profondo, glicerolo-acqua, promotore della crescita idrosolubile) migliora ulteriormente la compatibilità ambientale del processo. La metodologia della superficie di risposta è attualmente lo strumento di ottimizzazione tradizionale, mentre i metodi di intelligenza artificiale come l’apprendimento automatico stanno diventando nuove frontiere della ricerca. Le attività funzionali antiossidanti, curative della pelle e antibatteriche degli estratti gettano le basi per la loro applicazione nell’industria alimentare, cosmetica e farmaceutica. La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sull’ampliamento dei processi, sulla costruzione di sistemi di standardizzazione, sulla valutazione della sicurezza e sulla sostenibilità del ciclo di vita, promuovendo l’applicazione industriale della tecnologia di estrazione assistita da ultrasuoni per i polifenoli del tè.