Estrazione con fluidi supercritici

L’estrazione con fluidi supercritici è stata utilizzata per molti anni perestrarre i componenti volatili, come gli oli essenziali e gli aromi damateriali biologici su scala industriale.

Quando un gas è compresso ad una pressione sufficientemente alta,diventa liquido; d’altra parte se il gas è riscaldato oltre una certatemperatura non è più possibile farlo ritornare liquido, qualunque sia lapressione esercitata.

Questa temperatura è chiamata critica e la corrispondente pressionedel vapore è chiamata pressione critica. Questi valori di temperatura epressione definiscono un punto critico nel diagramma di stato che ècaratteristico di una determinata sostanza.

Lo stato della sostanza è chiamato supercritico quando la temperaturae la pressione sono più alte dei valori corrispondenti al punto critico. Inqueste condizioni il fluido assume molte proprietà sia dei gas che deiliquidi.

Mostra le condizioni (pressione e temperatura) alle quali quella sostanza si troverà allo stato solido, liquido o gassoso.

Al di là di un certo punto (detto punto critico) non esiste più una netta separazione tra fase liquida e fase gassosa.

La pressione e la temperatura in quel punto sono definite pressione critica (Pc) e temperatura critica (Tc).

Si può definire il punto critico anche come quel punto al di la del quale una sostanza non può essere condensata né mediante una diminuzione della temperatura né mediante un aumento della pressione (CONDIZIONI SUPERCRITICHE)

Diagramma di fase per una sostanza pura.

Un fluido supercritico ha caratteristiche intermedie fra quelle dei liquidi, cui si avvicina per densità, e quelle dei gas, dei quali conserva la indipendenza di ogni molecola da quelle simili che la circondano.

In questo modo conserva dei gas la capacità di diffusione e penetrazione all’interno delle matrici, mentre dei liquidi la capacità solvatante, che è direttamente legata alla densità del fluido.

Queste proprietà rendono i fluidi supercritici capaci di estrarre analiti da matrici in tempi brevissimi e con rese elevate.

In questa regione si ha la massima capacità di solvatazione, che puòessere modificata mediante piccoli cambiamenti di temperatura e dipressione. Inoltre la maggiore diffusività del fluido in queste condizionifacilita un rapido trasferimento di massa e quindi permette di otteneretempi di estrazione più brevi rispetto alle tecniche tradizionali.

Il fluido più adatto per questo tipo di applicazione nell’estrazione diprodotti naturali è la CO2, poiché è un gas inerte, poco costoso,facilmente disponibile, senza odore e senza sapore e non danneggial’ambiente. Il suo utilizzo come fluido per le estrazioni non contribuisceall’aumento dell’effetto serra.

La tecnica consiste nell’utilizzare CO2 in condizioni supercritiche comesolvente per l’estrazione. Poiché la temperatura critica della CO2 èvicina alla temperatura ambientale (31 °C), è possibile estrarremateriale biologico ad una temperatura che si aggira intorno ai 35 °C.In questo modo si evitano processi di denaturazione dei prodotticonnessi con il calore.

La densità della CO2 supercritica a circa 200 bar di pressione è similea quella dell’esano, e quindi in queste condizioni si comporta come unsolvente non polare in grado di estrarre composti non polari.

Variando la pressione è possibile variare la densità della CO2 e quindimodificarne le proprietà estrattive. Riducendo la temperatura o lapressione si ottiene la precipitazione dei soluti e lasciando evaporarela CO2 è possibile ottenere prodotti senza residui di solventi.

Le condizioni supercritiche vengono raggiunte dalla CO2 oltre i31° e le 73 atm.

E’ possibile inoltre variare il potere di estrazione della CO2

aggiungendo dei modificanti organici come metanolo o etanolo.Utilizzando questo sistema però tracce di questi solventi rimangononell’estratto.

Questa tecnica è particolarmente adatta all’estrazione di composti utiliin campo alimentare o farmaceutico in cui le richieste di purezza deicomposti sono molto severe.

Inoltre l’estrazione con fluidi supercritici è un processo che nonproduce inquinamento ambientale, a differenza dei classici processi diestrazione in cui bisogna smaltire una grande quantità di solventiorganici.

Esempi di estrazioni con CO2 supercritica utilizzate a livello industrialesono l’estrazione della caffeina dal caffè; l’estrazione del colesterolodal burro, la produzione di carne a basso contenuto di grassi,l’estrazione dello squalene dall’olio di fegato di merluzzo.

Estrazione con ultrasuoni

L’estrazione di composti biologicamente attivi da materiale vegetalepuò essere facilitata utilizzando ultrasuoni. Gli effetti degli ultrasuonipossono essere descritti nel seguente modo:

Facilitano la rottura delle pareti sottili delle cellule vegetali checontengono gli oli essenziali, facilitandone il rilascio nel solventeutilizzato per l’estrazione;

Facilitano l’idratazione del materiale vegetale causandol’allargamento dei pori della cellula: in queste condizioni iltrasferimento di materiale è facilitato e i tempi di estrazionerisultano ridotti.

Estrazione mediante microonde

L’assorbimento dell’energia delle microonde avviene con 2 meccanismi:- Rotazione dei dipoli- Conduzione Ionica

Estrazione mediante microonde

L’utilizzo di microonde per riscaldare il solvente utilizzatonell’estrazione porta ad una significativa riduzione dei tempi diestrazione.

L’utilizzo di microonde porta inoltre ad una riduzione della quantitàdi solvente utilizzata, rispetto a quella necessaria nella tecnica diestrazione classica mediante Soxhlet.

Oltre a provocare un più efficace riscaldamento del solvente diestrazione, le microonde sono in grado di interagire con le molecoledi acqua presenti nelle cellule, portando alla rottura dei tessuti dellapianta e quindi al rilascio degli oli essenziali nel solvente diestrazione.

Le microonde provocano l’allineamento delle molecole chepossiedono un momento dipolare (permanente o indotto) con il campoelettrico dell’onda elettromagnetica, sia nel solvente che nella matricesolida da estrarre.

Questa oscillazione produce collisioni con le molecole circostanti equindi l’aumento di energia cinetica che provoca il riscaldamento. Piùgrande è la costante dielettrica del solvente, maggiore è ilriscaldamento prodotto.

Le microonde, a differenza dei metodi classici in cui il riscaldamentoavviene per conduzione del calore, riscaldano l’intero campionesimultaneamente.

L’effetto dell’energia liberata dalle microonde dipende fortemente dallanatura del solvente e della matrice solida. I solventi generalmenteutilizzati nelle estrazioni di prodotti naturali variano dall’esanoall’acqua, coprendo un ampio range di polarità.

I solventi poco polari non interagiscono efficacemente con lemicroonde, ma è possibile migliorare l’interazione utilizzando misceledi solventi. A volte la matrice stessa interagisce con le microonde,mentre il solvente circostante con bassa costante dielettrica rimanefreddo.

Questa situazione presenta alcuni vantaggi nel caso di compostitermolabili ed è stata efficacemente utilizzata per l’estrazione di oliessenziali.

Le microonde inoltre interagiscono selettivamente con le molecolepolari presenti nelle cellule e nei tessuti vascolari; il riscaldamentolocalizzato porta all’espansione e alla rottura della parete cellulare conliberazione degli oli essenziali.

La tecnica di estrazione mediante microonde ha permesso di estrarreefficacemente molti prodotti naturali come terpeni, glucosidi, alcaloidi,carotenoidi, steroidi, tassani oltre a numerosi oli essenziali.

L’estrazione con liquidi pressurizzati funziona in maniera simile

all’estrazione con Soxhlet con la differenza che I solventi si trovano in

prossimità della loro regione supercritica e possiedono elevate proprietà

etsrattive.

L’elevata temperatura aumenta la solubilità e la velocità di diffusione

del solvente, diminuendone la viscosità, mentre l’elevata pressione

mantiene il solvente al di sotto del suo punto di ebollizione.

Ad elevati valori di T e P i solventi penetrano con più facilità nella

matrice solida, permeando i pori del materiale vegetale.

Il processo di estrazione è più efficace e più veloce e con un ridotto

utilizzo di solventi.

ESTRAZIONE CON LIQUIDI PRESSURIZZATIPLE™ (Pressurized Liquid extraction) oASE® Accelerated Solvent Extraction

Poiché spesso i composti organici sono instabili in ambiente idrofobico, utilizzando la tecnica dell’estrazione con solventi pressurizzati è possibile utilizzare per l’estrazione solventi completamente miscibili con acqua come metanolo o etanolo. Pressurizzando un sistema monofasico di questo tipo con un gas vicino alle sue condizioni critiche, si può indurre una separazione tra le fasi liquide che si dividono in una fase ricca in acqua ed in una ricca in solvente organico. In questo modo è possibile ottenere l’estrazione di composti naturali da una fase acquosa ad una fase idrofilica.

Il campione viene caricato in un’apposita cartuccia di estrazione, che viene poi chiusa. Il sovente (esano, DCM, Toluene, ecc.) viene dispensato mediante una pompa HPLC nelle cartucce di estrazione. Il sistema di controllo PLE™ incomincia quindi a pressurizzare e scaldare. La P viene mantenuta a 1500-3000 PSI (pari a circa 100-200 atm), e la temperatura a 70-200 °C.

A seconda del metodo utilizzato il solvente di estrazione viene poi raccolto oppure trasferito ad una colonna preparativa per la purificazione cromatografica.

Naviglio Estrattore® o Estrattore Rapido Solido-liquido Dinamico

L'estrattore rapido solido-liquido dinamico rappresenta una tecnologia

innovativa di estrazione solido-liquido che permette di esaurire in tempi

brevi le matrici solide contenenti sostanze estraibili in un solvente

organico o inorganico ed in loro miscele.

La novità sta nel fatto che cambia la filosofia estrattiva poichè viene

invertita la tendenza dei metodi attuali che mirano a riscaldare il sistema

estrattivo per aumentare la resa ed accelerare i tempi di estrazione; il

Naviglio Estrattore® effettua l'estrazione a temperatura ambiente o sub-

ambiente e sfrutta un aumento di pressione del liquido estraente sulla

matrice solida da estrarre.

L’importanza di estrarre a basse temperature risiede nel fatto che in questo

modo viene evitato lo stress termico a carico di sostanze termolabili.

Perciò è possibile, ad esempio, riprodurre fedelmente la composizione

delle sostanze contenute nelle piante officinali senza indurre

trasformazioni a carico dei princìpi attivi, che in genere sono i composti

più “delicati” da estrarre in quanto risentono degli effetti della

temperatura.

1. il sistema, dopo il riempimento, viene chiuso e messo sotto pressione dall’azione meccanica di due pistoni spinti ad aria compressa. La pressione esercitata dai pistoni viene trasferita a tutta la massa liquida poiché le due camere di estrazione sono collegate tramite un condotto.

2. fase di statica: quando viene raggiunto il valore massimo di pressione impostata (5 atm), il sistema viene fermato per il tempo necessario a stabilire un equilibrio tra l’interno e l’esterno della matrice solida; il liquido penetra all’interno del solido e permea tutti gli spazi vuoti attraversando anche le pareti cellulari dei vegetali in una maniera più efficace rispetto alla macerazione.

3. fase di dinamica: trascorso la fase precedente, i pistoni vengono rapidamente messi in movimento, generando così un abbassamento immediato della pressione nel sistema (1 atm). Inizia così la fase estrattivo. le sostanze estraibili vengono trasferite nel solvente estraente per un effetto di “risucchio” dovuto al gradiente di pressione negativo venuto a crearsi tra l’interno e l’esterno della matrice solida. Inoltre, il movimento dei pistoni produce un rimescolamento del liquido in tutto il sistema che evita la formazione di zone di sovrasaturazione.

4. Alla fine dell’estrazione il solvente estraente viene espulso attraverso una elettrovalvola e raccolto in un apposito contenitore

Il Naviglio Estrattore® è dimensionabile a diverse grandezze, da quelle industriali (100-1000 L) fino a quelle di laboratorio o ( 50 ai 500 mL)

Nel Naviglio Estrattore®, essendo l’azione estrattiva di tipo meccanico,

bastano pochi cicli estrattivi, circa venti, che si concludono in circa due

ore, per portare a completo esaurimento qualsiasi matrice solida che

contiene del materiale estraibile. Perciò, nei confronti della macerazione,

che è un metodo ufficiale di estrazione in molti processi, l’estrazione è

rapida ed esauriente allo stesso tempo. Inoltre, è possibile effettuare una

estrazione acquosa grazie ai ridotti tempi di estrazione, cosa impossibile

da realizzare per macerazione.

Il Naviglio Estrattore® è una tecnica poco costosa e richiede un

dispendio energetico minimo, se paragonata all’estrazione con fluidi

supercritici (Anidride carbonica supercritica) o all’estrattore ASE®

(Accelerated Solvent Extraction) brevetto della Dionex americana.

• L’impiego più importante del Naviglio Estrattore® è nel settore delle piante officinali; la Farmacopea Ufficiale impone una estrazione di ventuno giorni in macerazione per l’ottenimento dell’estratto; industrialmente l’estrazione viene condotta utilizzando dei percolatori che consentono di ottenere una grande quantità di estratto in tempi brevi, impiegando un blando riscaldamento del sistema e sacrificando la completezza della estrazione. Prove analitiche di confronto hanno evidenziato che gli estratti ottenuti con il Naviglio Estrattore® contengono una quantità di princìpi attivi maggiore di quella ottenibile con le tecniche ufficiali ed industriali. In questo settore l’importanza di ottenere estratti con princìpi attivi non degradati sta nel fatto che aumenta l’attività farmacologia degli estratti stessi.

• Anche nell’industria delle bevande trova utile impiego il Naviglio Estrattore® rispetto alla macerazione per tutta una seria di bevande alcoliche derivanti da estratti in alcol etilico di bucce di agrumi (limone, mandarino, arancio etc.) oppure da erbe come nel caso degli amari. Nell’industria dei profumi è ancóra possibile ottenere degli estratti di piante odorose e aromatiche in alternativa alla macerazione.

T r i m i r i s t i n a

O

O

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L a t r i m i r i s t i n a è u n t r i g l i c e r i d e c o s t i t u i t o d a t r e c a t e n e d i a c i d o m i r i s t i c o( C 1 4 ) l e g a t e a d u n a m o l e c o l a d i g l i c e r o l o .E ’ i l p r i n c i p a l e c o m p o n e n t e d e l l ’ o l i o e s s e n z i a l e c h e s i o t t i e n e d a l l an o c e m o s c a t a , i l c u i c o n t e n u t o d i t r i m i r i s t i n a a m m o n t a a p i ù d e l l ’ 8 0 % .L a t r i m i r i s t i n a i n q u a n t o t a l e v i e n e u t i l i z z a t a s o l t a n t o p e r r i c e r c a es v i l u p p o , c o s t i t u i s c e p e r ò l a f o n t e p r i n c i p a l e d i a c i d o m i r i s t i c o c h ev i e n e o t t e n u t o p e r i d r o l i s i d e l l a t r i m i r i s t i n a .L ’ a c i d o m i r i s t i c o v i e n e u t i l i z z a t o p e r l a p r o d u z i o n e d i s a p o n i ed e t e r g e n t i e n e l l ’ i n d u s t r i a c o s m e t i c a .

Estrazione della trimiristina dalla noce moscata

10 g di noce moscata grattugiata sono posti in un pallone da 100 ml

munito di ricadere. Si aggiungono 50 ml di diclorometano e si

scalda la sospensione a riflusso per 1 ora (agitazione magnetica;

bagno d’acqua).

Dopo raffreddamento si filtra su buchner. Si evapora il solvente e si

ricristallizza il residuo da EtOH. Si filtra il prodotto cristallizzato su

buchner e si lascia asciugare in essiccatore.

Si determina il punto di fusione del solido ottenuto.

Caffeina

La caffeina è stata utilizzata fin dall’antichità come medicinale e comesostanza ricreativa mediante il consumo di piante che la contengono.L’isolamento è stato però effettuato nel 1819 da un giovane medicoche si chiamava Runge.

N

N N

N

O

O

H3C

CH3

CH3

Nell’esperimento che condurremo in laboratorio, si isola la caffeinadalle foglie del the. Il problema principale consiste nel fatto che lacaffeina non si trova da sola nelle foglie, ma in miscela con altresostanze naturali.

Il componente principale delle foglie del the è la cellulosa, un polimerodel glucosio insolubile in acqua. La caffeina invece è solubile in acquaed è una delle principali sostanze estratte nella soluzione chiamata the.La caffeina costituisce fino al 5% in peso della parte fogliare dellapianta del the.

Oltre alla caffeina, si sciolgono in acqua anche i tannini. Il terminetannino non si riferisce ad una sostanza omogenea e neppure ad unaclasse di composti omologhi, bensì ad una classe di composti aventialcune proprietà in comune.

I tannini sono derivati fenolici aventi pesi molecolari compresi tra 500 e3000 e sono utilizzati per conciare il cuoio. La loro caratteristicaprincipale è quella di far precipitare le proteine e gli alcaloidi dalle lorosoluzioni.

I tannini sono divisi in due classi:

I tannini idrolizzabili: presenti nel the, sono esteri dell’acidogallico e del glucosio, in cui alcuni gruppi ossidrilici del glucosiosono sostituiti da gruppi digalloici; per idrolisi danno quindi acidogallico e glucosio.

I tannini non idrolizzabili: sono policondensati della catechina enon presentano struttura uniforme; le molecole di catechina silegano nelle posizioni 4 e 8.

Per estrazione con acqua calda i tannini presenti nel the vengonoparzialmente idrolizzati e quindi nell’estratto si trova anche acidogallico libero.

La caffeina può essere estratta dalla soluzione acquosa concloruro di metilene.

ORO

ROOR

OR

OR

R = H, glucosioR = digalloile, tannino

O

OO

OH

OH

OH

OH

OH

Residuo digalloico

O

OH

OH

OH

OH

HO

4

8

Catechina

COOH

OH

OH

HO

Acido gallico

Estrazione della caffeina dal the 10 g di the vengono posti in una beuta da 250 ml; si versano 100 ml

di acqua bollente. Si lascia sotto agitazione in infusione per 10 min,

quindi si decanta il liquido. Si aggiunge acqua calda (100 ml) e si

decanta nuovamente. Si effettua poi un’ultima aggiunta di acqua

calda (100 ml) e dopo aver lasciato in infusione si filtra il residuo su

cotone.

Si lascia raffreddare l’estratto acquoso e si estrae con cloruro di

metilene. Si controlla in TLC (eluente CH2Cl2/MeOH 20:1).

Si anidrifica la fase organica su sodio solfato e si evapora il

solvente. Si ricristallizza il grezzo da acetone.

Si lascia asciugare all’aria e si determina il punto di fusione.

Eugenolo

OH

OCH3

L’eugenolo è una molecola chimica aromatica che si estraedall’olio essenziale ottenuto dai chiodo di garofano.E’ diffusamente utilizzato nella pratica dentistica per le sueproprietà di analgesico e antisettico.Gli ambiti in cui viene utilizzato l’eugenolo sono:

Antisettici; Cosmetici; Analgesia dentale; Alimentari; Colluttori;

Estrazione dell’eugenolo dai chiodi di garofano 4 g di chiodi di garofano in polvere sono posti in un pallone da

100 ml. Si aggiungono 50 ml di diclorometano e si scalda a

ricadere per 15 minuti (agitazione magnetica; bagno d’acqua)

Si lascia raffreddare, si filtra il residuo solido e si analizza

l’estratto in TLC confrontandolo con lo standard. Utilizzando

come solventi etere di petrolio e acetato di etile, trovare la

miscela più adatta ad eseguire la separazione cromatografica.

Si purifica l’estratto mediante colonna cromatografica e si

evaporano le frazioni contenenti l’eugenolo (ricordarsi di

tenere un riferimento del grezzo)